闽南地区群体建筑调查及易损性分析

周文琪，王素裹

(福州大学土木工程学院，福建福州 350116)

0 引言

调查区域分布在闽东火山断拗带、闽西南拗陷带，主要属于华南沿海地震带内，地震活动较为活跃，近百年在该区域内发生的规模较大的地震在影响较大的区域的烈度达到了7～8度，地震危险性高，属于重点防御区［1］．

工程地震易损性是指与地震动参数相关的工程结构的条件破坏概率．本文采用的建筑结构易损性预测方法是类比法，主要通过现场采集现有房屋的基本信息(如年代、结构、类型等)，并对采集到的信息进行具体分析，预测房屋在不同的地震烈度下的破坏情况，从而得到群体建筑易损性矩阵．对地震多发区内的房屋结构进行易损性评价并制定防震减灾规划，对于地震应急响应、城市规划、地震损失的降低等具有重要的意义．

为明确福建地震多发带的房屋建筑状况，同时为震时抗震救灾提供技术参考，分别对厦门(7度，0．15g)、泉州(7度，0．15g)、漳州(7度，0．15g)、莆田(7度，0．1g)、龙岩(6度，0．05g)等地进行了群体建筑抽样调查．按照GB/T 19428－2003《地震灾害预测及其信息管理系统技术规范》［2］，群体建筑抽样总数为抽样区域内总建筑数量的5%～10%．抽样房屋按照类比法的分类标准分为单层厂房、砌体房屋、石结构房屋、钢筋混凝土房屋、高层房屋、老旧民房以及其他结构类型房屋．

1 抽样房屋概况

1．1 框架结构

框架结构常用于城市中的多层住宅、公共建筑、工业建筑等．现浇钢筋混凝土框架结构的整体性好，刚度分布较均匀，具有良好的抗震能力．我国城市中在建国以后，特别是近20～30年建造的钢筋混凝土框架类结构，多按照规范要求设防，其在地震作用下的安全性得到保证．在汶川地震中，框架结构抗震性能的优越性得到了良好的展现，多数框架结构的主体结构基本完好．但是根据按2001版抗震规范设计房屋的震害表明:“强柱弱梁”，“强剪弱弯”，“强节点弱构件”等设计理念依旧难以实现［3］．2013年芦山地震实际震害调查发现，依照2010版抗震规范设计建造的框架结构房屋“强梁弱柱”的震害现象依然普遍存在．

而随着社会经济的发展，在农村地区也出现了大量的框架结构．近十年来，框架结构的数量在农村地区大量增加．但是农村中新建的框架存在以下问题:

1)农村地区框架结构一般未经过专门的设计，无法确保结构构件尺寸与配筋等符合规范要求，其受力性能很难得到保证;

2)这部分房屋的施工缺少统一的监管，施工质量很难得到保证;

3)由于未经统一的规划和设计，村民缺乏抗震知识，片面追求美观或者体型，不注重抗震构造，且房屋建造的资金投入不足，随意性大．

因此，农村地区的框架结构的抗震能力很难得到保证．图1、2均为采用框架结构4～5层的自建民房．这两个结构的梁柱布置较为随意，图1中结构梁柱截面尺寸设置较为随意，梁截面尺寸大于柱截面尺寸．图2中结构为获得更大的使用空间，在2层以上设1～2米的悬挑，且在悬挑区域砌筑外墙．这种构造很难满足结构变形的协调性．从外立面来看，两个框架和填充墙的施工质量仍然有待提高．

图1 泉州灯星社区框架结构Fig．1 Frame of Dengxing community in Quanzhou

图2 莆田埭里村民宅Fig．2 Frame of Daili community in Putian

1．2 砌体结构

虽然框架结构大量出现，但是，砌体结构仍然是农村地区的主要结构类型，城市中也分布有大量的砌体结构．对闽南地区砌体结构进行调查，主要发现以下几点问题:

1)砌体抗震构造措施不足．历次震害表明，在多层砌体房屋中设置构造柱和圈梁是有效的抗震措施，可以明显提高房屋空间刚度和抗侧力能力，增加建筑物的整体性，防止地基的不均匀沉降，使房屋在地震作用下不致整体倒塌而危及人民生命财产安全．GB 50011－2010《建筑抗震设计规范》［4］和GB 50003－2011《砌体结构设计规范》［5］都对砌体结构钢筋混凝土圈梁构造作了详细的规定．

由于抗震概念的缺乏及造价的限制，调查区砌体结构圈梁构造柱的设置并不普遍，即使设置，也很难满足规范的要求．图3所示为龙岩龙门镇谢洋村六层砌体结构，该砌体结构只设置圈梁，未设置构造柱．图4所示莆田新度镇的砌体结构，在结构二层并未设置圈梁，在结构二层以上才进行了圈梁和构造柱的设置，构造柱和圈梁尺寸过小，墙体洞口过大．这类为节省材料，圈梁构造柱尺寸偏小的结构在调查区域范围内大量存在．由于这些房屋未采用良好的抗震措施，所以很难保证在大震作用下实现“大震不倒”．值得欣慰的是，不少经济发达地区农村自建房都采用了现浇式楼盖，预制板的使用正在逐步减少．

2)底框结构及其他特殊结构大量存在经济较发达地区．以厦门市围里社区为例，该区域内大部分结构层数为5～6层的框架结构和底框结构，且排列十分紧凑，地震时容易发生连锁反应．通过对当地村民进行采访发现，有不少的房屋是在2000年左右新建，起初计划建造层数在3～4层左右，但是在拆迁政策发布后加高到5～6层，部分未经过设计的框架甚至达到了8～9层．这类房屋未采取适当的安全措施，抗震性能无法得到保障．

除此之外，也发现部分房屋下部二至三层采用框架结构，上部二至三层采用砌体结构，如图5所示．由于这种结构上下两部分采用不同的结构体系形式，其竖向刚度并不连续．总体来看，底部框架－抗震墙房屋的抗震性能比多层砌体房屋稍弱［4］，因此圈梁与构造柱设置要求更为严格，但图5中的结构在上部砌体部分并未按照规范要求设置构造柱，其安全性能无法得到保证．

图3 龙岩谢洋村砌体Fig．3 Masonry of Xieyang community in Longyan

图4 莆田市东坝村砌体Fig．4 Masonry of Dongba community in Longyan

图5 下部框架上部砌体Fig．5 Structure with frame and masonry

在厦门墩下社区还发现以砖砌柱作框架柱的4层框架结构，如图6所示．由于这种结构的砖砌柱中未设置钢筋，本身整体性较差，且砌体结构抗剪能力普遍弱于钢筋混凝土结构．同时，砌体柱的变形能力较差，在侧向力作用下并不能保证结构有足够的延性，从而发生脆性破坏．因此在地震发生时，这类结构的抗震性能无法得到保证．建议对这类结构进行普查，重点进行加固．

3)黄土砂浆的使用．在龙岩、莆田等地区发现大量以黄土拌合砂浆作为胶凝材料砌筑的砌体结构，如图7所示．《砌体结构设计规范》［5］中对砂浆强度主要根据水泥砂浆和混合砂浆制定，而对于此类黄土砂浆强度能够达到的最高等级，仍然需要通过试验进行确定．由于相关技术资料的缺乏，对于这部分结构的抗震性能，并不能作出合理的判断．虽然目前尚未有关于黄土拌合胶凝材料使用的技术标准，但是在调查区域范围内使用该材料的砌体结构大量存在，个别甚至达到7层．建议尽快对该种材料的性能进行研究，制定农村地区黄土拌合胶凝材料使用的指导意见．

1．3 石结构

石结构作为一种特殊的砌体结构形式在闽南地区仍然广泛存在．闽南地区石结构砌筑方法采用有垫片干砌甩浆，饱满度有较大差异，砌体整体抗剪强度低，楼屋盖多采用条石，容易造成脆性破坏［1］，且大多数石结构房屋未经设计，年代较为久远，使用状况较差，抗震性能不强．

石结构房屋的存在主要有以下几种形式:

1)基础以上0．5 m左右采用石结构，上部均采用砖砌结构，如图8．

2)结构底层采用石结构，二层以上采用烧结砖砌结构，如图9．

3)底层石结构和烧结砖砌体错接，如图10．

4)房屋整体为石结构，如图11．

华侨大学施养杭［6］针对石结构的受力性能进行了大量的研究，但是这些研究主要针对整体石结构，而对石结构与砌体混合结构的受力性能的研究尚不充分．从结构刚度分布均匀性的角度看，由于1～3类房屋刚度分布不均匀且整体性差，震害与整体石砌结构的房屋相比相对严重．

图6 砖砌柱框架Fig．6 Frame of brick frame

图7 黄土砂浆Fig．7 Loess mortar

图8 底部石结构Fig．8 Stone masonry at the bottom

图9 底层石结构Fig．9 The structure of stone masonry at the 1st floor

图10 石结构与砌体底层错接Fig．10 The structure of mixed － use stone masonry and brick setting at the 1st floor

图11 整体石结构Fig．11 Stone masonry building

1．4 高层结构

随着经济社会的发展和城市化进程的加快，城市人口急剧增加．高层结构作为城市中的办公楼，住宅楼大量出现．且仍然以一个较快的速度增长．以泉州市为例，2000年泉州市群体建筑调查易损性分析十层以上建筑结构栋数只占抽样总数的1．25%，而本次抽样该类型结构占到了总数的3．07%，漳州市的达到了7．11%．调查过程中各地均有大量20层左右的高层结构正在施工．高层结构一般以框架结构，框架剪力墙结构为主，这类结构有框架柱和剪力墙承受侧向力作用，结构本身受力性能良好，且都经过可靠的设计，在施工阶段也有充分的质量保证体系，因此其抗震性能较好．最终的易损性分析结果表明，高层结构在各烈度下的震害结果在各类结构中最轻．

1．5 老旧土木结构

调查过程中发现，经济欠发达地区五六十年代建造的老旧土木结构房屋依然大量存在，泉州市占到调查栋数的5．26%，龙岩市占调查栋数的6．22%．由于土木结构以土墙支承木梁．土木结构的山墙通常比较高强度低自重大稳定性差，地震时承受的地震作用较大，加之与木构架无可靠的拉接，容易震酥，震裂而倒塌［7］．老旧土木结构在地震易损性调查中属于抗震性能较差的结构类型．

2 震害预测

2．1 计算方法

易损性预测采用类比法［8］．通常来说，不同结构类型的两幢建筑物在选定类比参数的情况下，其震害程度差异要大于同种结构类型，所以数据库(包括样本库与预测库)及所编制的预测程序均按照结构类型进行分类，在计算时只对相同结构类型建筑物数据库进行搜索．将建筑物的结构类型划分为七类:单层厂房、高层、框架、老旧民房、砌体、石结构及其它结构．

对于不同的结构类型的建筑，需要根据已有的震害样本建立相应的样本库，同种结构类型的建筑通过与样本库中相近的结构进行类比，得到其在各烈度下的震害情况．根据不同结构类型的受力特点和抵抗地震力的指标，采用不同的数学模型计算出各个样本在不同烈度下的震害指数，从而建立各类结构相应的样本库．X，Y分别表示待预测建筑物与知识样本库中的两幢建筑物，它们的高度分别用x1和y1表示，建设年代分别用x2和y2表示，现状质量分别用x3和y3表示，用途分别用x4和y4表示，定义加权海明距离来比较两幢建筑物的相似程度．

式中:ωi(i=1，2，3，4)表示权重，反映每个因素对问题的影响程度．

通过上面的分析，可以利用建筑物与知识样本库中的所有具有相同结构类型的建筑物进行类比，求其海明距离，定义其距离向量为:d=［di1，di2，…，din］．其中，最小值dmin所对应的建筑物的震害结果从表面上看与待预测建筑物的震害情况最为相似，对样本和待测建筑物的相似度进行最小二乘法加权逼近后取其震害结果作为待预测建筑物的易损性预测结果．具体的计算过程如图12所示．

图12 计算方法简明流程Fig．12 Brief procedure of calculation method

2．2 预测结果

以泉州市为例，本次调查共抽取泉州市内共5 499栋各类型建筑，分别计算其在6、7、8、9、10度5个烈度下的震害情况，其计算结果如表1所示．

表1 泉州市各类型建成易损性分析结果Tab．1 Vulnerability analysis result about various types construction of Quanzhou

续表1

3 结论

1)各地城乡框架结构，高层结构等利于抗震的结构逐步增加，但是农村地区框架结构抗震性能无法得到充分保证．

2)大部分地区砌体结构以90年代后新建为主，但多数砌体结构没有足够的抗震措施保证其抗震性能．

3)部分经济欠发达地区石结构，老旧土木结构房屋仍然大量存在，这部分房屋抗震性能极差，建议尽快对其改造．

4)农村地区，城中村民房抗震性能较城市而言依旧较差，建议在保证城市建筑抗震能力的同时，也充分考虑农村建筑的抗震性能．

通过调查，对闽南地区各地的建筑结构类型的分布和震害易损性预测情况有了详细的了解．希望这次调查分析的结果，能够对相关部门的规划决策提供有效的依据，从而有效减少地震发生时当地的人员伤亡和财产损失，为地震灾害的预防，地震发生时的救援工作提供理论依据和技术支持．