盖州地区农居抗震能力调查

邹 博，肖 遥，李 伟，柯秋实，丁 浩

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

地震易发区房屋设施加固工程是自然灾害防治能力建设的重点工程之一，目的是利用工程手段有效降低地震灾害风险。调查（排查）—鉴定—加固是加固工程实施过程中的三大关键环节，其中抗震能力调查是基础性关键环节。辽宁省多次震害实例表明，省内农居抗震能力仍相对薄弱、老旧农居存量高，中等强度的地震就能给农村带来很大的经济损失，大地震作用下则可能导致农村地区出现灾难性后果[1-2]。

辽宁省盖州地区地震危险性高，民居暴露存量大。为了更准确地了解盖州地区农居的抗震能力，做好房屋设施加固工程的准备工作，在辽宁省老震区农村地震风险评估与管理示范项目支持下开展了盖州地区农村农居抗震能力调查工作。通过实地抽样调查，调研组结合盖州农居的结构特点、年代分布和尺寸特征，对农居进行了抗震能力分类，并进一步指出了农居在抗震能力方面存在的主要不足，对于未来更好的实施地震易发区房屋设施抗震加固工程具有借鉴意义。

1 调查区地震危险性背景

辽宁省盖州地区地震构造发育，金州断裂是区内最主要的断裂构造，贯穿盖州，在晚更新世有活动，包括九寨—盖州段、大石桥北—盖州段。其中，九寨—盖州段控制了熊岳第四纪盆地的发育，在熊岳盆地附近记载有1493 年4级地震和1940 年5级地震，现代地震活动频繁，形成由盖州北至熊岳一带的震群活动。大石桥北—盖州段为下辽河盆地沉积东界，断裂两侧差异升降运动显著，在该断裂与海城河断裂相交汇盖州东北缘地域，有海城7.3 级地震发生，现代地震活动密集。据分析，盖州地区内金州断裂九寨—盖州段及熊岳盆地、金州断裂大石桥北—盖州段具有发生6～7 级左右地震的构造条件，地区西北部营口及附近地区具有发生6～6.5 级左右地震的构造条件，地区东北部海城地震区具有发生7～7.5 级强震的构造条件（图1）。总的来说，盖州地区具有较高的地震危险性。

图1 盖州及周边地区破坏性地震震中位置及主要断裂分布Fig.1 Location of destructive earthquakes and distribution of major faults in and around Gaizhou

2 盖州地区农居抗震能力分类

本次实地调研的工作量在表1 中给出，图2 则给出了调查点分布情况。在农居普查和抗震性能评价工作中通常采用结构形式和年代特征两种划分方法[3-5]。这两种划分方法均存在一定程度的不足，例如，盖州地区2010 年后新建砖木结构基本设置了圈梁和构造柱，该类砖木建筑与传统砖木建筑的抗震能力明显不同，如对结构形式进行更专业的再细分则容易给普查工作带来不便；同年代跨度内农居的抗震能力亦可能有较大差别，简单利用年代跨度统计容易引入较大的偏差。JGJT 363-2014《农村住房危险性鉴定标准》根据性能将农村住房危险等级划分为四类，并针对不同结构形式给出了结构构件的危险性鉴定要点[6]。肖遥等[7]对辽宁省盘锦、海城、营口地区农村住宅房屋的抗震性能进行了调查分析并将结构与年代特征相结合给出了农村住宅的分类方法。

表1 工作量简表

图2 盖州地区地形特征与调查点分布Fig.2 Topographic characteristics and survey points distribution in Gaizhou area

本次调查发现，由于盖州地区石材丰富，民居结构类型以砌体结构和石结构为主，部分老旧房屋兼具木结构特征。其中，砌体结构可细分为砖木结构、砖混结构、设防砖木结构、设防砖混结构。砖木结构和砖混结构均采用砖砌筑的墙竖向承重，区别在于屋顶采用木制结构还是钢筋混凝土结构。是否“设防”则通过是否设置构造柱来判定，尽管圈梁也是一种设防的构造措施，但为了突出新建民居中构造柱的作用，将构造柱作为判定标准。老旧砌体结构有采用木柱和砖柱或砖墙混合承重的，因此兼具木梁木柱结构特征。石结构则可细分为传统石结构和现代石结构，传统石结构是一种兼具部分土木结构和砌体结构特征的混合结构，其山墙、后纵墙和前纵墙窗台以下用毛石和粘土砌垒，外用水泥勾缝，前纵墙窗台及以上部分用砖砌筑，前纵墙门窗开洞间设置木柱或者用砖柱；现代石结构则与设防砖混结构相似，只是用条石或料石取代砖作为砌块。借鉴JGJT 363-2014《农村住房危险性鉴定标准》的做法，结合以往工作与本次调研成果可将盖州地区的农居按抗震能力大体分为以下几类：

Ⅰ类：在年代上，主要是2000 年后建造的房屋；在结构上，包括设防砖木、设防砖混和现代石结构，以单层建筑为主，2010 年后少部分经济条件富裕的家庭新建两层楼房。采用普通烧结砖或者条石作为砌块，通常外墙厚度370 mm，内墙厚度240 mm，条石砌块的外墙厚度或可达到500 mm；砌筑砂浆方面采用水泥砂浆，灰缝厚度约10 mm，较饱满。均设置上圈梁，地圈梁，四角设置有构造柱，2010 年后习惯在窗间壁亦设置构造柱；屋盖按外形可分为平屋面和双坡屋面，双坡屋面主要为了防漏，采用三角形屋架搭在圈梁上；地基主要采用“满堂红”式，通常将地基砌垒较高，做小地下室，但一般设置的地下室进深较浅，不影响其上部房屋的稳定性。前纵墙均设置大开窗，山墙侧开窗的情况也较为普遍。图3 给出了此类结构的典型代表建筑：（a）三块石村二层楼房照片，设防砖混结构；（b）天保东村民居正面照片，设防砖木结构，前后设置8 根构造柱；（c）塔子沟村民居正面照片，现代石结构，设置了较高的地基，并利用地基高度形成一层地下室；（d）塔子沟村民居地下室照片，利用地基作为地下室后墙，地下室在地基中进深较浅，有混凝土现浇梁支撑，不影响上部结构的稳定性和抗震能力。

图3 盖州地区典型Ⅰ类农居Fig.3 Typical examples of the rural dwellings type Ⅰ

Ⅱ类：主要建造于上世纪90 年代的单层农居。结构特点大体与Ⅰ类房屋相似，最主要的区别在于，该类房屋在构造上仅设置有上圈梁和地圈梁，未设置构造柱，早、中期多使用配筋砖圈梁，后期才开始使用钢筋混凝土圈梁。砌筑砂浆方面采用混合砂浆，配比较Ⅰ类略差。屋盖通常为平屋面和双坡屋面，其中平屋面是用木制屋架搭配彩钢屋盖，做成的“假捣制”形式，地基多采用条形基础。图4 给出了该类结构调查照片，（a）三块石村民居正面照片，（b）矿洞沟村民居正面照片，（c）天保东村民居正面照片，（d）天保东村民居侧面照片。

图4 盖州地区典型Ⅱ类农居Fig.4 Typical examples of the rural dwellings type Ⅱ

Ⅲ1类：主要建造于上世纪70 年代中期以后，年代分布区间大致是1975 年至1989 年，结构形式上通常是砖木结构和传统石结构。传统石结构外墙分两层，内层用毛石粘土砌筑，外层包稍加工的块石或条石；砂浆方面早期采用粘土砂浆，该类砂浆强度极低，80 年代后期部分采用了混合砂浆，但配比明显较前两类农居差；没有设置上圈梁，少数设置了地圈梁，无构造柱；屋盖方面从外形上看主要为双坡屋面，多采用“硬山搁檩”，少部分房屋做成“假捣制“形式；地基多采用砂土地基。图5（a）、（b）分别给出了三块石村民居正面照片和屋盖形式，砖木结构，（c）中给出了塔子沟村民居正面照片，传统石结构。

Ⅲ2类：主要建造于1975 年前，年代分布区间大致是1940 年至1975 年，部分农民称房屋已有上百年历史，调研中难以考证。属于老旧砖木或老旧石结构，该类结构采用多种建筑材料混合，老旧砖木结构中山墙、后纵墙和前纵墙窗台下通常用毛石砌筑，前纵墙窗台以上用砖砌筑；砂浆采用粘土砂浆，强度极低，外用水泥勾缝；屋盖方面为双坡屋面和拱形屋面，早期多采用木制梁柱体系。需要指出的是，一些Ⅲ1 类和Ⅲ2 类的房屋从结构形式上是相似的，但由于建造年代不同，建筑材料和老化、腐蚀程度有很大差别。图5 中（d）为三块石村民居正面照片；（e）为万福村民居正面照片；（f）为塔子沟村民居正面照片。

图5 盖州地区典型Ⅲ1类和Ⅲ2类农居Fig.5 Typical examples of the rural dwellings type Ⅲ1and Ⅲ2

3 农居抗震能力方面存在的问题

震害实例和研究表明[1-2，10-12]，地震中农居主要表现出两个抗震薄弱环节：（1）在屋顶和支撑墙之间、内横墙和纵墙之间的连接破坏，（2）砌体墙的破坏。其中砌体墙的失效模式在力学表现上主要是剪切断裂，弯曲断裂和滑动断裂；在几何特征上表现为转动失效，柱端滑移失效，斜裂缝失效和底角压碎失效，实际砌体的失效模式也常表现为以上失效模式的组合。力学表现与几何特征相统一，剪切断裂以斜对角线开裂通过砖单元或者下边的砂浆接缝为特征，如图6（c），当主应力达到砌体的对角线抗拉强度时，产生这种情况。弯曲断裂表现有两种，（1）是由于墙平面外弯曲受力产生的水平弯拉破坏，如首先在薄弱部位出现水平裂缝，严重时墙体外闪，如图6（a）；（2）是在细长的约束砌体墙中当纵向钢筋屈服时或发生转动实效时，相反一侧砖砌体的底脚发生压碎，如图6（d）。滑动断裂表现为裂缝沿着水平砂浆接缝，剪切应力达到砂浆和砖之间的粘结强度时出现这种情况，如图6（b）。尽管大量研究指出，在上述破坏模式中剪切破坏造成的斜对角线开裂一直是最主要的破坏模式，并且这一点也被多次大地震现场勘查所证明。但最近辽宁灯塔地震的震害调查发现在较小的地震中（灯塔地震震级M5.1），内隔墙薄弱部位（如门角）出现的剪切破坏，和纵墙外闪也是农村房屋建筑的主要破坏模式。

图6 地震中砌体墙典型破坏模式Fig.6 Typical failure modes of masonry walls in earthquakes

对于上述两个薄弱环节，第一个薄弱环节可以通过加强相应部位的连接能力来加强。第二个薄弱环节主要受制于墙的刚度，延展性，和极限强度三个主要的设计参数，这些参数主要取决于：是否有抗震构造措施、砖和砂浆的强度、砂浆厚度、墙的尺寸和比例、开洞的数量和尺寸以及相对于所在墙的比例、墙上的竖向载荷等方面。通过薄弱环节分析并结合本次调查成果，可以总结出目前盖州地区农村房屋抗震性能仍存在一些问题：

（1）农村房屋关键连接部位拉结措施缺乏或不符合规范。从本次调查统计来看，盖州地区内Ⅲ1类、Ⅲ2类房屋以及部分Ⅱ类都采用“硬山搁檩”的形式，这些民居缺乏有效的拉结措施，屋檐高度处未设置纵向通长水平系杆，两端开间屋架和中间隔开间屋架未设置竖向剪刀撑，山墙山尖墙未采用墙揽与木屋架、木构架或檩条拉结，内隔墙墙顶未与梁或屋架下弦拉结。图7 展示了调查房屋的“硬山搁檩”形式，以及山尖墙的陈旧损伤裂缝。需要注意到，盖州部分地区设防烈度达8 度，几次大地震的震害表明，在8 度地震区檩条拔出、山墙外闪以致房屋倒塌是常见的破坏现象。因此，JGJ161-2008《镇（乡）村建筑抗震技术规程》中规定8 度及以上地区不应采用硬山搁檩屋盖做法[8]。

图7 盖州地区老旧房屋“硬山搁檩”屋架形式和山尖墙陈旧损伤裂缝Fig.7 Roof truss form and damage cracks on the gable wall top in old buildings

（2）是否设置有抗震构造措施。圈梁可以加强建筑物的整体性，减小不均匀沉降，增强房屋刚度，历次震害表明，设有圈梁的砌体房屋的震害相对未设置圈梁的房屋要轻的多，其作用十分明显。构造柱可以有效的抵抗剪力，可以使墙体受力均匀，对墙体起到约束作用，提高墙体的抗震承载力，试验表明圈梁构造柱可以显著提高墙体的抗剪能力[9]。本次调查中盖州地区Ⅲ1类、Ⅲ2类房屋缺乏抗震构造措施，这两类房屋的抗震情况堪忧。

（3）砖和砂浆的质量问题与陈旧损伤问题。砂浆强度是影响墙体抗剪能力的最重要因素，试验表明新制泥浆的抗压强度等级亦只有M0.5，泥浆砌筑的墙片抗剪能力极差[9]。在盖州地区的Ⅲ1类和Ⅲ2类农居中，使用的砖强度不达标，采用强度极低粘土砂浆，尤其是Ⅲ2类房屋老化情况非常严重，对抗震极为不利。另外，这两类房屋由于地基设置的较为简便，地基不均匀沉降等因素造成房屋墙体普遍存在一定程度的陈旧损伤，图8 展示了陈旧损伤的常见形式，这些损伤将成为地震中易首先破坏的薄弱部位，可能进一步引起结构的整体破坏。

图8 盖州地区农居陈旧损伤情况Fig.8 Obsolete injure in GaiZhou old rural dwellings

（4）开洞尺寸问题。大的开洞尺寸一方面会造成整个抗震墙体截面严重不足，使整体的抗震能力不能满足要求，另一方面会造成窗间壁过于细长，从而引起破坏模式的变化，容易发生弯曲破坏。因此在JGJ161-2008《镇（乡）村建筑抗震技术规程》中规定了抗震墙层高的1/2 处门窗洞口所占的水平横截面面积：对于承重横墙，不应大于总截面面积的25%；对于承重纵墙，不应大于总截面面积的50%[8]。在调查中发现，盖州农居前纵墙开洞一般超过《规程》规定标准，在近几年建造的Ⅰ类房屋中这个问题更加严重，并且农居前后纵墙开洞一般有较大差别，后纵墙上窗开洞的尺寸较小、个数也较少，这会导致前后纵墙的刚度不相同，结构的质量中心和刚度中心不一致，造成地震作用下的房屋平面扭转，加重震害。

（5）其他一些问题。同一高度内不应采用不同材料，盖州老式房屋，前纵墙窗台以上采用砖砌，其他三面采用毛石砌筑，如图9 所示，这种做法极不安全。另外，无筋砖砌过梁在地震中低烈度区就会发生破坏，出现裂缝，严重时过梁脱落，因此不应采用。檩条和椽子在搭接时不应浮搁，木屋架应下设木垫板防止应力集中对墙体造成破坏。

图9 盖州地区老旧房屋同一高度采用不同材料砌筑Fig.9 The old dwellings built with different materials at the same height

总的来说，通过调查发现，盖州调研工作区内Ⅰ、Ⅱ类农居具备一定的抗震能力，Ⅰ类农居可以较好抵御未来设定烈度水平地震的作用，Ⅱ类农居在设定烈度水平地震作用下不至于倒塌；Ⅲ1和Ⅲ2类农居抗震能力薄弱，存在较大风险，应该予以加固改造，尤其是Ⅲ2类农居宜考虑重建。同时发现由于受到经济条件的限制，我国农村房屋长期处于自建状态，多数房屋按照当地村民的习惯来建造，缺乏必要的规范约束。尽管近年来的农村房屋很多已经选择雇佣村镇施工队进行施工，使房屋结构施工质量有了较大的提高，但在很多细节上并不符合相关规范和技术标准的要求，因此在加固工程中应大力推进规范知识的普及，引导农民对Ⅰ、Ⅱ类农居中的薄弱环节进行自行加固，对Ⅲ1和Ⅲ2类农居则通过适当的政府补助多方统筹资金予以加固或重建。

4 结论

本文介绍了盖州地区农居抗震能力调查的情况。调查发现盖州地区农居以砌体结构和石结构为主，对农居的构造措施、材料质量和尺寸特征进行了总结归纳，兼顾结构形式和年代特征将盖州地区农居从抗震能力的角度分为四类。基于抗震能力的分类方法有助于简化加固工程中的排查和危房精准识别工作。文中也根据调查结果和地震中农居的破坏模式，对该地区农居在抗震方面存在的主要问题进行了分析，指出了盖州地区现有农居在拉结措施、构造措施、材料质量与老旧损伤、开洞尺寸和建造习惯上存在的种种不足，对在加固工程中采取针对性改造具有一定参考意义。