甘东南农村民居抗震性能现状调查与分析

2022-12-11许晓威钟秀梅马金莲刘富强

地震工程学报 2022年6期

许晓威, 钟秀梅, 王谦, 马金莲, 程超, 刘富强

(1. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃兰州 730000;2. 中国地震局(甘肃省)黄土地震工程重点实验室, 甘肃兰州 730000)

0 引言

甘肃东南部(简称甘东南[1-3])地区位于青藏高原东北缘,受青藏高原北东向挤压作用的影响,新构造运动强烈,强震、大震频发[4]。从公元前193年至今,甘肃地区发生5级以上地震159次[5-6],近年来的破坏性地震就有多次:如2013年岷县—漳县6.6级地震以及2019年夏河5.7级地震。根据强震活动特点,甘东南地区仍处在地震活跃期,可能会再次发生6.0级以上地震[7],地震风险较高。近年来甘东南及邻区的主要地震如表1所列。

表1 影响甘东南的地震及受灾情况[7-16]

由此可见,甘东南地区地震灾害频发,各类建筑物面临较高的地震风险,且甘东南地区属于黄土梁峁沟壑区,地形复杂,地貌特征多样,地震灾害风险加剧。尤其是人口众多(甘肃农村人口占总人口的50%以上[17])、经济水平相对落后(人均可支配收入小于城镇居民的四分之一[17])的农村地区,民居抗震性能现状与地震灾害损失息息相关。因此,调查甘东南农村民居现状,分析其抗震性能,是开展该地区防震减灾救灾工作,保障国家乡村振兴战略稳步实施的重要前提。

部分地区对农村房屋的抗震性能开展了调查,并提出了一些改进措施。Liu等[18]调查了北京市农村民居,大部分农村建筑仍按照传统建造,抗震性能薄弱,提出应同时采用结构柱圈梁框架体系与配筋砌体墙体系两种抗震设防措施。郑国琛等[19]对福建省代表性的县(市)进行农居抗震能力现状调查,针对分析得出的农居抗震薄弱环节,提出了技术与管理层面的建议。Liang等[20]对东北典型农村民居进行调查,发现近80%农居建筑存在缺乏抗震结构措施和构件连接的问题。Su等[21]对河南农村自建房进行抗震性能调查,发现简单砖木结构抗震性能较差。袁中夏等[22]在汶川地震后对四川省青川县的村镇房屋进行了震害的实地调查,对砖混结构房屋进行了震害总结和震害成因分析,发现房屋质量参差不齐,存在安全问题,建议研发适用于农村建设条件的地震安全技术和标准。王强等[23]对汶川地震影响的陇南地区农村的震害现场进行了考察,木构架承重房屋震时表现良好,往往是“墙倒而屋不塌”,但往往因建造时施工工艺不当和使用中缺乏维护而降低其抗震性能。刘玮等[24]总结了汶川地震对甘肃陇南地区农居造成的典型震害及原因,发现缺乏抗震设防的农居即使在低烈度情况下仍然损害严重,应对该类房屋增加抗震构造措施。贾冠华等[25]以汶川地震为例对在不同地震烈度下的砖砌农居进行震害分析,得出该类房屋各个结构的破坏特征,应在提高房屋施工质量的同时采取一定构造措施。王兰民等[26]在岷县—漳县6.6级地震后进行实地考察与分析,发现Ⅷ度极震区的土木结构房屋基本严重破坏或倒塌,而近年来设计的安全抗震农居几乎无倒塌,应推行切合当地实际的抗震结构农居。王谦等[27]对九寨沟地震影响的甘肃地区进行了现场震害调查,由于研究区房屋有效的抗震设防措施以及该地烈度较低,房屋震害比较轻,主要以土木结构、砖木结构房屋墙体出现裂缝为主,砖混结构、框架结构房屋出现细裂缝或墙体无破坏。马海萍等[28]对甘肃省东乡县的农村民居进行了详细调查,分析了民居震害产生的主要原因,并对不同类型的农居提出了针对性的抗震设防技术措施。张津[29]通过查阅资料和实地调查,归纳了甘肃陇南地区农村现状及特点,整体上农居抗震能力较弱,应展开综合防震减灾对策。综上,已有的研究大多基于农居的震害调查,仅在甘肃个别地区开展了实地调查,但针对甘东南地区整体农居的抗震性能现状研究不足,部分结构类型农居研究较少,缺少系统、整体的研究。本文对甘东南农村民居总体抗震性能现状进行调查与分析,明晰各类型现存农居的抗震薄弱环节,为甘东南地区开展农居抗震设防技术研究及乡村防震减灾工作提供数据支撑和理论参考。

1 现场调查

在甘东南地区选择了35个自然村(图1),对典型农居展开抽样调查,总计调查737个农居单体。主要调查事项为农村民居的结构类型(土木结构、木架结构、砖木结构、砖混结构和窑洞)、建造年代(现场调查咨询)、房屋进深及层高、地基处理方式(换填垫层法和强夯法等)及其类型(砖基础、石基础和混凝土基础等)、墙体材料(砖墙、石墙、土坯墙和混凝土小砌块墙等)及其类型(实心墙和空心墙等)、屋盖类型及布设形式(木屋盖和混凝土屋盖等)、抗震措施 (有无构造柱、混凝土圈梁、配筋砖圈梁、木圈梁和纵横墙交接处连接、屋盖与墙体连接等)等,最后根据调查结果绘制房屋的平面图。

图1 调查点分布图[审图号:GS(2019)2883号]Fig.1 Distribution of the survey sites

2 甘东南地区民居现状

经过实地调查,甘东南农村地区典型房屋结构类型主要有5类[30]:土木结构、木架结构、砖木结构、砖混结构和窑洞,研究区各房屋类型、占比及主要分布特征如表2所列。

表2 研究区各房屋类型及占比

2.1 窑洞

作为一种绿色环保的生土结构建筑,窑洞具有取材方便、建筑简单、造价低廉、冬暖夏凉的优点[31]。20世纪80年代,陇东农村地区民居结构以窑洞为主,随着经济的发展和城镇化建设,窑洞数量逐渐减少。甘肃境内现存的窑洞主要分布在庆阳市环县境内。调查结果表明,现在还在使用的窑洞以崖窑为主,一种是由于经济条件所限,部分旧窑洞仍继续使用 (图2);另一种是出于对窑洞特色民居形式和文化的传承,新建房屋依然选择窑洞,该类窑洞改进了旧式窑洞采光不良的缺点,朝向上选择坐北朝南,采用大开间、多开窗、瓷砖贴面等措施,美观大方,造价与当地新建砖混房屋相当(图3)。

图2 甘东南老旧崖窑(庆阳市合道镇)Fig.2 Old cliff cave dwelling in the southeastern Gansu Province (Hedao Town,Qingyang City)

图3 甘东南新建崖窑(庆阳市曲子镇)Fig.3 Newly-built cliff cave dwelling in the southeastern Gansu Province (Quzi Town,Qingyang City)

2.2 土木结构

现场调查结果(表2)显示,土木结构是甘东南地区农村民居应用最普遍的建筑结构形式,在各地均有分布。现有的土木结构民居多修建于20世纪80～90年代,多数仍作为居住或贮藏使用。根据调查结果,基于墙体材料、砌筑方式和承重构件,将土木结构细分为2类:墙体承重土木结构和混合承重土木结构。

2.2.1 墙体承重土木结构

墙体承重土木结构房屋是以夯土墙或土坯墙(图4)为承重主体。调查发现,该类型的房屋多由农村工匠自主建造,一般未设置构造柱和圈梁,墙体承受屋盖系统的全部荷载。由于该结构房屋建造所需的木材较少、造价低廉,在甘东南经济相对欠发达的农村地区,该类型房屋所占比例仍然较大。

图4 甘东南土坯结构房屋(天水市清水县)Fig.4 Rural residences with adobe structure in the southeastern Gansu Province (Qingshui County,Tianshui City)

2.2.2 混合承重土木结构

相比于墙体承重土木结构房屋,混合承重土木结构房屋不依靠单一的墙体来承重,而是墙体与简单木柱或者砖柱共同承担屋顶荷载。根据调查结果,该类房屋的砖柱或木柱多设置于房屋正面,多数与墙体或屋盖系统缺乏有效的连接措施。此外,受经济条件的制约和美观考虑,甘东南部分混合承重土木结构房屋采用砖贴面的装饰形式(图5),以增加房屋的美观性,但从结构抗震的角度,由于砖、土材料之间存在刚度差,且缺乏有效连接,使得该种结构的房屋在地震作用下更易产生砖贴面闪落等破坏。

图5 甘东南混合承重土木结构房屋(平凉市泾川县)Fig.5 Rural residences with soil-wood bearing structure in the southeastern Gansu Province (Jingchuan County,Pingliang City)

2.3 木构架结构

木构架结构的房屋主要是依靠木构架来承担房屋和屋盖重量(图6)。木构架由梁、柱、檩、椽组成,相互之间主要以榫、铆连接。该类型房屋主要分布在陇南地区,多修建于20世纪70～90年代,部分地区还保留着20世纪50年左右修建的房屋。根据调查结果和震害资料,该类型房屋经受住了多次中强地震的考验,抗震性能相对较好,且受陇南地区山大沟深的地形限制,往往选择在有限的建筑用地上建造二层木构架房屋[32]。

图6 甘东南木架结构房屋(陇南市文县)Fig.6 Rural residences with wooden frame structure in the southeastern Gansu Province (Wen County,Longnan City)

2.4 砖木结构

砖木结构房屋(图7)主要是由砖砌墙体来承重和围护,屋顶采用木椽、檩、瓦片等构筑的两坡水房屋[33]。由于该类型房屋具有施工工艺简单、取材方便、造价低廉和耐久性好的优点,其在甘东南各地均广泛分布(陇南地区部分农村受建筑用地和建材运输等条件的制约,分布相对较少)。调查结果表明,甘东南地区早期修建(基本可以汶川地震作为分界线)的大多数砖木结构房屋未设置抗震构造措施,而在近年修建的房屋,多设置有构造柱、圈梁(以底圈梁较为多见)等,抗震性能较好。

图7 甘东南砖木结构房屋(天水市麦积区)Fig.7 Rural residences with brick-wood structure in the southeastern Gansu Province (Maiji District, Tianshui City)

2.5 砖混结构

相比于前述几种类型的房屋,砖混结构房屋使用木材较少或不使用木材,一般以墙体作为承重构件。该类型在甘东南各地均有分布,天水市和定西市占比较大。根据建筑年代将砖混结构房屋细分为老旧砖混结构房屋[图8(a)]和新建砖混结构房屋[图8(b)]。老旧砖混结构房屋多修建于2008年之前,一般无构造措施;而新建砖混结构房屋多建造于2008年汶川地震之后,设置有圈梁、构造柱等抗震措施,单层或多层,屋顶或楼板一般采用现浇钢筋混凝土[图8(c)],具有较好的抗震性能。

图8 甘东南砖混结构房屋Fig.8 Rural residences with brick-concrete structure in the southeastern Gansu Province

2.6 甘东南地区抗震农居构造形式

调查结果表明,甘东南农村地区农居构造形式主要分为五种:土木结构、木架结构、砖木结构、砖混结构和窑洞。受制于该地区经济条件,多数老旧房屋(2008年前)一般未设置抗震措施,而在此之后新建的房屋,多为砖混结构、砖木结构,一般设置了圈梁、构造柱等抗震措施,抗震性能有了显著的提高。

通过对甘东南不同区域的农居抗震构造形式对比分析发现,陇南地区房屋抗震性能显著增加,经过汶川地震灾后重建、安居工程、新农村建设等政策的实施,新建农居多为设置了圈梁、构造柱的现浇砖混结构,占比接近20%,木架结构数量最多,占比达到了35%,土木结构和砖木结构农居占比分别约为25%、20%,木架结构是陇南地区的特色农居,且由于地形条件限制,房屋多为二层。天水地区以砖混结构农居和砖木结构农居为主,占比都为40%左右,土木结构农居占比约为20%,相比于老旧土木结构的抗震性能较低,2008年后新建的砖混结构房屋都设有抗震构造措施。平凉市各类型农居的数量相当,土木结构、砖木结构和砖混结构农居占比分别为34%、33.5%和32.5%,其中无构造措施和有抗震设防措施的砖混结构农居数量接近。庆阳市因其独特的地形地貌、历史文化和民俗习惯,且土作为建筑材料更易获取,其农居保留了一定数量的生土建筑,窑洞及土木结构房屋较甘东南其他地区占比更高;天水市和定西市农居抗震性能较好,尤其是靠近城镇的乡村地区,经济发展水平较好,砖混结构农居占比较高,达到了40%以上。

3 甘东南地区农居抗震性能评价

农居的结构类型都是与所在地域的自然环境和社会环境存在一定的和谐性[32],但是受自然环境、经济条件、建筑材料和人民群众对防灾减灾的认识水平等多种因素的影响,甘东南各类型农居的抗震性能参差不齐,与当地的地震高风险性不符,不利于农居震害防御能力提升。因此,根据震害资料和现场调查结果,结合前人对不同结构类型房屋抗震性能的研究,对甘东南地区农居抗震性能进行评价。

3.1 窑洞

庆阳地区位于陇东黄土高原,黄土覆盖层厚,地震放大作用明显[34]。对于窑洞而言,选址是其面临的首要问题[35-36]。调查发现,研究区部分崖窑所选山崖上覆土层厚度较小,而根据杨焜等[33]的研究结果,窑洞周围土体的主压应力与上覆土层厚度呈正相关,主压应力增大有利于窑洞的结构稳定。因此,崖窑上覆土层厚度过小可能会增大地震作用下坍塌的风险。其次,研究区内的部分旧窑洞门脸处理措施简单,开洞位置缺乏有效的支撑,根据震害资料,其在地震作用下门脸上方土体掉落的可能性较大[37]。第三,通过调查发现,部分新式窑洞为了空间和采光需求,一般门窗开洞较大,部分窑洞进深达到9 m,但洞内未设置横隔墙或其他有效的支撑措施(图9),使其在地震作用下洞顶受力较大,存在掉落、垮塌的风险[38]。第四,新式窑洞为了美观,一般在窑洞前脸贴砖装饰,不仅增加了窑体荷载,而且在地震作用下可能发生贴面闪落的风险。最后,由于黄土具有强烈的水敏性[39],调查结果显示研究区内的窑洞一般未设置或简单设置了排水措施,使得地震与水耦合作用下窑洞地基不均匀沉降、上部结构裂缝,地震灾害风险增大。

图9 窑洞内部缺乏有效支撑Fig.9 Lack of effective support inside the cave dwelling

3.2 土木结构

土木结构中墙体承重和混合承重房屋的抗震薄弱环节类似,因为混合承重土木结构中墙体仍然承担了大部分屋盖荷载。调查结果表明,墙体承重土木结构最大的问题是纵横墙缺少有效连接、整体性较差,地震作用下会导致连接处裂缝甚至墙体闪落[40-41]。其次,受房屋开间的影响,区内土木结构房屋夯土墙纵墙的长度一般为11～20 m,但墙体缺少横向支撑(图10),使得地震作用下墙体极易产生竖向裂缝[38]。第三,修建较早的部分房屋土坯墙使用泥浆砌筑,胶结强度较小,地震作用下墙体由于砌筑材料的连接问题容易裂缝甚至倒塌[42]。第四,部分房屋屋盖与墙体间缺乏有效连接(图11),地震作用下屋盖容易掉落[43]。最后,受经济条件制约,研究区内木屋盖用料良莠不齐、连接措施单一,使得其在地震作用下连接处容易脱落[33]。而混合承重土木结构除了上述的问题之外,还存在木柱/砖柱与墙体缺乏有效连接措施等抗震薄弱环节。此外,调查还发现木柱/砖柱横截面较小,强度不够,地震作用下容易产生裂缝或者剪切破坏。

图10 墙体缺少横向支撑Fig.10 Wall lack of transverse support

图11 墙体与屋盖缺乏有效连接Fig.11 Lack of effective connection between wall and roof

3.3 木架结构

木架结构一般是由梁、檩、柱、撁铆榫结合形成的一个完整的构架体系,具有较强的整体性,柔性佳,允许较高的弹性变形,且木构架的榫卯节点在振动过程中具有明显的减震作用,所以这类农居的抗震性较好[44]。调查发现,木构架民居的墙体一般为夯土或砖砌筑,墙体脆性大、抗剪强度较低、各承重构件间连接稍显单一,使得其成为木构架结构的主要抗震薄弱环节。同时,部分木构架房屋在建造过程中由于经济条件制约,使用的梁、檩、椽的材质良莠不齐,部分梁、柱材质较差,梁直径过小,椽木过于纤细,长度不足,搭接不规范 (图12),地震作用下容易掉落、断裂[45]。部分房屋设置了柱脚石,但木柱和柱脚石之间缺乏有效连接(图13),使得地震作用下柱石之间因振动不同步,产生相位差,导致柱脚滑移,从而导致木构架倾斜。此外,由于陇南山区环境较为潮湿,木架易遭受雨水长期侵蚀、腐朽和虫蛀,导致木构件结点松动,从而使房屋整体抗震性下降[46]。

图12 梁、柱随意搭接Fig.12 Random lap of beam and column

图13 立柱与柱脚石无连接Fig.13 No connection between column and column basestone

3.4 砖木结构

砖木结构民居的墙体承受屋顶、楼板传递的荷载,其砖砌墙体强度大,施工工艺简单,整体建筑材料获取方便,民居构造简单,造价低廉,房屋整体性和抗变形能力较好。调查表明,砖木结构最大的抗震薄弱点是纵横墙和隔墙之间缺乏连接构造措施或构造措施太弱,整体性不强,地震作用下墙体容易外闪,这与宋微等[47]数值模拟结果一致。部分砖木结构房屋的屋顶采用硬山搁檩的建筑方式(图14),其屋盖和墙体缺乏有效拉结措施,地震作用下屋盖滑移、失稳[48]。此外,部分房屋墙体所采用的砌筑砂浆质量差,水泥掺量过少,粘结力弱,地震作用下墙体极易开裂[49]。

图14 硬山搁檩Fig.14 Purlin roof on the wall

3.5 砖混结构

砖混结构房屋一般具有较好的抗震性能,尤其是设置了构造柱和圈梁的砖混结构房屋(图15),其抗震性能良好[50]。然而,鉴于农村的各个地区经济水平及农户个体经济水平的差异,且农村工匠没有经过专业培训、缺少相关抗震知识,修建的房屋仍然存在一些问题,影响房屋的抗震性能。第一,部分房屋只有底圈梁、没有上圈梁,强梁弱柱,甚至不设置构造柱,或构造柱和墙体间缺乏有效连接,影响了房屋整体性,使得地震作用下墙体容易产生裂缝甚至倒塌[51]。第二,屋盖重量过大,在地震作用下,墙体所受屋盖荷载过大,易使墙体裂缝、倾倒。第三,在墙体砌筑时,水泥用量或水泥强度不够,其胶结性较差从而影响墙体的整体性(图16)。最后,为追求采光和空间,使得房屋开间过大,门、窗开洞较大(图17),导致窗间墙较窄,地震作用下,墙体容易产生剪切裂缝[22]。

图15 设置构造柱、圈梁的砖混房屋Fig.15 Brick-concrete residences with structural columns and ring beams

图16 胶结材料强度问题Fig.16 The strength problem of cementitious materials

图17 墙体开洞不合理Fig.17 Wall with unreasonable opening holes

综上,不同结构类型民居的抗震薄弱环节、推荐的抗震构造措施以及在不同地震烈度下的震害如表3所列。

表3 研究区各民居类型的抗震薄弱环节、推荐加固措施和震害

3.6 新型农居抗震构造措施

本次调查中发现了一些新型的、值得借鉴推广的农居抗震构造措施。首先是轻型钢制屋架,它不仅自重轻、强度大、费用合理,而且各部件之间连接有效,屋盖系统的整体性优良(图18)。其次是预制墙体、屋盖,其整体性较好,且施工工艺简便、工期短,大大提高了建筑效率(图19)。第三,木架结构房屋采用木制墙体,自重轻、柔性强,提高了房屋的整体性,但是造价略贵、防火性能欠佳(图20)。此外,部分房屋在屋盖和墙体连接处使用水泥加固,加强了屋盖和墙体的连接性,增强了房屋的整体性(图21)。