广西南部农村群体建筑抗震能力评价

杨钦杰,李 蕾,聂冠军,赵修敏

(广西壮族自治区地震局,广西 南宁 530022)

0 引言

由于历史经济和技术条件所限,我国既有村镇房屋普遍存在砂浆强度低、施工质量差、缺乏有效的抗震构造措施和结构布置不合理等缺陷,抗震能力普遍较差[1]。近年来的芦山地震、玉树地震和汶川地震等地震震害再一次暴露出我国村镇房屋抗震能力的脆弱[2-6]。广西壮族自治区南部地区简称“桂南地区”,该区域内有靖西-崇左断裂带、百色-合浦断裂带、防城-灵山断裂带和合浦-北流断裂带穿过,广西历史上发生的最大地震1936年月4月1日灵山6.8级地震就发生在此地区。近年该区域附近连续发生2016年苍梧5.4级、2019年北流5.2级和2019年靖西5.2级中强地震,严重威胁当地人民生命财产安全,特别是抗震设防薄弱的农村成为地震造成房屋破坏和人员损失的重灾区[7-8]。因此深入研究该区域农村民居现状,评价其抗震性能,给出有价值的建议,找到提高农村民居抗震性能好的办法显得非常有必要。

本文结合广西地震重点监视防御区的分布,选取了桂南地区的6个县(区),12个村进行抽样调查,对农村民居结构类型占比、建筑结构类型、建筑年代、建筑层数、抗震措施、地基基础等进行了实地调查和研究,总结了调查区农村民居的结构特点和抗震性能现状,分析了调查区农村民居抗震设防存在的问题,提出具有针对性的提高农村民居抗震性能的建议。

1 调查区地震背景

调查区包含了崇左市、防城港市和钦州市三个市,在《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)中,该地区基本地震动峰值加速度0.10 g及以上区(相当于地震烈度Ⅶ度以上地区)共涉及7个区县,最高基本地震动峰值加速度为0.20 g,其中:0.10 g区涉及7个区县46个乡镇;0.15 g区涉及2个县9个乡镇;0.20 g区涉及2个县5个乡镇。该区域内有靖西-崇左断裂带、百色-合浦断裂带、防城-灵山断裂带和合浦-北流断裂带穿过,自有地震记录以来共发生4级及以上破坏性地震18次见表1。记录的最早地震为1847年发生在灵山县的4级地震,最近的地震为2003年发生在钦州市的4.3级地震,最大地震为1936年发生在灵山县的6级地震,这个地震也是华南沿海地震带内陆地区自有地震记载以来发生的最大地震。该区域地壳运动强烈而又复杂,发震构造复杂多变,具有发生中强地震的构造条件。

表1 桂南历史地震表Table 1 Historical earthquakes occurred in southern Guangxi

2 调查内容与调查结果

2.1 调查点分布情况

桂南地区是近些年广西地震高发地区之一,结合广西地震重点监视防御区的分布,本文选取桂南地区崇左市的扶绥县和江州区、防城港市的上思县和港口区、钦州市的钦南区和钦北区作为抽样调查的区域,有针对性在每个县(区)选择2个村(社区),一共12个村(社区)作详细的抽样调查。各个调查点的信息及当地基本抗震设防烈度见表2,调查点的分布如图1所示。

图1 调查点分布图Fig. 1 Distribution map of survey points

表2 调研点分布Table 2 Survey areas of southern Guangxi

该次调查包括初查和实地核查 2 种形式:初查主要通过对村(社区)干部的询问,填写全村建筑情况调查表格,确定该地区农村房屋主要结构类型、建设年代、层数、每种结构类型房屋数量及占比、地理环境、地质灾害等基本信息,每个调查点填写一张表格。通过初查可知:该地区农村房屋以砖混结构为主,有少量砖木结构和土木结构。根据以往的震害经验,对该地区农村房屋抗震能力有影响的主要因素为房屋结构类型、建筑年代、建筑层数、抗震措施、地基基础及房屋所处场地条件等[9];实地核查是根据初查得到的各类农村房屋信息进行详细核实,每个村(社区)针对每种建筑结构类型,实地入户调查3～4户,兼顾房屋建设年代,每栋建筑物填写一张表格,表格内容主要包括建筑物结构类型、建造年代、设防情况、层数、高度、基础类型、内外墙体厚度、场地条件、房屋现状、砂浆等级和平立面是否规则等,12个村(社区)共抽取住宅建筑 122 栋,能基本反映当地农村建筑物抗震能力状况。

2.2 调查结果分析

调查得到桂南地区农村房屋各结构类型占比见表3 。由表3可知:该地区农村房屋以不设防砖混结构(定义见3.3节)和设防砖混结构(定义见3.4节)为主,两者占比90%左右,土木结构和砖木结构占比仅10%左右,不同地域的房屋结构类型差别不大。土木结构占比最高的是渠姆村,占比10.8%;砖木结构占比最高的是那布村和白沙村,分别占比8.3%和8.4%;不设防砖混结构占比最高的是那葛村,占比达81.3%;设防砖混结构占比最高的是沙港社区,占比达85.2%。这其中结构类型占比最为特殊的是沙港社区,沙港社区土木结构占比为0;砖木结构占比2.0%;不设防砖混结构占比低至12.8%,相比其它村低了一大截;设防砖混结构占比85.2%,相比其它村高出一大截。经调查得知:由于城市发展需要,该社区的土地大部分被征收,大部分农居都是近几年新建的,都设置了圈梁和构造柱等抗震设防构造措施。

表3 农村房屋各结构类型占比Table 3 Proportion of various structural types of rural housings

3 调查区农居建筑现状分析

3.1 土木结构

土木结构房屋是调查区内数量最少的结构类型,绝大部分建造于上世纪80年代以前,90年代以后已经较少建造,层数均为1层。目前该类房屋大多已无人居住,仅用作家禽用房和辅助用房,普遍比较破旧。调查区内的土木结构房屋墙体均为土坯墙,土坯砖之间用泥浆粘结,硬山搁檩,屋顶为木屋架铺瓦屋面或檩条铺瓦屋面如图2-3所示。生土材料由于强度低,土坯砖无论是延性、抗剪强度还是抗压强度都比较差,在相同的地震动强度下,与其它结构类型相比,土木结构的震害程度要严重的多。另外,调查中也发现土木结构房屋存在年久失修、梁和檩腐蚀、横墙间距过大、屋盖墙体未有效连接、外墙转角未采取拉结措施和墙体出现裂缝等诸多问题如图2-3所示。土木结构总体抗震性能很差,当遭遇设防烈度地震时,该类房屋会出现屋面掉瓦、墙体开裂及垮塌等震害[7]。

图2 土木结构 图3 土木结构局部 Fig. 2 Civil structure Fig. 3 Part of civil structure

3.2 砖木结构

砖木结构房屋数量在调查区比土木结构稍多,但仍占极少数。该结构建造简单并且就地取材,费用低,建造时间一般在2005年以前,以1层居多,少数为2层如图4-5所示。砖木结构房屋的承重墙体绝大部分由红色的烧结黏土砖砌筑,个别为青色烧结黏土砖砌筑。2层的砖木结构层间楼板为预制板,屋盖和土木结构基本一致,为硬山搁檩,木屋架铺瓦屋面或檩条铺瓦屋面。调查中发现砖木结构房屋普遍出现年久失修、地基腐蚀、墙体不同程度开裂以及砂浆强度低等问题。在结构连接上,普遍存在檩条与墙体间缺乏有效的连接,纵横墙交接处无拉结和未采取任何抗震构造措施等问题。砖木结构总体抗震性能较差,当遭遇设防烈度地震时,该类房屋会出现屋面掉瓦、墙体开裂及局部垮塌等震害。

图4 砖木结构 图5 双层砖木结构 Fig. 4 Brick wood structure Fig. 5 Two-story brick wood structure

3.3 未设防砖混结构

未设防砖混结构是指房屋由烧结的粘土砖墙承重,楼板和屋盖采用现浇或装配式钢筋混凝土构件,但是没有设置圈梁和构造柱等抗震构造措施的房屋结构形式如图6-7所示。该结构是调查区最量大面广的结构类型,占比一半以上。该结构建造相对简单,就地取材,实用性比砖木结构要好,主要兴起于上世纪90年代,以2层为主如图6-7所示。未设防砖混结构房屋的承重墙体绝大部分由红色的烧结黏土砖砌筑,个别为青色烧结黏土砖砌筑。调研中发现未设防砖混结构房屋均未经正规设计,存在选址随意、设计不规范和施工不合理等问题,导致房屋产生地基承载力不足、平面和立面不规整、水泥砂浆强度不足、楼层随意挑出、楼层预制板和墙体之间缺少可靠连接等地震安全隐患。未设防砖混结构总体抗震性能较砖木结构好,当遭遇设防烈度地震时,该类结构承重墙体会产生水平或竖向裂缝、屋面女儿墙闪裂和装饰面层脱落,老旧房屋可能产生局部垮塌等震害。

图6 未设防砖混结构 图7 早期未设防砖混结构 Fig.6 Brick concrete structure without structural measures Fig.7 Early brick concrete structure without structural measures

3.4 设防砖混结构

由于当地农村房屋均未经正规设计,因此本文所指设防砖混结构是相对未设防砖混结构而言,是指房屋由烧结的粘土砖墙承重,楼板和屋盖采用现浇钢筋混凝土砌筑,并设置了圈梁和构造柱等抗震构造措施的结构形式如图8-9所示,两种结构形式的主要区别在于是否设置了圈梁和构造柱。设防砖混结构大致兴起于2010年以后,以2～3层为主,在调查区的农村房屋中占有较大比例,在新建房屋中该类结构占绝大多数。结构中圈梁、构造柱的使用可以提高砖混结构的整体刚度和墙体延性,约束墙体裂缝的开展,增加建筑物承受地震作用的能力,能够有效提升砖混结构的抗震性能[10]。调研中发现,设防砖混结构房屋均为自建房,所有房屋均存在结构设计不规范和施工随意等诸多缺陷,特别是圈梁和构造柱的建造随意性极大,资金多的圈梁层层设置,构造柱很粗;资金少的圈梁只设置1层,构造柱也只设置一两层且很细。另外还有楼面挑檐出屋面过长造成“大头房”如图9所示、构造柱施工无马牙槎和先建构造柱再砌墙等问题,这进一步降低了抗震措施的作用。总体上,此类结构抗震能力相对其它结构较好。

图8 设防砖混结构 图9 设防砖混结构 Fig. 8 Brick concrete structure with structural measures Fig. 9 Brick concrete structure with structural measures

4 调研点房屋抗震能力评价

4.1 抗震能力评价方法介绍

许多学者对农村房屋抗震能力进行了研究[11]。一些学者采用专家经验法建立了房屋抗震性能指数[12];有学者通过遥感影像提取房屋基本信息,建立房屋抗震能力指数指标体系[13];另有学者仅考虑房屋结构比例及设计基本地震加速度建立房屋抗震性能指数[14],这些方法各有所长,均在一定程度上反映了房屋抗震能力状况。本文在前人工作的基础上,改进区域房屋抗震能力快速评价方法[14],把区域房屋抗震性能指数,改进为农村房屋抗震性能指数,针对较高烈度区民居和低烈度区民居建筑质量无明显差别的情况,调整了较高烈度区村庄抗震性能指数的计算方法,突出了“高烈度高风险”,并建立了适用于桂南地区的建筑物抗震能力评估标准表,从房屋结构类型比例以及各地区设计基本地震加速度值出发,快捷的对建筑物抗震性能进行了评价。本文建立了群体房屋抗震性能指数I,用于表达群体房屋抗震性能,如公式(1)所示。

I=Itm×Ptm+Izm×Pzm+Izh×Pzh+Isf×Psf

(1)

式中:I表示群体房屋抗震性能指数,Ptm、Pzm、Pzh和Psf分别代表土木结构、砖木结构、未设防砖混结构和设防砖混结构房屋所占比例,Itm、Izm、Izh和Isf分别表示土木结构、砖木结构、未设防砖混结构和设防砖混结构房屋的抗震性能指数。

针对简易房屋(土木结构和砖木结构),由于均为自建房,建筑材料和施工差异很大,没有统一标准,其抗震性能差别较大,为此采用地震专家打分法(取均值)计算其抗震性能指数 (Itm和Izm) 。针对非简易房屋(未设防砖混结构和设防砖混结构),绝大部分为自建房,均未按照正规设防标准建房,抗震性能存在不同程度缺陷,对于设计基本地震加速度值为0.05的地区,其抗震性能指数 (Izh和Isf) 采用当地设计基本地震加速度值乘以折减系数确定。对于设计基本地震加速度值为0.10的地区,由于其地震风险较大,而其建筑与其它地区并无明显区别,所以其抗震性能指数 (Izh和Isf) 采用当地设计基本地震加速度值减去0.06再乘以折减系数确定。根据专家经验,设防砖混结构折减系数取 0.9,未设防砖混结构折减系数取 0.7。参照 《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010),将群体房屋抗震性能指数划分为 4个区间,对应“强”、 “较强”、“中等”和“较差”四个抗震能力评价等级见表4。

表4 建筑物抗震能力评估标准Table 4 Evaluating standard of seismic capacity of buildings

4.2 民居抗震能力评价

按照公式(1),结合调查点农村房屋基础数据见表5以及 5位专家根据广西震害经验及资料数据对调查区不同村庄土木结构、砖木结构房屋抗震性能指数打分值(取均值)见表6,计算出桂南地区农村群体房屋抗震性能指数以及相应抗震能力评价等级见表6。

表5 调查点房屋基础数据表Table 5 Fundamental data of surveyed houses of survey areas

表6 桂南地区农村房屋综合抗震能力计算表Table 6 Comprehensive seismic capacity of rural housings in southern Guangxi

从表 6 可知:在桂南地区3个市12个村的调查中,2 个村的房屋抗震能力达到“较强” 水平;8个村的房屋抗震能力达到“中等” 水平;2个村的房屋抗震能力为“较差” 水平。 “较强” 水平的原因主要是村中设防砖混结构较多;“中等” 水平的原因主要是设防砖混结构占比不多,整体抗震性能一般;“较差” 水平的原因主要是处于较高烈度区,地震风险较大,且房屋建筑质量与其它村没有明显差别。因此整个桂南地区农村房屋抗震能力水平中等。

5 增强民居抗震性能的建议

本文通过对桂南地区3个市12个村的实地调查,分析了该地区民居建筑的结构特点及抗震能力现状,针对桂南地区农村房屋抗震能力水平较差的现状,给出如下增强民居抗震性能的建议:

1)对于土木结构和砖木结构建筑,这两类结构建筑现存数量较少,大部分村占比低于10%,已不是农村民居建筑的主要结构形式,绝大部分已无人居住。而且,这两类结构无任何抗震构造措施,存在纵横墙连接弱、砂浆强度低、屋盖墙体未有效连接和年久失修等一系列问题,抗震性能很差。建议有计划地对这两类房屋进行拆除清理,消除地震安全隐患。对少量有价值的历史建筑,则尽早开展抗震加固。

2)对于砖混结构(包括未设防砖混结构和设防砖混结构)建筑,这是桂南地区民居最主要结构类型。未设防砖混结构在大部分村的占比达65%左右,设防砖混结构在大部分村的占比达30%左右,设防砖混结构多建于2010年以后,是未来农村民居的代表性结构类型。建议对未设防砖混结构有计划地开展抗震性能鉴定,对有明显地震安全隐患的房屋进行抗震加固。

3)为提高新建民居的抗震能力,建议推广设防砖混结构:一是增加农村房屋的审批环节,在审批环节给予建房指导,从源头杜绝有结构缺陷的建筑出现;二是给予建造设防砖混结构房屋的农民一定的财政补贴,鼓励农民建造抗震性能较好的设防砖混结构房屋;三是加强对农村建筑工匠的施工知识培训,设立培训上岗制度,培训合格的发给施工上岗证。通过培训,加强建筑施工质量,增强农村民居的抗震性能水平。