甘肃积石山MS6.2地震高烈度区震害特征及机理分析

摘要：2023年12月18日甘肃积石山县发生MS6.2地震，地震导致震中附近受灾严重，尤其以典型民居震害最为普遍和严重，对于研究典型民居震害机理具有警示意义。为研究典型民居的震害机理，通过震后第一时间的震害现场调查，获得典型民居破坏的第一手资料。针对破坏最为普遍的砖木房屋和砖混房屋作出宏观震害分析，并建立三维有限元数值模型，分析地震作用下两类房屋应力、应变的响应特性，揭示典型民居的地震破坏机理，并给出抗震建议。结果显示，地震作用下砖木房屋和砖混房屋主要以墙体破坏为主，在门窗部位及结构连接处均存在应力集中或应变增大现象，是造成民居震害的重要原因，加强对应力集中部位的抗震措施是减轻灾害的重要途径。研究结果对农村新建房和地震灾后重建具有指导意义。

关键词：积石山地震; 民居震害; 破坏特征; 震害机理; 数值分析

中图分类号： TU312.3文献标志码：A文章编号： 1000-0844（2024）04-0759-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240311001

Characteristics and mechanism of seismic damage

of residential buildings in high-intensity areas

of Jishishan MS6.2 earthquakeYUE Feng DONG Jianhua DONG Pengfei FAN Guotao ZHANG Hu

（1.Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province，

Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， Gansu， China;

2. Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry

of Education， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， Gansu， China;

3. Lanzhou GongDa Engineering Testing Technology Co.， Ltd.， Lanzhou 730050， Gansu， China）Abstract：

On December 18， 2023， the MS6.2 earthquake in Jishishan County， Gansu Province， resulted in serious disasters near the epicenter， wherein the most extensive and severe damage occurred in typical residential buildings， revealing the importance of warning for studying the earthquake damage mechanism. The first-hand data were investigated immediately after the earthquake to examine the earthquake damage mechanism of typical dwellings. The macroscopic earthquake damage of commonly damaged brick-wood and brick-concrete houses was analyzed. A three-dimensional finite element numerical model was established to reveal the stress-strain response characteristics of the two kinds of houses under earthquake and the earthquake mechanism of typical dwellings. The anti-seismic recommendations were also provided. Results show that， under the action of an earthquake， the damage to brick-wood and brick-concrete houses is mainly concentrated in the walls. The damage to residential buildings is mainly attributed to the increase in stress concentration and strain on doors， windows， and structural connections. Therefore， strengthening earthquake-resistant measures in areas of high stress concentration is crucial to mitigating disasters. The results are beneficial to the construction of new rural houses and post-earthquake reconstruction.

Keywords：Jishishan earthquake; seismic damage of residential buildings; damage characteristics; seismic damage mechanism; numerical analysis

0引言

2023年12月18日甘肃积石山县发生了MS6.2地震。国家防灾减灾救灾委员会办公室和应急管理部发布的灾害损失报告显示，本次地震共造成甘肃和青海两省77.2万人受灾，150余人死亡，7万间房屋倒塌，9.9万间房屋严重损坏，25.2万间房屋一般损坏，直接经济损失146.12亿元［1］。本次地震灾害引起了国家和社会层面的广泛关注。

针对本次地震，应急管理部和中国地震局联合发布了地震烈度图;王勤彩等［2］研究了地震震源机制解;左可桢等［3］研究了地震序列精定位;罗艳等［4］研究了地震震源破裂过程;高原等［5］进行了地震的深浅变形构造分析;王润妍等［6］开展了地震震源机制及其对周围区域的应力影响研究;王兰民等［7］揭示了地震诱发大规模黄土液化流滑的特征;王立朝等［8］提出了同震地质灾害基本特征及风险防控建议;王运生等［9］分析了地震震害异常;蒋伟等［10］分析了地震宏观灾害特征;王丽丽等［11］分析了震害特征并提出了相关建议;冯丽妃等［12］指出了本次地震灾害严重的原因。现有研究针对民房震害特征仍然偏重于宏观震害调查结果分析之上，对于地震作用下民房地震响应的力学分析仍然鲜见报道，对于揭示民房地震灾害机理和指导灾后重建尚缺乏理论指导。

2013年7月22日邻近该地区发生了岷县—漳县MS6.6地震，学者针对民居开展了相关研究：李志强等［13］通过现场调查，得出了民居房屋震害特点，认为相同烈度下土木结构和木结构破坏比例大，指出了灾后重建的重点;田文通等［14］通过实地调查，得出了低烈度区域民房的震害特征及成因，认为地震和降雨耦合致使地基土体强度削弱，是导致房屋震害严重的重要原因;石玉成等［15］进行了地震灾害损失评估，确定了不同评估区各结构类型房屋破坏比等参数，揭示了房屋破坏特点;王兰民等［16］考察了宏观地震烈度分布特征，提出了不同烈度区房屋震害特点及破坏机制。以上结论均基于现场考察的震害现象分析了震害特征和机理，针对理论计算的研究仍少见于文献报道。对比这两次地震，震中区建筑的结构形式未发生明显变化，即墙体承重仍然是该地区的典型民居结构，主要的改变是砖墙替代夯土墙和土坯墙的数量上升，此外，新增了墙体承重的砖混结构房屋。因此，通过现场调查获得民居的典型结构及灾害特征，结合理论分析最终获得民居震害机制，可为灾后重建提供指导。

地震发生后，笔者受临夏州住建局委托，对震源附近关家川镇和石塬镇进行了震后房屋应急评估工作，入户调查并获取了可入住、可修缮、部分拆除、整体拆除等房屋的不同评级，得出了房屋的具体结构形式和破坏部位。结果表明，绝大部分砖木房屋、砖混房屋和土木房屋在此次地震中受损，其中以墙体破坏和纵横墙交接处开裂破坏为主要震害表现形式，其次为屋盖的破坏和门窗等附属系统的破坏。因此，研究砖木房屋和砖混房屋的地震破坏机理具有重要的现实意义。

本文以现场调查结果为基础，分析积石山高烈度地区民居房屋的破坏特征，揭示出典型民居结构宏观震灾表现形式;针对三角形屋盖的砖木结构和一层平顶砖混结构建立三维有限元计算模型，分析地震作用下房屋不同部位的应力、应变响应，提出地震应力、应变集中区域和抗震薄弱部位;对比分析震害调查结果和理论计算结果，提出房屋抗震的相关建议。研究结果可为农村民居抗震提供实践和理论指导。

1地震基本情况

1.1地震基本参数

2023年12月18日23时59分甘肃省临夏州积石山县发生MS6.2地震，震源深度10 km，震中位于35.70°N、102.79°E的柳沟乡。截至2023年12月20日8时0分，共记录到余震423次，其中3.0级及以上余震10次［17］。

1.2地震烈度分布及调查点位置

积石山地震涉及甘肃省3个市（州）、9个县（市、区）、88个乡镇（街道），以及太子山天然林保护区和盖新坪林场。同时，青海省部分地区也受到波及，包括2个市（州）、4个县（市）、30个乡镇。地震烈度如图1所示，最大烈度Ⅷ度，等震线呈NNW走向，长轴为124 km，短轴为85 km。Ⅷ度区面积为331 km²，其中异常区面积为15 km²。Ⅶ度区面积达到1 514 km²，Ⅵ度区面积则为6 519 km²。整个Ⅵ度区及以上的面积为8 364 km²，其中甘肃省占5 232 km²，青海省占3 132 km²。具体地震烈度及调查点如图1，图中调查点位置为三角形标注点，烈度信息来源于应急管理部和中国地震局联合发布的地震烈度图。

2民居震害应急评估及宏观震害

2.1民居震害应急评估

震后，笔者对积石山MS6.2地震Ⅷ度区进行了全面调查，并选择了能够代表该烈度区地形、地貌及房屋结构的关家川乡杓家行政村和石塬镇苟家行政村进行了全入户应急评估。调查点杓家村和苟家村分别距拉脊山北缘发震断裂约8 km和13 km，距宏观震中分别约4 km 和6 km，距微观震中分别约10 km和7 km，并且位于Ⅵ度区及以上区域地理几何中心附近位置。其中，杓家行政村包括刘家社、张家社、杓下社、白崖社、杓上社、侯沟家社、邢下社、邓家社、侯家山社、前阳屲社、吴家山社及邢上社等12个自然村;苟家行政村村包括石家湾社2社、石家湾社3社、石家湾社4社、下红社及石家湾社等5个自然村。具体位置如图2。由现场调查和图2可知，2个行政村具体自然村分布分散，涵盖了震中附近黄河峡谷区地貌中沟谷、山腰、山顶等场地条件，因此，所选择调查点能够代表地震Ⅷ度区的地貌特征和场地条件。

评估内容主要包括房屋整体评级、结构型式分类、破坏部位描述等。其中整体评级包括可入住、可修缮、部分拆除、整体拆除等4级;结构型式分类包括土木、砖木、砖混等;破坏部位描述主要包括墙体、纵横墙交界处、屋盖、门窗等附属系统等。本次调查共入户484户，其中关家川乡386户，石塬镇98户。统计结果列于表1～3。

表1代表了调查中民居房屋的主要结构类型及数量，其中土木结构主要为墙体承重，墙体为夯土墙和土坯墙结合构成，屋顶多为三角形木结构，重量由房梁传递至墙体承重;砖混结构类似于土木结构，不同之处为墙体由砖砌体构成;砖混结构的墙体为砖墙，屋顶有钢筋混凝土浇筑的平顶;混合结构的墙体由砖砌体墙、夯土墙、土坯墙等构成，屋顶与土木结构和砖木结构相同。由表1可知，关家川乡砖混结构占59%，砖木结构占22%，土木结构和混合结构占19%;石塬镇土木结构占52%，砖木结构和砖混结构占40%，混合结构占8%。房屋结构类型统计结果显示，砖（土）木结构和砖混结构基本达到了90%以上，因此，研究此类结构形式民房的震害特征和机理具有代表性。

根据《民用建筑可靠性鉴定标准（GB 50292—2015）》 ［18］，将房屋定义为A、B、C、D类4个评级，依次对应为可入住、可修缮、部分拆除和整体拆除。表2代表了调查区房屋不同评级的应急评估信息。由表2可知，关家川乡民居整体拆除和部分拆除占比达到74%，可入住房屋为23%，可修缮房屋仅占3%;石塬镇民居整体拆除和部分拆除占比达到96%，可入住房屋仅为4%，不存在可修缮房屋。以上结果表明，此次地震中可修复房屋占比在3%以下，说明当地房屋韧性不足，抗震不利；再结合现场考察结果，认为调查区房屋主要为墙体承重，房屋结构体系不完整，一旦墙体破坏存在无法修缮的问题。

针对房屋震害的主要构件为墙体，有必要对调查区墙体破坏进行分析，表3代表调查区墙体破坏的描述结果。由表3可知，关家川乡墙体完好仅占2%，轻微开裂27%，严重开裂和倒塌占71%;石塬镇无墙体完好，轻微开裂为6%，严重开裂为62%，倒塌更是达到了32%。结合现场考察结果认为，2个调查区灾害差异的主要原因为石塬镇土木结构房屋占比较高，致使其倒塌更为严重。

2.2宏观震害分析

现场调查表明，调查区民居主要形式为土木结构、砖木结构、砖混结构和土砖木混合结构，其共同特点为墙体直接承重屋顶，不同之处主要在于砖混房屋屋顶为钢筋混凝土浇筑平顶屋顶，其他三种结构多见于三角形木屋架。房屋的破坏主要见于承重墙体破坏，加之结构体系不完整（抗震构造缺失），进而导致整个房屋倒塌和无法修缮。墙体破坏类型主要分为3种：（1）受地震剪切作用的墙体呈现出X型贯通裂隙，这种破坏不至于导致房屋坍塌，但作为承重墙体存在无法修缮恢复的问题（图3）;（2）受地震惯性力作用的墙体出现断裂和错位，这种破坏主要存在于地震应力集中区域和门窗附近薄弱部位，情况严重时墙体断裂倒塌，导致房屋整体倒塌，其次为墙体断裂和错位，在余震作用下仍然存在倒塌可能，存在极大的安全隐患，且无法继续使用和修缮（图4）;（3）受地震力方向不同造成横纵墙体连接处的开裂，严重者存在边墙外闪，虽不会造成房屋整体倒塌，但已无法入住和修缮（图5）。

图3为在地震剪切力作用下砖混房屋墙体出现X型贯通裂缝破坏现象。由于该类型房屋普遍存在结构体系不完整，即存在上、下圈梁和构造柱缺失情况。如该房屋虽有上圈梁但无构造柱与之连接，实质上为墙体完全承重结构，当墙体产生贯通裂缝时，虽不至于导致房屋倒塌，但该房屋仍然无法入住和修缮，其抗震韧性较差。

图4为砖混房屋和砖木房屋在地震惯性力作用下，墙体邻近门窗薄弱部位产生应力集中，导致墙体错位和断裂。此类房屋门窗附近均为砖柱而非钢筋混凝土构造柱，地震作用下因强度不足导致墙体严重破坏，极易发生房屋整体倒塌，加之破坏墙体为承重墙，导致房屋无法入住和修缮。因此，在房屋建造时尽量避免采用大门、大窗，并加强墙体强度，是减轻此类灾害的重要途径。

图5为地震力作用下墙体连接处的破坏特征。由于地震方向的不同，加之墙体之间连接不足，使得横、纵墙体的受力和变形不协同，导致墙体倾倒，严重者会造成房屋整体或部分倒塌，使得房屋整体不可入住和修缮。因此，加强墙体之间的有效连接和结构的完整性是减轻灾害的关键所在。

3典型房屋结构地震响应数值分析

为了揭示地震作用下民房动力响应，明晰民房不同部位应力、应变的变化规律，本文基于现场调查结果，以震害普遍的砖木结构和砖混结构为研究对象，建立有限元力学分析计算模型，最终得出典型房屋结构地震响应结果。

3.1有限元模型的建立

结合现场调查的房屋结构和几何尺寸，利用有限元软件ABAQUS建立了三角形屋顶墙体承重的砖木结构、钢筋混凝土浇筑平顶墙体承重的砖混房屋（均未加抗震构造）三维有限元动力数值计算模型，有限元网格划分如图6所示。房屋模型几何尺寸取进深为3 m，高为3 m，宽为5 m;窗户的长宽均为1 m;门宽为1 m，高为2 m;三角形屋顶高为1.5 m，房檐外伸0.2 m。采用整体式建模，其优点是不考虑砌块与砂浆之间的相互作用，把砌体作为均质化的整体来研究，计算量较少，适用于分析大体量的结构整体分析。为便于计算，不同部件均可采用弹性本构模型，模型底部竖向固定，水平向施加地震波时程曲线，三维模型不同部件均采用实体单元划分。采用有限元软件自带的动力计算模块中的隐式积分算法Dynamic（Implicit）进行动力分析。考虑到现场材料参差不齐，计算时材料参数取常规砖墙和预制混凝土基本参数，时间间隔为0.01 s，总时长为47.5 s。本文选取的砌块强度等级为MU10，砂浆的强度等级为MU2.5。相应的砖砌体墙体密度为1 900 kg/m3，墙体弹性模量为1.76×109 Pa，泊松比0.24。木材顺纹和切向弹性模量分别为9×109 Pa和4.5×108 Pa。

地震波选取GS.JSNGJ台对积石山6.2级地震的NS向加速度记录波形数据作为输入波。地震波时程曲线见图7。

3.2计算结果分析

通过以上数值模型建立和地震波输入，计算得到了地震持续至峰值加速度时砖木结构和砖混结构房屋不同部位的应力、应变计算结果。

（1） 砖木结构

地震作用下砖木结构房屋不同部位应力、应变响应结果分别如图8、图9所示。

图8为在地震作用下房屋正立面和侧立面应力分布云图。由图8可知，地震作用下房屋正立面靠近门窗部位具有明显的应力集中现象，在应力分界线附近容易产生破坏;房屋侧立面在横纵墙体连接处出现应力集中现象，这可以解释前文门窗部位和墙体连接处破坏严重的宏观震害现象。

图9为在地震作用下砖木房屋不同部位应变响应云图。由图9可知，地震作用下房屋不同部位应变的分布与应力具有相似特征，即在房屋门窗附近应变量值最大，属于异常区域，另外在横纵墙体连接部位也存在应变较大的异常区域，与前文房屋宏观震害严重部位基本吻合。

（2） 砖混结构

图10为在地震作用下砖混结构房屋正立面和侧立面应力分布云图。由图10可知，在地震作用下砖混房屋靠近门窗部位存在明显应力集中现象，在横纵墙体连接部位也出现了不同程度的应力集中现象，与砖木结构房屋具有相似的特点，也与前文对房屋宏观震害部位的分析结果相吻合。

图11为在地震作用下砖混结构房屋正立面和侧立面应变响应云图。由图可知，地震作用下砖混房屋正立面靠近门窗部位应变最大;其次，在侧立面墙体连接处应变亦相对较大，与应力集中部位相对应，同时也与宏观震害部位基本一致。砖木与砖混结构房屋后墙处应变虽表现出左右不对称现象，但在量值上相差甚微，不至于影响数值计算的准确性。

通过以上分析认为，地震作用下砖木结构和砖混结构房屋在靠近门窗部位应力集中现象最为明显，相应应变也最大;其次，在横纵墙体连接部位也出现了应力集中＼，应变量值也较大现象，有效印证了现场房屋宏观震害调查结果，即在门窗部位发生墙体错动断裂以及墙体连接处开裂倾倒现象。实质上，土木房屋结构和混合（土砖木）结构房屋结构与以上两类房屋具有相似的地震力学响应，主要差异在于墙体的材料强度参数不同，因此，考虑房屋门窗附近部位墙体的强度以及横纵墙体的连接，增强房屋整体结构是减轻地震灾害的重要途径。在设计上应考虑采用抗震构造，增加房屋上、下圈梁和构造柱，一方面可增强薄弱部位的抗震能力，另一方面可使得房屋整体结构增强，即使墙体发生震害也可进行修缮，节约房屋灾后恢复成本，是提高房屋抗震韧性的关键环节。

本文研究主要以墙体承重民居房屋结构为研究对象，对于木构架承重、混合承重（墙体和简单木构架共同承重）以及其他承重结构房屋未做具体分析。因此，研究结果的应用范围不受地域限制，仅与房屋结构有关。

4结论

（1） 通过对地震灾害现场抽样点全入户调查，统计得出了高烈度区调查点灾害评估结果。房屋类型中砖木结构和砖混结构占比达到80%以上，关家川乡整体拆除和部分拆除占比达到74%，石塬镇为96%，房屋无法修缮和居住原因主要为承重墙体破坏导致。

（2） 墙体地震宏观破坏主要分为三种类型：其一，受地震剪切作用的墙体呈现出X型贯通裂隙;其二，受地震惯性力作用，靠近门窗部位出现墙体断裂和错位;其三，受地震力方向不同造成横纵墙体连接处的开裂，严重者存在墙体倾倒。

（3） 三维有限元数值计算结果表明，在地震作用下砖木结构和砖混结构房屋在靠近门窗部位应力和应变幅值最大;其次，在横纵墙体连接部位也出现了应力和应变幅值增大现象，与震后现场宏观震害调查结果中的房屋破坏部位相一致。

（4） 加强房屋门窗附近部位墙体的强度以及横纵墙体间的连接，增强房屋整体结构是减轻地震灾害的重要途径。在设计上应考虑采用抗震构造，增加房屋上、下圈梁和构造柱，这是提高房屋抗震韧性的关键。参考文献（References）

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（本文编辑：张向红）