中山市城區(qū)建筑物抗震能力與抗震措施研究＊

陳小芳,聶樹明,吳華平

(廣東省地震局,廣東廣州 510070)

1 中山市城區(qū)地震構(gòu)造與地震活動性概況

1.1 地震構(gòu)造概況

據(jù)地震地質(zhì)研究成果,廣東省中山市位于珠江三角洲斷陷盆地的中南部,發(fā)育有NE、NW及近EW向三組斷裂構(gòu)造,其中以五桂山斷裂(包括五桂山北麓環(huán)城—張家邊斷裂和五桂山南麓翠亨—田頭斷裂)以及NW向的西江斷裂規(guī)模最大、最顯著,這是本區(qū)兩條區(qū)域性大斷裂,第四紀(jì)以來一直有較強(qiáng)的活動性,都是本區(qū)主要的控震和發(fā)震構(gòu)造。此外,中山市的巖土性質(zhì)也較為復(fù)雜,既有沖積洪積,又有海相沉積,基巖面起伏大,風(fēng)化殘積土厚,第四系松散層厚0～70 m不等,且軟土地基發(fā)育,主要為淤泥或粉質(zhì)粘土,這些都是對工程建設(shè)和工程抗震不利的因素。

1.2 地震活動性概況

包括中山市在內(nèi)的珠江三角洲地處東南沿海地震帶中段,歷史上曾發(fā)生地震,具有發(fā)生中強(qiáng)地震的構(gòu)造背景。中山市雖然歷史上沒有破壞性地震記錄,但曾發(fā)生過14次M≥3.0級的強(qiáng)有感地震,近期小震和微震時有發(fā)生。同時,珠江三角洲發(fā)生的強(qiáng)震對中山市也有較明顯的影響,如河源、陽江等地6級以上強(qiáng)震及強(qiáng)有感地震,其最高影響烈度達(dá)Ⅵ度。在中國地震烈度區(qū)劃圖(1990年)上中山市位于Ⅶ度區(qū),這也對中山市建筑物抗震能力構(gòu)成威脅。

2 中山市城區(qū)建筑物震害預(yù)測概況

本文所討論的中山市城區(qū),北至石岐河及康景路,東至京珠高速公路,南至博愛七路、博愛六路及南環(huán)路,西至105國道,包括石岐區(qū)、東區(qū)、西區(qū)三個街道的大部分區(qū)域及南區(qū)、火炬開發(fā)區(qū)和沙溪鎮(zhèn)的部分區(qū)域,面積66.59 km2。常住人口總計(jì)約330 168人。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面,以2008年為例,全市生產(chǎn)總值36 572 152萬元,人均生產(chǎn)總值440 915元。

本次建筑物震害預(yù)測共調(diào)查建筑物50 448棟,其中2 141棟為已拆除建筑物,實(shí)際調(diào)查有效建筑物為48 307棟,總占地面積817.18萬m2,總建筑面積約3 379.54萬m2。抽樣調(diào)查一般建筑物2 041棟,總建筑面積768.18萬m2,按面積抽樣率22.73%,超過《地震災(zāi)害預(yù)測及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 19428-2003)甲級工作要求8%～11%的指標(biāo)[1]。普查高層建筑(≥10層)628棟,總建筑面積約605.20萬m2。抽樣高層建筑226棟,總建筑面積287.15萬m2,按面積抽樣率47.45%,超過《地震災(zāi)害預(yù)測及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 19428-2003)甲級工作要求6%～10%的指標(biāo)[1]。分析典型高層建筑物15棟,總建筑面積25.6萬m2。分析重要建筑物59棟,總建筑面積50.28萬m2。

3 建筑物震害預(yù)測工作內(nèi)容及技術(shù)要求

3.1 建(構(gòu))筑物易損性分析

基于中山市建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對重要建筑物以及生命線工程中心設(shè)施以單體分析為主逐棟進(jìn)行單體震害預(yù)測;10層(不含10層)以下建筑物按8%～11%比例抽樣,對于單體調(diào)查的建筑物,逐棟開展易損性分析,并根據(jù)設(shè)定地震影響場給出震害預(yù)測結(jié)果;對于群體調(diào)查的抽樣建筑進(jìn)行單體分析,確定群體易損性矩陣。建立城區(qū)各類建筑物震害預(yù)測矩陣,注意居住人口密集和對防震減災(zāi)起關(guān)鍵作用的地區(qū)。

重要建筑物包括政府指揮和管理機(jī)關(guān)、各大醫(yī)院、公安局、市屬金融機(jī)關(guān)、廣播電視臺、學(xué)校及通訊(郵電)中心大樓、電力大樓、供水和供氣中心建筑、火車站、重要的汽車站等,公共建筑如大型影劇院、體育館、大的百貨商場等。

重要建筑物按以下5類劃分:①市委、區(qū)委等重要政府機(jī)構(gòu)所在地;②銀行、保險、海關(guān)、證卷市場等金融機(jī)構(gòu)所在地;③與城市生命線樞紐有關(guān)的建筑物(車站、通訊大樓、電廠、變電站、供水、供氣等);④其它商業(yè)與公共設(shè)施(商場、大飯店、賓館、運(yùn)動場和博物館等);⑤一般辦公樓和寫字樓等。

3.2 高層建筑物易損性分析

對于高層建筑較多的城市,要列專項(xiàng)進(jìn)行研究,在分析高層建筑結(jié)構(gòu)和抗震能力特征的基礎(chǔ)上,對其受設(shè)定地震影響程度做出預(yù)測。

(1)調(diào)查了解城市內(nèi)高層(10層及10層以上)建筑物的數(shù)量,基本概況和現(xiàn)狀等方面的資料。

(2)重點(diǎn)調(diào)查6%～10%的高層建筑,詳細(xì)收集每幢高層建筑的結(jié)構(gòu)、平面、立面設(shè)計(jì)等方面的資料。

(3)在重點(diǎn)抽查的基礎(chǔ)上,為每一幢高層建立結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行地震反應(yīng)分析計(jì)算。

(4)根據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果,結(jié)合相關(guān)方面的情況,做出震害預(yù)測。

(5)通過類比,推測其它高層建筑的抗震性能。

3.3 震害預(yù)測結(jié)果表述

(1)震害預(yù)測結(jié)果按烈度輸入5等級結(jié)構(gòu)破壞劃分,即基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞,在此基礎(chǔ)上確定各類建筑物結(jié)構(gòu)易損性矩陣。

(2)基于地震動參數(shù)(加速度)的震害預(yù)測結(jié)果表述。

(3)給出建筑物單體和群體在不同烈度下的震害預(yù)測結(jié)果,并以圖件、表格、數(shù)據(jù)三種形式表達(dá)。

4 中山市城區(qū)建筑物抗震能力分析

4.1 現(xiàn)有房屋抗震能力綜合評價

按照以上工作內(nèi)容與技術(shù)要求,近年來,我們對中山市城區(qū)進(jìn)行了震害預(yù)測,取得了較好的成果。根據(jù)各類建筑物的震害矩陣[2],區(qū)內(nèi)建筑物在不同地震烈度下的抗震能力評價結(jié)果見表1。

續(xù)表1

4.2 建筑物抗震薄弱環(huán)節(jié)分析

中山市城區(qū)震害預(yù)測建立了基于ArcGIS的防震減災(zāi)信息管理和輔助決策系統(tǒng),具體的建筑物在不同烈度地震作用的破壞明細(xì)可通過該系統(tǒng)快速地查詢。下面我們對建筑物震害結(jié)果進(jìn)行分析,分析的依據(jù)基于兩條規(guī)定:①《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50413-2007)之1.0.5第一條要求,城市一般建筑工程應(yīng)達(dá)到抗御當(dāng)?shù)鼗玖叶鹊乃絒3];②2008年12月27日頒布的《中華人民共和國防震減災(zāi)法》第三十五條的規(guī)定“新建、擴(kuò)建、改建建設(shè)工程,應(yīng)當(dāng)達(dá)到抗震設(shè)防要求……對學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場所的建設(shè)工程,應(yīng)當(dāng)按照高于當(dāng)?shù)胤课萁ㄖ目拐鹪O(shè)防要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工,采取有效措施,增強(qiáng)抗震設(shè)防能力”[4]。

根據(jù)中山市城區(qū)的建筑物震害結(jié)果[2],我們從高于當(dāng)?shù)鼗玖叶娶鹊牡卣鹱饔孟碌恼鸷Ψ植贾泻Y選出發(fā)生中等以上破壞的醫(yī)院、學(xué)校、幼兒園、機(jī)場、車站、通訊大樓、商場、酒店、賓館、體育館等重要建筑,將其與在基本烈度Ⅶ度及低于基本烈度1度(即Ⅵ度)地震作用下的震害分布疊加,同時參照老舊房屋的分布,劃定中山市城區(qū)危舊房屋集中地段(圖1)及破壞數(shù)量統(tǒng)計(jì)(表2)。按照圖1所示的危舊房屋的分布、房屋破壞數(shù)量統(tǒng)計(jì)、中山市城區(qū)防震減災(zāi)規(guī)劃及防御對策制定中給出的地質(zhì)災(zāi)害分布[5](圖2),及上述建筑物抗震能力評價,得出如下認(rèn)識。

(1)在不考慮臨建房的情況下,在各類建筑物中,高層建筑和多層鋼筋混凝土房屋的抗震性能較好,其次是單層砌體房屋,多層砌體房屋的抗震性能相對最差。

(2)危舊房屋分布呈現(xiàn)出規(guī)律性,即在老城區(qū)危舊房屋比較多而且較集中,主要分布在石岐區(qū)及其周邊地帶,其次是東區(qū),少部分在火炬開發(fā)區(qū)。

(3)重要建筑物出現(xiàn)了較多中等以上的破壞(高于當(dāng)?shù)鼗玖叶鹊那闆r下),共306棟,以學(xué)校、幼兒園居多,個別為醫(yī)院、商場、酒店、變電站等。房屋結(jié)構(gòu)以框架結(jié)構(gòu)為主,其次是磚混結(jié)構(gòu)。

(4)總體上看,受破壞的房屋主要集中在1978-1989年,其次是1964-1978年和1989-2001年。

(5)部分房屋位于地質(zhì)災(zāi)害分布區(qū)。

表2 中等以上破壞的房屋統(tǒng)計(jì)

分析各類建筑物結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)各類建筑存在的問題主要是以下幾方面。

(1)高層建筑存在的主要問題是,為了空間布置的靈活性和增加使用功能,在中山市城區(qū)內(nèi)的高層框架和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中框架柱為異型柱的占了很大數(shù)量,且多數(shù)異型柱布置不規(guī)則,傳力不連續(xù)。另外一些高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻為短肢墻,這些結(jié)構(gòu)類型的抗震性能相對純框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)要差,特別是在大于當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度的大震情況下,其破壞比率較高。

(2)多層鋼筋混凝土房屋主要存在兩個問題。①部分房屋設(shè)計(jì)成由兩排框架柱組成的單跨結(jié)構(gòu)形式,計(jì)算分析表明這種結(jié)構(gòu)形式的橫向抗震能力差,在地震作用下易產(chǎn)生破壞,震害比由多排柱組成多跨的結(jié)構(gòu)形式相對要重。從抗震設(shè)計(jì)原則來看,這種結(jié)構(gòu)形式橫向不符合多道抗震防線原則,一旦一側(cè)柱遭受地震破壞,容易引起結(jié)構(gòu)坍塌。②《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6](GB50011-2001)(2008年版)要求當(dāng)不考慮砌體填充墻的抗側(cè)力作用時,填充墻宜與框架柱柔性連接,但墻頂應(yīng)與框架緊密結(jié)合,還要求應(yīng)沿框架柱高每隔500 mm配置拉筋,并對拉筋尺寸及伸入墻內(nèi)長度作了具體規(guī)定。中山市城區(qū)一些框架房屋為了增加上部樓層的空間,從第二層樓板開始向外挑出1～2 m,再砌筑外墻,通過外墻上的構(gòu)造柱和主體框架連接。這種連接方式不能保證地震中墻體與整體結(jié)構(gòu)保持較好的協(xié)調(diào)變形。另外,有些填充墻砌筑質(zhì)量及與周圍框架構(gòu)件連接較差。

(3)多層砌體房屋的破壞率較高,抗震性能差,有兩方面的原因。①這類房屋中大多數(shù)是1989年前建造的,甚至有一部分還是解放前建造的;其中1978年以前建造的房屋未設(shè)防的較多,而20世紀(jì)80-90年代建造的層數(shù)較低的磚混結(jié)構(gòu)房屋,是由當(dāng)?shù)鼐用裎唇?jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)自行建造,也未考慮抗震設(shè)防。這就是中山市城區(qū)受破壞的房屋按年代分布主要集中在1978-1989年,其次是1964-1978年的原因。②資料調(diào)查顯示多層砌體房屋70%多的墻體厚度僅為180 mm。

(4)單層砌體房屋的抗震性能也較差。這類房屋大部分為1978年前建造的單層磚木結(jié)構(gòu),少數(shù)為單層磚混結(jié)構(gòu),其中解放前建造的占1/3,主要問題還是未設(shè)防的房屋的比例較高;另外1/3房屋的墻體厚度僅為120 mm和180mm。

5 抗震措施討論

從以上分析可看出,城區(qū)內(nèi)各街區(qū)建筑物均有不同程度的破壞,較老街區(qū)因其老舊房屋較多,因此比較新街區(qū)破壞相對重些。在目前地震頻發(fā)、地震預(yù)報尚未實(shí)現(xiàn)的狀況下,提高城市建筑物的抗震能力,將人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失降到最低,顯得尤為迫切。目前,防震減災(zāi)結(jié)構(gòu)調(diào)整的時機(jī)已經(jīng)成熟,應(yīng)把建筑物抗震設(shè)防擺在更重要的位置[7]。

現(xiàn)就上述建筑物存在的問題提出以下抗震措施。

(1)在對建筑物的抗震薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固時,可先進(jìn)行抗震效益分析[8],即在加固前,按照震害預(yù)測結(jié)果先進(jìn)行房屋排查,首先要確定該建筑是否值得加固,對于一些結(jié)構(gòu)為臨建、磚木、磚瓦、土坯的建筑可拆除,磚混房屋以及其它結(jié)構(gòu)類型的建筑視具體情況進(jìn)行抗震效益分析,如年代久遠(yuǎn),位于城中村,影響周圍環(huán)境及消防通道的磚混房屋等建議拆除。

(2)對于高層建筑、框架、部分磚混結(jié)構(gòu)房屋可對存在上述問題的地方進(jìn)行抗震加固,加固后的房屋要達(dá)到抗御Ⅶ度地震作用的能力。

(3)學(xué)校、醫(yī)院等建筑一般建筑空間跨度大,人員密集,地震發(fā)生時更容易產(chǎn)生垮塌,造成更多的人員傷亡。汶川大地震造成學(xué)校大量建筑物倒塌和師生傷亡給我們帶來慘痛的教訓(xùn)和深刻的啟示[9]。所以對306棟抗震能力差的學(xué)校、醫(yī)院、商場、酒店等人員集中場所建筑要高度重視,逐一進(jìn)行抗震鑒定與加固,加固后的房屋要達(dá)到抗御烈度為Ⅷ度的地震作用的能力。

(4)對石岐及其周邊地帶、東區(qū)、火炬開發(fā)區(qū)危舊房屋分布較集中地段,可規(guī)劃進(jìn)行成片改造加固。另外,近年來中山市正在開展城中村(舊村)改造工程,若結(jié)合震害預(yù)測的結(jié)果改造,可達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又省時的效果。

(5)具體要加固的各類建筑物明細(xì)可通過Arc-GIS防震減災(zāi)信息管理和輔助決策系統(tǒng)快速查詢。

(6)杜絕濫建、私建房屋;新建、改建、擴(kuò)建工程,要避免前述各類房屋存在的導(dǎo)致抗震性能降低的結(jié)構(gòu)問題,嚴(yán)格按照國家和省、市的有關(guān)技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)防。如框架結(jié)構(gòu)房屋中存在的單跨的結(jié)構(gòu)形式,汶川地震已證實(shí)了這一震害現(xiàn)象的后果非常嚴(yán)重,特別是中小學(xué),在以后的新建房屋中要避免采用這種結(jié)構(gòu)形式。

(7)調(diào)查發(fā)現(xiàn),南方的框架結(jié)構(gòu)房屋普遍存在上面提到的填充墻形式。歷次震害,特別是此次汶川地震震害表明,填充墻是框架結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié),地震中首先開裂,進(jìn)一步與框架脫開,甚至塌落。這種填充墻連接形式及其抗震性能可否保證地震安全值得深入研究。

(8)由于磚混結(jié)構(gòu)房屋抗震能力差,建議在以后新建房屋中不再采用這種結(jié)構(gòu)形式。

(9)由于砂土液化等地質(zhì)災(zāi)害能引起建筑物地基失效、建筑物倒塌[10],因此,位于可能產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害分布區(qū)的建筑物要重點(diǎn)給予關(guān)注。未來新建建筑物若選在該區(qū),要采取必要的抗震措施。

[1] 中國地震局.GB/T 19428-2003地震災(zāi)害預(yù)測及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[2] 張令心,孫景江,唐玉紅,等.中山市城區(qū)建筑物震害預(yù)測技術(shù)報告[R].哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所,2009.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50413-2007城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑出版社,2007.

[4] 中華人民共和國防震減災(zāi)法[S].北京:法律出版社,2009.

[5] 陳小芳,聶樹明.中山市城區(qū)防震減災(zāi)規(guī)劃及防御對策制定技術(shù)報告[R].廣州:廣東省工程防震研究院,2009.

[6] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑出版社,2001.

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[8] 廖旭,吳明大,國艷,鞍山市抗震設(shè)防區(qū)劃與震害預(yù)測研究[M].北京:地震出版社,2006.

[9] 劉芳,楊緒連,陳守坤,等.天津市濱海新區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害評價與分區(qū)研究[J].災(zāi)害學(xué),2010,25(1):54-58.

[10]張紅梅,魏電信.新《防震減災(zāi)法》淺議——以汶川8.0級地震為例[J].災(zāi)害學(xué),2009,24(4):130-133.