云南典型民居建筑的抗震性能分析及其新問題探討

金赟赟，汪 明，2，王亞安，劉吉夫，2

（1.北京師范大學(xué) 民政部、教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；2.北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

0 引言

云南地區(qū)地震頻繁，地震災(zāi)害特別嚴(yán)重，平均每年發(fā)生216次5.0～5.9級(jí)地震，每2年發(fā)生1次6.0～6.9級(jí)地震，7～8年發(fā)生1次7 級(jí)以上地震［1］。不僅如此，云南省的農(nóng)村人口比重大，且大多分布在經(jīng)濟(jì)比較落后、地貌環(huán)境和地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)，當(dāng)?shù)孛窬右酝粒竞痛u木結(jié)構(gòu)為主，約占總農(nóng)戶數(shù)的72.24%，磚 混 和 其 它 結(jié) 構(gòu) 僅 占16.78% 和10.80%［2］，這對(duì)民居結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防提出了巨大挑戰(zhàn)。近年來隨著經(jīng)濟(jì)條件的改善，農(nóng)村新建房屋開始普遍采用磚混或框架結(jié)構(gòu)，但是留存的傳統(tǒng)民居建筑大多年久失修，即使是一些新建的木結(jié)構(gòu)房屋，在建房時(shí)多依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)施工，隨意性較大，土墻夯筑時(shí)很少考慮土的特性，夯實(shí)度、夯筑方法，缺乏技術(shù)支持［3］，土坯和土筑墻體往往存在安全隱患。

云南地區(qū)少數(shù)民族眾多，各民族民居經(jīng)歷了幾千年的發(fā)展，形成了自己獨(dú)特的建筑風(fēng)格和特色。其中土墻－木框架結(jié)構(gòu)是云南民居一種非常普遍的建筑形式，它多為2 層房屋，平面上以三間組成一坊，由基礎(chǔ)、木框架和屋頂構(gòu)成其主體的受力結(jié)構(gòu)，并以土墻作圍護(hù)。傳統(tǒng)民居因地制宜地運(yùn)用當(dāng)?shù)爻Ｒ姷慕ㄖ牧?，如粘土、木材、石料等。雖然木材構(gòu)件的價(jià)格相對(duì)昂貴，但是云南林業(yè)資源豐富，這使得木結(jié)構(gòu)房屋的大范圍使用成為可能。

基于近5年來在云南省永勝、大理、麗江等地的調(diào)研，和近20年來的地震震害資料，以及針對(duì)納西族和漢族的典型農(nóng)村民居開展的大量實(shí)地考察工作，本文總結(jié)傳統(tǒng)工藝中的抗震構(gòu)造措施，分析典型震害特點(diǎn)，探討云南典型民居建筑在社會(huì)變遷中出現(xiàn)的抗震新問題和實(shí)施抗震加固工程中的問題，提出提升區(qū)域整體抗震防災(zāi)能力的思考。

1 傳統(tǒng)抗震措施以及震害分析

圖1 典型的云南傳統(tǒng)民居建筑

云南永勝、麗江、大理等地的民居（圖1）以穿斗式木框架房屋最為典型。穿斗式構(gòu)架的主要豎向承重構(gòu)件是立柱，柱與柱之間兩兩用橫梁拉結(jié)，梁柱結(jié)合用燕尾榫，墻體僅起維護(hù)作用。房屋的骨架由四榀木構(gòu)架組成，兩端山墻（圖2a）處的兩榀為山架（圖2b），在中間的兩榀為中間架（圖2c），為便于室內(nèi)空間的靈活使用皆不設(shè)中柱，多用抬梁式構(gòu)架［4］。

1.1 民居建筑的傳統(tǒng)抗震措施

眾所周知，木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能較好。從整體來看，木結(jié)構(gòu)房屋的固有周期長，在堅(jiān)實(shí)的地基上不容易發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)的彈性好，地震力作用變形后的恢復(fù)力大，木結(jié)構(gòu)亦有良好的延展性，地震晃動(dòng)下仍然可以保持結(jié)構(gòu)的完整和穩(wěn)定［5］。同時(shí)，木構(gòu)件的連接多采用榫卯的方式，半剛性的節(jié)點(diǎn)能有效地耗散地震動(dòng)的能量，減少地震力對(duì)建筑物的破壞［6］。云南地區(qū)的民居結(jié)構(gòu)在長期抗震實(shí)踐中的還出現(xiàn)了一些有效的構(gòu)造措施以抵御地震。例如，橫梁下用一根方木貫通一榀木構(gòu)架內(nèi)的柱子，俗稱穿枋。它在橫向?qū)⒛緲?gòu)架連結(jié)成整體的構(gòu)件，使柱和梁構(gòu)成平面體系，同時(shí)結(jié)點(diǎn)擠緊，增加了梁柱結(jié)合處的剛性，從而保證木構(gòu)架橫向的剛度和穩(wěn)定性［7］。另外一個(gè)特別構(gòu)造是，柱腳用截面較大的地腳梁（又稱鎖腳枋，圖6a）縱橫固定［4］，它能夠有效地約束柱腳的位移，同時(shí)與上部相應(yīng)的構(gòu)件組成框架系統(tǒng)，使得框架結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)。此外，增強(qiáng)抗震性能的做法還有：山墻（圖2a）下方是生土墻，上方尖山墻則采用木板，下重上輕有利于抗震；墻內(nèi)側(cè)有立柱、梁等眾多構(gòu)件，可以抵住被震壞的墻體防止向內(nèi)倒塌；木柱按百分之一的斜度將柱頭往里傾斜（“見尺收分”，也稱“放側(cè)腳”）［4］，增強(qiáng)了整個(gè)構(gòu)架的穩(wěn)定。這些特點(diǎn)都決定了云南民居木結(jié)構(gòu)房屋良好的抗震性。

圖2 穿斗式構(gòu)架的主要結(jié)構(gòu)組成

1.2 典型震害分析

雖然木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能較好，“墻倒屋不塌”的特點(diǎn)一定程度上避免了嚴(yán)重的人員傷亡，但是由于材料強(qiáng)度較低，它的總體震害相對(duì)于磚木、磚混和框架結(jié)構(gòu)房屋仍要嚴(yán)重。云南民居結(jié)構(gòu)在歷史上的大地震中都受到了嚴(yán)重的破壞，例如：1996年2月3日麗江7.0級(jí)地震中，農(nóng)村民房大面積倒塌，嚴(yán)重地區(qū)的倒塌率達(dá)85%；2001年10月27日永勝6.0級(jí)地震中，倒塌房屋3 400間，損壞約28萬間，當(dāng)?shù)氐湫偷拿窬咏Y(jié)構(gòu)形式是土－木結(jié)構(gòu)，穿斗木構(gòu)架［2］；2003年7月21日云南大姚縣6.2級(jí)地震中，房屋倒損共27萬多間，其中倒塌1萬間以上［8］。基于實(shí)地搜集的震害資料，我們對(duì)典型土墻－木框架民居建筑主要的地震破壞模式作了以下總結(jié)。

（1）木框架完好而外墻倒損

在這種破壞模式下，外墻由于超過了其強(qiáng)度或者墻與木框架的連接不牢固而發(fā)生全面或者局部的倒塌。常見的破壞情況有以下4種：①山墻的整體倒塌（圖3a）；②山尖墻的損毀（圖3c）；③外縱墻的倒塌（圖3b）；④外墻轉(zhuǎn)角處的損壞（圖3d、圖3e）。生土墻在云南十分普遍，由于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，在地震中極易損壞。即使在木構(gòu)架承重體系房屋中，墻體僅起圍護(hù)作用，但是它的倒塌仍然會(huì)引起人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。特別是尖山墻部分，由于是獨(dú)立懸墻，平面外抗彎剛度小，縱向振動(dòng)作用下受屋蓋由檁條傳遞的水平推力，極易發(fā)生平面外倒塌。此外，有些房屋建有很高的封火山墻，突出屋面并且通常沒有采取拉結(jié)措施，地震時(shí)極易倒塌砸壞屋頂或傷人。外縱墻的震害多是樓板以上墻體外倒或者從根部倒塌。山墻和后縱墻的轉(zhuǎn)角處由于集中力的存在，在地震中極易受到破壞，加之建造過程中的一些錯(cuò)誤做法（如留下通縫），普遍發(fā)生貫穿上下的豎向裂縫或者角部墻面的剝落。

圖3 地震中生土墻的破壞（圖片來源：永勝縣地震局、期納鎮(zhèn)政府、濤源鄉(xiāng)政府）

（2）屋頂?shù)奶妥冃?/p>

屋頂?shù)钠茐耐憩F(xiàn)在瓦片的脫落程度（圖4a）。這主要是由于瓦片和木瓦楞的連接強(qiáng)度不夠或者瓦片層間缺乏連接造成的。屋頂?shù)膿p壞也可能是因?yàn)橥怀鑫菝娴姆墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件（如封火墻、煙囪、吻獸、脊獸等）的倒塌而導(dǎo)致。另外，屋架被地震破壞引起屋蓋變形的情況，在長寬比大的房屋中更為嚴(yán)重（圖4b）。

圖4 屋頂?shù)钠茐模▓D片來源：永勝縣地震局、期納鎮(zhèn)政府）

（3）木框架的倒損

木框架房屋的局部或整體倒塌往往發(fā)生在地震烈度大的地區(qū)。穿斗木構(gòu)架雖然橫向較堅(jiān)固，但缺乏有效的縱向支撐，地震時(shí)容易產(chǎn)生縱向破壞。木構(gòu)架房屋的梁柱節(jié)點(diǎn)多采用榫卯連接，它的強(qiáng)度和剛度都很低，如未采取斜撐、水平撐等抗側(cè)力措施，稍有松動(dòng)即退化為鉸接點(diǎn)，導(dǎo)致構(gòu)架傾斜甚至倒塌［9］。此外木框架房屋的全面倒塌常發(fā)生在一些木框架沒有完全安裝完成的在建房屋中。由于資金和資源的限制，許多農(nóng)民依據(jù)自身?xiàng)l件分階段地逐步建造房屋，一些房屋的建造過程長達(dá)數(shù)年之久，這些施工中的房屋由于結(jié)構(gòu)體系不完整，在地震中異常脆弱。

除了全面倒塌，常見木結(jié)構(gòu)房屋的損壞還發(fā)生在一些特殊部位，例如榫卯節(jié)點(diǎn)、木柱的傾斜，以及柱腳滑移。穿斗式木構(gòu)架的柱子在樓板層高處，橫、縱向榫眼的開槽使得柱截面被削弱，易受扭破壞。橫梁和樓楞的端部由于作榫，支座處梁的截面積只有原來的約30%，而此處剪力又最大，因此粱兩端容易折斷。部分結(jié)構(gòu)的立柱柱腳與柱礎(chǔ)無任何連接，地震中由于水平位移易發(fā)生柱腳錯(cuò)位甚至滑脫。這些局部的破壞在一些震后的房屋中沒有得到及時(shí)有效的修繕，為日后房屋的安全留下了極大的隱患。一些年久失修的房屋中局部木構(gòu)件腐朽，也是極易出現(xiàn)破壞的位置。

2 云南民居建筑抗震加固中問題的探討

2.1 社會(huì)變遷中抗震的新問題

隨著建筑技術(shù)、材料的不斷更新和人們生活習(xí)慣的變化，云南典型民居建筑也隨時(shí)代發(fā)生著改變。在實(shí)地調(diào)研中我們發(fā)現(xiàn)，許多新建的房屋選擇了磚混結(jié)構(gòu)，而那些采用傳統(tǒng)民居形式的房屋也在工藝和建筑材料方面與老房屋有所不同。這種改變?cè)趬w上表現(xiàn)得尤為明顯。當(dāng)今生土墻在新建房屋中已經(jīng)十分少見，取而代之的是用燒結(jié)磚和砌塊砌筑（圖5）。在尖山墻部分，也很少如以往采用較下部墻體輕質(zhì)的材料，如木板等構(gòu)筑，而是用砌體填充，這些填充磚有時(shí)候甚至直接壓在屋架梁上（圖5a），對(duì)屋架造成了額外的荷載，對(duì)抗震極為不利，同時(shí)，由于“鞭梢效應(yīng)”，尖山墻部位填充的磚塊極易塌落，造成人員傷亡。

砌體墻相比生土墻有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小了墻體的厚度和重量，有利于抗震，建造效率也更高，但是，在建造中，人們往往忽略墻體和柱子的拉結(jié)，這樣，在地震時(shí)墻體和木框架可能出現(xiàn)碰撞推擠的現(xiàn)象，使得墻體在地震中被破壞的可能性大大增加。特別是當(dāng)內(nèi)墻發(fā)生倒塌或者外墻內(nèi)閃時(shí)，會(huì)對(duì)房屋內(nèi)的人員和財(cái)產(chǎn)造成更大的傷害和損壞。

圖5 新建房屋的砌體墻

另外，農(nóng)村地區(qū)的房屋建造有很大的隨意性，而且精通傳統(tǒng)民居房屋建造技術(shù)的工匠越來越少，許多傳統(tǒng)民居結(jié)構(gòu)中對(duì)抗震性能起到重要作用的構(gòu)造措施和方法常常被忽視或省略，例如新建房屋常常有意取消了穿枋和鎖腳枋（圖6）。如前文所述，穿枋能大大增加結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，而鎖腳枋將柱腳牢牢固定住，防止水平地震作用引起的柱腳移位。這些構(gòu)造措施的缺失，極大削弱了傳統(tǒng)民居建筑的抗震能力。

圖6 地腳（鎖腳枋）被拆除

木框架的建造有時(shí)會(huì)利用老房屋的舊木料，而不是新木料，這是因?yàn)槟壳皩?duì)林業(yè)資源的保護(hù)，或是經(jīng)濟(jì)條件的限制導(dǎo)致的。老舊的木料常會(huì)有不同程度的腐朽，即使使用了有效防腐措施，木材強(qiáng)度的持久性也是有限度的，時(shí)間因素對(duì)木材工作的物理力學(xué)指標(biāo)有很大影響［10］，因此舊木料搭建的房屋往往更容易破壞。

2.2 實(shí)施抗震加固中的問題

2007年1月，云南省全面啟動(dòng)“農(nóng)村民居地震安全工程”建設(shè)工作，計(jì)劃用10年時(shí)間對(duì)急需抗震加固的100萬農(nóng)村民居分期分批進(jìn)行加固改造，提高抗震防災(zāi)能力。永勝地區(qū)結(jié)合當(dāng)?shù)孛耧L(fēng)民俗、建筑風(fēng)格、經(jīng)濟(jì)條件和《云南省農(nóng)村民居地震安全工程技術(shù)導(dǎo)則》，編制了《永勝縣農(nóng)村民居地震安全工程設(shè)計(jì)方案》和《永勝縣農(nóng)村居民地震安全工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)當(dāng)?shù)夭怀^2層的土－木和磚木結(jié)構(gòu)房屋的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工（新建和加固）和質(zhì)量驗(yàn)收提供了技術(shù)支持。

（1）梁柱架節(jié)點(diǎn)連接的加固

如圖7所示，穿斗式木構(gòu)架的柱子在樓面層高處榫口橫縱交錯(cuò)，柱截面由于開槽集中而被嚴(yán)重削弱，鐵件的加固能夠加固節(jié)點(diǎn)，能有效防止地震過程中梁柱節(jié)點(diǎn)脫開，亦增加了木構(gòu)架的剛度。梁下的承托能增強(qiáng)梁在節(jié)點(diǎn)處的抗剪能力，同時(shí)防止梁柱節(jié)點(diǎn)脫開。但在實(shí)踐中，鐵件往往過于細(xì)薄，且簡(jiǎn)單用直釘固定在木構(gòu)件上，而不是嚴(yán)格地使用螺栓連接。同時(shí)，鐵件的位置選取過于隨意，或是使用數(shù)量不足，這都會(huì)大大降低民居抗震加固措施的效果。

圖7 梁柱節(jié)點(diǎn)的加固

（2）木柱腳處的錨固

鐵件的一端豎直插入柱基礎(chǔ)中，另一端固定在柱腳，并且盡量避免鐵件的彎曲，否則無法起到錨固作用（圖8）。實(shí)踐中常出現(xiàn)鐵件一端固定在木柱上，但另一端僅簡(jiǎn)單埋入地面，亦無固定措施，這樣的做法對(duì)柱腳的加固完全起不到任何作用。

圖8 柱腳的加固

（3）在屋蓋房以上加縱向支撐

如圖9a、圖9b所示，在兩端間及隔間中柱頂部加設(shè)木剪刀或木斜撐等，可以增強(qiáng)房屋的縱向穩(wěn)定性。木穿斗結(jié)構(gòu)樓屋面設(shè)置水平支撐，開間角部四根柱子之間水平方向用鋼絲繩拉結(jié)，能增加房屋的抗扭能力，平面布局不規(guī)則的房屋亦可以采用。對(duì)于疊梁式的屋架結(jié)構(gòu)，還采用的捆扎連接的方式（圖9c、圖9d）。實(shí)踐中常出現(xiàn)的問題是連接支撐構(gòu)件過于細(xì)長，本身在地震時(shí)易發(fā)生彎折，起不到支撐作用。由于施工的不規(guī)范，鋼絲繩的拉結(jié)出現(xiàn)連續(xù)纏繞現(xiàn)象，而不是每根兩端牢固連接木柱，這樣，不僅起不到提升整體抗扭能力的作用，而且在極端情況下會(huì)出現(xiàn)連鎖倒塌的情況。而對(duì)于屋架捆扎連接，往往是鐵件簡(jiǎn)單直釘固定在木構(gòu)件上，地震時(shí)易脫落。

圖9 屋架的加固

3 生土墻體抗震加固的問題

目前針對(duì)老舊民居的加固方法，對(duì)木框架的加固有許多明確的加固方法，對(duì)于墻體也有很多強(qiáng)化抗震性能的建造方案。但是，對(duì)民居結(jié)構(gòu)中已有的生土墻墻體加固一直未有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便且有效的加固方法。從以往的民居震害看，墻體的破壞最為嚴(yán)重和普遍，雖然在木框架結(jié)構(gòu)的民居中，墻體僅僅是起圍護(hù)作用，但是墻體的損壞，特別是當(dāng)其內(nèi)閃時(shí)，房屋在地震中的危險(xiǎn)性大大增加。生土墻本身強(qiáng)度低，而且在使用過程中受風(fēng)和雨水的侵蝕嚴(yán)重。對(duì)于無木框架的生土房屋，它的墻體抗震能力與墻體直接相關(guān)。例如2003年云南大姚6.2級(jí)地震中，生土房屋和墻柱間無連接的木構(gòu)架房屋在地震影響下大多數(shù)墻體開裂，震中區(qū)此類房屋基本倒塌［8］。尋求針對(duì)生土墻體結(jié)構(gòu)的加固方法應(yīng)當(dāng)是科學(xué)研究和工程實(shí)踐的重點(diǎn)之一，這不僅有利于對(duì)云南部分地區(qū)民建筑居文化的保護(hù)，而且相關(guān)加固技術(shù)的推廣和實(shí)施將會(huì)使廣大經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的居民受益，對(duì)提升區(qū)域整體的抗震防災(zāi)能力意義重大。

4 總結(jié)

本文研究了云南納西族和漢族典型民居的抬梁式木框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，從震害分析看，典型的破壞形式有“木框架完好而外墻倒損”、“屋頂?shù)奶妥冃巍焙汀澳究蚣艿牡箵p”3 種。當(dāng)?shù)鼐用耖L期以來總結(jié)了一些有效的構(gòu)造措施以抵御地震，包括木框架的建造工藝、墻體的結(jié)構(gòu)形式、墻體和木框架的關(guān)系處理等，使得當(dāng)?shù)氐湫兔窬咏ㄖ哂幸欢ǖ目拐鹉芰?。然而，如今在一些新建的房屋中，“木框架－土坯墻”的基本結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有變，但在工藝和建筑材料方面與老房屋有所不同，特別是墻體和木框架的建造細(xì)節(jié)上已經(jīng)發(fā)生了較大變化。在新建房屋中越來越多使用燒結(jié)磚和砌塊砌筑外墻，但是磚砌墻在建造時(shí)墻體與柱子的連接，以及尖山墻上簡(jiǎn)單填充的磚塊常常被忽視，這成為了新建房屋地震時(shí)的巨大隱患。這些在社會(huì)變遷過程中出現(xiàn)的建筑抗震的新問題更應(yīng)從區(qū)域整體的角度加以重視。

2007年啟動(dòng)的“農(nóng)村民居地震安全工程”對(duì)農(nóng)戶房屋進(jìn)行了加固改造，以提高抗震能力。這些加固措施主要針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)、柱腳錨固、房屋整體的縱、橫向剛度等方面。但是在實(shí)踐中，往往出現(xiàn)施工的隨意性，使得加固措施的效果大打折扣。綜合來看，生土墻體仍是云南農(nóng)村地區(qū)民居建筑抗震的薄弱環(huán)節(jié)，山墻、后縱墻和墻轉(zhuǎn)角處都是容易破壞的地方。

對(duì)于那些原有的生土墻房屋，目前還缺少經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便和有效的措施來加固墻體，需要探索出一種廉價(jià)、能就地取材且易操作的加固技術(shù)，以便在經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)推廣使用，從而有效提升區(qū)域的抗震防災(zāi)能力。

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