魯?shù)镸S 6.5與景谷M S 6.6地震災(zāi)區(qū)房屋抗震能力差異分析*

和嘉吉，盧永坤，代博洋，龐衛(wèi)東，賀素歌，非明倫

(云南省地震局，云南昆明650224)

0 引言

2014年8月3日16時(shí)30分10秒，云南省昭通市魯?shù)榭h (27.1°N，103.3°E)發(fā)生6.5級(jí)地震。極震區(qū)烈度達(dá)Ⅸ度，Ⅵ度區(qū)及以上總面積約為10 350 km2，涉及云南省災(zāi)區(qū)面積為8 490 km2。地震造成617人死亡、112人失蹤、3 143人受傷、失去住所人數(shù)287 809人，直接經(jīng)濟(jì)總損失2 357 810萬元①云南省地震局.2014.2014年8月3日云南魯?shù)?.5級(jí)地震災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估報(bào)告 (云南災(zāi)區(qū)).。

時(shí)隔64天，2014年10月7日21時(shí)49分39秒，云南省普洱市景谷縣 (23.4°N，100.5°E)發(fā)生6.6級(jí)地震。極震區(qū)烈度達(dá)Ⅷ度，Ⅵ度區(qū)及以上總面積約為11 930 km2。地震造成1人死亡、331人受傷、失去住所人數(shù)78 394人，直接經(jīng)濟(jì)總損失511 020萬元②云南省地震局.2014.2014年10月7日云南景谷6.6級(jí)地震災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估報(bào)告.。

兩次地震震級(jí)相當(dāng)，但地震造成的災(zāi)害和損失卻有很大的差異。筆者針對(duì)這兩次地震現(xiàn)場震害調(diào)查結(jié)果，從房屋結(jié)構(gòu)類型、建筑材料、場地條件等角度對(duì)兩個(gè)地震災(zāi)區(qū)的房屋抗震性能進(jìn)行分析，探究產(chǎn)生震害差異的原因，以期能對(duì)災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建及農(nóng)村民居地震安全工程、新農(nóng)村建設(shè)等提供借鑒依據(jù)。

1 房屋概況

1.1 魯?shù)闉?zāi)區(qū)房屋類型

魯?shù)闉?zāi)區(qū)房屋建筑結(jié)構(gòu)類型主要可以分為4類:土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)房屋。土木結(jié)構(gòu)房屋以夯土墻或無砂漿石砌墻承重，墻抬木梁，人字形瓦屋頂或混凝土現(xiàn)澆屋面板，多為兩層。磚木結(jié)構(gòu)房屋磚墻承重，墻抬木梁，人字形瓦屋頂，部分墻體采用水泥空心磚、石塊砌筑，多為兩層。磚混結(jié)構(gòu)房屋主要有兩類，一類為磚砌墻體承重，設(shè)置鋼筋混凝土圈梁、構(gòu)造柱和現(xiàn)澆樓 (屋)蓋的混合結(jié)構(gòu);另一類為自建房，平、立面不規(guī)則的情況較為突出，部分房屋一層為石砌墻體、二層及以上為磚砌體的混合結(jié)構(gòu)形式?？蚣芙Y(jié)構(gòu)房屋主要為經(jīng)過正規(guī)設(shè)計(jì)的由鋼筋混凝土梁柱組成的框架體系承重，現(xiàn)澆樓板 (屋)蓋 (非明倫等，2004)。

1.2 景谷災(zāi)區(qū)房屋類型

景谷災(zāi)區(qū)房屋結(jié)構(gòu)類型同樣分為土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)房屋4類，但具體的結(jié)構(gòu)形式與魯?shù)闉?zāi)區(qū)有所不同。土木結(jié)構(gòu)房屋以穿斗木構(gòu)架承重，土坯墻圍護(hù)，人字形瓦屋頂，多為一層。磚木結(jié)構(gòu)房屋以穿斗木構(gòu)架承重，磚墻圍護(hù)，部分房屋磚墻承重，人字形瓦屋頂，瓦面多為石棉瓦或琉璃瓦，與椽子的連接較為牢靠，多為一層。磚混結(jié)構(gòu)房屋以磚砌墻體承重，設(shè)置鋼筋混凝土圈梁、構(gòu)造柱和現(xiàn)澆樓 (屋)蓋的混合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的平、立面總體較為規(guī)則，農(nóng)村自建的磚混房建筑高度普遍較低?？蚣芙Y(jié)構(gòu)房屋主要為經(jīng)過正規(guī)設(shè)計(jì)的由鋼筋混凝土梁柱組成的框架體系承重，現(xiàn)澆樓板(屋)蓋 (盧永坤等，2007)。

1.3 不同結(jié)構(gòu)類型房屋比例

按《地震現(xiàn)場工作第四部分:災(zāi)害直接損失評(píng)估》(2011)規(guī)定:土木結(jié)構(gòu)與磚木結(jié)構(gòu)歸為簡易房屋;磚混結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)歸為非簡易房屋。

根據(jù)災(zāi)區(qū)政府填報(bào)的房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果，筆者統(tǒng)計(jì)了魯?shù)闉?zāi)區(qū)和景谷災(zāi)區(qū)農(nóng)村民居房屋各結(jié)構(gòu)類型所占比例 (圖1)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，兩個(gè)災(zāi)區(qū)非簡易房屋所占比重相差不大 (魯?shù)闉?zāi)區(qū)18.15%，景谷災(zāi)區(qū)18.86%)，主要差異在簡易房屋中土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)房屋所占的比例，魯?shù)闉?zāi)區(qū)中土木結(jié)構(gòu)房屋是農(nóng)村房屋的主要結(jié)構(gòu)類型，占比高達(dá)80.44%，景谷災(zāi)區(qū)土木結(jié)構(gòu)房屋占比32.6%;而景谷災(zāi)區(qū)磚木結(jié)構(gòu)房屋的占比為48.54%，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)村房屋的主要結(jié)構(gòu)類型。

2 房屋震害特征

2.1 魯?shù)闉?zāi)區(qū)

魯?shù)闉?zāi)區(qū)土木結(jié)構(gòu)房屋倒毀嚴(yán)重，特別是Ⅸ度區(qū)毀壞率高達(dá)91.08%，主要震害特征為部分房屋完全倒塌或局部倒塌，多數(shù)房屋屋架坍塌或墻體嚴(yán)重開裂，普遍墻體開裂、梭掉瓦等。磚木結(jié)構(gòu)房屋破壞也較為嚴(yán)重，Ⅸ度區(qū)毀壞率達(dá)78.18%，主要震害特征為少數(shù)房屋整體倒塌或局部倒塌，部分屋架倒塌，墻體開裂，普遍梭瓦、掉瓦。磚混結(jié)構(gòu)房屋在Ⅸ度區(qū)的震害較為明顯，個(gè)別房屋完全倒塌或底層座平，部分構(gòu)造柱剪斷酥裂，縱墻外閃、局部倒塌，多數(shù)表現(xiàn)為承重墻出現(xiàn)“X”型剪切裂縫或水平裂縫?？蚣芙Y(jié)構(gòu)房屋在此次地震中也遭受了不同程度的破壞，尤其是在Ⅸ度區(qū)，“強(qiáng)梁弱柱”的破壞形式比較明顯 (陸新征等，2014)，底層框架柱柱腳、柱中、柱頭等不同位置出現(xiàn)剪切破壞、彎剪破壞、壓彎破壞等，填充墻開裂普遍，出現(xiàn)穿透性裂縫 (圖2、3)。

2.2 景谷災(zāi)區(qū)

景谷災(zāi)區(qū)土木結(jié)構(gòu)與磚木結(jié)構(gòu)房屋即使在Ⅷ度區(qū)倒房率也很低，主要震害現(xiàn)象為普遍梭掉瓦、開天窗，土坯墻倒塌或局部倒塌，墻體開裂、外閃等。少數(shù)磚混結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)“X”型剪切裂縫或水平裂縫，門頭、窗角或窗間墻開裂等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)房屋個(gè)別梁柱構(gòu)件開裂，少數(shù)填充墻水平開裂或“X”裂縫 (圖4、5)。

3 房屋抗震性能對(duì)比分析

根據(jù)地震現(xiàn)場調(diào)查掌握的資料分析，兩個(gè)地震災(zāi)區(qū)的房屋，特別是簡易房屋，從建筑取材、結(jié)構(gòu)選型、場地條件等方面存在很大的差異。

3.1 房屋建筑取材對(duì)比分析

魯?shù)闉?zāi)區(qū)木材匱乏、交通不便，當(dāng)?shù)鼐用裨诮ǚ繒r(shí)大多就地取材，取生土、石料及截面尺寸較小的木料作為建筑材料。由生土強(qiáng)夯而成的夯土墻，抗剪能力弱，自重大，抗震性能極差。夯土墻的抗剪強(qiáng)度主要取決于其土體的黏性，災(zāi)區(qū)各地建房用土含砂率不一，黏性有差異，抗剪強(qiáng)度也不同。燒磚的木材、煤等燃料稀缺，故魯?shù)闉?zāi)區(qū)磚木結(jié)構(gòu)房屋較少，部分磚混結(jié)構(gòu)房屋的底層墻體就地取材使用石砌墻體來承重，二層及以上采用磚砌體，此類房屋底層石砌墻體黏結(jié)較差，地震中極易酥裂，另外，由于豎向傳力體系材料不一，導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)，側(cè)向剛度突變，不利于抗震。而景谷災(zāi)區(qū)植被好，豐富的木材原料為當(dāng)?shù)亟ㄖ玖弦约盁u燃料提供了保障，故當(dāng)?shù)亟ㄖ牧弦阅玖稀Y(jié)磚為主。木料作為建筑材料，在保證強(qiáng)度的情況下，具有良好的塑性和延性，同時(shí)容重小，自重輕，具有良好的抗震性能，土坯、燒結(jié)磚僅作圍護(hù)墻，不承重。

3.2 房屋建筑結(jié)構(gòu)選型對(duì)比分析

魯?shù)闉?zāi)區(qū)的簡易結(jié)構(gòu)房屋主要以夯土墻、磚墻抬梁 (即硬山擱檁)式結(jié)構(gòu)為主，夯土墻或磚墻承重。夯土墻自重大、抗剪能力弱、墻梁連接不牢靠、承載力低、整體性差，特別是土墻加混凝土樓板式的房屋，上部自重極大，導(dǎo)致“頭重腳輕”，抗震性能極弱;磚墻承重式結(jié)構(gòu)抗震性能相對(duì)較好，但在災(zāi)區(qū)分布較少 (僅占1.41%)。夯土墻倒塌破壞后，碎粒成份多，在壓埋人員周圍形成近似密閉的空間，且粉塵大，易使壓埋人員窒息而亡，生還率低;魯?shù)闉?zāi)區(qū)民房習(xí)慣建兩層，建筑高度相對(duì)較高 (總高度近6 m)，地震作用增大，而承重的夯土墻抗剪能力弱，這也是房屋破壞加重的原因之一。

景谷災(zāi)區(qū)的簡易房屋以穿斗木構(gòu)架承重，磚墻或土坯墻圍護(hù)。此類建筑以力學(xué)性能較為優(yōu)良的木材為承重構(gòu)件，自重輕、塑性和延性較好;木構(gòu)架梁柱節(jié)點(diǎn)為榫接，榫接屬于介于剛接和鉸接的半剛性連接，具有較好的塑性變形能力和一定的消能減震效果;穿斗木構(gòu)架的梁柱以榫接方式形成一榀榀框架，再通過穿枋、連梁連接成空間結(jié)構(gòu)，整體性好;景谷災(zāi)區(qū)的木構(gòu)架房屋木柱較多 (一般每榀5根柱子)，進(jìn)一步強(qiáng)化了其穩(wěn)定性;圍護(hù)土坯墻或磚墻砌筑在梁柱外側(cè)，呈外包狀，地震時(shí)受到木柱及木屋架抵擋而外倒，有效的保護(hù)室內(nèi)人群，再者景谷災(zāi)區(qū)的民房大多都為一層，建筑高度在3～4 m，高度相對(duì)較低，地震作用小，抗震能力好。

3.3 房屋建筑場地條件對(duì)比分析

魯?shù)闉?zāi)區(qū)受地形限制，人口密度大，大多數(shù)居民點(diǎn)沿河谷、峽谷分布，房子大都建在洪積扇、沖積扇、堆積扇、軟土層、古滑坡體、斷層破碎帶、半山坡等抗震不利或危險(xiǎn)地段，場地放大效應(yīng)、邊坡效應(yīng)、軟土效應(yīng)、滾石、滑坡致災(zāi)明顯。另外，受有限的場地限制，為了充分利用場地，多數(shù)建筑高寬比過大，平、立面不規(guī)則，對(duì)抗震不利。而景谷災(zāi)區(qū)地廣人稀，有足夠的場地選擇空間，有富余的場地建占地面積大而建筑高度低的房屋，景谷災(zāi)區(qū)的居民點(diǎn)大多分布在小壩子或開闊地帶等有利場地，避開了可能由地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)的地段。

在平均場地條件下，魯?shù)檎饏^(qū)的設(shè)防烈度Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.10 g，而景谷震區(qū)的設(shè)防烈度Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.15 g(建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，2010);設(shè)計(jì)基本加速度的差異對(duì)經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)的非簡易房屋在遭受同等強(qiáng)度地震動(dòng)時(shí)，其抗震能力是不同的。

3.4 對(duì)比分析結(jié)果

建筑的抗震概念設(shè)計(jì)是基于歷史地震災(zāi)害和工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)等形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，對(duì)建筑和結(jié)構(gòu)總體布置及細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行宏觀的控制 (建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，2010)。通過魯?shù)闉?zāi)區(qū)和景谷災(zāi)區(qū)房屋抗震能力的對(duì)比分析，可得以下4個(gè)方面認(rèn)識(shí):一是要確保結(jié)構(gòu)的整體性。穿斗木結(jié)構(gòu)房屋通過榫接把梁、柱、枋連接成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，整體性好;墻抬梁式房屋墻梁連接不牢靠，整體性差。二是結(jié)構(gòu)類型的選擇要與建筑材料的抗震性能相匹配。用承載力低、抗剪能力差的夯土墻來承重，且建筑高度偏高，違反了抗震概念設(shè)計(jì)的原則;而穿斗木結(jié)構(gòu)房屋采用延性好、強(qiáng)度與容重比值大的木材作為承重構(gòu)件，抗剪能力較弱的土坯墻、磚墻僅起圍護(hù)作用，充分發(fā)揮了材料特性;建筑材料是建筑物具備抗震能力的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同的材料具備著不同的抗震能力 (施偉華等，2011)，但建筑取材受地域限制，特別是農(nóng)村地區(qū)為了節(jié)約成本，往往就地取材，因此結(jié)構(gòu)選型的過程中必須考慮建筑材料的性能，比如魯?shù)闉?zāi)區(qū)夯土墻承重的土木房屋可通過控制建筑高度來提高其抗震性能。三是建筑平面、立面上，結(jié)構(gòu)的布置要力求使幾何尺寸、質(zhì)量、剛度、延性等均勻、對(duì)稱、規(guī)整 (胡聿賢，2006)，避免因結(jié)構(gòu)形式的變化和構(gòu)件材料的變化而使側(cè)向剛度突變;控制剛重比，避免因屋蓋等上部結(jié)構(gòu)太重，而承重構(gòu)建薄弱，導(dǎo)致“頭重腳輕”而傾覆等。四是建筑場地應(yīng)盡量選擇在開闊、平坦，具有密實(shí)、均勻的土層或穩(wěn)定基巖等抗震有利地段;避開有可能滑坡、崩塌、泥石流及活動(dòng)斷裂、地下溶洞等危險(xiǎn)地段;在軟弱土、陡坡、河岸、半填半挖地基等抗震不利的地段上建房時(shí)應(yīng)先處理地基，后建房 (尚守平，周福霖，2010)。基于以上分析可知，景谷災(zāi)區(qū)的傳統(tǒng)民居建筑中滲透了許多抗震概念設(shè)計(jì)的理念，極大的提升了房屋的抗震能力，而魯?shù)闉?zāi)區(qū)傳統(tǒng)民居建筑中極少體現(xiàn)抗震的思想，有些甚至違背抗震原則。

4 建議與討論

(1)應(yīng)高度重視抗震概念設(shè)計(jì)在提高民房抗震能力中的重要性。在地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性及對(duì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜影響尚未被掌握之前，一個(gè)合理的抗震設(shè)計(jì)，在很大程度上取決于良好的“概念設(shè)計(jì)”(尚守平，周福霖，2010)。在經(jīng)濟(jì)條件及技術(shù)推廣能力有限的情況下，在指導(dǎo)廣大農(nóng)村地區(qū)民房自建過程中應(yīng)重視抗震概念設(shè)計(jì)更具實(shí)效性和可行性;特別是像土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)等簡易房屋的加固和改造更需抗震概念設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)。

(2)傳統(tǒng)民居建筑也有具備良好抗震性能的，比如景谷災(zāi)區(qū)大量分布的穿斗木結(jié)構(gòu)的房屋，它本身主體結(jié)構(gòu)的抗震性能很好，再加上外包式的墻體以及合理的建筑高度 (習(xí)慣建一層樓)，使抗震性能進(jìn)一步提升。景谷災(zāi)區(qū)傳統(tǒng)民居的建筑理念值得云南其他農(nóng)村地區(qū)在安居工程、危房改造以及新農(nóng)村建設(shè)過程中借鑒和學(xué)習(xí)。

(3)魯?shù)闉?zāi)區(qū)農(nóng)村存在著大量的墻抬梁式土木結(jié)構(gòu)房屋，此類房屋抗震性能極差，建議相關(guān)部門加大改造力度。

(4)農(nóng)村地區(qū)缺少專業(yè)施工力量，農(nóng)村工匠的不良習(xí)慣做法對(duì)房屋抗震不利 (趙黨書等，2006)。建議相關(guān)部門結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，充分考慮經(jīng)濟(jì)條件和當(dāng)前可用資源，提出切實(shí)可行的農(nóng)居抗震設(shè)防的具體措施，并派專業(yè)人員到施工現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)。

(5)本文僅從房屋建筑抗震性能方面簡要分析兩個(gè)災(zāi)區(qū)震害差異的原因，可能還有更多的因素，比如地震動(dòng)本身的特性 (峰值、持時(shí)、頻譜成份)對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型的作用等，有待進(jìn)一步分析研究。

本文成稿得到云南魯?shù)?.5級(jí)地震現(xiàn)場工作隊(duì)和云南景谷6.6級(jí)地震現(xiàn)場工作隊(duì)的支持和幫助，謹(jǐn)此表示誠摯的感謝!

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