閩南地區(qū)群體建筑調(diào)查及易損性分析

周文琪，王素裹

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116)

0 引言

調(diào)查區(qū)域分布在閩東火山斷拗帶、閩西南拗陷帶，主要屬于華南沿海地震帶內(nèi)，地震活動(dòng)較為活躍，近百年在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生的規(guī)模較大的地震在影響較大的區(qū)域的烈度達(dá)到了7～8度，地震危險(xiǎn)性高，屬于重點(diǎn)防御區(qū)［1］．

工程地震易損性是指與地震動(dòng)參數(shù)相關(guān)的工程結(jié)構(gòu)的條件破壞概率．本文采用的建筑結(jié)構(gòu)易損性預(yù)測(cè)方法是類比法，主要通過現(xiàn)場(chǎng)采集現(xiàn)有房屋的基本信息(如年代、結(jié)構(gòu)、類型等)，并對(duì)采集到的信息進(jìn)行具體分析，預(yù)測(cè)房屋在不同的地震烈度下的破壞情況，從而得到群體建筑易損性矩陣．對(duì)地震多發(fā)區(qū)內(nèi)的房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性評(píng)價(jià)并制定防震減災(zāi)規(guī)劃，對(duì)于地震應(yīng)急響應(yīng)、城市規(guī)劃、地震損失的降低等具有重要的意義．

為明確福建地震多發(fā)帶的房屋建筑狀況，同時(shí)為震時(shí)抗震救災(zāi)提供技術(shù)參考，分別對(duì)廈門(7度，0．15g)、泉州(7度，0．15g)、漳州(7度，0．15g)、莆田(7度，0．1g)、龍巖(6度，0．05g)等地進(jìn)行了群體建筑抽樣調(diào)查．按照GB/T 19428－2003《地震災(zāi)害預(yù)測(cè)及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》［2］，群體建筑抽樣總數(shù)為抽樣區(qū)域內(nèi)總建筑數(shù)量的5%～10%．抽樣房屋按照類比法的分類標(biāo)準(zhǔn)分為單層廠房、砌體房屋、石結(jié)構(gòu)房屋、鋼筋混凝土房屋、高層房屋、老舊民房以及其他結(jié)構(gòu)類型房屋．

1 抽樣房屋概況

1．1 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)常用于城市中的多層住宅、公共建筑、工業(yè)建筑等．現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體性好，剛度分布較均勻，具有良好的抗震能力．我國城市中在建國以后，特別是近20～30年建造的鋼筋混凝土框架類結(jié)構(gòu)，多按照規(guī)范要求設(shè)防，其在地震作用下的安全性得到保證．在汶川地震中，框架結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)越性得到了良好的展現(xiàn)，多數(shù)框架結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)基本完好．但是根據(jù)按2001版抗震規(guī)范設(shè)計(jì)房屋的震害表明:“強(qiáng)柱弱梁”，“強(qiáng)剪弱彎”，“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”等設(shè)計(jì)理念依舊難以實(shí)現(xiàn)［3］．2013年蘆山地震實(shí)際震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，依照2010版抗震規(guī)范設(shè)計(jì)建造的框架結(jié)構(gòu)房屋“強(qiáng)梁弱柱”的震害現(xiàn)象依然普遍存在．

而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在農(nóng)村地區(qū)也出現(xiàn)了大量的框架結(jié)構(gòu)．近十年來，框架結(jié)構(gòu)的數(shù)量在農(nóng)村地區(qū)大量增加．但是農(nóng)村中新建的框架存在以下問題:

1)農(nóng)村地區(qū)框架結(jié)構(gòu)一般未經(jīng)過專門的設(shè)計(jì)，無法確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸與配筋等符合規(guī)范要求，其受力性能很難得到保證;

2)這部分房屋的施工缺少統(tǒng)一的監(jiān)管，施工質(zhì)量很難得到保證;

3)由于未經(jīng)統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，村民缺乏抗震知識(shí)，片面追求美觀或者體型，不注重抗震構(gòu)造，且房屋建造的資金投入不足，隨意性大．

因此，農(nóng)村地區(qū)的框架結(jié)構(gòu)的抗震能力很難得到保證．圖1、2均為采用框架結(jié)構(gòu)4～5層的自建民房．這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的梁柱布置較為隨意，圖1中結(jié)構(gòu)梁柱截面尺寸設(shè)置較為隨意，梁截面尺寸大于柱截面尺寸．圖2中結(jié)構(gòu)為獲得更大的使用空間，在2層以上設(shè)1～2米的懸挑，且在懸挑區(qū)域砌筑外墻．這種構(gòu)造很難滿足結(jié)構(gòu)變形的協(xié)調(diào)性．從外立面來看，兩個(gè)框架和填充墻的施工質(zhì)量仍然有待提高．

圖1 泉州燈星社區(qū)框架結(jié)構(gòu)Fig．1 Frame of Dengxing community in Quanzhou

圖2 莆田埭里村民宅F(xiàn)ig．2 Frame of Daili community in Putian

1．2 砌體結(jié)構(gòu)

雖然框架結(jié)構(gòu)大量出現(xiàn)，但是，砌體結(jié)構(gòu)仍然是農(nóng)村地區(qū)的主要結(jié)構(gòu)類型，城市中也分布有大量的砌體結(jié)構(gòu)．對(duì)閩南地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，主要發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題:

1)砌體抗震構(gòu)造措施不足．歷次震害表明，在多層砌體房屋中設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁是有效的抗震措施，可以明顯提高房屋空間剛度和抗側(cè)力能力，增加建筑物的整體性，防止地基的不均勻沉降，使房屋在地震作用下不致整體倒塌而危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全．GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］和GB 50003－2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］都對(duì)砌體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造作了詳細(xì)的規(guī)定．

由于抗震概念的缺乏及造價(jià)的限制，調(diào)查區(qū)砌體結(jié)構(gòu)圈梁構(gòu)造柱的設(shè)置并不普遍，即使設(shè)置，也很難滿足規(guī)范的要求．圖3所示為龍巖龍門鎮(zhèn)謝洋村六層砌體結(jié)構(gòu)，該砌體結(jié)構(gòu)只設(shè)置圈梁，未設(shè)置構(gòu)造柱．圖4所示莆田新度鎮(zhèn)的砌體結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)二層并未設(shè)置圈梁，在結(jié)構(gòu)二層以上才進(jìn)行了圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置，構(gòu)造柱和圈梁尺寸過小，墻體洞口過大．這類為節(jié)省材料，圈梁構(gòu)造柱尺寸偏小的結(jié)構(gòu)在調(diào)查區(qū)域范圍內(nèi)大量存在．由于這些房屋未采用良好的抗震措施，所以很難保證在大震作用下實(shí)現(xiàn)“大震不倒”．值得欣慰的是，不少經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)村自建房都采用了現(xiàn)澆式樓蓋，預(yù)制板的使用正在逐步減少．

2)底框結(jié)構(gòu)及其他特殊結(jié)構(gòu)大量存在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)．以廈門市圍里社區(qū)為例，該區(qū)域內(nèi)大部分結(jié)構(gòu)層數(shù)為5～6層的框架結(jié)構(gòu)和底框結(jié)構(gòu)，且排列十分緊湊，地震時(shí)容易發(fā)生連鎖反應(yīng)．通過對(duì)當(dāng)?shù)卮迕襁M(jìn)行采訪發(fā)現(xiàn)，有不少的房屋是在2000年左右新建，起初計(jì)劃建造層數(shù)在3～4層左右，但是在拆遷政策發(fā)布后加高到5～6層，部分未經(jīng)過設(shè)計(jì)的框架甚至達(dá)到了8～9層．這類房屋未采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，抗震性能無法得到保障．

除此之外，也發(fā)現(xiàn)部分房屋下部二至三層采用框架結(jié)構(gòu)，上部二至三層采用砌體結(jié)構(gòu)，如圖5所示．由于這種結(jié)構(gòu)上下兩部分采用不同的結(jié)構(gòu)體系形式，其豎向剛度并不連續(xù)．總體來看，底部框架－抗震墻房屋的抗震性能比多層砌體房屋稍弱［4］，因此圈梁與構(gòu)造柱設(shè)置要求更為嚴(yán)格，但圖5中的結(jié)構(gòu)在上部砌體部分并未按照規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱，其安全性能無法得到保證．

圖3 龍巖謝洋村砌體Fig．3 Masonry of Xieyang community in Longyan

圖4 莆田市東壩村砌體Fig．4 Masonry of Dongba community in Longyan

圖5 下部框架上部砌體Fig．5 Structure with frame and masonry

在廈門墩下社區(qū)還發(fā)現(xiàn)以磚砌柱作框架柱的4層框架結(jié)構(gòu)，如圖6所示．由于這種結(jié)構(gòu)的磚砌柱中未設(shè)置鋼筋，本身整體性較差，且砌體結(jié)構(gòu)抗剪能力普遍弱于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)．同時(shí)，砌體柱的變形能力較差，在側(cè)向力作用下并不能保證結(jié)構(gòu)有足夠的延性，從而發(fā)生脆性破壞．因此在地震發(fā)生時(shí)，這類結(jié)構(gòu)的抗震性能無法得到保證．建議對(duì)這類結(jié)構(gòu)進(jìn)行普查，重點(diǎn)進(jìn)行加固．

3)黃土砂漿的使用．在龍巖、莆田等地區(qū)發(fā)現(xiàn)大量以黃土拌合砂漿作為膠凝材料砌筑的砌體結(jié)構(gòu)，如圖7所示．《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］中對(duì)砂漿強(qiáng)度主要根據(jù)水泥砂漿和混合砂漿制定，而對(duì)于此類黃土砂漿強(qiáng)度能夠達(dá)到的最高等級(jí)，仍然需要通過試驗(yàn)進(jìn)行確定．由于相關(guān)技術(shù)資料的缺乏，對(duì)于這部分結(jié)構(gòu)的抗震性能，并不能作出合理的判斷．雖然目前尚未有關(guān)于黃土拌合膠凝材料使用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是在調(diào)查區(qū)域范圍內(nèi)使用該材料的砌體結(jié)構(gòu)大量存在，個(gè)別甚至達(dá)到7層．建議盡快對(duì)該種材料的性能進(jìn)行研究，制定農(nóng)村地區(qū)黃土拌合膠凝材料使用的指導(dǎo)意見．

1．3 石結(jié)構(gòu)

石結(jié)構(gòu)作為一種特殊的砌體結(jié)構(gòu)形式在閩南地區(qū)仍然廣泛存在．閩南地區(qū)石結(jié)構(gòu)砌筑方法采用有墊片干砌甩漿，飽滿度有較大差異，砌體整體抗剪強(qiáng)度低，樓屋蓋多采用條石，容易造成脆性破壞［1］，且大多數(shù)石結(jié)構(gòu)房屋未經(jīng)設(shè)計(jì)，年代較為久遠(yuǎn)，使用狀況較差，抗震性能不強(qiáng)．

石結(jié)構(gòu)房屋的存在主要有以下幾種形式:

1)基礎(chǔ)以上0．5 m左右采用石結(jié)構(gòu)，上部均采用磚砌結(jié)構(gòu)，如圖8．

2)結(jié)構(gòu)底層采用石結(jié)構(gòu)，二層以上采用燒結(jié)磚砌結(jié)構(gòu)，如圖9．

3)底層石結(jié)構(gòu)和燒結(jié)磚砌體錯(cuò)接，如圖10．

4)房屋整體為石結(jié)構(gòu)，如圖11．

華僑大學(xué)施養(yǎng)杭［6］針對(duì)石結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行了大量的研究，但是這些研究主要針對(duì)整體石結(jié)構(gòu)，而對(duì)石結(jié)構(gòu)與砌體混合結(jié)構(gòu)的受力性能的研究尚不充分．從結(jié)構(gòu)剛度分布均勻性的角度看，由于1～3類房屋剛度分布不均勻且整體性差，震害與整體石砌結(jié)構(gòu)的房屋相比相對(duì)嚴(yán)重．

圖6 磚砌柱框架Fig．6 Frame of brick frame

圖7 黃土砂漿Fig．7 Loess mortar

圖8 底部石結(jié)構(gòu)Fig．8 Stone masonry at the bottom

圖9 底層石結(jié)構(gòu)Fig．9 The structure of stone masonry at the 1st floor

圖10 石結(jié)構(gòu)與砌體底層錯(cuò)接Fig．10 The structure of mixed － use stone masonry and brick setting at the 1st floor

圖11 整體石結(jié)構(gòu)Fig．11 Stone masonry building

1．4 高層結(jié)構(gòu)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市人口急劇增加．高層結(jié)構(gòu)作為城市中的辦公樓，住宅樓大量出現(xiàn)．且仍然以一個(gè)較快的速度增長．以泉州市為例，2000年泉州市群體建筑調(diào)查易損性分析十層以上建筑結(jié)構(gòu)棟數(shù)只占抽樣總數(shù)的1．25%，而本次抽樣該類型結(jié)構(gòu)占到了總數(shù)的3．07%，漳州市的達(dá)到了7．11%．調(diào)查過程中各地均有大量20層左右的高層結(jié)構(gòu)正在施工．高層結(jié)構(gòu)一般以框架結(jié)構(gòu)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)為主，這類結(jié)構(gòu)有框架柱和剪力墻承受側(cè)向力作用，結(jié)構(gòu)本身受力性能良好，且都經(jīng)過可靠的設(shè)計(jì)，在施工階段也有充分的質(zhì)量保證體系，因此其抗震性能較好．最終的易損性分析結(jié)果表明，高層結(jié)構(gòu)在各烈度下的震害結(jié)果在各類結(jié)構(gòu)中最輕．

1．5 老舊土木結(jié)構(gòu)

調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)五六十年代建造的老舊土木結(jié)構(gòu)房屋依然大量存在，泉州市占到調(diào)查棟數(shù)的5．26%，龍巖市占調(diào)查棟數(shù)的6．22%．由于土木結(jié)構(gòu)以土墻支承木梁．土木結(jié)構(gòu)的山墻通常比較高強(qiáng)度低自重大穩(wěn)定性差，地震時(shí)承受的地震作用較大，加之與木構(gòu)架無可靠的拉接，容易震酥，震裂而倒塌［7］．老舊土木結(jié)構(gòu)在地震易損性調(diào)查中屬于抗震性能較差的結(jié)構(gòu)類型．

2 震害預(yù)測(cè)

2．1 計(jì)算方法

易損性預(yù)測(cè)采用類比法［8］．通常來說，不同結(jié)構(gòu)類型的兩幢建筑物在選定類比參數(shù)的情況下，其震害程度差異要大于同種結(jié)構(gòu)類型，所以數(shù)據(jù)庫(包括樣本庫與預(yù)測(cè)庫)及所編制的預(yù)測(cè)程序均按照結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分類，在計(jì)算時(shí)只對(duì)相同結(jié)構(gòu)類型建筑物數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索．將建筑物的結(jié)構(gòu)類型劃分為七類:單層廠房、高層、框架、老舊民房、砌體、石結(jié)構(gòu)及其它結(jié)構(gòu)．

對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)類型的建筑，需要根據(jù)已有的震害樣本建立相應(yīng)的樣本庫，同種結(jié)構(gòu)類型的建筑通過與樣本庫中相近的結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比，得到其在各烈度下的震害情況．根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型的受力特點(diǎn)和抵抗地震力的指標(biāo)，采用不同的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出各個(gè)樣本在不同烈度下的震害指數(shù)，從而建立各類結(jié)構(gòu)相應(yīng)的樣本庫．X，Y分別表示待預(yù)測(cè)建筑物與知識(shí)樣本庫中的兩幢建筑物，它們的高度分別用x1和y1表示，建設(shè)年代分別用x2和y2表示，現(xiàn)狀質(zhì)量分別用x3和y3表示，用途分別用x4和y4表示，定義加權(quán)海明距離來比較兩幢建筑物的相似程度．

式中:ωi(i=1，2，3，4)表示權(quán)重，反映每個(gè)因素對(duì)問題的影響程度．

通過上面的分析，可以利用建筑物與知識(shí)樣本庫中的所有具有相同結(jié)構(gòu)類型的建筑物進(jìn)行類比，求其海明距離，定義其距離向量為:d=［di1，di2，…，din］．其中，最小值dmin所對(duì)應(yīng)的建筑物的震害結(jié)果從表面上看與待預(yù)測(cè)建筑物的震害情況最為相似，對(duì)樣本和待測(cè)建筑物的相似度進(jìn)行最小二乘法加權(quán)逼近后取其震害結(jié)果作為待預(yù)測(cè)建筑物的易損性預(yù)測(cè)結(jié)果．具體的計(jì)算過程如圖12所示．

圖12 計(jì)算方法簡明流程Fig．12 Brief procedure of calculation method

2．2 預(yù)測(cè)結(jié)果

以泉州市為例，本次調(diào)查共抽取泉州市內(nèi)共5 499棟各類型建筑，分別計(jì)算其在6、7、8、9、10度5個(gè)烈度下的震害情況，其計(jì)算結(jié)果如表1所示．

表1 泉州市各類型建成易損性分析結(jié)果Tab．1 Vulnerability analysis result about various types construction of Quanzhou

續(xù)表1

3 結(jié)論

1)各地城鄉(xiāng)框架結(jié)構(gòu)，高層結(jié)構(gòu)等利于抗震的結(jié)構(gòu)逐步增加，但是農(nóng)村地區(qū)框架結(jié)構(gòu)抗震性能無法得到充分保證．

2)大部分地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)以90年代后新建為主，但多數(shù)砌體結(jié)構(gòu)沒有足夠的抗震措施保證其抗震性能．

3)部分經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)石結(jié)構(gòu)，老舊土木結(jié)構(gòu)房屋仍然大量存在，這部分房屋抗震性能極差，建議盡快對(duì)其改造．

4)農(nóng)村地區(qū)，城中村民房抗震性能較城市而言依舊較差，建議在保證城市建筑抗震能力的同時(shí)，也充分考慮農(nóng)村建筑的抗震性能．

通過調(diào)查，對(duì)閩南地區(qū)各地的建筑結(jié)構(gòu)類型的分布和震害易損性預(yù)測(cè)情況有了詳細(xì)的了解．希望這次調(diào)查分析的結(jié)果，能夠?qū)ο嚓P(guān)部門的規(guī)劃決策提供有效的依據(jù)，從而有效減少地震發(fā)生時(shí)當(dāng)?shù)氐娜藛T傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，為地震災(zāi)害的預(yù)防，地震發(fā)生時(shí)的救援工作提供理論依據(jù)和技術(shù)支持．