西北地區(qū)農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)細化分類及抗震性能分析

鐘秀梅 袁中夏 常想德 譚明 李娜 宋立軍

摘要：根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造措施、材料強度的差異，對西北地區(qū)典型農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)類型進行細分，并分別介紹了各類農(nóng)村房屋的建筑特色、屋蓋組成、分布區(qū)域等。通過計算各類農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)的平均震害指數(shù)，將西北地區(qū)典型農(nóng)居抗震性能分為較好、中等、較差3個等級，分別對其抗震性能進行了評價。結(jié)果表明：西北地區(qū)農(nóng)村房屋可分為6大類、15小類，抗震性能較差的是土坯墻土木結(jié)構(gòu)、石結(jié)構(gòu)和泥漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)房屋，抗震性能中等的是夯土墻土木結(jié)構(gòu)、砂漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)、土圍護木架結(jié)構(gòu)和老舊磚混結(jié)構(gòu)房屋，抗震性能較好的是磚圍護木架結(jié)構(gòu)和新建磚混結(jié)構(gòu)房屋。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村房屋;建筑結(jié)構(gòu);震害指數(shù);抗震性能;西北地區(qū)

中圖分類號：P315.925 ??文獻標(biāo)識碼：A ??文章編號：1000-0666（2019）02-0151-07

0 引言

在抗震救災(zāi)指揮體系的建設(shè)過程中，常常遇到的一大難題是如何迅速獲取適應(yīng)地震應(yīng)急要求的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從科學(xué)決策的意義上講，地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是地震部門開展應(yīng)急工作的基礎(chǔ)，是政府履行地震應(yīng)急指揮職能的基本保障。地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的缺乏和不完善極大地制約了各級地震應(yīng)急指揮系統(tǒng)的功能，甚至使部分指揮體系失效（方雅申，2015;帥向華等，2009;單德華等，2010;明小娜等，2017），因此，地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫的完備和完善具有重要的現(xiàn)實意義。

根據(jù)歷史地震資料記載，從公元1038年至今，我國境內(nèi)死亡人數(shù)達萬人以上的地震有25次，平均約40年就有1次嚴(yán)重的地震災(zāi)害（鄭雷綱，李亮，2007）。西北地區(qū)是我國地震最為活躍的地區(qū)之一，幾乎每年都會有5級以上地震發(fā)生。有歷史記錄以來，西北地區(qū)發(fā)生的破壞性地震，8級以上有10次、7～7.9級38次（石玉成等，2004;王蘭民，袁中夏，2011;周光全，2007），均居全國之首。地震造成西北地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟損失占總經(jīng)濟損失的80%以上（王蘭民，林學(xué)文，2006;譚明等，2010;明小娜等，2018），如2010年青海玉樹7.1級地震，2013年甘肅岷縣漳縣6.6級地震和2016年青海門源6.4級地震，也包括2008年汶川8.0級特大地震，給西北農(nóng)村地區(qū)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。我國農(nóng)村的地震防御水平較低，相同震級下的地震災(zāi)害損失明顯較城鎮(zhèn)更高。但與地震損失偏高的現(xiàn)實情況嚴(yán)重不符的是由于經(jīng)濟發(fā)展水平低、建筑數(shù)據(jù)分散、交通不便等諸多因素制約，農(nóng)村房屋相關(guān)數(shù)據(jù)庫亟待建立和完善。

隨著新農(nóng)村建設(shè)、災(zāi)后恢復(fù)重建等工作的推進，西北地區(qū)經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計、選址和施工，具備抗震設(shè)防能力的房屋數(shù)量日趨增長，但舊式自主修建、沒有經(jīng)過抗震設(shè)計的房屋依然占有一定的比例。目前地震災(zāi)害評估工作中農(nóng)村房屋的主要類型分為土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)4種。但農(nóng)村房屋的種類多而龐雜，該分類稍顯粗糙。依據(jù)該分類標(biāo)準(zhǔn)，同一結(jié)構(gòu)類型的房屋抗震性能相差頗大，在地震作用下破壞的情況相差甚遠。首先，農(nóng)村木構(gòu)架夯土墻房屋占有一定比例，在災(zāi)害損失評估中分類是土木結(jié)構(gòu)，但是歷次地震表明其抗震性能遠遠優(yōu)于一般的夯土墻、土坯房等土木結(jié)構(gòu)房屋;其次，新農(nóng)村建設(shè)中采用統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計施工的帶圈梁構(gòu)造柱的磚木結(jié)構(gòu)的抗震性能和老舊自建磚墻木屋頂?shù)拇u木結(jié)構(gòu)差異也很大;第三，同樣是磚混結(jié)構(gòu)房屋，2008年之后統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計建造的有圈梁構(gòu)造柱的磚混結(jié)構(gòu)和老舊自建的磚混結(jié)構(gòu)房屋，在地震中遭遇的破壞情況也相差很大。

綜上所述，現(xiàn)有地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫中西北地區(qū)農(nóng)村房屋分類和震害矩陣不太適用于農(nóng)村的大部分房屋，且對地震應(yīng)急、災(zāi)害損失評估工作的準(zhǔn)確度有較大的影響。因此本文通過實地調(diào)查，研究西北地區(qū)，包括甘肅、青海和陜西農(nóng)村房屋的結(jié)構(gòu)細化，并進行抗震性能分析。

1 農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)細化分類

根據(jù)農(nóng)村房屋的建筑材料、建筑年代、膠結(jié)材料、承重構(gòu)件等因素，將西北地區(qū)農(nóng)村房屋細分為6大類：窯洞、土木結(jié)構(gòu)、木架結(jié)構(gòu)、石結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)。

1.1 窯洞

窯洞主要分布在甘肅省慶陽市農(nóng)村地區(qū)和陜北地區(qū)，在青海省海東市樂都區(qū)有零星分布。根據(jù)建造場地、開洞方式、建造方式和建筑材料的不同，可以分為黃土窯洞和拱窯（又叫箍窯，獨立式窯洞）。黃土窯洞是修建在黃土中的住人洞穴，又分為地坑窯（也叫地窯、下沉式窯洞、天井式窯洞）和崖窯;拱窯是仿照窯洞形式建造的特殊的墻體承重結(jié)構(gòu)房屋，根據(jù)建材不同又分為土拱窯、磚拱窯和石拱窯。目前，西北地區(qū)窯洞數(shù)量較少。

1.2 土木結(jié)構(gòu)

由于取材方便，土木結(jié)構(gòu)是西北地區(qū)農(nóng)村房屋普遍采用的建筑結(jié)構(gòu)形式，一些年代久遠的土木結(jié)構(gòu)房屋已無人居住，多轉(zhuǎn)為儲藏室、庫房。根據(jù)墻體材料、砌筑方式和承重構(gòu)件的不同，將土木結(jié)構(gòu)細分為夯土墻、土坯墻及混合承重土木結(jié)構(gòu)3小類。

1.2.1 墻體承重土木結(jié)構(gòu)

夯土墻土木結(jié)構(gòu)房屋的承重主體為夯土墻（圖1a），土坯墻土木結(jié)構(gòu)房屋的承重主體為土坯墻（圖1b），一般不設(shè)置柱，采用木屋蓋。房屋的大梁或檁子直接搭放在夯土墻上，俗稱“土擱梁”或者“硬山擱檁”。梁或檁與承重墻體之間，一般無固定措施，墻體承受屋蓋系統(tǒng)全部荷載。木屋蓋也相對簡單，設(shè)有梁和椽的房屋，椽直接橫搭在梁上，俗稱“滾椽”。而簡易的墻體承重土木結(jié)構(gòu)房屋直接將椽子搭在墻上。

1.2.2 混合承重土木結(jié)構(gòu)

混合承重土木結(jié)構(gòu)房屋的墻體和簡單木架或磚柱共同承擔(dān)屋頂重量。此類房屋設(shè)有簡易木柱或者磚柱。簡易木柱多較細且僅承擔(dān)部分屋蓋重量。柱子多為“墻包柱”，檁子仍然搭在土墻上。磚柱土坯墻是為了好看和提高墻體承重能力而在墻角等部位設(shè)置的（圖2）。

1.3 木架結(jié)構(gòu)

木架承重土木平房的屋蓋重量由木架承擔(dān)。木架由梁、檁、椽構(gòu)成，相互之間多以榫、鉚連接，木架具有較高的彈性變形范圍，整體性好，即便墻體破壞，房屋也不容易倒塌。非承重的墻體僅起分隔和填充的作用。該類房屋抗震性能好，多分布在甘肅和青海省內(nèi)。根據(jù)墻體材料、承重構(gòu)件的不同，木架結(jié)構(gòu)細分為土圍護木架結(jié)構(gòu)（圖3a）和磚圍護木架結(jié)構(gòu)（圖3b）2小類。

1.4 石結(jié)構(gòu)

石結(jié)構(gòu)房屋從外面看不見一根木頭，以石砌墻，窗戶少而小，俗稱“墻包房廣”（圖4）。除甘肅南部和青海地區(qū)的寺院建筑以外，這種形式的房屋已逐漸減少。

1.5 磚木結(jié)構(gòu)

磚木結(jié)構(gòu)房屋是指由磚砌墻體承重和圍護，屋頂采用木質(zhì)椽、檁、瓦片等構(gòu)筑的一坡水或兩坡水房屋（圖5）。該類房屋的墻體承受屋頂荷載，磚砌墻體強度大，施工工藝簡單，但其抗裂性能和抗變形能力較差。這類房屋由于其施工工藝簡易、造價低、耐久性好、取材方便，在西北地區(qū)廣泛分布。根據(jù)建造年代、砌筑材料的不同和有無抗震措施，磚木農(nóng)村房屋主要分為泥漿砌筑、砂漿砌筑和抗震磚木結(jié)構(gòu)3小類。

1.6 磚混結(jié)構(gòu)

磚混結(jié)構(gòu)房屋使用木材很少或者不使用木材，它是木材稀缺地區(qū)農(nóng)民建造新房的優(yōu)先選擇。磚混結(jié)構(gòu)一般為墻體承重，根據(jù)建筑年代、墻體砌筑粘結(jié)材料又分為老舊和新建磚混結(jié)構(gòu)2小類（圖6）。老舊磚混結(jié)構(gòu)多修建于2008年之前，樓板基本采用預(yù)制板，抗震構(gòu)造措施較少或者沒有設(shè)置。新建磚混結(jié)構(gòu)多建于2008年以后，一般都設(shè)置有抗震措施，尤其是統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的新農(nóng)村、異地搬遷、災(zāi)后重建的房屋，大多數(shù)樓板和屋蓋采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆而成。

2 抗震性能分析

根據(jù)前人對各類房屋結(jié)構(gòu)震害矩陣（樸永軍，2013;李慧明等，2010;徐國棟等，2008;邱淑睿，高慧瑛，2015;陳波等，2018）的研究，利用中國地震烈度表（GB/T 17742—2008）各細化結(jié)構(gòu)的平均震害指數(shù)進行計算：

式中：d為震害指數(shù);λ為破壞比;i為破壞等級。

各破壞等級下震害指數(shù)的取值參考姜紹飛等（2011）的研究（表1），各細化農(nóng)村結(jié)構(gòu)房屋平均震害指數(shù)的計算結(jié)果如表2所示。

圖7為各細化農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)平均震害指數(shù)三維柱狀圖。如圖所示，在地震烈度為Ⅵ度時，泥漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)、石結(jié)構(gòu)、土坯墻土木結(jié)構(gòu)、混合承重土木結(jié)構(gòu)和夯土墻土木結(jié)構(gòu)房屋為輕微破壞，磚混結(jié)構(gòu)、木架結(jié)構(gòu)和砂漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為基本完好;在地震烈度為Ⅶ度時，2種磚混結(jié)構(gòu)房屋均為基本完好，夯土墻土木結(jié)構(gòu)、木架結(jié)構(gòu)和砂漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為輕微破壞，土坯墻土木結(jié)構(gòu)、泥漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)、石結(jié)構(gòu)和混合承重土木結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為中等破壞;在地震烈度為Ⅷ度時，2種磚混結(jié)構(gòu)房屋均為輕微破壞，夯土墻土木結(jié)構(gòu)、2種木架結(jié)構(gòu)和砂漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為中等破壞，土坯墻土木結(jié)構(gòu)、混合承重土木結(jié)構(gòu)、泥漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)和石結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為嚴(yán)重破壞;在地震烈度為Ⅸ度時，2種磚混結(jié)構(gòu)和磚圍護木架結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為中等破壞，其余農(nóng)村結(jié)構(gòu)房屋均表現(xiàn)為嚴(yán)重破壞;在地震烈度為Ⅹ度時，2種木架結(jié)構(gòu)和新建磚混結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為嚴(yán)重破壞，其余農(nóng)村結(jié)構(gòu)房屋均表現(xiàn)為毀壞。

根據(jù)以上分析可得，西北地區(qū)典型農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)中，抗震性能較差的是土坯墻土木結(jié)構(gòu)、石結(jié)構(gòu)和泥漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)房屋，抗震性能中等的是夯土墻土木結(jié)構(gòu)、砂漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)、土圍護木架結(jié)構(gòu)和老舊磚混結(jié)構(gòu)房屋，抗震性能最好的是磚圍護木架結(jié)構(gòu)和新建磚混結(jié)構(gòu)房屋。

3 結(jié)論與討論

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造措施、材料強度等，將西北地區(qū)典型農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)類型細化為6大類、15小類。根據(jù)計算所得平均震害指數(shù)將西北地區(qū)典型農(nóng)村抗震性能分為較好、中等、較差3類。抗震性能較好的是磚圍護木架結(jié)構(gòu)和新建磚混結(jié)構(gòu);抗震性能中等的是夯土墻土木結(jié)構(gòu)、砂漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)、土圍護木架結(jié)構(gòu)和老舊磚混結(jié)構(gòu);抗震性能較差的是土坯墻土木結(jié)構(gòu)、石結(jié)構(gòu)和泥漿砌筑磚木結(jié)構(gòu)。

地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫中城市和農(nóng)村的建筑物采用同一分類：土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和其它結(jié)構(gòu)，對于農(nóng)村地區(qū)該分類稍顯粗糙，例如同屬于土木結(jié)構(gòu)的土坯墻土木結(jié)構(gòu)和土圍護木架結(jié)構(gòu)，其在地震中的破壞特征和抗震性能均存在較大的差距。因此，建議對地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫中農(nóng)村房屋結(jié)構(gòu)分類進行細化研究，并進一步詳細調(diào)查各地區(qū)各細化類型所占比例，以供建筑物災(zāi)害損失評估修正使用。

地震應(yīng)急數(shù)據(jù)庫中震害矩陣只根據(jù)地域進行區(qū)分，但是地震現(xiàn)場調(diào)查顯示，對于城市和農(nóng)村的房屋建筑，其結(jié)構(gòu)類型和抗震性能均有較大區(qū)別，在相同地震烈度影響下同屬一類的農(nóng)村房屋的破壞更為嚴(yán)重，可能造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失會更大。因此，同一地域內(nèi)城市和農(nóng)村采用同一震害矩陣進行震后災(zāi)害損失評估，可能會造成較大的誤差，建議同一地域內(nèi)給出單獨的農(nóng)村地區(qū)建筑物的震害矩陣，以提高地震災(zāi)害損失評估的準(zhǔn)確度。

中國地震臺網(wǎng)中心帥向華研究員、南京工業(yè)大學(xué)吳志堅教授、中國地震局工程力學(xué)研究所林均岐研究員對房屋細化分類提出過寶貴意見，青海省地震局楊理臣和內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局楊智升提供了諸多意見和幫助，在此一并表示感謝。

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