溫和平, 唐麗華, 李 帥, 常想德
(新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011)
中國是遭受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。20世紀(jì)發(fā)生的破壞性地震占全球三分之一,死亡人數(shù)高達(dá)60萬,占全球50%[1]。唐山7.8級、汶川8.0級、玉樹7.1級及蘆山7.3級等地震在城鎮(zhèn)區(qū)域造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。新疆70%的城鎮(zhèn)在歷史上都曾遭受Ⅶ度以上烈度地震的襲擊,1985年烏恰7.4級地震中,縣城被毀而被迫遷址。
2003年巴楚—伽師6.8級地震后,新疆自治區(qū)人民政府于2004 年啟動“新疆城鄉(xiāng)抗震安居工程”,以達(dá)到全疆城鄉(xiāng)住宅抗震設(shè)防水平基本可以抵御6級左右地震災(zāi)害的目標(biāo)。2004~2019年底,新疆共發(fā)生60余次5級以上地震,包括2次7級地震和12次6級地震,這些地震在人口密集區(qū)的最高烈度達(dá)到了Ⅷ度,但是由于安居工程的實(shí)施,有效地減輕了廣大農(nóng)村地區(qū)人員傷亡和地震災(zāi)害損失[2]。
然而,由于區(qū)域間經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不均衡,新疆城鎮(zhèn)區(qū)域各類建筑抗震設(shè)防水平差異問題非常突出,近年來的實(shí)際震害也說明了這一點(diǎn)。特別是2015年皮山6.5級、2016年呼圖壁6.2級及2017年精河6.6級地震造成了城區(qū)不同程度的破壞,特別是城市老舊房屋破壞較為嚴(yán)重[3],警醒我們新疆城市抗震設(shè)防問題依然突出。因此全面掌握新疆城鎮(zhèn)建筑的基本情況,對做好地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析工作有著積極意義。
地震行業(yè)科研專項(xiàng)“天山帶承災(zāi)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查”項(xiàng)目,在全疆完成了253個(gè)公里格網(wǎng)單元的承災(zāi)體抽樣調(diào)查工作,形成了覆蓋新疆105個(gè)縣域的各類區(qū)域結(jié)構(gòu)類型的詳實(shí)數(shù)據(jù)。從其中城鎮(zhèn)區(qū)域的抽樣點(diǎn)代表性來看,基本覆蓋南北疆各種城市類型。抽樣結(jié)果可以代表目前新疆城鎮(zhèn)建筑的實(shí)際情況。因此結(jié)合近年來新疆區(qū)域內(nèi)多次破壞性地震的現(xiàn)場震害調(diào)查資料,可以對新疆城鎮(zhèn)建筑的抗震能力和地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成一個(gè)初步的判斷。
新疆目前轄屬14個(gè)地州市,共計(jì)105個(gè)縣市區(qū)。包括13個(gè)市轄區(qū),15個(gè)縣級市(10個(gè)為地州所在地)、68個(gè)縣及自治縣[4],以及9個(gè)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)城市。本次行業(yè)專項(xiàng)抽樣中包含縣市區(qū)所在地的42個(gè)城鎮(zhèn)街道(表1)調(diào)查點(diǎn),約占縣市區(qū)總數(shù)的40%。
需要說明的是,實(shí)際抽樣工作中對于城鎮(zhèn)抽樣單元的各類建筑物是逐棟進(jìn)行實(shí)地調(diào)查。由于學(xué)校、醫(yī)院的建筑有“重要構(gòu)建構(gòu)筑物抗震加固”、“校安工程”等專項(xiàng)支持,故未列入調(diào)查。同時(shí)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)是一個(gè)單獨(dú)行政單元,其各類建筑物規(guī)劃及建設(shè)、結(jié)構(gòu)一致性等方面明顯不同,需另文分析。
根據(jù)本次抽樣調(diào)查工作了解到新疆城鎮(zhèn)建筑的實(shí)際情況,將其建筑類型主要劃分為常見的A、B、C、D、E、F 6種結(jié)構(gòu)類型。
① A類-土木結(jié)構(gòu)類型
指以生土為建筑物墻體,木材為梁柱建造的房屋結(jié)構(gòu)類型。實(shí)際工作中將包括土坯房、木框架房屋(包括早期抗震房)、多層土木結(jié)構(gòu)、磚柱土坯房屋均歸入此類。目前地震現(xiàn)場工作中將其歸入簡易房屋類。此類房屋多數(shù)分布在城郊的城鄉(xiāng)結(jié)合部,少量在城中村存在。
② B類-磚木結(jié)構(gòu)類型
指建筑物中豎向承重結(jié)構(gòu)的墻、柱等采用磚或砌塊砌筑,樓板、屋架等采用木頭的房屋結(jié)構(gòu)。實(shí)際調(diào)查工作中見到的磚木結(jié)構(gòu)房屋呈現(xiàn)平頂和雙向(單向)坡頂?shù)阮愋停酁閱螌?。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)此類房屋多數(shù)分布在城郊或者城中村區(qū)域。
③ C類-磚混結(jié)構(gòu)類型
這里實(shí)際上是指規(guī)范[5]頒布前設(shè)計(jì)建造的磚砌體結(jié)構(gòu)。在此次實(shí)際抽樣工作中,將2000年及以前的磚混結(jié)構(gòu)房屋均歸入此類,通常認(rèn)為是無圈梁和構(gòu)造柱的磚砌體結(jié)構(gòu),建筑物呈現(xiàn)為單層或多層,樓板為預(yù)制或現(xiàn)澆制成。
④ D類-具抗震結(jié)構(gòu)砌體結(jié)構(gòu)類型
嚴(yán)格按照規(guī)范[5]設(shè)計(jì)建造的具有圈梁和構(gòu)造柱的磚砌體結(jié)構(gòu)建筑。樓層數(shù)多數(shù)為7層及以下,主要為城鎮(zhèn)近年來新建居民小區(qū)和部分公用建筑。
⑤ E類-框架結(jié)構(gòu)類型
又稱構(gòu)架式結(jié)構(gòu),是指由梁和柱以剛接相連接構(gòu)成承重體系的結(jié)構(gòu),即由梁和柱組成框架共同抵抗水平荷載和豎向荷載。實(shí)際調(diào)查中包括混凝土框架和鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)。在抽樣調(diào)查的城鎮(zhèn)中,主要是8層及以下各類商超、寫字樓、政府機(jī)構(gòu)以及部分公用建筑。
⑥ F類-高層建筑類型
中國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6]規(guī)定,10層及10層以上或高度超過28 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)稱為高層建筑結(jié)構(gòu)。由于此前的規(guī)范規(guī)定8層以上的建筑為高層建筑。為了和文獻(xiàn)中層數(shù)分類銜接,沿用此前規(guī)范的分類。此類房屋多數(shù)為新建的辦公樓、高密度居民小區(qū)等。
一般情況下,各類城鎮(zhèn)均包括若干個(gè)公里格網(wǎng)單元,而每個(gè)城市歷經(jīng)不同的歷史時(shí)期形成了不同建筑特點(diǎn)的區(qū)域。實(shí)際抽樣點(diǎn)的選取工作中,為了能夠更好地代表各類區(qū)域,選取的抽樣單元一般涉及所在城市的核心區(qū)、一般區(qū)域、舊(老)城區(qū)、城市新區(qū)、城郊(城鄉(xiāng)結(jié)合部)區(qū)域。
表1 新疆城鎮(zhèn)街道公里格網(wǎng)抽樣點(diǎn)情況一覽表
根據(jù)每個(gè)格網(wǎng)單元的抽樣結(jié)果,按照前述A、B、C、D、E、F等 6類結(jié)構(gòu)類型分別計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)各類結(jié)構(gòu)建筑的面積比例,即結(jié)構(gòu)比(表1),表中還標(biāo)注了各單元在所在城鎮(zhèn)的抽樣區(qū)域。
公里格網(wǎng)抽樣調(diào)查獲得了單位面積內(nèi)的建筑物總面積,與建筑行業(yè)的容積率的概念比較接近。容積率又稱建筑面積毛密度,是指一個(gè)小區(qū)的土地上總建筑面積與用地面積的比率。這里借用并延伸,表示公里格網(wǎng)中的建筑物總面積與公里格網(wǎng)的土地面積(106m2)的比值。
公里格網(wǎng)單元容積率越高,意味著承災(zāi)體分布密度越大,因此其遭受地震災(zāi)害損失可能就越嚴(yán)重。所以這個(gè)延伸概念的廣義容積率實(shí)際上控制了單位面積內(nèi)承災(zāi)體的規(guī)模,一定程度上可框定城市建成區(qū)內(nèi)建筑總面積,可以用于震害損失預(yù)評估、震后快速評估和現(xiàn)場災(zāi)害損失評估工作。
新疆地域廣闊,但是適宜人居的綠洲面積約7萬km2,居住人口約占人口總數(shù)的95%[7],其他區(qū)域居住人口僅占5%。因地理環(huán)境等原因地區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展極為不均衡,各城鎮(zhèn)間的容積率差異很大。根據(jù)表1中的容積率,可以大致將新疆城鎮(zhèn)分為4類。
烏魯木齊可以單獨(dú)作為一類。作為大型城市烏魯木齊2016年底的建成區(qū)面積為438 km2[8]。城市“容積率”高,城區(qū)各類承災(zāi)體密集,遭受強(qiáng)震直接侵襲后經(jīng)濟(jì)損失巨大。
第二類為區(qū)域中心城鎮(zhèn),容積率為0.51~1.3。多數(shù)為地州市所在地、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的縣市,城市建成區(qū)面積在40~60 km2。城區(qū)承災(zāi)體分布較為密集,遭受強(qiáng)震直接侵襲后經(jīng)濟(jì)損失較大。
第三類為一般城鎮(zhèn),容積率0.2~0.5。包括一般城市及多數(shù)縣城,城市建成區(qū)面積在20~30 km2左右,城區(qū)建筑物密度中等,遭受強(qiáng)震直接侵襲后將產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失。
第四類為小型城鎮(zhèn),容積率<0.2。主要是縣域經(jīng)濟(jì)以農(nóng)牧業(yè)為主的縣城,城市建成區(qū)面積<20 km2。城區(qū)建筑物密度低,遭受強(qiáng)震直接侵襲后經(jīng)濟(jì)損失相對較小。
需要特別指出的是,上一節(jié)的分析僅基于建筑結(jié)構(gòu)類型的的考慮,并未考慮建筑基礎(chǔ)、場地,以及建筑施工質(zhì)量的影響,實(shí)際上以上歷史震害有不少是這些原因造成的。2004年以來,新疆境內(nèi)發(fā)生60余次5級以上地震,但是在城鎮(zhèn)區(qū)域造成Ⅵ度及以上破壞的震例不多(表2),總結(jié)其房屋建筑震害的基本特征[3,9-11]如下:
土木結(jié)構(gòu):生土結(jié)構(gòu)房屋墻體以粘土或土坯砌成。因其材料強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)整體性差,故結(jié)構(gòu)承載能力低、抗剪性能差。加之新疆地區(qū)的此類房屋為御寒或防雨而形成較重的屋蓋,因此在較強(qiáng)地震動作用下易造成屋蓋垮塌、墻體開裂而嚴(yán)重破壞乃至毀壞;木架房屋結(jié)構(gòu)整體性優(yōu)于生土結(jié)構(gòu),但實(shí)際施工中木柱與生土墻體、木柱與木梁無有效聯(lián)結(jié)或聯(lián)結(jié)較差,削弱了墻體的整體性,降低生土墻體的承載力及變形能力。在相同地震動作用下,其抗震性能總體優(yōu)于生土結(jié)構(gòu),嚴(yán)重破壞、毀壞一般出現(xiàn)在Ⅷ度區(qū)域內(nèi)。
磚木結(jié)構(gòu):縱橫墻交接部位拉結(jié)措施不夠,導(dǎo)致地震作用下墻體出現(xiàn)豎向裂縫,甚至外閃、倒塌;門窗洞口沒有設(shè)過梁,或者過梁支承長度不足,地震時(shí)門窗角產(chǎn)生X型裂縫;女兒墻、雨蓬、護(hù)攔等附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)缺乏拉結(jié)措施,致使在地震時(shí)倒塌、墜落而造成人員傷亡;砌筑砂漿強(qiáng)度不足,砌筑質(zhì)量參差導(dǎo)致墻體整體性差,抗剪力不足,易受剪切后破壞或倒塌。
磚混結(jié)構(gòu):一般情況下,老舊磚混結(jié)構(gòu)房屋的縱橫墻交接部位拉結(jié)措施不夠,砌筑砂漿強(qiáng)度不足,基礎(chǔ)處理不當(dāng)原因等導(dǎo)致房屋震害嚴(yán)重,出現(xiàn)墻體嚴(yán)重剪切破壞,磚體斷裂;有抗震措施的多層磚混結(jié)構(gòu)房屋多見墻體斜裂縫,一般未見磚體斷裂;預(yù)制的樓板因施工時(shí)與圈梁鉸合差甚至無鉸合導(dǎo)致滑落等。
框架結(jié)構(gòu):部分建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件一定程度破壞,多為輕微,填充墻出現(xiàn)不同程度剪切破壞,室內(nèi)附屬設(shè)施、裝飾物有損毀。
表2 新疆部分城鎮(zhèn)震害中各類建筑結(jié)構(gòu)房屋的破壞比
從歷史震害的情況來看,一般城鎮(zhèn)在遭受Ⅷ度及以上地震動的破壞時(shí),設(shè)防建筑才會出現(xiàn)較嚴(yán)重的破壞,同時(shí)會在城郊、或城中村的老舊房屋區(qū)域出現(xiàn)大面積建筑破壞。
結(jié)構(gòu)易損性代表了建筑物抗震能力,是指在不同強(qiáng)度地震作用下工程結(jié)構(gòu)發(fā)生各種破壞狀態(tài)的條件概率。它可以從概率的意義上定量地表征各類結(jié)構(gòu)的抗震性能,從宏觀的角度描述地震動強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)破壞程度之間的關(guān)系。
表1中為每個(gè)抽樣公里格網(wǎng)單元內(nèi)各類結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)比。根據(jù)新疆各類民居的易損性矩陣和抽樣單元的結(jié)構(gòu)比(表2),溫和平等人計(jì)算了特定地震動條件(0.2 g)下,每個(gè)公里格網(wǎng)單元內(nèi)各類建筑物結(jié)構(gòu)比與破壞比中完好率(包括輕微破壞、基本完好)乘積之和,即完整率,它代表特定地震動條件(0.2 g)下格網(wǎng)單元內(nèi)建筑物的抗震能力[12]。
從表中完整率計(jì)算結(jié)果來看,對于單個(gè)城市,城市新建區(qū)域、核心區(qū)域建筑物結(jié)構(gòu)類型以設(shè)防磚混、框架結(jié)構(gòu)為主,格網(wǎng)單元的完整率一般在80%以上,區(qū)域總體抗震能力強(qiáng);包含郊區(qū)的區(qū)域部分,則由于城鄉(xiāng)結(jié)合部建筑物以老舊磚混、不設(shè)防的磚木為主,加有少量生土結(jié)構(gòu)房屋,總體上抗震能力較差,格網(wǎng)單元的完整率則在70%以下;老(舊)城區(qū)同樣因?yàn)槔吓f磚混建筑較多,或城中村存在不少磚木結(jié)構(gòu)房屋,格網(wǎng)單元的完整率一般在70%~80%之間,抗震能力一般。
因此對于城市而言,無論是老城區(qū)的老舊建筑,還是城中村、城鄉(xiāng)結(jié)合部的不設(shè)防建筑,都是地震災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn),需要及時(shí)消除。
圖1 新疆城鎮(zhèn)公里格網(wǎng)抽樣單元容積率和完整率的相關(guān)關(guān)系圖
容積率表征的是單位面積內(nèi)建筑物的密度,實(shí)際上是城市的開發(fā)強(qiáng)度的一種表現(xiàn)。在某個(gè)區(qū)域內(nèi),易損性矩陣是確定的,完整率則是與結(jié)構(gòu)比密切相關(guān)。對于一個(gè)城市來說,二者的背后均隱含著區(qū)域經(jīng)濟(jì)因素,因此二者一定存在某種程度的正相關(guān)關(guān)系。我們嘗試對二者進(jìn)行相關(guān)分析(圖1)。由于烏魯木齊天山區(qū)的抽樣點(diǎn)的容積率過高而影響數(shù)據(jù)的展示,在分析過程中去掉了該點(diǎn)。
從圖中可見,右下方的少數(shù)點(diǎn),雖然容積率很低,但是完整率卻在80%以上,這實(shí)際是少數(shù)新建筑較多的小城鎮(zhèn);最左方的一些點(diǎn)則容積率、完整率很低,則是表示的是在城郊區(qū)域抽樣的城鎮(zhèn)。其他城鎮(zhèn)點(diǎn)則可以看出二者間的線性關(guān)系明顯。這實(shí)際上說明城鎮(zhèn)建設(shè)在城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力的支撐下,是可以實(shí)現(xiàn)抗震能力和開發(fā)強(qiáng)度的統(tǒng)一。孫柏濤等人已經(jīng)開展了經(jīng)濟(jì)、土地利用、設(shè)防情況、人口密度和行政區(qū)劃屬性等因素與區(qū)域建筑物抗震能力的相關(guān)性研究,并建立中國大陸區(qū)域建筑物抗震能力綜合分區(qū)分類方法,給出了中國大陸地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)損失分布圖[13-15]。
歷史震例表明,新疆安居工程的實(shí)施有效地減輕了廣大農(nóng)村地區(qū)人員傷亡和地震災(zāi)害損失,基本實(shí)現(xiàn)抵御6級地震的目標(biāo)。因此對于新疆城市區(qū)域的震害防御工作,也應(yīng)切實(shí)落實(shí)“以防為主”的理念,并采取有效措施減輕地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。對經(jīng)濟(jì)條件較好的地區(qū),在建好城市新區(qū)的同時(shí),對城中村和城鄉(xiāng)結(jié)合部區(qū)域加快改造,切實(shí)提高城市整體的抗震能力;對于經(jīng)濟(jì)能力一般或者較弱的地區(qū),則要盡量避免開發(fā)新區(qū),采取舊城區(qū)原地新建改造的方式,建設(shè)小而精的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防城鎮(zhèn)。
根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[16]確定,新疆105個(gè)縣市區(qū)所在地中有75個(gè)城鎮(zhèn)Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度在0.1 g及以上,即城市是Ⅶ度及以上設(shè)防,因此大多數(shù)城鎮(zhèn)的罕遇地震動峰值加速度為0.15 g(Ⅷ度)以上。
2013年8月30日烏魯木齊5.1級地震,2015年7月3日皮山縣6.5級地震,是近年來新疆地區(qū)較為典型的地震。兩者的極震區(qū)覆蓋主城區(qū),屬于城市直下型地震。此時(shí)兩城市的正規(guī)建筑均按照第四代區(qū)劃圖設(shè)計(jì)施工。第四代區(qū)劃中烏魯木齊城區(qū)地震動峰值加速度為0.20 g,建筑物設(shè)防烈度為Ⅷ 度;皮山縣城固瑪鎮(zhèn)為在四代區(qū)劃中地震動參數(shù)為0.10 g,設(shè)防烈度為Ⅶ度。因此兩次地震的建筑物震害在設(shè)防建筑上的差異明顯。
相對于兩地的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),烏魯木齊市在5.1級這個(gè)多遇地震作用下,除少量老舊房屋外,標(biāo)準(zhǔn)建筑表現(xiàn)良好,實(shí)現(xiàn)了“小震不壞”的目標(biāo);而皮山6.5級地震在縣城皮山固瑪鎮(zhèn)的烈度為Ⅷ度,基本屬于罕遇地震動,其建筑震害表現(xiàn)為老舊建筑破壞較重,而新建的標(biāo)準(zhǔn)建筑的表現(xiàn)則較好,僅少數(shù)中等以上破壞[3]。因此可以說,在地震動參數(shù)區(qū)劃的指導(dǎo)下,兩座城市的標(biāo)準(zhǔn)建筑總體上都實(shí)現(xiàn)了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的震害防御目標(biāo)。
汶川8.0級地震災(zāi)害舉世矚目,國內(nèi)眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)針對建筑震害進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì),并對建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和探討[15,17-20],其中嚴(yán)守抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、結(jié)構(gòu)類型的選擇、施工質(zhì)量及監(jiān)督是討論的熱點(diǎn);在烈度達(dá)到Ⅺ度北川老縣城現(xiàn)場調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn),1棟已基本完工未入住的磚混砌體結(jié)構(gòu)的6層樓房(當(dāng)時(shí)是Ⅶ度設(shè)防)雖然傾斜,但整體結(jié)構(gòu)依然完整。以上這些都說明良好的設(shè)計(jì)和施工是可以最大限度地減輕人員的傷亡。
基于上述地震災(zāi)害的事實(shí),為提高城市的整體抗震能力、實(shí)現(xiàn)減輕震害的目標(biāo),在新疆這種強(qiáng)震多發(fā)區(qū)域,對于城市新建的各類構(gòu)建筑物,需要按照已經(jīng)提高抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的第5代區(qū)劃圖嚴(yán)格抗震設(shè)計(jì)和施工;對于城市既有建筑則需要認(rèn)真開展抗震鑒定工作,根據(jù)鑒定結(jié)果采取拆除或抗震加固措施,以達(dá)到所有建筑物符合當(dāng)前抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。
(1) 新疆城鎮(zhèn)建筑的抗震設(shè)防水平與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相關(guān)。各類城市的新建區(qū)域、核心區(qū)域抗震能力強(qiáng),舊(老)城區(qū)抗震能力一般。
(2) 為達(dá)到城市的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),新建區(qū)域需要按照第五代區(qū)劃圖嚴(yán)格設(shè)計(jì)施工。城區(qū)的老舊建筑,城中村、城鄉(xiāng)結(jié)合部的不設(shè)防建筑,都是地震災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn),需要對其開展抗震鑒定,并依據(jù)實(shí)際情況采取拆除或抗震加固措施。
(3) 對經(jīng)濟(jì)條件較好的地區(qū),在建好城市新區(qū)的同時(shí),對城中村和城鄉(xiāng)結(jié)合部要予以改造,提高城市整體的抗震能力;對于經(jīng)濟(jì)能力一般或者較弱的地區(qū)則盡量避免開發(fā)新區(qū),宜采取舊(老)城區(qū)改造的方式,建設(shè)小而精的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防城鎮(zhèn)。