漾濞6.4級(jí)地震中穿斗式木結(jié)構(gòu)墻體震害分析

楊帆

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引 言

2021年5月21日21時(shí)48分云南省大理州漾濞縣發(fā)生6.4級(jí)地震，震中位于25.67°N，99.87°E，震源深度8 km。此次地震伴隨了3次5級(jí)以上地震，其中1次5.6級(jí)前震(21日21時(shí)21分)，震中位于25.63°N，99.92°E，震源深度8 km；1次5.0級(jí)余震21日(21時(shí)55分)，震中位于25.67°N，99.89°E，震源深度8 km；1次5.2級(jí)余震(21日22時(shí)31分)，震中位于25.59°N，99.97°E，震源深度8 km。地震造成大理州漾濞縣、大理市、洱源縣、巍山縣、云龍縣、永平縣等6個(gè)縣(市)42個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、2個(gè)街道不同程度受災(zāi)，3人死亡，34人受傷，直接經(jīng)濟(jì)總損失達(dá)32億元。

漾濞地震后，受災(zāi)地區(qū)的土木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的震害現(xiàn)象，其中墻體的損壞尤其明顯，即使經(jīng)過(guò)抗震加固改造的土木結(jié)構(gòu)依舊出現(xiàn)了嚴(yán)重的震害。通過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，穿斗式木結(jié)構(gòu)墻體施工不合理是導(dǎo)致本次震害現(xiàn)象的直接原因。災(zāi)區(qū)部分穿斗式木結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過(guò)抗震加固，但是加固方式側(cè)重于對(duì)木構(gòu)架節(jié)點(diǎn)及抗側(cè)力的加固，墻體幾乎未作處理，所以導(dǎo)致部分加固過(guò)的土木結(jié)構(gòu)墻體也出現(xiàn)了嚴(yán)重震害現(xiàn)象甚至山墻倒塌。

1 震區(qū)及調(diào)查點(diǎn)情況簡(jiǎn)介

漾濞地震伴隨著一系列強(qiáng)余震，截至2021年5月30日08時(shí)00分，3.0級(jí)以上地震46次，其中6.0～6.9級(jí)地震1次，5.0～5.9級(jí)地震3次，4.0～4.9級(jí)地震13次，3.0～3.9級(jí)地震29次。多次余震使得原本受損的房屋進(jìn)一步受到震害。

漾濞6.4級(jí)地震發(fā)生后，工作組調(diào)查了218個(gè)居民點(diǎn)的震害(圖1)，結(jié)合強(qiáng)震記錄、震源機(jī)制解以及余震分布、儀器烈度等科技資料，確定了本次地震烈度分布(圖1)。此次地震最高烈度為Ⅷ度(8度)，Ⅵ度(6度)及以上區(qū)域面積約6 600 km2(含洱海)，共涉及大理州6個(gè)縣市。

圖1 云南漾濞6.4級(jí)地震烈度圖

根據(jù)《地震現(xiàn)場(chǎng)工作第4部分：災(zāi)害直接損失評(píng)估》(GB/T 18208.4—2011)，以六度區(qū)作為外邊界，破壞連續(xù)分布的區(qū)域作為計(jì)算經(jīng)濟(jì)損失的評(píng)估區(qū)，漾濞縣城和大理市區(qū)作為城市評(píng)估區(qū)單獨(dú)進(jìn)行評(píng)估。將災(zāi)區(qū)劃分為五個(gè)評(píng)估區(qū)，八度區(qū)漾濞縣城以外區(qū)域?yàn)樵u(píng)估區(qū)一、七度區(qū)為評(píng)估區(qū)二，六度區(qū)大理市區(qū)以外區(qū)域?yàn)樵u(píng)估區(qū)三，漾濞縣城為評(píng)估區(qū)四，大理市區(qū)為評(píng)估區(qū)五。表1為評(píng)估區(qū)各類結(jié)構(gòu)建筑占比，從中可以看出木結(jié)構(gòu)占有相當(dāng)比例。

從評(píng)估區(qū)隨機(jī)選取43個(gè)抽樣點(diǎn)，根據(jù)抽樣點(diǎn)房屋破壞面積計(jì)算出不同結(jié)構(gòu)每個(gè)破壞等級(jí)的破壞比，列于表2、3。由圖表可知本次地震中木結(jié)構(gòu)受損程度最嚴(yán)重。當(dāng)?shù)啬窘Y(jié)構(gòu)包括密梁式木結(jié)構(gòu)、抬梁式木結(jié)構(gòu)和穿斗式木結(jié)構(gòu)，其中以穿斗式木結(jié)構(gòu)為主(占90%以上)，本文沒有單獨(dú)對(duì)穿斗式木結(jié)構(gòu)的損失比進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作組調(diào)查反饋，穿斗式木結(jié)構(gòu)的損失比與木結(jié)構(gòu)損失比幾近相同。

表2 木結(jié)構(gòu)破壞比 單位：%

表3 其他房屋破壞比 單位：%

2 穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋墻體受損原因分析

大理地區(qū)的穿斗式木結(jié)構(gòu)中，木構(gòu)架主要由柱、坊、檁、椽以榫卯結(jié)構(gòu)相連組成[1-2](圖2)，使用的榫卯結(jié)構(gòu)大致可以分為直榫、大頭榫、箍頭榫和半刻榫。其特點(diǎn)是以穿坊將柱子“串聯(lián)”，通常以四榀三間的形式建造[3-7]，圍護(hù)墻一般使用夯土墻或土坯墻，也有采用二者混合砌筑或多種材料混合砌筑的結(jié)構(gòu)，墻體厚度一般為40～50 cm。

圖2 穿斗木結(jié)構(gòu)

漾濞地震中，穿斗式木結(jié)構(gòu)墻體出現(xiàn)的震害現(xiàn)象主要包括不同程度開裂、局部坍塌和整體倒塌，出現(xiàn)此類現(xiàn)象的原因主要為施工方案不合理、施工技術(shù)不達(dá)標(biāo)和居民抗震意識(shí)薄弱，這些原因?qū)е陆ㄖ拐鹦阅茌^差，即使其中很多經(jīng)過(guò)抗震加固，墻體依舊出現(xiàn)損毀。

2.1 選材隨意

當(dāng)?shù)鼐用裰谱魍僚骰蚝恢w的材料一般使用紅土或黃土，其中紅土黏粒較多，黃土沙礫較多，鄉(xiāng)村地區(qū)施工隊(duì)選材標(biāo)準(zhǔn)往往依靠經(jīng)驗(yàn)選材。對(duì)于土坯，粘性土較多，干燥過(guò)程易產(chǎn)生裂紋，粘性不足則粘聚力不足，易被破壞；對(duì)于夯土墻，粘性過(guò)高不易扮實(shí)，沙礫過(guò)多則離散性會(huì)增大。

土壤的含水率，沙石粒徑，土粒級(jí)配等因素都對(duì)墻體材料的抗壓性和抗剪性有不小的影響，選材不合理會(huì)導(dǎo)致房屋墻體由于干縮、受災(zāi)等因素出現(xiàn)程度不同的裂縫，影響墻體抗震性能，無(wú)法達(dá)到應(yīng)有強(qiáng)度。許多房屋墻體即使加入了竹筋等延性材料，依舊無(wú)法達(dá)到抗震效果。

2.2 墻包柱

大理地區(qū)土木房屋在木構(gòu)架柱與墻體的連接方式上一般有三種，墻不包柱，墻半包柱和墻全包柱(圖3)，為了建筑美觀，多數(shù)居民會(huì)選擇后兩種建造形式。通過(guò)對(duì)包括漾濞地震在內(nèi)的多次震后調(diào)研發(fā)現(xiàn)后兩種建造形式并不利于抗震，加上墻體選材不合理等因素，墻體中包裹柱子的部位反而在墻體上形成薄弱點(diǎn)，造成剛度突變，削弱了外墻的整體性，使墻體在地震中更容易損壞，造成局部坍塌甚至整體坍塌。

圖3 墻包柱造成的震害

2.3 土坯墻砌筑方式存在缺陷

震區(qū)土坯常見尺寸為120 mm×160 mm×280 mm,根據(jù)這個(gè)尺寸，墻體的砌筑方式主要有三種(圖4)，其中最常見的為一丁一拐[1]。雖然這種砌筑方式省時(shí)省力，但卻存在一定的抗震缺陷，地震時(shí)容易在土坯與土坯間的空隙中形成從上到下的通縫，且許多土坯墻砌筑的時(shí)候僅在上下層土坯之間涂抹砂漿，豎縫基本沒有砂漿，更降低了墻體的豎向荷載能力。

2.4 夯土墻施工工藝存在缺陷

夯土墻在施工的時(shí)候，多采取先夯筑完一面墻再夯筑另一面墻的施工方式，這就導(dǎo)致縱墻與橫墻之間無(wú)法有效結(jié)合，隨著房屋使用年限的增長(zhǎng)，伴隨著土壤干縮、侵蝕等因素，進(jìn)一步削弱了墻體間的連接性。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，墻角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加上木構(gòu)架與土坯或夯土墻材料特性不同，導(dǎo)致二者位移反應(yīng)不一致，地震中二者相互作用，使墻體受損[2-4]。圖5(b)中所示的兩條裂縫中左邊一條是由于承受豎向荷載過(guò)大造成的豎向通縫，右邊一條便是因?yàn)榭v橫墻施工工藝自身缺陷，遭受地震時(shí)所形成的齊平豎向通縫。

圖4 常見土坯墻砌筑方式

圖5 施工不當(dāng)墻體的震害

2.5 混合砌筑的墻體抗震性能較差

為了施工方便，大理鄉(xiāng)鎮(zhèn)地帶穿斗式木結(jié)構(gòu)經(jīng)常使用多種材料來(lái)修建墻體，例如土磚混用，土石混用，土坯、夯土混用。

最常見的方式是采用土坯與夯土墻混合承重的方式來(lái)建造，一般有三種形式：一層二層圍護(hù)墻使用夯土的方式夯筑，山尖墻改用土坯砌筑；一層圍護(hù)墻夯筑，二層以上使用土坯砌筑(圖6a)；一層圍護(hù)墻夯筑，一二層交接處為了將木架包裹入墻體，且方便找平，會(huì)在梁上部位鋪設(shè)一層土坯，再進(jìn)行二層墻體的夯筑(圖6b)。此外，在建造過(guò)程中土坯與夯土墻之間往往簡(jiǎn)單使用泥漿進(jìn)行銜接，很難達(dá)到有效結(jié)合(圖6c)，山尖墻也常采用土坯的形式甚至有土坯干砌的情況，導(dǎo)致地震時(shí)土坯部位經(jīng)常損壞。

磚墻包土墻(俗稱“金包銀”)(圖6d)、四角做磚柱(圖6e)中間以夯土墻填充也是大理地區(qū)常見的墻體建造方式。其缺點(diǎn)是土壤與磚砌體之間無(wú)法有效拉結(jié)?！敖鸢y”的建造方式在地震時(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤對(duì)外貼磚產(chǎn)生推擠作用致使墻體大片剝落倒塌。四角做磚柱的形式則使得墻體被進(jìn)行分割，地震中容易出現(xiàn)墻體坍塌。除此之外，還有一些土墻與空心磚的混搭方式來(lái)建造墻體(圖6f)，也極易受到震害。

大量震害經(jīng)驗(yàn)表明，云南鄉(xiāng)鎮(zhèn)地帶現(xiàn)行的墻體修建方式中，夯土墻的抗震性能要優(yōu)于土坯墻，單一材料的墻體抗震性能則優(yōu)于兩種及以上材料修建的墻體[5-7]。

2.6 砌筑砂漿強(qiáng)度不足

砌筑砂漿強(qiáng)度不足的情況主要出現(xiàn)在土坯墻和土坯與夯土混合使用的墻體之中，大部分土坯墻中所使用的粘結(jié)材料就是土坯所使用的土壤，土坯之間離散性較大，地震現(xiàn)場(chǎng)可以見到許多土坯未受損害但散落嚴(yán)重的震害現(xiàn)象。

圖6 使用多種材料墻體的震害

3 施工及修復(fù)建議

(1)科學(xué)選材，注重對(duì)生土墻體材料的科學(xué)配比，可加入改性材料提升墻體抗震性能，切勿因趕進(jìn)度而縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間，應(yīng)使墻體材料達(dá)到有效強(qiáng)度。

(2)墻體盡量選擇單一材料及單一建造形式，多種材料或多種建造形式混合搭配的墻體在多次地震中已被證明抗震性能不足。

(3)建議采用類似磚墻的平砌方式，不僅有效避免豎向通縫的形成，還能使土坯平放承載能力達(dá)到最大。

(4)縱墻與橫墻之間采用分層交錯(cuò)咬合夯筑的形式，加強(qiáng)縱橫墻之間的連接性。

(5)木構(gòu)架不應(yīng)包入墻體，最好采用鐵件與木墊片的方式加強(qiáng)木構(gòu)件與墻體的連接性，防止二者在地震中出現(xiàn)較大相互作用導(dǎo)致墻體受損。

(6)墻體修建過(guò)程中建議加入竹筋或木墊片等Z4橫向延性材料。

(7)生土墻的山尖墻與檁條接觸部位應(yīng)設(shè)置木墊片。

(8)大部分土木結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)抗震性能良好，但土坯圍護(hù)墻倒塌、開裂及屋面梭瓦、掉瓦明顯。建議在恢復(fù)重建過(guò)程中，保持地域風(fēng)貌特色，避免大拆大建，原則上以加固修復(fù)為主。同時(shí)，應(yīng)通過(guò)生土墻材料改性補(bǔ)強(qiáng)或直接采用砌體墻等方式著力解決維護(hù)構(gòu)件易損性問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)地震災(zāi)害進(jìn)行震害分析的意義之一在于防止后來(lái)地震中出現(xiàn)由于相同原因造成的建筑損壞。房屋受損不僅對(duì)居民的生命安全造成威脅，也是不小的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。漾濞地震后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，大量農(nóng)村居民因?yàn)榉课莩霈F(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞(以土木結(jié)構(gòu)為主)不得不在戶外田野上居住?？茖W(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕げ粌H可以有效避免傷亡，也可以有效減輕居民財(cái)產(chǎn)損失，防止因震致貧、因震返貧現(xiàn)象的發(fā)生。希望本文所提觀點(diǎn)及措施對(duì)采用穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋的地區(qū)有所幫助。