松原市5.7級和5.1級地震房屋震害特征分析與啟示

張仁鵬， 馮靖喬， 雷煥珍， 于宏偉， 馬 飛， 王佳蕾

(1. 吉林省地震局， 吉林 長春 130022； 2. 長春市地震速測速報中心， 吉林 長春 130000)

0 引言

地震對人民的生命和財產安全造成嚴重威脅，而居民的地震直接經濟損失主要來自于房屋破壞的經濟損失。每次破壞性地震發(fā)生后，專家學者都會對震后的房屋破壞和損失情況進行總結及分析，例如四川地震[1-3]、云南地震[4-5]、青海地震[6]和新疆地震[7]等震后對房屋結構類型、震害特征進行總結，對震害發(fā)生原因進行分析，為震區(qū)災后重建、房屋加固、科普宣傳等工作提供了基礎資料。目前對松原市4.9級地震的震區(qū)房屋破壞情況已做過分析[8]，而松原地區(qū)在2013年(5次)、2018年和2019年共計發(fā)生過7次5級以上的地震，因此對于松原地區(qū)5級以上地震震區(qū)房屋的震害特征和震害原因需要詳細分析。

2018年5月28日1時50分在松原市寧江區(qū)發(fā)生5.7級地震(45.27°N， 124.71°E)，震源深度13km?，F(xiàn)場震害調查結果表明，此次地震震區(qū)最高烈度Ⅶ度， Ⅵ度以上的總面積是1073km2，等震線長軸方向呈北東向。在間隔一年后， 2019年5月18日06時24分在松原市寧江區(qū)發(fā)生5.1級地震(45.3°N， 124.75°E)，震源深度10km，極震區(qū)烈度為Ⅵ度，烈度圈的面積為237km2，等震線長軸方向為北東向。兩次地震震中間距16km，同在松原市寧江區(qū)發(fā)生兩次5級以上地震。

兩次地震都發(fā)生在北東向扶余(松原)—肇東斷裂和北西向第二松花江斷裂的交匯部位附近，根據(jù)對5.7級地震發(fā)震構造的分析[9]，推測5.7級地震的發(fā)震構造為北東走向的扶余—肇東斷裂，而對5.1級發(fā)震構造的研究[10]認為，北西向第二松花江斷裂可能是5.1級地震的發(fā)震斷裂。本文通過收集兩次地震房屋震害調查資料，歸納震區(qū)各結構房屋典型震害特征，計算各類結構房屋破壞比及平均震害指數(shù)，分析破壞發(fā)生原因，以期為松原市房屋的重建、加固、城市未來規(guī)劃等工作提供有效依據(jù)，也為東北新農村房屋的建設提出建議。

1 震區(qū)房屋結構概況

2018年5.7級地震和2019年5.1級地震都發(fā)生在松原市寧江區(qū)地區(qū)，兩次地震震害調查結果表明，震區(qū)房屋的結構類型主要是土木結構、磚木結構、單層磚混結構和多層磚混結構[11-12]。

1.1 土木結構特點

土木結構多建于20世紀70—90年代，地基一般采用簡單的條形基礎，石塊、紅磚砌筑或灌注河砂，基礎較淺，部分房屋未設置地基； 夯土墻或土坯墻承重，個別由木框架與土墻混合承重，另有部分房屋，在正面土墻外部磚掛面(俗稱“一面青”)，由磚墻和土坯墻共同承重，墻體厚度一般為50cm； 簡易木擱梁/檁平頂屋面或“平改坡”屋面。

1.2 磚木結構特點

磚木結構房屋大部分建于20世紀80—90年代，地基多數(shù)采用簡單的條形基礎，石塊、紅磚砌筑或灌注河砂，基礎較淺； 多數(shù)為磚墻承重，少數(shù)房屋由磚墻和木架混合承重，外墻厚50cm或37cm，內墻厚37cm或24cm，墻體多為泥漿砌筑或黑油砂砌筑，水泥砂漿封縫； 沒有混凝土底圈梁和頂圈梁； 屋面多數(shù)采用三角木屋架，少數(shù)為簡易平頂木屋架，鋪望板，掛機制瓦或輕鋼架彩鋼屋面。

1.3 單層磚混結構特點

單層磚混結構房屋多建于2000年以后，地基多數(shù)采用條形基礎，開挖至凍土層砌筑石塊，并設置鋼筋混凝土底圈梁； 墻體由水泥砂漿砌筑，厚度多為37cm； 多數(shù)房屋僅有底圈梁、頂圈梁，未設置構造柱，磚墻承重； 少數(shù)近年建造的房屋，在四角增加了構造柱，磚墻與鋼筋混凝土構造柱混合承重； 屋面一般為三角木屋架，鋪望板，掛機制瓦或輕鋼架彩鋼屋面，部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面。

1.4 多層磚混結構特點

多層磚混結構房屋地基多數(shù)采用標準條形基礎或樁基礎，墻體由水泥砂漿砌筑，磚墻與鋼筋混凝土構造柱混合承重，一般采用混凝土預制板或鋼筋混凝土現(xiàn)澆屋面。

統(tǒng)計兩次地震震區(qū)各類結構房屋所占比例如圖 1所示， 松原市農村房屋主要是以單層磚混結構和磚木結構為主。在5.7級地震的Ⅵ度區(qū)多層磚混結構房屋占比達到55.81%，主要是因為Ⅵ度區(qū)的東南方向涵蓋了松原市寧江區(qū)市區(qū)，市區(qū)的房屋是以多層磚混結構為主。對比5.7級地震震區(qū)和5.1級地震震區(qū)土木結構房屋的使用比例，從1.3%降到0.5%，并且在使用的土木房屋也是當倉庫使用。

圖 1 兩次地震災區(qū)現(xiàn)場調查各類結構所占比例Fig.1 Proportion of various types of building structure in disaster area of Songyuan M5.7 earthquake in 2018 and M5.1 earthquake in 2019 in field investigation

2 房屋震害特征與成因分析

2.1 土木結構房屋

土木結構房屋主要震害特征見表 1。

原因分析：土木結構的房屋年代久遠，沒有設置抗震措施，黏土時間久黏性差，屋頂前高后低，后應力墻上受力集中，加之屋頂材料重，在地震力的作用下，容易發(fā)生后墻倒塌(圖 2b)、房屋整體傾斜(圖 2c)的問題； 縱橫墻之間也不曾設置任何連接措施，交界處為土坯直槎，使用黏土黏連在一起，易發(fā)生墻體外閃、墻交界處錯位變形； 建造材料自身強度就低，地震力作用后，就會使墻體開裂。

圖 2 土木結構房屋破壞Fig.2 Photos of seismic damage of civil buildings

2.2 磚木結構房屋

磚木結構房屋[13]主要震害特征見表 2。

表 2 磚木結構房屋的主要震害特征Tab.2 Main characteristics of seismic damage of brick-wood buildings

原因分析：磚木結構房屋的房齡在30年左右，材料老化，沒有頂圈梁、底圈梁、構造柱等抗震結構措施。屋頂主要以木架采用硬山擱檁式直接架設在磚墻，整體屋頂重量主要集中在前后承重墻上，地震發(fā)生后縱墻就容易開裂和變形； 山尖墻與承重墻體間無搭接，在地震復雜力的作用下，容易發(fā)生山墻倒塌(圖 3b)、外閃； 縱橫墻交界連接處或主體和附屬結構的接連處沒有連接措施，當?shù)卣鸢l(fā)生后，由于應力集中在連接點上，因此容易發(fā)生山墻和內橫墻與外縱墻拉脫、出現(xiàn)裂縫(圖 3c)、煙囪折斷或開裂、圍墻倒塌； 窗口使用大開間又沒有圈梁設置，上部荷載超過窗口的荷載范圍，導致門窗洞口出現(xiàn)開裂。

圖 3 磚木結構房屋破壞Fig.3 Photos of seismic damage on the brick-wood buildings

2.3 單層磚混結構房屋

單層磚混結構房屋主要震害特征見表 3。

表 3 單層磚混結構房屋的主要震害特征Tab.3 Main characteristics of seismic damage of single layer brick-concrete structure

原因分析：房屋大部分墻體主要使用混合砂漿砌筑，老房子的砂漿強度因時間推移逐漸喪失黏結力，加上窗口開間過大，在地震中水平作用力影響下，其底部與上部豎向上的荷載差異以及上下空間布局的非對稱性，易導致底部扭轉破壞，門窗墻開裂(圖 4c)。部分房屋山墻和縱墻無結構措施，地震力在山墻和縱墻連接處集中，導致連接處開裂；山尖墻不是和橫墻一體砌筑而成，整體性低，地震后連接處易產生水平裂縫破壞或山尖墻外閃； 煙囪折斷或開裂是因為煙囪建造簡單、主體和附屬結構的接連處沒有連接措施。

圖 4 單層磚混結構房屋破壞Fig.4 Photos of seismic damage of single layer brick-concrete structure

2.4 多層磚混結構房屋

多層磚混結構房屋主要震害特征見表 4。

表 4 多層磚混結構房屋的主要震害特征Tab.4 Main characteristics of seismic damage of multi-story brick-concrete structure

多層磚混結構房屋多在市區(qū)內，一般5層以下，基本采用底圈梁、頂圈梁、構造柱等抗震措施，松原市區(qū)的這類房屋都按Ⅷ度設防，所以只有個別房屋墻體出現(xiàn)輕微裂縫(圖 5a、5 b)。在5.1級地震中基本沒有發(fā)生破壞。

圖 5 多層磚混結構破壞Fig.5 Photos of seismic damage of multi-story brick-concrete structure

上述分析表明， 5.7級地震中各類結構房屋的主要震害特征包含了5.1級地震的房屋震害特征情況，但5.7級地震的房屋破壞更加嚴重，兩次地震的房屋震害特征能夠代表松原地區(qū)震后土木結構、磚木結構、單層磚混結構和多層磚混結構房屋破壞的基本情況[14]。

2.5 平均震害指數(shù)

根據(jù)震區(qū)房屋破壞情況和附近地區(qū)歷次地震經驗，參照《地震現(xiàn)場工作第4部分：災害直接損失評估》(GB/T 18208.4—2011)中房屋破壞等級劃分標準，將磚木結構、單層磚混結構、多層磚混結構劃分為5個破壞等級，土木結構劃分為3個破壞等級[15]。統(tǒng)計現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)，計算得出各結構房屋破壞比[16-17](表 5)。根據(jù)《中國地震烈度表》(GB/T 17742-2020)的房屋分類描述，結合松原市多次地震中房屋震害指數(shù)計算經驗，將震區(qū)中土木結構、磚木結構為A1類，單層磚混結構為B類，多層磚混結構為C類[18]。按照式(1)，根據(jù)各類房屋建筑不同破壞等級的破壞比，計算出兩次地震不同結構房屋的平均震害指數(shù)(表 5)。

表 5 房屋的破壞比(%)與平均震害指數(shù)Tab.5 Damage ratio(%) and average seismic damage index of buildings in the study area

D=∑di×λi

(1)

式中，D為某調查點(或區(qū)域)某一類房屋建筑平均震害指數(shù)；di為該類房屋破壞等級為i的震害指數(shù)；λi為該類結構破壞等級為i的建筑面積(或棟數(shù))與建筑總破壞面積的比值。

根據(jù)房屋破壞比和平均震害指數(shù)顯示，在兩次地震中不同結構房屋的破壞程度從重到輕依次是土木結構、磚木結構、單層磚混結構和多層磚混結構。將本次地震平均震害指數(shù)與《中國地震烈度表》的震害指數(shù)范圍(表 6)進行對比，其中土木結構平均震害指數(shù)都高于同等烈度下平均震害指數(shù)范圍，明顯破壞程度最為嚴重； 多層磚混結構、磚木結構和單層磚混結構平均震害指數(shù)都在烈度區(qū)平均震害指數(shù)范圍內，破壞程度符合震害規(guī)律。

表 6 地震烈度與房屋平均震害指數(shù)的關系Tab.6 The relationship between seismic intensity and average seismic damage index

3 地震地質災害

松原市的地貌為平原，由于松原市地區(qū)的飽和砂土非常發(fā)育，存在地表黏性土覆蓋層較少較薄、地下水位較高、砂土顆粒較細以及砂土密實度較差等不利因素，因此在松原市的部分地區(qū)存在著砂土液化的危險性。松原市以第二松花江為分界線，總體地勢南高北低，其中江北一級階地大面積發(fā)育，地形開闊平坦，標高在130～135m，以斜坡與現(xiàn)代河谷緩慢過渡，無明顯前緣陡坎，在階面的低洼處，河流故道、沼澤濕地多有分布，發(fā)育有淤泥質粉質黏土和軟黏性土夾層。

兩次地震震中區(qū)位于第二松花江北岸， 5.1級地震未發(fā)生地質災害，而在5.7級地震震區(qū)發(fā)生了大規(guī)模的砂土液化現(xiàn)象，主要宏觀表現(xiàn)為噴砂冒水，噴出物主要有灰色細砂和黃色細砂，已知點有200余處，主要集中在Ⅶ度區(qū)內。從宏觀上看液化場地沿北東向分布明顯，與烈度圖長軸方向大體一致[19]。絕大部分液化發(fā)生在水田中，且主要集中在松花江北岸，破壞了稻田中的秧苗和種植環(huán)境，對農業(yè)生產了一定影響。現(xiàn)場調查顯示，此次液化未對建筑造成大規(guī)模損壞，在崔家圍子一民居室內出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象，液化導致地基不均勻沉降，磚木結構房屋出現(xiàn)墻體開裂現(xiàn)象； 在姜家圍子村委會辦公室屋后、廣場、廣場前小河溝都有砂土液化現(xiàn)象，但對房屋結構未造成破壞。

李平等在研究松原市5.7級地震砂土液化時，通過鉆探發(fā)現(xiàn)在18～19m處發(fā)生了顯著的深層砂土液化，并且發(fā)現(xiàn)地震中地表未產生噴水冒砂現(xiàn)象的場地也可能出現(xiàn)液化。研究表明，松原地區(qū)場地為深厚的易液化的砂層，地下水位較高，并且松原地區(qū)地震頻繁，松原地區(qū)具有發(fā)生更大規(guī)模砂土液化的可能性[20]。

4 啟示

綜上分析表明，結合兩次地震震區(qū)各類結構的震害特征分析和地震地質災害描述，得到以下啟示：

(1)土木結構抗震能力最差。從兩次地震分析結果顯示，土木結構100%發(fā)生破壞和毀壞，平均震害指數(shù)偏高，不只是震害特征分析中提到材料和結構措施的問題，也有歷來地震震害疊加的原因。最近幾年松原地區(qū)地震頻繁，土木結構的使用逐漸減少，對于無人居住的土木結構房屋基本沒有震后加固和日常維護，因此震害也被逐漸放大。

(2)房屋抗震能力在逐漸提升。在兩次地震調查中農村使用單層磚混結構房屋占比已經超過55%，而它在5.7級地震Ⅶ度區(qū)內中等以上破壞比為23%，遠低于磚木結構的43%，在兩次地震Ⅵ度區(qū)只有輕微破壞，破壞比分別是11%和14%，低于磚木結構的32%和37%。單層磚混結構成為農村的主要結構房屋，而它的抗震性能明顯優(yōu)于磚木結構，說明震區(qū)農村的房屋整體的抗震性能在逐步提升。

(3)房屋結構選擇很重要。多層磚混結構的破壞比最低，多層磚混結構在5.7級地震中占比達到53.6%，但它只有2.0%的輕微破壞，說明有施工設計、好的建筑材料等能有效提高房屋的抗震能力。

(4)場地的選擇影響房屋的損失。5.7級地震中發(fā)生了大量的砂土液化點，雖然液化未對建筑造成大規(guī)模損壞，但易導致房屋的地基失穩(wěn)，因此存在對房屋結構造成破壞的隱患。

5 結論

總結了松原市5.7級地震和5.1級地震的房屋的震害特征及成因分析、房屋破壞比例、平均震害指數(shù)等情況，主要給出以下結論：

(1)磚混結構在兩次地震中的抗震性能良好，尤其是多層磚混結構，只造成了輕微破壞，說明多層結構在不超過設防烈度情況下，能保證人民生命財產安全。土木結構基本沒有繼續(xù)使用的價值，在房屋重建中，建議放棄土木結構房屋的使用。對于中等破壞以上的磚木結構房屋，由于松原地區(qū)地震的頻繁性，已經沒有加固的價值，建議重建為主。

(2)兩次地震震中附近震感十分強烈，但沒有造成人員傷亡，主要原因一是當?shù)卣畯娀拐鹪O防要求的結果，當?shù)乜拐鹪O防烈度為Ⅷ度； 二是近年來當?shù)卣杏媱濋_展危舊房改造工程和地震災后重建工程，大大減少了危房數(shù)量，增加了具有較完備抗震措施的“抗震房”數(shù)量，震區(qū)建筑抗震能力有所提高。

(3)松原地區(qū)存在發(fā)生大規(guī)模砂土液化的可能，它不但影響農業(yè)，更存在對人民生命財產造成巨大損失的隱患。因此市區(qū)和鄉(xiāng)村在新建房屋時，需要依據(jù)建筑抗震設計規(guī)范中提出的多種方法來判別場地是否存在液化問題，盡量避開易發(fā)生液化的場地，如果無法改變，需通過標準貫入實驗確定液化土層，并根據(jù)建筑抗震設計規(guī)范提出的方法做好地基加固。

(4)目前多層磚混結構主要是集中在市區(qū)，而對于農村房屋新建，參考破壞特征分析、平均震害指數(shù)和當?shù)胤课萁ㄔ旖涃M等情況，選擇帶有構造柱等抗震措施的單層磚混結構最為適合，并且應該盡量減少山尖墻這種非主體結構，合理設計門窗的尺寸，增強關鍵位置抗震措施，提高農村房屋的抗震能力。

致謝：文章中的照片和數(shù)據(jù)均來自5.7級地震和5.1級地震的現(xiàn)場的災評工作，在此要感謝在5.7級地震和5.1級地震中的吉林省地震局、中國地震局工程力學研究所、中國地震局地質研究所、中國地震災害防御中心、黑龍江省地震局的地震現(xiàn)場全體人員的辛勤工作。