甘東南農(nóng)村民居抗震性能現(xiàn)狀調(diào)查與分析

許曉威, 鐘秀梅, 王 謙, 馬金蓮, 程 超, 劉富強(qiáng)

(1. 中國(guó)地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國(guó)地震局(甘肅省)黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

甘肅東南部(簡(jiǎn)稱甘東南[1-3])地區(qū)位于青藏高原東北緣,受青藏高原北東向擠壓作用的影響,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,強(qiáng)震、大震頻發(fā)[4]。從公元前193年至今,甘肅地區(qū)發(fā)生5級(jí)以上地震159次[5-6],近年來(lái)的破壞性地震就有多次:如2013年岷縣—漳縣6.6級(jí)地震以及2019年夏河5.7級(jí)地震。根據(jù)強(qiáng)震活動(dòng)特點(diǎn),甘東南地區(qū)仍處在地震活躍期,可能會(huì)再次發(fā)生6.0級(jí)以上地震[7],地震風(fēng)險(xiǎn)較高。近年來(lái)甘東南及鄰區(qū)的主要地震如表1所列。

表1 影響甘東南的地震及受災(zāi)情況[7-16]

由此可見(jiàn),甘東南地區(qū)地震災(zāi)害頻發(fā),各類建筑物面臨較高的地震風(fēng)險(xiǎn),且甘東南地區(qū)屬于黃土梁峁溝壑區(qū),地形復(fù)雜,地貌特征多樣,地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)加劇。尤其是人口眾多(甘肅農(nóng)村人口占總?cè)丝诘?0%以上[17])、經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)落后(人均可支配收入小于城鎮(zhèn)居民的四分之一[17])的農(nóng)村地區(qū),民居抗震性能現(xiàn)狀與地震災(zāi)害損失息息相關(guān)。因此,調(diào)查甘東南農(nóng)村民居現(xiàn)狀,分析其抗震性能,是開(kāi)展該地區(qū)防震減災(zāi)救災(zāi)工作,保障國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略穩(wěn)步實(shí)施的重要前提。

部分地區(qū)對(duì)農(nóng)村房屋的抗震性能開(kāi)展了調(diào)查,并提出了一些改進(jìn)措施。Liu等[18]調(diào)查了北京市農(nóng)村民居,大部分農(nóng)村建筑仍按照傳統(tǒng)建造,抗震性能薄弱,提出應(yīng)同時(shí)采用結(jié)構(gòu)柱圈梁框架體系與配筋砌體墻體系兩種抗震設(shè)防措施。鄭國(guó)琛等[19]對(duì)福建省代表性的縣(市)進(jìn)行農(nóng)居抗震能力現(xiàn)狀調(diào)查,針對(duì)分析得出的農(nóng)居抗震薄弱環(huán)節(jié),提出了技術(shù)與管理層面的建議。Liang等[20]對(duì)東北典型農(nóng)村民居進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)近80%農(nóng)居建筑存在缺乏抗震結(jié)構(gòu)措施和構(gòu)件連接的問(wèn)題。Su等[21]對(duì)河南農(nóng)村自建房進(jìn)行抗震性能調(diào)查,發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單磚木結(jié)構(gòu)抗震性能較差。袁中夏等[22]在汶川地震后對(duì)四川省青川縣的村鎮(zhèn)房屋進(jìn)行了震害的實(shí)地調(diào)查,對(duì)磚混結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了震害總結(jié)和震害成因分析,發(fā)現(xiàn)房屋質(zhì)量參差不齊,存在安全問(wèn)題,建議研發(fā)適用于農(nóng)村建設(shè)條件的地震安全技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。王強(qiáng)等[23]對(duì)汶川地震影響的隴南地區(qū)農(nóng)村的震害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了考察,木構(gòu)架承重房屋震時(shí)表現(xiàn)良好,往往是“墻倒而屋不塌”,但往往因建造時(shí)施工工藝不當(dāng)和使用中缺乏維護(hù)而降低其抗震性能。劉瑋等[24]總結(jié)了汶川地震對(duì)甘肅隴南地區(qū)農(nóng)居造成的典型震害及原因,發(fā)現(xiàn)缺乏抗震設(shè)防的農(nóng)居即使在低烈度情況下仍然損害嚴(yán)重,應(yīng)對(duì)該類房屋增加抗震構(gòu)造措施。賈冠華等[25]以汶川地震為例對(duì)在不同地震烈度下的磚砌農(nóng)居進(jìn)行震害分析,得出該類房屋各個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞特征,應(yīng)在提高房屋施工質(zhì)量的同時(shí)采取一定構(gòu)造措施。王蘭民等[26]在岷縣—漳縣6.6級(jí)地震后進(jìn)行實(shí)地考察與分析,發(fā)現(xiàn)Ⅷ度極震區(qū)的土木結(jié)構(gòu)房屋基本嚴(yán)重破壞或倒塌,而近年來(lái)設(shè)計(jì)的安全抗震農(nóng)居幾乎無(wú)倒塌,應(yīng)推行切合當(dāng)?shù)貙?shí)際的抗震結(jié)構(gòu)農(nóng)居。王謙等[27]對(duì)九寨溝地震影響的甘肅地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查,由于研究區(qū)房屋有效的抗震設(shè)防措施以及該地烈度較低,房屋震害比較輕,主要以土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)房屋墻體出現(xiàn)裂縫為主,磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)細(xì)裂縫或墻體無(wú)破壞。馬海萍等[28]對(duì)甘肅省東鄉(xiāng)縣的農(nóng)村民居進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查,分析了民居震害產(chǎn)生的主要原因,并對(duì)不同類型的農(nóng)居提出了針對(duì)性的抗震設(shè)防技術(shù)措施。張津[29]通過(guò)查閱資料和實(shí)地調(diào)查,歸納了甘肅隴南地區(qū)農(nóng)村現(xiàn)狀及特點(diǎn),整體上農(nóng)居抗震能力較弱,應(yīng)展開(kāi)綜合防震減災(zāi)對(duì)策。綜上,已有的研究大多基于農(nóng)居的震害調(diào)查,僅在甘肅個(gè)別地區(qū)開(kāi)展了實(shí)地調(diào)查,但針對(duì)甘東南地區(qū)整體農(nóng)居的抗震性能現(xiàn)狀研究不足,部分結(jié)構(gòu)類型農(nóng)居研究較少,缺少系統(tǒng)、整體的研究。本文對(duì)甘東南農(nóng)村民居總體抗震性能現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查與分析,明晰各類型現(xiàn)存農(nóng)居的抗震薄弱環(huán)節(jié),為甘東南地區(qū)開(kāi)展農(nóng)居抗震設(shè)防技術(shù)研究及鄉(xiāng)村防震減災(zāi)工作提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

在甘東南地區(qū)選擇了35個(gè)自然村(圖1),對(duì)典型農(nóng)居展開(kāi)抽樣調(diào)查,總計(jì)調(diào)查737個(gè)農(nóng)居單體。主要調(diào)查事項(xiàng)為農(nóng)村民居的結(jié)構(gòu)類型(土木結(jié)構(gòu)、木架結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和窯洞)、建造年代(現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查咨詢)、房屋進(jìn)深及層高、地基處理方式(換填墊層法和強(qiáng)夯法等)及其類型(磚基礎(chǔ)、石基礎(chǔ)和混凝土基礎(chǔ)等)、墻體材料(磚墻、石墻、土坯墻和混凝土小砌塊墻等)及其類型(實(shí)心墻和空心墻等)、屋蓋類型及布設(shè)形式(木屋蓋和混凝土屋蓋等)、抗震措施 (有無(wú)構(gòu)造柱、混凝土圈梁、配筋磚圈梁、木圈梁和縱橫墻交接處連接、屋蓋與墻體連接等)等,最后根據(jù)調(diào)查結(jié)果繪制房屋的平面圖。

圖1 調(diào)查點(diǎn)分布圖[審圖號(hào):GS(2019)2883號(hào)]Fig.1 Distribution of the survey sites

2 甘東南地區(qū)民居現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查,甘東南農(nóng)村地區(qū)典型房屋結(jié)構(gòu)類型主要有5類[30]:土木結(jié)構(gòu)、木架結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和窯洞,研究區(qū)各房屋類型、占比及主要分布特征如表2所列。

表2 研究區(qū)各房屋類型及占比

2.1 窯洞

作為一種綠色環(huán)保的生土結(jié)構(gòu)建筑,窯洞具有取材方便、建筑簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、冬暖夏涼的優(yōu)點(diǎn)[31]。20世紀(jì)80年代,隴東農(nóng)村地區(qū)民居結(jié)構(gòu)以窯洞為主,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè),窯洞數(shù)量逐漸減少。甘肅境內(nèi)現(xiàn)存的窯洞主要分布在慶陽(yáng)市環(huán)縣境內(nèi)。調(diào)查結(jié)果表明,現(xiàn)在還在使用的窯洞以崖窯為主,一種是由于經(jīng)濟(jì)條件所限,部分舊窯洞仍繼續(xù)使用 (圖2);另一種是出于對(duì)窯洞特色民居形式和文化的傳承,新建房屋依然選擇窯洞,該類窯洞改進(jìn)了舊式窯洞采光不良的缺點(diǎn),朝向上選擇坐北朝南,采用大開(kāi)間、多開(kāi)窗、瓷磚貼面等措施,美觀大方,造價(jià)與當(dāng)?shù)匦陆ùu混房屋相當(dāng)(圖3)。

圖2 甘東南老舊崖窯(慶陽(yáng)市合道鎮(zhèn))Fig.2 Old cliff cave dwelling in the southeastern Gansu Province (Hedao Town,Qingyang City)

圖3 甘東南新建崖窯(慶陽(yáng)市曲子鎮(zhèn))Fig.3 Newly-built cliff cave dwelling in the southeastern Gansu Province (Quzi Town,Qingyang City)

2.2 土木結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果(表2)顯示,土木結(jié)構(gòu)是甘東南地區(qū)農(nóng)村民居應(yīng)用最普遍的建筑結(jié)構(gòu)形式,在各地均有分布?，F(xiàn)有的土木結(jié)構(gòu)民居多修建于20世紀(jì)80～90年代,多數(shù)仍作為居住或貯藏使用。根據(jù)調(diào)查結(jié)果,基于墻體材料、砌筑方式和承重構(gòu)件,將土木結(jié)構(gòu)細(xì)分為2類:墻體承重土木結(jié)構(gòu)和混合承重土木結(jié)構(gòu)。

2.2.1 墻體承重土木結(jié)構(gòu)

墻體承重土木結(jié)構(gòu)房屋是以夯土墻或土坯墻(圖4)為承重主體。調(diào)查發(fā)現(xiàn),該類型的房屋多由農(nóng)村工匠自主建造,一般未設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁,墻體承受屋蓋系統(tǒng)的全部荷載。由于該結(jié)構(gòu)房屋建造所需的木材較少、造價(jià)低廉,在甘東南經(jīng)濟(jì)相對(duì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū),該類型房屋所占比例仍然較大。

圖4 甘東南土坯結(jié)構(gòu)房屋(天水市清水縣)Fig.4 Rural residences with adobe structure in the southeastern Gansu Province (Qingshui County,Tianshui City)

2.2.2 混合承重土木結(jié)構(gòu)

相比于墻體承重土木結(jié)構(gòu)房屋,混合承重土木結(jié)構(gòu)房屋不依靠單一的墻體來(lái)承重,而是墻體與簡(jiǎn)單木柱或者磚柱共同承擔(dān)屋頂荷載。根據(jù)調(diào)查結(jié)果,該類房屋的磚柱或木柱多設(shè)置于房屋正面,多數(shù)與墻體或屋蓋系統(tǒng)缺乏有效的連接措施。此外,受經(jīng)濟(jì)條件的制約和美觀考慮,甘東南部分混合承重土木結(jié)構(gòu)房屋采用磚貼面的裝飾形式(圖5),以增加房屋的美觀性,但從結(jié)構(gòu)抗震的角度,由于磚、土材料之間存在剛度差,且缺乏有效連接,使得該種結(jié)構(gòu)的房屋在地震作用下更易產(chǎn)生磚貼面閃落等破壞。

圖5 甘東南混合承重土木結(jié)構(gòu)房屋(平?jīng)鍪袥艽h)Fig.5 Rural residences with soil-wood bearing structure in the southeastern Gansu Province (Jingchuan County,Pingliang City)

2.3 木構(gòu)架結(jié)構(gòu)

木構(gòu)架結(jié)構(gòu)的房屋主要是依靠木構(gòu)架來(lái)承擔(dān)房屋和屋蓋重量(圖6)。木構(gòu)架由梁、柱、檁、椽組成,相互之間主要以榫、鉚連接。該類型房屋主要分布在隴南地區(qū),多修建于20世紀(jì)70～90年代,部分地區(qū)還保留著20世紀(jì)50年左右修建的房屋。根據(jù)調(diào)查結(jié)果和震害資料,該類型房屋經(jīng)受住了多次中強(qiáng)地震的考驗(yàn),抗震性能相對(duì)較好,且受隴南地區(qū)山大溝深的地形限制,往往選擇在有限的建筑用地上建造二層木構(gòu)架房屋[32]。

圖6 甘東南木架結(jié)構(gòu)房屋(隴南市文縣)Fig.6 Rural residences with wooden frame structure in the southeastern Gansu Province (Wen County,Longnan City)

2.4 磚木結(jié)構(gòu)

磚木結(jié)構(gòu)房屋(圖7)主要是由磚砌墻體來(lái)承重和圍護(hù),屋頂采用木椽、檁、瓦片等構(gòu)筑的兩坡水房屋[33]。由于該類型房屋具有施工工藝簡(jiǎn)單、取材方便、造價(jià)低廉和耐久性好的優(yōu)點(diǎn),其在甘東南各地均廣泛分布(隴南地區(qū)部分農(nóng)村受建筑用地和建材運(yùn)輸?shù)葪l件的制約,分布相對(duì)較少)。調(diào)查結(jié)果表明,甘東南地區(qū)早期修建(基本可以汶川地震作為分界線)的大多數(shù)磚木結(jié)構(gòu)房屋未設(shè)置抗震構(gòu)造措施,而在近年修建的房屋,多設(shè)置有構(gòu)造柱、圈梁(以底圈梁較為多見(jiàn))等,抗震性能較好。

圖7 甘東南磚木結(jié)構(gòu)房屋(天水市麥積區(qū))Fig.7 Rural residences with brick-wood structure in the southeastern Gansu Province (Maiji District, Tianshui City)

2.5 磚混結(jié)構(gòu)

相比于前述幾種類型的房屋,磚混結(jié)構(gòu)房屋使用木材較少或不使用木材,一般以墻體作為承重構(gòu)件。該類型在甘東南各地均有分布,天水市和定西市占比較大。根據(jù)建筑年代將磚混結(jié)構(gòu)房屋細(xì)分為老舊磚混結(jié)構(gòu)房屋[圖8(a)]和新建磚混結(jié)構(gòu)房屋[圖8(b)]。老舊磚混結(jié)構(gòu)房屋多修建于2008年之前,一般無(wú)構(gòu)造措施;而新建磚混結(jié)構(gòu)房屋多建造于2008年汶川地震之后,設(shè)置有圈梁、構(gòu)造柱等抗震措施,單層或多層,屋頂或樓板一般采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土[圖8(c)],具有較好的抗震性能。

圖8 甘東南磚混結(jié)構(gòu)房屋Fig.8 Rural residences with brick-concrete structure in the southeastern Gansu Province

2.6 甘東南地區(qū)抗震農(nóng)居構(gòu)造形式

調(diào)查結(jié)果表明,甘東南農(nóng)村地區(qū)農(nóng)居構(gòu)造形式主要分為五種:土木結(jié)構(gòu)、木架結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和窯洞。受制于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件,多數(shù)老舊房屋(2008年前)一般未設(shè)置抗震措施,而在此之后新建的房屋,多為磚混結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu),一般設(shè)置了圈梁、構(gòu)造柱等抗震措施,抗震性能有了顯著的提高。

通過(guò)對(duì)甘東南不同區(qū)域的農(nóng)居抗震構(gòu)造形式對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),隴南地區(qū)房屋抗震性能顯著增加,經(jīng)過(guò)汶川地震災(zāi)后重建、安居工程、新農(nóng)村建設(shè)等政策的實(shí)施,新建農(nóng)居多為設(shè)置了圈梁、構(gòu)造柱的現(xiàn)澆磚混結(jié)構(gòu),占比接近20%,木架結(jié)構(gòu)數(shù)量最多,占比達(dá)到了35%,土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)農(nóng)居占比分別約為25%、20%,木架結(jié)構(gòu)是隴南地區(qū)的特色農(nóng)居,且由于地形條件限制,房屋多為二層。天水地區(qū)以磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)居和磚木結(jié)構(gòu)農(nóng)居為主,占比都為40%左右,土木結(jié)構(gòu)農(nóng)居占比約為20%,相比于老舊土木結(jié)構(gòu)的抗震性能較低,2008年后新建的磚混結(jié)構(gòu)房屋都設(shè)有抗震構(gòu)造措施。平?jīng)鍪懈黝愋娃r(nóng)居的數(shù)量相當(dāng),土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)居占比分別為34%、33.5%和32.5%,其中無(wú)構(gòu)造措施和有抗震設(shè)防措施的磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)居數(shù)量接近。慶陽(yáng)市因其獨(dú)特的地形地貌、歷史文化和民俗習(xí)慣,且土作為建筑材料更易獲取,其農(nóng)居保留了一定數(shù)量的生土建筑,窯洞及土木結(jié)構(gòu)房屋較甘東南其他地區(qū)占比更高;天水市和定西市農(nóng)居抗震性能較好,尤其是靠近城鎮(zhèn)的鄉(xiāng)村地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較好,磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)居占比較高,達(dá)到了40%以上。

3 甘東南地區(qū)農(nóng)居抗震性能評(píng)價(jià)

農(nóng)居的結(jié)構(gòu)類型都是與所在地域的自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境存在一定的和諧性[32],但是受自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件、建筑材料和人民群眾對(duì)防災(zāi)減災(zāi)的認(rèn)識(shí)水平等多種因素的影響,甘東南各類型農(nóng)居的抗震性能參差不齊,與當(dāng)?shù)氐牡卣鸶唢L(fēng)險(xiǎn)性不符,不利于農(nóng)居震害防御能力提升。因此,根據(jù)震害資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,結(jié)合前人對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型房屋抗震性能的研究,對(duì)甘東南地區(qū)農(nóng)居抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 窯洞

慶陽(yáng)地區(qū)位于隴東黃土高原,黃土覆蓋層厚,地震放大作用明顯[34]。對(duì)于窯洞而言,選址是其面臨的首要問(wèn)題[35-36]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究區(qū)部分崖窯所選山崖上覆土層厚度較小,而根據(jù)楊焜等[33]的研究結(jié)果,窯洞周圍土體的主壓應(yīng)力與上覆土層厚度呈正相關(guān),主壓應(yīng)力增大有利于窯洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此,崖窯上覆土層厚度過(guò)小可能會(huì)增大地震作用下坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。其次,研究區(qū)內(nèi)的部分舊窯洞門臉處理措施簡(jiǎn)單,開(kāi)洞位置缺乏有效的支撐,根據(jù)震害資料,其在地震作用下門臉上方土體掉落的可能性較大[37]。第三,通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),部分新式窯洞為了空間和采光需求,一般門窗開(kāi)洞較大,部分窯洞進(jìn)深達(dá)到9 m,但洞內(nèi)未設(shè)置橫隔墻或其他有效的支撐措施(圖9),使其在地震作用下洞頂受力較大,存在掉落、垮塌的風(fēng)險(xiǎn)[38]。第四,新式窯洞為了美觀,一般在窯洞前臉貼磚裝飾,不僅增加了窯體荷載,而且在地震作用下可能發(fā)生貼面閃落的風(fēng)險(xiǎn)。最后,由于黃土具有強(qiáng)烈的水敏性[39],調(diào)查結(jié)果顯示研究區(qū)內(nèi)的窯洞一般未設(shè)置或簡(jiǎn)單設(shè)置了排水措施,使得地震與水耦合作用下窯洞地基不均勻沉降、上部結(jié)構(gòu)裂縫,地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增大。

圖9 窯洞內(nèi)部缺乏有效支撐Fig.9 Lack of effective support inside the cave dwelling

3.2 土木結(jié)構(gòu)

土木結(jié)構(gòu)中墻體承重和混合承重房屋的抗震薄弱環(huán)節(jié)類似,因?yàn)榛旌铣兄赝聊窘Y(jié)構(gòu)中墻體仍然承擔(dān)了大部分屋蓋荷載。調(diào)查結(jié)果表明,墻體承重土木結(jié)構(gòu)最大的問(wèn)題是縱橫墻缺少有效連接、整體性較差,地震作用下會(huì)導(dǎo)致連接處裂縫甚至墻體閃落[40-41]。其次,受房屋開(kāi)間的影響,區(qū)內(nèi)土木結(jié)構(gòu)房屋夯土墻縱墻的長(zhǎng)度一般為11～20 m,但墻體缺少橫向支撐(圖10),使得地震作用下墻體極易產(chǎn)生豎向裂縫[38]。第三,修建較早的部分房屋土坯墻使用泥漿砌筑,膠結(jié)強(qiáng)度較小,地震作用下墻體由于砌筑材料的連接問(wèn)題容易裂縫甚至倒塌[42]。第四,部分房屋屋蓋與墻體間缺乏有效連接(圖11),地震作用下屋蓋容易掉落[43]。最后,受經(jīng)濟(jì)條件制約,研究區(qū)內(nèi)木屋蓋用料良莠不齊、連接措施單一,使得其在地震作用下連接處容易脫落[33]。而混合承重土木結(jié)構(gòu)除了上述的問(wèn)題之外,還存在木柱/磚柱與墻體缺乏有效連接措施等抗震薄弱環(huán)節(jié)。此外,調(diào)查還發(fā)現(xiàn)木柱/磚柱橫截面較小,強(qiáng)度不夠,地震作用下容易產(chǎn)生裂縫或者剪切破壞。

圖10 墻體缺少橫向支撐Fig.10 Wall lack of transverse support

圖11 墻體與屋蓋缺乏有效連接Fig.11 Lack of effective connection between wall and roof

3.3 木架結(jié)構(gòu)

木架結(jié)構(gòu)一般是由梁、檁、柱、撁鉚榫結(jié)合形成的一個(gè)完整的構(gòu)架體系,具有較強(qiáng)的整體性,柔性佳,允許較高的彈性變形,且木構(gòu)架的榫卯節(jié)點(diǎn)在振動(dòng)過(guò)程中具有明顯的減震作用,所以這類農(nóng)居的抗震性較好[44]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),木構(gòu)架民居的墻體一般為夯土或磚砌筑,墻體脆性大、抗剪強(qiáng)度較低、各承重構(gòu)件間連接稍顯單一,使得其成為木構(gòu)架結(jié)構(gòu)的主要抗震薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí),部分木構(gòu)架房屋在建造過(guò)程中由于經(jīng)濟(jì)條件制約,使用的梁、檁、椽的材質(zhì)良莠不齊,部分梁、柱材質(zhì)較差,梁直徑過(guò)小,椽木過(guò)于纖細(xì),長(zhǎng)度不足,搭接不規(guī)范 (圖12),地震作用下容易掉落、斷裂[45]。部分房屋設(shè)置了柱腳石,但木柱和柱腳石之間缺乏有效連接(圖13),使得地震作用下柱石之間因振動(dòng)不同步,產(chǎn)生相位差,導(dǎo)致柱腳滑移,從而導(dǎo)致木構(gòu)架傾斜。此外,由于隴南山區(qū)環(huán)境較為潮濕,木架易遭受雨水長(zhǎng)期侵蝕、腐朽和蟲蛀,導(dǎo)致木構(gòu)件結(jié)點(diǎn)松動(dòng),從而使房屋整體抗震性下降[46]。

圖12 梁、柱隨意搭接Fig.12 Random lap of beam and column

圖13 立柱與柱腳石無(wú)連接Fig.13 No connection between column and column basestone

3.4 磚木結(jié)構(gòu)

磚木結(jié)構(gòu)民居的墻體承受屋頂、樓板傳遞的荷載,其磚砌墻體強(qiáng)度大,施工工藝簡(jiǎn)單,整體建筑材料獲取方便,民居構(gòu)造簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉,房屋整體性和抗變形能力較好。調(diào)查表明,磚木結(jié)構(gòu)最大的抗震薄弱點(diǎn)是縱橫墻和隔墻之間缺乏連接構(gòu)造措施或構(gòu)造措施太弱,整體性不強(qiáng),地震作用下墻體容易外閃,這與宋微等[47]數(shù)值模擬結(jié)果一致。部分磚木結(jié)構(gòu)房屋的屋頂采用硬山擱檁的建筑方式(圖14),其屋蓋和墻體缺乏有效拉結(jié)措施,地震作用下屋蓋滑移、失穩(wěn)[48]。此外,部分房屋墻體所采用的砌筑砂漿質(zhì)量差,水泥摻量過(guò)少,粘結(jié)力弱,地震作用下墻體極易開(kāi)裂[49]。

圖14 硬山擱檁Fig.14 Purlin roof on the wall

3.5 磚混結(jié)構(gòu)

磚混結(jié)構(gòu)房屋一般具有較好的抗震性能,尤其是設(shè)置了構(gòu)造柱和圈梁的磚混結(jié)構(gòu)房屋(圖15),其抗震性能良好[50]。然而,鑒于農(nóng)村的各個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平及農(nóng)戶個(gè)體經(jīng)濟(jì)水平的差異,且農(nóng)村工匠沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)、缺少相關(guān)抗震知識(shí),修建的房屋仍然存在一些問(wèn)題,影響房屋的抗震性能。第一,部分房屋只有底圈梁、沒(méi)有上圈梁,強(qiáng)梁弱柱,甚至不設(shè)置構(gòu)造柱,或構(gòu)造柱和墻體間缺乏有效連接,影響了房屋整體性,使得地震作用下墻體容易產(chǎn)生裂縫甚至倒塌[51]。第二,屋蓋重量過(guò)大,在地震作用下,墻體所受屋蓋荷載過(guò)大,易使墻體裂縫、傾倒。第三,在墻體砌筑時(shí),水泥用量或水泥強(qiáng)度不夠,其膠結(jié)性較差從而影響墻體的整體性(圖16)。最后,為追求采光和空間,使得房屋開(kāi)間過(guò)大,門、窗開(kāi)洞較大(圖17),導(dǎo)致窗間墻較窄,地震作用下,墻體容易產(chǎn)生剪切裂縫[22]。

圖15 設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁的磚混房屋Fig.15 Brick-concrete residences with structural columns and ring beams

圖16 膠結(jié)材料強(qiáng)度問(wèn)題Fig.16 The strength problem of cementitious materials

圖17 墻體開(kāi)洞不合理Fig.17 Wall with unreasonable opening holes

綜上,不同結(jié)構(gòu)類型民居的抗震薄弱環(huán)節(jié)、推薦的抗震構(gòu)造措施以及在不同地震烈度下的震害如表3所列。

表3 研究區(qū)各民居類型的抗震薄弱環(huán)節(jié)、推薦加固措施和震害

3.6 新型農(nóng)居抗震構(gòu)造措施

本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了一些新型的、值得借鑒推廣的農(nóng)居抗震構(gòu)造措施。首先是輕型鋼制屋架,它不僅自重輕、強(qiáng)度大、費(fèi)用合理,而且各部件之間連接有效,屋蓋系統(tǒng)的整體性優(yōu)良(圖18)。其次是預(yù)制墻體、屋蓋,其整體性較好,且施工工藝簡(jiǎn)便、工期短,大大提高了建筑效率(圖19)。第三,木架結(jié)構(gòu)房屋采用木制墻體,自重輕、柔性強(qiáng),提高了房屋的整體性,但是造價(jià)略貴、防火性能欠佳(圖20)。此外,部分房屋在屋蓋和墻體連接處使用水泥加固,加強(qiáng)了屋蓋和墻體的連接性,增強(qiáng)了房屋的整體性(圖21)。

圖18 輕質(zhì)鋼架屋蓋Fig.18 Light steel frame roof

圖19 預(yù)制墻體、屋蓋Fig.19 Prefabricated wall and roof

已逐步在甘東南地區(qū)的農(nóng)居建造中推廣應(yīng)用,但其抗震性能還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。

圖20 木制墻體Fig.20 Wooden wall

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)甘東南地區(qū)部分村落房屋的實(shí)地調(diào)查,得到了研究區(qū)內(nèi)各典型民居的結(jié)構(gòu)特征,分析了不同結(jié)構(gòu)類型農(nóng)居的抗震性能,得出以下結(jié)論:

(1) 甘東南農(nóng)居主要結(jié)構(gòu)類型有土木結(jié)構(gòu)、木架結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和窯洞,窯洞只分布于慶陽(yáng)市,木構(gòu)架多見(jiàn)于隴南地區(qū)。土木結(jié)構(gòu)居住率越來(lái)越低,新建房屋一般不再選擇土木結(jié)構(gòu),磚混結(jié)構(gòu)的占比越來(lái)越高。

(2) 新建磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)多設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施,抗震性能最佳;其次是木構(gòu)架、老舊磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu);由于建筑年代和建筑材料的限制,窯洞和土木結(jié)構(gòu)抗震性能有待提高。

(3) 除了傳統(tǒng)的圈梁、構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施,輕型鋼制屋架、預(yù)制墻體、木制墻體等新型筑房措施