廣西南部農(nóng)村群體建筑抗震能力評價

楊欽杰,李 蕾,聶冠軍,趙修敏

(廣西壯族自治區(qū)地震局,廣西 南寧 530022)

0 引言

由于歷史經(jīng)濟和技術(shù)條件所限,我國既有村鎮(zhèn)房屋普遍存在砂漿強度低、施工質(zhì)量差、缺乏有效的抗震構(gòu)造措施和結(jié)構(gòu)布置不合理等缺陷,抗震能力普遍較差[1]。近年來的蘆山地震、玉樹地震和汶川地震等地震震害再一次暴露出我國村鎮(zhèn)房屋抗震能力的脆弱[2-6]。廣西壯族自治區(qū)南部地區(qū)簡稱“桂南地區(qū)”,該區(qū)域內(nèi)有靖西-崇左斷裂帶、百色-合浦斷裂帶、防城-靈山斷裂帶和合浦-北流斷裂帶穿過,廣西歷史上發(fā)生的最大地震1936年月4月1日靈山6.8級地震就發(fā)生在此地區(qū)。近年該區(qū)域附近連續(xù)發(fā)生2016年蒼梧5.4級、2019年北流5.2級和2019年靖西5.2級中強地震,嚴重威脅當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全,特別是抗震設(shè)防薄弱的農(nóng)村成為地震造成房屋破壞和人員損失的重災(zāi)區(qū)[7-8]。因此深入研究該區(qū)域農(nóng)村民居現(xiàn)狀,評價其抗震性能,給出有價值的建議,找到提高農(nóng)村民居抗震性能好的辦法顯得非常有必要。

本文結(jié)合廣西地震重點監(jiān)視防御區(qū)的分布,選取了桂南地區(qū)的6個縣(區(qū)),12個村進行抽樣調(diào)查,對農(nóng)村民居結(jié)構(gòu)類型占比、建筑結(jié)構(gòu)類型、建筑年代、建筑層數(shù)、抗震措施、地基基礎(chǔ)等進行了實地調(diào)查和研究,總結(jié)了調(diào)查區(qū)農(nóng)村民居的結(jié)構(gòu)特點和抗震性能現(xiàn)狀,分析了調(diào)查區(qū)農(nóng)村民居抗震設(shè)防存在的問題,提出具有針對性的提高農(nóng)村民居抗震性能的建議。

1 調(diào)查區(qū)地震背景

調(diào)查區(qū)包含了崇左市、防城港市和欽州市三個市,在《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)中,該地區(qū)基本地震動峰值加速度0.10 g及以上區(qū)(相當于地震烈度Ⅶ度以上地區(qū))共涉及7個區(qū)縣,最高基本地震動峰值加速度為0.20 g,其中:0.10 g區(qū)涉及7個區(qū)縣46個鄉(xiāng)鎮(zhèn);0.15 g區(qū)涉及2個縣9個鄉(xiāng)鎮(zhèn);0.20 g區(qū)涉及2個縣5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)域內(nèi)有靖西-崇左斷裂帶、百色-合浦斷裂帶、防城-靈山斷裂帶和合浦-北流斷裂帶穿過,自有地震記錄以來共發(fā)生4級及以上破壞性地震18次見表1。記錄的最早地震為1847年發(fā)生在靈山縣的4級地震,最近的地震為2003年發(fā)生在欽州市的4.3級地震,最大地震為1936年發(fā)生在靈山縣的6級地震,這個地震也是華南沿海地震帶內(nèi)陸地區(qū)自有地震記載以來發(fā)生的最大地震。該區(qū)域地殼運動強烈而又復雜,發(fā)震構(gòu)造復雜多變,具有發(fā)生中強地震的構(gòu)造條件。

表1 桂南歷史地震表Table 1 Historical earthquakes occurred in southern Guangxi

2 調(diào)查內(nèi)容與調(diào)查結(jié)果

2.1 調(diào)查點分布情況

桂南地區(qū)是近些年廣西地震高發(fā)地區(qū)之一,結(jié)合廣西地震重點監(jiān)視防御區(qū)的分布,本文選取桂南地區(qū)崇左市的扶綏縣和江州區(qū)、防城港市的上思縣和港口區(qū)、欽州市的欽南區(qū)和欽北區(qū)作為抽樣調(diào)查的區(qū)域,有針對性在每個縣(區(qū))選擇2個村(社區(qū)),一共12個村(社區(qū))作詳細的抽樣調(diào)查。各個調(diào)查點的信息及當?shù)鼗究拐鹪O(shè)防烈度見表2,調(diào)查點的分布如圖1所示。

圖1 調(diào)查點分布圖Fig. 1 Distribution map of survey points

表2 調(diào)研點分布Table 2 Survey areas of southern Guangxi

該次調(diào)查包括初查和實地核查 2 種形式:初查主要通過對村(社區(qū))干部的詢問,填寫全村建筑情況調(diào)查表格,確定該地區(qū)農(nóng)村房屋主要結(jié)構(gòu)類型、建設(shè)年代、層數(shù)、每種結(jié)構(gòu)類型房屋數(shù)量及占比、地理環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等基本信息,每個調(diào)查點填寫一張表格。通過初查可知:該地區(qū)農(nóng)村房屋以磚混結(jié)構(gòu)為主,有少量磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)。根據(jù)以往的震害經(jīng)驗,對該地區(qū)農(nóng)村房屋抗震能力有影響的主要因素為房屋結(jié)構(gòu)類型、建筑年代、建筑層數(shù)、抗震措施、地基基礎(chǔ)及房屋所處場地條件等[9];實地核查是根據(jù)初查得到的各類農(nóng)村房屋信息進行詳細核實,每個村(社區(qū))針對每種建筑結(jié)構(gòu)類型,實地入戶調(diào)查3～4戶,兼顧房屋建設(shè)年代,每棟建筑物填寫一張表格,表格內(nèi)容主要包括建筑物結(jié)構(gòu)類型、建造年代、設(shè)防情況、層數(shù)、高度、基礎(chǔ)類型、內(nèi)外墻體厚度、場地條件、房屋現(xiàn)狀、砂漿等級和平立面是否規(guī)則等,12個村(社區(qū))共抽取住宅建筑 122 棟,能基本反映當?shù)剞r(nóng)村建筑物抗震能力狀況。

2.2 調(diào)查結(jié)果分析

調(diào)查得到桂南地區(qū)農(nóng)村房屋各結(jié)構(gòu)類型占比見表3 。由表3可知:該地區(qū)農(nóng)村房屋以不設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)(定義見3.3節(jié))和設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)(定義見3.4節(jié))為主,兩者占比90%左右,土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)占比僅10%左右,不同地域的房屋結(jié)構(gòu)類型差別不大。土木結(jié)構(gòu)占比最高的是渠姆村,占比10.8%;磚木結(jié)構(gòu)占比最高的是那布村和白沙村,分別占比8.3%和8.4%;不設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)占比最高的是那葛村,占比達81.3%;設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)占比最高的是沙港社區(qū),占比達85.2%。這其中結(jié)構(gòu)類型占比最為特殊的是沙港社區(qū),沙港社區(qū)土木結(jié)構(gòu)占比為0;磚木結(jié)構(gòu)占比2.0%;不設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)占比低至12.8%,相比其它村低了一大截;設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)占比85.2%,相比其它村高出一大截。經(jīng)調(diào)查得知:由于城市發(fā)展需要,該社區(qū)的土地大部分被征收,大部分農(nóng)居都是近幾年新建的,都設(shè)置了圈梁和構(gòu)造柱等抗震設(shè)防構(gòu)造措施。

表3 農(nóng)村房屋各結(jié)構(gòu)類型占比Table 3 Proportion of various structural types of rural housings

3 調(diào)查區(qū)農(nóng)居建筑現(xiàn)狀分析

3.1 土木結(jié)構(gòu)

土木結(jié)構(gòu)房屋是調(diào)查區(qū)內(nèi)數(shù)量最少的結(jié)構(gòu)類型,絕大部分建造于上世紀80年代以前,90年代以后已經(jīng)較少建造,層數(shù)均為1層。目前該類房屋大多已無人居住,僅用作家禽用房和輔助用房,普遍比較破舊。調(diào)查區(qū)內(nèi)的土木結(jié)構(gòu)房屋墻體均為土坯墻,土坯磚之間用泥漿粘結(jié),硬山擱檁,屋頂為木屋架鋪瓦屋面或檁條鋪瓦屋面如圖2-3所示。生土材料由于強度低,土坯磚無論是延性、抗剪強度還是抗壓強度都比較差,在相同的地震動強度下,與其它結(jié)構(gòu)類型相比,土木結(jié)構(gòu)的震害程度要嚴重的多。另外,調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)土木結(jié)構(gòu)房屋存在年久失修、梁和檁腐蝕、橫墻間距過大、屋蓋墻體未有效連接、外墻轉(zhuǎn)角未采取拉結(jié)措施和墻體出現(xiàn)裂縫等諸多問題如圖2-3所示。土木結(jié)構(gòu)總體抗震性能很差,當遭遇設(shè)防烈度地震時,該類房屋會出現(xiàn)屋面掉瓦、墻體開裂及垮塌等震害[7]。

圖2 土木結(jié)構(gòu) 圖3 土木結(jié)構(gòu)局部 Fig. 2 Civil structure Fig. 3 Part of civil structure

3.2 磚木結(jié)構(gòu)

磚木結(jié)構(gòu)房屋數(shù)量在調(diào)查區(qū)比土木結(jié)構(gòu)稍多,但仍占極少數(shù)。該結(jié)構(gòu)建造簡單并且就地取材,費用低,建造時間一般在2005年以前,以1層居多,少數(shù)為2層如圖4-5所示。磚木結(jié)構(gòu)房屋的承重墻體絕大部分由紅色的燒結(jié)黏土磚砌筑,個別為青色燒結(jié)黏土磚砌筑。2層的磚木結(jié)構(gòu)層間樓板為預制板,屋蓋和土木結(jié)構(gòu)基本一致,為硬山擱檁,木屋架鋪瓦屋面或檁條鋪瓦屋面。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)磚木結(jié)構(gòu)房屋普遍出現(xiàn)年久失修、地基腐蝕、墻體不同程度開裂以及砂漿強度低等問題。在結(jié)構(gòu)連接上,普遍存在檁條與墻體間缺乏有效的連接,縱橫墻交接處無拉結(jié)和未采取任何抗震構(gòu)造措施等問題。磚木結(jié)構(gòu)總體抗震性能較差,當遭遇設(shè)防烈度地震時,該類房屋會出現(xiàn)屋面掉瓦、墻體開裂及局部垮塌等震害。

圖4 磚木結(jié)構(gòu) 圖5 雙層磚木結(jié)構(gòu) Fig. 4 Brick wood structure Fig. 5 Two-story brick wood structure

3.3 未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)

未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)是指房屋由燒結(jié)的粘土磚墻承重,樓板和屋蓋采用現(xiàn)澆或裝配式鋼筋混凝土構(gòu)件,但是沒有設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施的房屋結(jié)構(gòu)形式如圖6-7所示。該結(jié)構(gòu)是調(diào)查區(qū)最量大面廣的結(jié)構(gòu)類型,占比一半以上。該結(jié)構(gòu)建造相對簡單,就地取材,實用性比磚木結(jié)構(gòu)要好,主要興起于上世紀90年代,以2層為主如圖6-7所示。未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)房屋的承重墻體絕大部分由紅色的燒結(jié)黏土磚砌筑,個別為青色燒結(jié)黏土磚砌筑。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)房屋均未經(jīng)正規(guī)設(shè)計,存在選址隨意、設(shè)計不規(guī)范和施工不合理等問題,導致房屋產(chǎn)生地基承載力不足、平面和立面不規(guī)整、水泥砂漿強度不足、樓層隨意挑出、樓層預制板和墻體之間缺少可靠連接等地震安全隱患。未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)總體抗震性能較磚木結(jié)構(gòu)好,當遭遇設(shè)防烈度地震時,該類結(jié)構(gòu)承重墻體會產(chǎn)生水平或豎向裂縫、屋面女兒墻閃裂和裝飾面層脫落,老舊房屋可能產(chǎn)生局部垮塌等震害。

圖6 未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu) 圖7 早期未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu) Fig.6 Brick concrete structure without structural measures Fig.7 Early brick concrete structure without structural measures

3.4 設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)

由于當?shù)剞r(nóng)村房屋均未經(jīng)正規(guī)設(shè)計,因此本文所指設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)是相對未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)而言,是指房屋由燒結(jié)的粘土磚墻承重,樓板和屋蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土砌筑,并設(shè)置了圈梁和構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施的結(jié)構(gòu)形式如圖8-9所示,兩種結(jié)構(gòu)形式的主要區(qū)別在于是否設(shè)置了圈梁和構(gòu)造柱。設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)大致興起于2010年以后,以2～3層為主,在調(diào)查區(qū)的農(nóng)村房屋中占有較大比例,在新建房屋中該類結(jié)構(gòu)占絕大多數(shù)。結(jié)構(gòu)中圈梁、構(gòu)造柱的使用可以提高磚混結(jié)構(gòu)的整體剛度和墻體延性,約束墻體裂縫的開展,增加建筑物承受地震作用的能力,能夠有效提升磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能[10]。調(diào)研中發(fā)現(xiàn),設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)房屋均為自建房,所有房屋均存在結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)范和施工隨意等諸多缺陷,特別是圈梁和構(gòu)造柱的建造隨意性極大,資金多的圈梁層層設(shè)置,構(gòu)造柱很粗;資金少的圈梁只設(shè)置1層,構(gòu)造柱也只設(shè)置一兩層且很細。另外還有樓面挑檐出屋面過長造成“大頭房”如圖9所示、構(gòu)造柱施工無馬牙槎和先建構(gòu)造柱再砌墻等問題,這進一步降低了抗震措施的作用?？傮w上,此類結(jié)構(gòu)抗震能力相對其它結(jié)構(gòu)較好。

圖8 設(shè)防磚混結(jié)構(gòu) 圖9 設(shè)防磚混結(jié)構(gòu) Fig. 8 Brick concrete structure with structural measures Fig. 9 Brick concrete structure with structural measures

4 調(diào)研點房屋抗震能力評價

4.1 抗震能力評價方法介紹

許多學者對農(nóng)村房屋抗震能力進行了研究[11]。一些學者采用專家經(jīng)驗法建立了房屋抗震性能指數(shù)[12];有學者通過遙感影像提取房屋基本信息,建立房屋抗震能力指數(shù)指標體系[13];另有學者僅考慮房屋結(jié)構(gòu)比例及設(shè)計基本地震加速度建立房屋抗震性能指數(shù)[14],這些方法各有所長,均在一定程度上反映了房屋抗震能力狀況。本文在前人工作的基礎(chǔ)上,改進區(qū)域房屋抗震能力快速評價方法[14],把區(qū)域房屋抗震性能指數(shù),改進為農(nóng)村房屋抗震性能指數(shù),針對較高烈度區(qū)民居和低烈度區(qū)民居建筑質(zhì)量無明顯差別的情況,調(diào)整了較高烈度區(qū)村莊抗震性能指數(shù)的計算方法,突出了“高烈度高風險”,并建立了適用于桂南地區(qū)的建筑物抗震能力評估標準表,從房屋結(jié)構(gòu)類型比例以及各地區(qū)設(shè)計基本地震加速度值出發(fā),快捷的對建筑物抗震性能進行了評價。本文建立了群體房屋抗震性能指數(shù)I,用于表達群體房屋抗震性能,如公式(1)所示。

I=Itm×Ptm+Izm×Pzm+Izh×Pzh+Isf×Psf

(1)

式中:I表示群體房屋抗震性能指數(shù),Ptm、Pzm、Pzh和Psf分別代表土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)和設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)房屋所占比例,Itm、Izm、Izh和Isf分別表示土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)和設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能指數(shù)。

針對簡易房屋(土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)),由于均為自建房,建筑材料和施工差異很大,沒有統(tǒng)一標準,其抗震性能差別較大,為此采用地震專家打分法(取均值)計算其抗震性能指數(shù) (Itm和Izm) 。針對非簡易房屋(未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)和設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)),絕大部分為自建房,均未按照正規(guī)設(shè)防標準建房,抗震性能存在不同程度缺陷,對于設(shè)計基本地震加速度值為0.05的地區(qū),其抗震性能指數(shù) (Izh和Isf) 采用當?shù)卦O(shè)計基本地震加速度值乘以折減系數(shù)確定。對于設(shè)計基本地震加速度值為0.10的地區(qū),由于其地震風險較大,而其建筑與其它地區(qū)并無明顯區(qū)別,所以其抗震性能指數(shù) (Izh和Isf) 采用當?shù)卦O(shè)計基本地震加速度值減去0.06再乘以折減系數(shù)確定。根據(jù)專家經(jīng)驗,設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)折減系數(shù)取 0.9,未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)折減系數(shù)取 0.7。參照 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010),將群體房屋抗震性能指數(shù)劃分為 4個區(qū)間,對應(yīng)“強”、 “較強”、“中等”和“較差”四個抗震能力評價等級見表4。

表4 建筑物抗震能力評估標準Table 4 Evaluating standard of seismic capacity of buildings

4.2 民居抗震能力評價

按照公式(1),結(jié)合調(diào)查點農(nóng)村房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表5以及 5位專家根據(jù)廣西震害經(jīng)驗及資料數(shù)據(jù)對調(diào)查區(qū)不同村莊土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)房屋抗震性能指數(shù)打分值(取均值)見表6,計算出桂南地區(qū)農(nóng)村群體房屋抗震性能指數(shù)以及相應(yīng)抗震能力評價等級見表6。

表5 調(diào)查點房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表Table 5 Fundamental data of surveyed houses of survey areas

表6 桂南地區(qū)農(nóng)村房屋綜合抗震能力計算表Table 6 Comprehensive seismic capacity of rural housings in southern Guangxi

從表 6 可知:在桂南地區(qū)3個市12個村的調(diào)查中,2 個村的房屋抗震能力達到“較強” 水平;8個村的房屋抗震能力達到“中等” 水平;2個村的房屋抗震能力為“較差” 水平。 “較強” 水平的原因主要是村中設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)較多;“中等” 水平的原因主要是設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)占比不多,整體抗震性能一般;“較差” 水平的原因主要是處于較高烈度區(qū),地震風險較大,且房屋建筑質(zhì)量與其它村沒有明顯差別。因此整個桂南地區(qū)農(nóng)村房屋抗震能力水平中等。

5 增強民居抗震性能的建議

本文通過對桂南地區(qū)3個市12個村的實地調(diào)查,分析了該地區(qū)民居建筑的結(jié)構(gòu)特點及抗震能力現(xiàn)狀,針對桂南地區(qū)農(nóng)村房屋抗震能力水平較差的現(xiàn)狀,給出如下增強民居抗震性能的建議:

1)對于土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)建筑,這兩類結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)存數(shù)量較少,大部分村占比低于10%,已不是農(nóng)村民居建筑的主要結(jié)構(gòu)形式,絕大部分已無人居住。而且,這兩類結(jié)構(gòu)無任何抗震構(gòu)造措施,存在縱橫墻連接弱、砂漿強度低、屋蓋墻體未有效連接和年久失修等一系列問題,抗震性能很差。建議有計劃地對這兩類房屋進行拆除清理,消除地震安全隱患。對少量有價值的歷史建筑,則盡早開展抗震加固。

2)對于磚混結(jié)構(gòu)(包括未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)和設(shè)防磚混結(jié)構(gòu))建筑,這是桂南地區(qū)民居最主要結(jié)構(gòu)類型。未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)在大部分村的占比達65%左右,設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)在大部分村的占比達30%左右,設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)多建于2010年以后,是未來農(nóng)村民居的代表性結(jié)構(gòu)類型。建議對未設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)有計劃地開展抗震性能鑒定,對有明顯地震安全隱患的房屋進行抗震加固。

3)為提高新建民居的抗震能力,建議推廣設(shè)防磚混結(jié)構(gòu):一是增加農(nóng)村房屋的審批環(huán)節(jié),在審批環(huán)節(jié)給予建房指導,從源頭杜絕有結(jié)構(gòu)缺陷的建筑出現(xiàn);二是給予建造設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)房屋的農(nóng)民一定的財政補貼,鼓勵農(nóng)民建造抗震性能較好的設(shè)防磚混結(jié)構(gòu)房屋;三是加強對農(nóng)村建筑工匠的施工知識培訓,設(shè)立培訓上崗制度,培訓合格的發(fā)給施工上崗證。通過培訓,加強建筑施工質(zhì)量,增強農(nóng)村民居的抗震性能水平。