姚新強 陳宇坤 楊緒連 高武平

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天津市典型老舊民居抗震能力分析

姚新強 陳宇坤 楊緒連 高武平

（天津市地震局，天津300201）

本文對天津市典型老舊民居進行了抗震能力分析，介紹了它們的結(jié)構(gòu)形式，抗震性能。并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范和標準，對其中一幢民居樓進行了抗震能力分析和鑒定。研究表明，在遭受Ⅶ度小震時，頂層中等破壞；Ⅷ度中震時，頂層嚴重破壞；Ⅸ度大震時，頂層倒塌。建議盡快進行抗震加固。本文指出了抗震薄弱環(huán)節(jié)，并給出了抗震加固措施。本文可為天津市典型老舊民居的抗震加固提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

典型老舊民居 抗震加固 抗震薄弱環(huán)節(jié) 抗震能力

引言

天津市典型老舊民居是指中國近代時期，在天津九國租界內(nèi)由各國列強、軍閥、巨商、政客修建的大批建筑風(fēng)格各異的“小洋樓”。這些“小洋樓”多具有100多年的歷史，其中有些被用作企事業(yè)單位辦公的“小洋樓”得到了較好的維護和修葺，而作為民居的“小洋樓”現(xiàn)狀和抗震性能則令人擔(dān)憂。目前，專門針對天津市“小洋樓”結(jié)構(gòu)抗震方面的研究和分析較少，而民居“小洋樓”主要分布在天津市和平區(qū)的勸業(yè)場街區(qū)和“五大道”街區(qū)。這一地區(qū)是天津市人口密集、商業(yè)發(fā)達的城市中心，同時坐落在這里的“小洋樓”還具有一定的歷史文化背景和文物價值。根據(jù)國家新一代地震動參數(shù)區(qū)劃圖及天津市和平區(qū)的地震小區(qū)劃，和平區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，其設(shè)防烈度較高，為此就很有必要探討上述這些保護性“小洋樓”的抗震問題。本文選取天津市勸業(yè)場街區(qū)一棟典型老舊“小洋樓”，按抗震鑒定標準進行了鑒定，進一步判斷了其在不同烈度下的破壞狀態(tài)。一般而言，老舊民居經(jīng)第一級鑒定便可知是否需加固或拆除，但對古老保護性建筑則需詳細鑒定與計算，研究這些典型老舊民居的抗震能力，指出抗震薄弱環(huán)節(jié)，為它們今后確定保護方案和抗震加固提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，本文對這方面的工作具有參考意義。

1 民居結(jié)構(gòu)特點

民居大致可分為兩類：一類民居為日租界時日本所建，一般為兩到三層磚木結(jié)構(gòu)，石灰砂漿砌筑，房型簡約（圖1）；另一類民居大多數(shù)是名人舊宅，目前被列為天津市歷史風(fēng)貌建筑，分不同等級得到保護，一般多為地上三層，地下一層的混合結(jié)構(gòu)（圖2）。民居的共同點是屋頂采用木結(jié)構(gòu)，有些民居在1976年唐山地震后木結(jié)構(gòu)屋頂震塌，采用預(yù)制板結(jié)構(gòu)；中間樓頂采用混凝土結(jié)構(gòu)，墻體采用磚、石灰砂漿砌筑，挑梁、門窗過梁等采用混凝土結(jié)構(gòu)（圖3）。歷經(jīng)100多年，尤其是經(jīng)過唐山大地震的考驗，大部分民居得已保留下來，有的還經(jīng)過局部整修，說明這些民居在抗震方面有一定的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：①砌筑材料強度較高，宏觀估計普通磚強度大于MU10，石灰砂漿強度大于M10；②樓頂多采用木結(jié)構(gòu)，輕屋蓋結(jié)構(gòu)體系對抗震十分有利；③墻體較厚，多為370mm，且墻體橫向間距小，內(nèi)承重墻較多（圖13、圖14）；④建筑高寬比較小，層數(shù)較少，抗傾覆能力強。

2 民居抗震薄弱環(huán)節(jié)

這些老舊民居早已超過設(shè)計使用年限，尤其是遭到唐山地震的破壞，有的經(jīng)過大修，外部增加了圈梁和構(gòu)造柱（圖4），有的屋頂震塌后采用預(yù)制板結(jié)構(gòu)?？傮w來看，在抗震方面存在以下薄弱環(huán)節(jié)：①墻體老化、侵蝕嚴重，墻體上部或基礎(chǔ)出現(xiàn)酥堿、剝落和缺失（圖5、圖6）；②門窗過梁過短，且過梁和墻體無拉結(jié)（圖3）；③承重門窗間墻最小寬度僅為0.37m，按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010）7.1條規(guī)定，Ⅷ度時不宜小于1.2m，見圖3中圓圈區(qū)域；④結(jié)構(gòu)無圈梁和構(gòu)造柱等構(gòu)造措施；⑤有的木結(jié)構(gòu)樓頂木架腐蝕嚴重，有的預(yù)制板樓頂，預(yù)制板間開裂（圖7）；有的中間樓層現(xiàn)澆混凝土樓板，腐蝕嚴重，鋼筋裸露，且多數(shù)為單向配筋（圖8）；⑥木結(jié)構(gòu)樓梯和墻體缺少必要的連接（圖9），曾有一棟民居發(fā)生樓梯塌落事故；⑦民居多數(shù)出租，人員混雜，搭建簡易陽臺（圖10），頂層搭建房屋，砌筑強度低，且與屋頂無連接（圖11），樓道口用作廚房或堆積雜物等情況較多（圖12）。這些臨時增加附件與主體結(jié)構(gòu)的連接不足，地震時非常容易掉落、倒塌，甚至堵塞樓道，造成人員無法逃生。總體來看，原結(jié)構(gòu)具有一定的抗震能力，但是隨著材料的腐蝕嚴重，以及擴建、改造不當(dāng)，更重要的是缺少必要的抗震加固和維護，使得這些民居的抗震能力降低明顯，同時也亟需做進一步的分析。

圖1 日式磚木結(jié)構(gòu)

圖2 混合結(jié)構(gòu)小洋樓

圖3 磚混結(jié)構(gòu)

圖4 加構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)

圖5 橫墻上部酥堿

圖6 縱墻基礎(chǔ)缺失

圖7 屋頂預(yù)制板開裂

圖8 中間樓頂混凝土結(jié)構(gòu)

圖9 木結(jié)構(gòu)樓梯

圖10 出屋面陽臺

圖11 頂層搭建房屋

圖12 樓道口堆雜物

3 民居抗震能力指數(shù)分析

本文采用《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）中的樓層平均（綜合）抗震能力指數(shù)，基于基本設(shè)防烈度為Ⅷ度，分別在“設(shè)防三水準”下，進一步分析民居的抗震能力。選取和平區(qū)甘肅路36—38號的1棟兩層磚混結(jié)構(gòu)民居為研究對象（圖3）。該棟磚混結(jié)構(gòu)民居的普通燒結(jié)磚強度為MU10，石灰砂漿強度為M10，外墻厚度為370mm，內(nèi)墻厚度為240mm，最小墻體寬度為370mm，單扇門寬度為791mm，窗戶高度為1740mm，雙開門高度為2420mm，寬度為1125mm，單開門高度為2420mm，寬度為800mm，層高均為3.57m，建筑高度為7.14m，建筑總長度為19.8m，總寬度為13.8m。其結(jié)構(gòu)平面圖如圖13、圖14所示。

圖13 一層平面圖

圖14 二層平面圖

圖15 墻體斜裂縫

圖16 出屋面陽臺頂棚

圖17 出屋面陽臺底面

圖18 屋頂活動板房

根據(jù)《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）的第1.0.4條規(guī)定，在70年代及以前建造經(jīng)耐久性鑒定可繼續(xù)使用的現(xiàn)有建筑，民居按A類建筑進行抗震鑒定。參照《天津市和平區(qū)地震小區(qū)劃報告》的結(jié)果，所研究的區(qū)域不存在軟弱土、飽和沙土和飽和粉土或嚴重不均勻土層。同時按照《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）第4.2.2條的規(guī)定，本文所研究的民居可不進行其地基基礎(chǔ)的抗震鑒定。

第一級鑒定中不符合要求的是：一層基礎(chǔ)墻體酥堿（圖5），剝落嚴重，缺失較多（圖6和圖9），極易造成上部墻體開裂、下沉，甚至倒塌。二樓廁所間承重墻體45°開裂，且裂縫較寬（圖15），中間樓板為現(xiàn)澆混凝土，木制樓梯與墻體無連接（圖9），陽臺搭建的簡易頂棚容易塌落（圖16），門窗過梁為混凝土預(yù)制件，長度不足且與墻體無拉結(jié)（圖3），陽臺挑梁及混凝土底面酥堿開裂嚴重（圖17），唐山地震后頂層木屋架塌落，改為預(yù)制板結(jié)構(gòu)，預(yù)制板間開裂（圖7），頂層搭建活動板房與屋頂缺少必要的連接（圖18圓圈區(qū)域）。按照《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）第5.2.4規(guī)定，Ⅷ度區(qū)兩層磚混結(jié)構(gòu)至少應(yīng)隔層設(shè)置圈梁，實際無圈梁布置和配筋。按照《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）第5.2.8條規(guī)定，Ⅷ度區(qū)內(nèi)承重的門窗間墻最小寬度不宜小于1.2m，而實際最小寬度為0.37m（圖3），木制隔墻與兩側(cè)墻體無拉結(jié)，與屋頂也無連接。一級鑒定不符合的項目較多，還需要進行第二級鑒定，分析樓層平均和綜合抗震能力指數(shù)。

表1列出了抗震墻的面積和抗震墻面積率，縱向抗震墻面積率小于橫向，底層和頂層的抗震墻面積率雙向基本相當(dāng)。表2列出了在小震、中震和大震下樓層平均抗震能力指數(shù)β，按《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）中的算式計算，即：

β= A/(A_bξ_oλ)

式中，樓層抗震墻面積率如表1中的數(shù)值；基準面積率ξ_o，按《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）附錄B表，橫墻有門窗，縱墻也有門窗情況取值；烈度影響系數(shù)按Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度分別取值為1.0、1.5、2.5。

表1 抗震墻面積和面積率

表2 樓層平均抗震能力指數(shù)

續(xù)表

從表2可以看出，各樓層在Ⅶ度、Ⅷ度（設(shè)防烈度）、Ⅸ度時縱橫向平均抗震能力指數(shù)均較高。因縱向抗震墻面積率小于橫向，其縱向樓層平均抗震能力指數(shù)較低；因底層地震剪力較大，其基準面積率較大，所以底層縱向最低；但樓層抗震平均抗震能力指數(shù)均大于1.5。樓層平均抗震能力指數(shù)更多的考慮了樓層縱橫墻體的強度、面積率、開門窗數(shù)和樓層數(shù)，沒有考慮屋面、樓頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)和抗震構(gòu)造措施等方面，不過通過樓層平均抗震能力指數(shù)可以佐證唐山地震中，各樓層抗震墻保持較好的原因。

表3列出了樓層綜合抗震能力指數(shù)β，按《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）中的算式計算，即：

β=β

式中，為體系影響系數(shù)，按《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）表5.2.14-1取值；為局部影響系數(shù)，按《建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）表5.2.14-2取值。

表3 樓層綜合抗震能力指數(shù)

一般來說，以往在唐山地震之后由大量的震害資料統(tǒng)計分析所得的震害與樓層綜合抗震能力指數(shù)的判別式，有如下的關(guān)系（楊玉成等，1982）：

1.0≤β＜1.2 輕微損壞

0.6≤β＜1.0 中等破壞

0.3≤β＜0.6 嚴重破壞

β＜0.3（或0.33） 倒塌

樓層綜合抗震能力指數(shù)考慮了體系影響系數(shù)和局部影響系數(shù)的影響，主要不滿足條件是屋蓋為預(yù)制板構(gòu)件，與墻體的搭接長度不足，并且缺少必要的連接等措施，樓蓋、屋蓋外墻內(nèi)墻處均沒有布置圈梁，頂層有出屋面的陽臺。根據(jù)以上判別式和第一級鑒定的情況，即在Ⅶ度（小震時）頂層會中等破壞，底層基本完好；Ⅷ度（中震時）頂層會嚴重破壞，底層接近輕微破壞；Ⅸ度（大震時）頂層會倒塌，底層中等破壞。因抗震墻砌筑強度較高，地震破壞可能會集中在樓蓋、屋蓋上，這也可以解釋在唐山地震中此民房屋頂?shù)顾脑蛑弧?/p>

根據(jù)第一、二級鑒定總體分析，應(yīng)該立即對此民房采取以下抗震加固措施：①基礎(chǔ)墻體酥堿、缺失較多部位的修補措施；②窗間墻寬度僅0.37m部位的加固措施；③出屋面陽臺挑梁酥堿開裂，且出屋面陽臺嚴重降低抗震能力，建議盡快拆除；④屋蓋與墻體的搭接應(yīng)采取加固措施，確保房屋的整體性；⑤應(yīng)在樓蓋、屋蓋處的內(nèi)外墻體部位設(shè)置圈梁，建議設(shè)置外構(gòu)造柱等加固措施。

4 結(jié)語

和平區(qū)的典型老舊民居主要分布在中心城區(qū)人口、商業(yè)等核心位置，房齡大多在100年左右，且多數(shù)有歷史文化背景和一定的文物價值。這些建筑在遭受地震烈度Ⅶ度的小震時，頂層會產(chǎn)生中等破壞；在遭受地震烈度Ⅷ度的中震時，頂層會嚴重破壞；在遭受地震烈度Ⅸ度的大震時，頂層會發(fā)生倒塌，應(yīng)盡快采取上述措施進行抗震加固，確保結(jié)構(gòu)“小震不壞，中震可修，大震不倒”。今后，還需要對民居的普通磚和石灰砂漿強度進行近一步的確認；對結(jié)構(gòu)進行有限元模擬分析；對結(jié)構(gòu)進行振動臺模擬試驗；對結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的“小洋樓”歷史風(fēng)貌建筑進行抗震能力分析等。

楊玉成，楊柳，高云學(xué)等，1982. 現(xiàn)有多層磚房震害預(yù)測的方法及其可靠度. 地震工程與工程振動，（3）：75—86.

中華人民共和國國家標準，2009. 建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）．北京：中國建筑工業(yè)出版社.

中華人民共和國國家標準，2010. 建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）．北京：中國建筑工業(yè)出版社.

Analysis of Seismic-resisting Capacity for Old Style Dwellings in Tianjin

Yao Xinqiang, Chen Yukun, Yang Xulian and Gao Wuping

（Earthquake Administration of Tianjin Municipality, Tianjin 300201, China）

Seismic-resisting capacity of Tianjin old style dwellings were analyzed in the paper. The structural style and seismic behavior were introduced. Seismic-resisting capacity of a typical residential building was analyzed and appraised in accordance with codes and standards. It shows that the top story of the building will be with moderate damage under earthquake intensity VII, with great damage under earthquake intensity VIII, and with total damage under earthquake intensity IX. Based on the results we suggest that seismic strengthening should be carried out soon. In this paper, we also point out the seismic weak link and the anti-seismic and reinforcement measures which should be given to strengthen the seismic-resisting capacity for Tianjin old style dwellings.

Old typical dwelling; Seismic strengthening; Seismic weak link; Seismic-resisting ability

國家地震社會服務(wù)工程項目天津分項與天津市地震局青年基金項目（編號121008）共同資助

2013-04-25

姚新強，男，生于1981年。碩士。主要研究方向：工程抗震、災(zāi)害學(xué)。E-mail：yxqtjj@126.com

姚新強，陳宇坤，楊緒連，高武平，2014．天津市典型老舊民居抗震能力分析. 震災(zāi)防御技術(shù)，9（2）：280—288.

2 天津市地震災(zāi)害防御中心，2011．天津市和平區(qū)地震小區(qū)劃報告．