金赟赟，汪 明，2，王亞安，劉吉夫，2

（1.北京師范大學 民政部、教育部減災與應急管理研究院，北京 100875；2.北京師范大學 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875）

0 引言

云南地區(qū)地震頻繁，地震災害特別嚴重，平均每年發(fā)生216次5.0～5.9級地震，每2年發(fā)生1次6.0～6.9級地震，7～8年發(fā)生1次7 級以上地震［1］。不僅如此，云南省的農(nóng)村人口比重大，且大多分布在經(jīng)濟比較落后、地貌環(huán)境和地質條件復雜的山區(qū)，當?shù)孛窬右酝粒竞痛u木結構為主，約占總農(nóng)戶數(shù)的72.24%，磚 混 和 其 它 結 構 僅 占16.78% 和10.80%［2］，這對民居結構的抗震設防提出了巨大挑戰(zhàn)。近年來隨著經(jīng)濟條件的改善，農(nóng)村新建房屋開始普遍采用磚混或框架結構，但是留存的傳統(tǒng)民居建筑大多年久失修，即使是一些新建的木結構房屋，在建房時多依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗施工，隨意性較大，土墻夯筑時很少考慮土的特性，夯實度、夯筑方法，缺乏技術支持［3］，土坯和土筑墻體往往存在安全隱患。

云南地區(qū)少數(shù)民族眾多，各民族民居經(jīng)歷了幾千年的發(fā)展，形成了自己獨特的建筑風格和特色。其中土墻－木框架結構是云南民居一種非常普遍的建筑形式，它多為2 層房屋，平面上以三間組成一坊，由基礎、木框架和屋頂構成其主體的受力結構，并以土墻作圍護。傳統(tǒng)民居因地制宜地運用當?shù)爻Ｒ姷慕ㄖ牧希缯惩?、木材、石料等。雖然木材構件的價格相對昂貴，但是云南林業(yè)資源豐富，這使得木結構房屋的大范圍使用成為可能。

基于近5年來在云南省永勝、大理、麗江等地的調研，和近20年來的地震震害資料，以及針對納西族和漢族的典型農(nóng)村民居開展的大量實地考察工作，本文總結傳統(tǒng)工藝中的抗震構造措施，分析典型震害特點，探討云南典型民居建筑在社會變遷中出現(xiàn)的抗震新問題和實施抗震加固工程中的問題，提出提升區(qū)域整體抗震防災能力的思考。

1 傳統(tǒng)抗震措施以及震害分析

圖1 典型的云南傳統(tǒng)民居建筑

云南永勝、麗江、大理等地的民居（圖1）以穿斗式木框架房屋最為典型。穿斗式構架的主要豎向承重構件是立柱，柱與柱之間兩兩用橫梁拉結，梁柱結合用燕尾榫，墻體僅起維護作用。房屋的骨架由四榀木構架組成，兩端山墻（圖2a）處的兩榀為山架（圖2b），在中間的兩榀為中間架（圖2c），為便于室內(nèi)空間的靈活使用皆不設中柱，多用抬梁式構架［4］。

1.1 民居建筑的傳統(tǒng)抗震措施

眾所周知，木結構房屋的抗震性能較好。從整體來看，木結構房屋的固有周期長，在堅實的地基上不容易發(fā)生共振，結構的彈性好，地震力作用變形后的恢復力大，木結構亦有良好的延展性，地震晃動下仍然可以保持結構的完整和穩(wěn)定［5］。同時，木構件的連接多采用榫卯的方式，半剛性的節(jié)點能有效地耗散地震動的能量，減少地震力對建筑物的破壞［6］。云南地區(qū)的民居結構在長期抗震實踐中的還出現(xiàn)了一些有效的構造措施以抵御地震。例如，橫梁下用一根方木貫通一榀木構架內(nèi)的柱子，俗稱穿枋。它在橫向將木構架連結成整體的構件，使柱和梁構成平面體系，同時結點擠緊，增加了梁柱結合處的剛性，從而保證木構架橫向的剛度和穩(wěn)定性［7］。另外一個特別構造是，柱腳用截面較大的地腳梁（又稱鎖腳枋，圖6a）縱橫固定［4］，它能夠有效地約束柱腳的位移，同時與上部相應的構件組成框架系統(tǒng)，使得框架結構整體性更強。此外，增強抗震性能的做法還有：山墻（圖2a）下方是生土墻，上方尖山墻則采用木板，下重上輕有利于抗震；墻內(nèi)側有立柱、梁等眾多構件，可以抵住被震壞的墻體防止向內(nèi)倒塌；木柱按百分之一的斜度將柱頭往里傾斜（“見尺收分”，也稱“放側腳”）［4］，增強了整個構架的穩(wěn)定。這些特點都決定了云南民居木結構房屋良好的抗震性。

圖2 穿斗式構架的主要結構組成

1.2 典型震害分析

雖然木結構房屋的抗震性能較好，“墻倒屋不塌”的特點一定程度上避免了嚴重的人員傷亡，但是由于材料強度較低，它的總體震害相對于磚木、磚混和框架結構房屋仍要嚴重。云南民居結構在歷史上的大地震中都受到了嚴重的破壞，例如：1996年2月3日麗江7.0級地震中，農(nóng)村民房大面積倒塌，嚴重地區(qū)的倒塌率達85%；2001年10月27日永勝6.0級地震中，倒塌房屋3 400間，損壞約28萬間，當?shù)氐湫偷拿窬咏Y構形式是土－木結構，穿斗木構架［2］；2003年7月21日云南大姚縣6.2級地震中，房屋倒損共27萬多間，其中倒塌1萬間以上［8］?；趯嵉厮鸭恼鸷Y料，我們對典型土墻－木框架民居建筑主要的地震破壞模式作了以下總結。

（1）木框架完好而外墻倒損

在這種破壞模式下，外墻由于超過了其強度或者墻與木框架的連接不牢固而發(fā)生全面或者局部的倒塌。常見的破壞情況有以下4種：①山墻的整體倒塌（圖3a）；②山尖墻的損毀（圖3c）；③外縱墻的倒塌（圖3b）；④外墻轉角處的損壞（圖3d、圖3e）。生土墻在云南十分普遍，由于其結構強度低，在地震中極易損壞。即使在木構架承重體系房屋中，墻體僅起圍護作用，但是它的倒塌仍然會引起人員傷亡和財產(chǎn)損失。特別是尖山墻部分，由于是獨立懸墻，平面外抗彎剛度小，縱向振動作用下受屋蓋由檁條傳遞的水平推力，極易發(fā)生平面外倒塌。此外，有些房屋建有很高的封火山墻，突出屋面并且通常沒有采取拉結措施，地震時極易倒塌砸壞屋頂或傷人。外縱墻的震害多是樓板以上墻體外倒或者從根部倒塌。山墻和后縱墻的轉角處由于集中力的存在，在地震中極易受到破壞，加之建造過程中的一些錯誤做法（如留下通縫），普遍發(fā)生貫穿上下的豎向裂縫或者角部墻面的剝落。

圖3 地震中生土墻的破壞（圖片來源：永勝縣地震局、期納鎮(zhèn)政府、濤源鄉(xiāng)政府）

（2）屋頂?shù)奶妥冃?/p>

屋頂?shù)钠茐耐憩F(xiàn)在瓦片的脫落程度（圖4a）。這主要是由于瓦片和木瓦楞的連接強度不夠或者瓦片層間缺乏連接造成的。屋頂?shù)膿p壞也可能是因為突出屋面的非結構構件（如封火墻、煙囪、吻獸、脊獸等）的倒塌而導致。另外，屋架被地震破壞引起屋蓋變形的情況，在長寬比大的房屋中更為嚴重（圖4b）。

圖4 屋頂?shù)钠茐模▓D片來源：永勝縣地震局、期納鎮(zhèn)政府）

（3）木框架的倒損

木框架房屋的局部或整體倒塌往往發(fā)生在地震烈度大的地區(qū)。穿斗木構架雖然橫向較堅固，但缺乏有效的縱向支撐，地震時容易產(chǎn)生縱向破壞。木構架房屋的梁柱節(jié)點多采用榫卯連接，它的強度和剛度都很低，如未采取斜撐、水平撐等抗側力措施，稍有松動即退化為鉸接點，導致構架傾斜甚至倒塌［9］。此外木框架房屋的全面倒塌常發(fā)生在一些木框架沒有完全安裝完成的在建房屋中。由于資金和資源的限制，許多農(nóng)民依據(jù)自身條件分階段地逐步建造房屋，一些房屋的建造過程長達數(shù)年之久，這些施工中的房屋由于結構體系不完整，在地震中異常脆弱。

除了全面倒塌，常見木結構房屋的損壞還發(fā)生在一些特殊部位，例如榫卯節(jié)點、木柱的傾斜，以及柱腳滑移。穿斗式木構架的柱子在樓板層高處，橫、縱向榫眼的開槽使得柱截面被削弱，易受扭破壞。橫梁和樓楞的端部由于作榫，支座處梁的截面積只有原來的約30%，而此處剪力又最大，因此粱兩端容易折斷。部分結構的立柱柱腳與柱礎無任何連接，地震中由于水平位移易發(fā)生柱腳錯位甚至滑脫。這些局部的破壞在一些震后的房屋中沒有得到及時有效的修繕，為日后房屋的安全留下了極大的隱患。一些年久失修的房屋中局部木構件腐朽，也是極易出現(xiàn)破壞的位置。

2 云南民居建筑抗震加固中問題的探討

2.1 社會變遷中抗震的新問題

隨著建筑技術、材料的不斷更新和人們生活習慣的變化，云南典型民居建筑也隨時代發(fā)生著改變。在實地調研中我們發(fā)現(xiàn)，許多新建的房屋選擇了磚混結構，而那些采用傳統(tǒng)民居形式的房屋也在工藝和建筑材料方面與老房屋有所不同。這種改變在墻體上表現(xiàn)得尤為明顯。當今生土墻在新建房屋中已經(jīng)十分少見，取而代之的是用燒結磚和砌塊砌筑（圖5）。在尖山墻部分，也很少如以往采用較下部墻體輕質的材料，如木板等構筑，而是用砌體填充，這些填充磚有時候甚至直接壓在屋架梁上（圖5a），對屋架造成了額外的荷載，對抗震極為不利，同時，由于“鞭梢效應”，尖山墻部位填充的磚塊極易塌落，造成人員傷亡。

砌體墻相比生土墻有更高的結構強度，減小了墻體的厚度和重量，有利于抗震，建造效率也更高，但是，在建造中，人們往往忽略墻體和柱子的拉結，這樣，在地震時墻體和木框架可能出現(xiàn)碰撞推擠的現(xiàn)象，使得墻體在地震中被破壞的可能性大大增加。特別是當內(nèi)墻發(fā)生倒塌或者外墻內(nèi)閃時，會對房屋內(nèi)的人員和財產(chǎn)造成更大的傷害和損壞。

圖5 新建房屋的砌體墻

另外，農(nóng)村地區(qū)的房屋建造有很大的隨意性，而且精通傳統(tǒng)民居房屋建造技術的工匠越來越少，許多傳統(tǒng)民居結構中對抗震性能起到重要作用的構造措施和方法常常被忽視或省略，例如新建房屋常常有意取消了穿枋和鎖腳枋（圖6）。如前文所述，穿枋能大大增加結構的剛度和整體性，而鎖腳枋將柱腳牢牢固定住，防止水平地震作用引起的柱腳移位。這些構造措施的缺失，極大削弱了傳統(tǒng)民居建筑的抗震能力。

圖6 地腳（鎖腳枋）被拆除

木框架的建造有時會利用老房屋的舊木料，而不是新木料，這是因為目前對林業(yè)資源的保護，或是經(jīng)濟條件的限制導致的。老舊的木料常會有不同程度的腐朽，即使使用了有效防腐措施，木材強度的持久性也是有限度的，時間因素對木材工作的物理力學指標有很大影響［10］，因此舊木料搭建的房屋往往更容易破壞。

2.2 實施抗震加固中的問題

2007年1月，云南省全面啟動“農(nóng)村民居地震安全工程”建設工作，計劃用10年時間對急需抗震加固的100萬農(nóng)村民居分期分批進行加固改造，提高抗震防災能力。永勝地區(qū)結合當?shù)孛耧L民俗、建筑風格、經(jīng)濟條件和《云南省農(nóng)村民居地震安全工程技術導則》，編制了《永勝縣農(nóng)村民居地震安全工程設計方案》和《永勝縣農(nóng)村居民地震安全工程技術標準》。技術標準對當?shù)夭怀^2層的土－木和磚木結構房屋的規(guī)劃、設計、施工（新建和加固）和質量驗收提供了技術支持。

（1）梁柱架節(jié)點連接的加固

如圖7所示，穿斗式木構架的柱子在樓面層高處榫口橫縱交錯，柱截面由于開槽集中而被嚴重削弱，鐵件的加固能夠加固節(jié)點，能有效防止地震過程中梁柱節(jié)點脫開，亦增加了木構架的剛度。梁下的承托能增強梁在節(jié)點處的抗剪能力，同時防止梁柱節(jié)點脫開。但在實踐中，鐵件往往過于細薄，且簡單用直釘固定在木構件上，而不是嚴格地使用螺栓連接。同時，鐵件的位置選取過于隨意，或是使用數(shù)量不足，這都會大大降低民居抗震加固措施的效果。

圖7 梁柱節(jié)點的加固

（2）木柱腳處的錨固

鐵件的一端豎直插入柱基礎中，另一端固定在柱腳，并且盡量避免鐵件的彎曲，否則無法起到錨固作用（圖8）。實踐中常出現(xiàn)鐵件一端固定在木柱上，但另一端僅簡單埋入地面，亦無固定措施，這樣的做法對柱腳的加固完全起不到任何作用。

圖8 柱腳的加固

（3）在屋蓋房以上加縱向支撐

如圖9a、圖9b所示，在兩端間及隔間中柱頂部加設木剪刀或木斜撐等，可以增強房屋的縱向穩(wěn)定性。木穿斗結構樓屋面設置水平支撐，開間角部四根柱子之間水平方向用鋼絲繩拉結，能增加房屋的抗扭能力，平面布局不規(guī)則的房屋亦可以采用。對于疊梁式的屋架結構，還采用的捆扎連接的方式（圖9c、圖9d）。實踐中常出現(xiàn)的問題是連接支撐構件過于細長，本身在地震時易發(fā)生彎折，起不到支撐作用。由于施工的不規(guī)范，鋼絲繩的拉結出現(xiàn)連續(xù)纏繞現(xiàn)象，而不是每根兩端牢固連接木柱，這樣，不僅起不到提升整體抗扭能力的作用，而且在極端情況下會出現(xiàn)連鎖倒塌的情況。而對于屋架捆扎連接，往往是鐵件簡單直釘固定在木構件上，地震時易脫落。

圖9 屋架的加固

3 生土墻體抗震加固的問題

目前針對老舊民居的加固方法，對木框架的加固有許多明確的加固方法，對于墻體也有很多強化抗震性能的建造方案。但是，對民居結構中已有的生土墻墻體加固一直未有經(jīng)濟、簡便且有效的加固方法。從以往的民居震害看，墻體的破壞最為嚴重和普遍，雖然在木框架結構的民居中，墻體僅僅是起圍護作用，但是墻體的損壞，特別是當其內(nèi)閃時，房屋在地震中的危險性大大增加。生土墻本身強度低，而且在使用過程中受風和雨水的侵蝕嚴重。對于無木框架的生土房屋，它的墻體抗震能力與墻體直接相關。例如2003年云南大姚6.2級地震中，生土房屋和墻柱間無連接的木構架房屋在地震影響下大多數(shù)墻體開裂，震中區(qū)此類房屋基本倒塌［8］。尋求針對生土墻體結構的加固方法應當是科學研究和工程實踐的重點之一，這不僅有利于對云南部分地區(qū)民建筑居文化的保護，而且相關加固技術的推廣和實施將會使廣大經(jīng)濟落后地區(qū)的居民受益，對提升區(qū)域整體的抗震防災能力意義重大。

4 總結

本文研究了云南納西族和漢族典型民居的抬梁式木框架結構的抗震性能，從震害分析看，典型的破壞形式有“木框架完好而外墻倒損”、“屋頂?shù)奶妥冃巍焙汀澳究蚣艿牡箵p”3 種。當?shù)鼐用耖L期以來總結了一些有效的構造措施以抵御地震，包括木框架的建造工藝、墻體的結構形式、墻體和木框架的關系處理等，使得當?shù)氐湫兔窬咏ㄖ哂幸欢ǖ目拐鹉芰?。然而，如今在一些新建的房屋中，“木框架－土坯墻”的基本結構形式?jīng)]有變，但在工藝和建筑材料方面與老房屋有所不同，特別是墻體和木框架的建造細節(jié)上已經(jīng)發(fā)生了較大變化。在新建房屋中越來越多使用燒結磚和砌塊砌筑外墻，但是磚砌墻在建造時墻體與柱子的連接，以及尖山墻上簡單填充的磚塊常常被忽視，這成為了新建房屋地震時的巨大隱患。這些在社會變遷過程中出現(xiàn)的建筑抗震的新問題更應從區(qū)域整體的角度加以重視。

2007年啟動的“農(nóng)村民居地震安全工程”對農(nóng)戶房屋進行了加固改造，以提高抗震能力。這些加固措施主要針對梁柱節(jié)點、柱腳錨固、房屋整體的縱、橫向剛度等方面。但是在實踐中，往往出現(xiàn)施工的隨意性，使得加固措施的效果大打折扣。綜合來看，生土墻體仍是云南農(nóng)村地區(qū)民居建筑抗震的薄弱環(huán)節(jié)，山墻、后縱墻和墻轉角處都是容易破壞的地方。

對于那些原有的生土墻房屋，目前還缺少經(jīng)濟、簡便和有效的措施來加固墻體，需要探索出一種廉價、能就地取材且易操作的加固技術，以便在經(jīng)濟落后地區(qū)推廣使用，從而有效提升區(qū)域的抗震防災能力。

［1］ 孟萍，潘文，黃海燕.云南地區(qū)村鎮(zhèn)木結構房屋震害分析及補救措施［J］.工程抗震與加固改造，2005（S1）：202－205.

［2］ 陶忠，潘興慶，潘文，等.云南農(nóng)村民居土坯墻單塊土坯力學特性試驗研究［J］.工程抗震與加固改造，2008，（1）：99－104.

［3］ 陶忠，譚冠平，曹凈，等.云南農(nóng)村民居土筑墻體土工試驗研究［J］.工程抗震與加固改造，2008，（1）：90－93.

［4］ 朱良文.麗江古城與納西族民居（第二版）［M］.昆明：云南科學技術出版社，2005.

［5］ 孫建剛，王慧青，崔賢，等.納西族民居結構特點及其抗震性能［J］.大連民族學院學報，2008，（1）：62－65.

［6］ 趙鴻鐵，張海彥，薛建陽，等.古建筑木結構燕尾榫節(jié)點剛度分析［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2009，（4）：450－454.

［7］ 李成煜.麗江地震土木結構房屋震害分析［J］.云南工業(yè)大學學報，1996，（4）：1－3.

［8］ 潘明輝，繆昇.從云南省大姚縣6.2級地震看我國小城鎮(zhèn)和村鎮(zhèn)房屋存在的抗震問題［J］.世界地震工程，2004，（4）：85－89.

［9］ 陸偉東，鄧大利，居興鵬，等.中國木結構建筑分布及其震害［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2011，（4）：464－469.

［10］ 陳國瑩.古建筑舊木材材質變化及影響建筑形變的研究［J］.古建園林技術，2003，（3）：49－52.