張 合， 呂國軍， 孫麗娜

(河北省地震局，石家莊 050021)

邢臺市重要建筑中磚混結構震害預測

張 合， 呂國軍， 孫麗娜

(河北省地震局，石家莊 050021)

通過對邢臺市重要建筑中的21棟磚混結構房屋進行現(xiàn)場調(diào)查，運用磚混結構震害預測方法計算出了每棟建筑的破壞等級，得到了所有重要建筑物的震害預測結果，并以震害矩陣形式給出；結合總平均震害指數(shù)對這些建筑物的抗震性能進行綜合評價，為邢臺市防震減災規(guī)劃提供參考依據(jù)。

磚混結構；震害矩陣；抗震性能

0 引言

邢臺地區(qū)近年來大規(guī)模的城市建設和高速的經(jīng)濟增長不僅給城市帶來了無限機遇，也給城市規(guī)劃和建設提出更高的要求，以人為本的具有抵御災害能力的城市規(guī)劃和建設成為邢臺市發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)，而震害預測的開展也是城市新區(qū)規(guī)劃和舊城改造不可缺少的環(huán)節(jié)，是城市防震減災基礎工作的重要組成部分[1]。其目的是根據(jù)其結果分析承災體中導致嚴重災害的薄弱環(huán)節(jié)，并提出相應的加固措施，進而為城市防震減災工作提供科學的依據(jù)[2]。

邢臺市位于華北南部強震危險區(qū)，在漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，地震活動頻繁，最強烈的一次是1966年在寧晉東南發(fā)生的東汪7.2級大地震。該次地震導致8 064人死亡，38 451人受傷，受地震破壞的城市和地區(qū)有邢臺、石家莊、衡水、邯鄲、保定、滄州等6個地區(qū)，共80個縣市、1 639個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、17 633個村莊，倒塌房屋508萬余間。

現(xiàn)階段，我國農(nóng)村、城鎮(zhèn)、城鄉(xiāng)結合部、中小城市房屋類型仍以磚房為主，而房屋在地震中的破壞直接影響著一次地震的人口傷亡和災害損失情況。因此，對磚混結構進行震害預測分析，對減輕地震造成的損失有十分重要的意義[3]。

1 建筑物分類

根據(jù)建筑物的重要性將現(xiàn)有建筑物分為重要建筑物和一般建筑物進行震害預測[4]。

重要建筑物主要指對抗震救災或維持城市功能起重要作用的房屋，以及破壞后可能造成重大次生災害的建筑物，主要包括市黨政機關辦公樓，抗震救災指揮中心辦公樓，公安局辦公樓，消防部門主要辦公樓和宿舍，醫(yī)療救護單位主要門診樓和住院樓，市醫(yī)藥采購中心，市轄區(qū)內(nèi)各大中小學校主要教學樓、實驗樓和學生宿舍等，人流集散量很大的商場、農(nóng)貿(mào)市場、影劇院及體育館等，生命線工程系統(tǒng)的主要建筑，如主要的水廠、電廠、變電站、通訊中心、火車站、汽車站、機場等主要建筑物，次生災害源(燃、毒、爆等)相關建筑。

一般建筑物指城市中量大面廣的丙、丁類建筑，即除重要建筑之外的其他建筑。根據(jù)工作區(qū)建筑物的統(tǒng)計資料，主要分為多層磚混結構、鋼筋混凝土框架結構、剪力墻結構、框架—剪力墻結構、底層框架磚房、排架廠房、鋼結構、老舊民房等。

多層磚房是我國量大面廣的建筑形式，對它的震害研究有著重要的意義，同時,多層磚房的震害資料也易于得到[5]，因此本文主要對重要建筑中磚混結構房屋進行震害預測研究。

2 磚混結構建筑震害

歷次地震，磚房破壞都很嚴重，1966年3月22日河北寧晉東南7.2級大地震，極震區(qū)最高烈度達到Ⅹ度，圖1為該地震的等烈度線圖。

根據(jù)歷史記載，該地震對邢臺造成的破壞為：“全市原有房屋8萬余間，倒塌房屋890余間，遭到破壞須重蓋的占2%，須修理的占16.5%，七里河南岸約0.2 km2范圍內(nèi)出現(xiàn)地裂縫，方向為NEE，縫寬0.5～3.0 cm，疏密不等，在裂縫區(qū)有小噴沙口，沙堆最大厚度約5 cm。西部山區(qū)許多地方山石崩落，七處飛石撞擊引起火災，燒毀一部分山林。西黃公社北會村山巖崩落，塞住公路”。

根據(jù)當時震害調(diào)查可以看到，磚房破壞比較嚴重：Ⅹ度磚房倒塌破壞的占90%～100%，Ⅸ度磚房倒塌破壞的占60%～90%，Ⅷ度磚房倒塌破壞的占30%～60%，Ⅶ度磚房倒塌破壞的占10%～30%，Ⅵ度磚房倒塌破壞的在10%以下。

圖1 1966年3月22日河北寧晉東南7.2級地震等烈度線圖

1976年7月28日唐山7.8級地震后，調(diào)查的900多棟房屋中， 70%多的房屋面積發(fā)生毀壞；2008年汶川8.0級地震中綿竹城區(qū)內(nèi)的磚房，只有20%為基本完好和輕度破壞，40%的房屋發(fā)生了中等程度破壞，30%嚴重破壞，其余的全部倒塌[6]。因此對城市中磚混結構房屋的震害預測研究勢在必行。

3 磚混結構震害預測計算方法

在地震作用下，磚結構的房屋由墻體承擔地震荷載。歷次地震震害和試驗均表明，墻體的破壞主要是由剪力引起的，因此，墻體的抗剪強度是磚結構房屋抗震能力的主要標志。在磚結構房屋的震害預測中，主要依據(jù)“建筑抗震設計規(guī)范(GB50011—2010)”和“建筑抗震鑒定標準(GB50023—2009)”中有關條款的規(guī)定，并采用樓層單位面積的折算平均抗剪強度作為磚結構房屋的抗震能力指標：

(1)

式中：Aνi為第i樓層單位面積的折算平均抗剪強度；Fj為第i樓層第j片墻的斷面積；Si為第i樓層平面面積；ki為樓層單位面積平均抗剪強度折算系數(shù)；pi為樓層墻體抗剪強度；Sm為結構各層類型系數(shù)。

對于多層磚結構房屋，Sm=1.0； 對于底層框架磚房，上部各層Sm=1.0，底層Sm=1.176； 對于底層內(nèi)框架磚房，各層均取Sm=1.0； 對于多層內(nèi)框架磚房，有：

(2)

式中：ψc為柱類型系數(shù)，鋼筋混凝土柱ψc=0.012，外墻組合磚柱ψc=0.007 5，無筋組合磚柱ψc=0.005；ξ1，ξ2分別為計算系數(shù)，按表1取值；λ為抗震橫墻間距與房屋總寬度的比值，當小于0.75時，取0.75；T為第m層內(nèi)框架的柱總數(shù)；nb為抗震橫墻間的開間數(shù)；nc為內(nèi)框架的跨數(shù)； pm為第m層的位置調(diào)整系數(shù)，按表2取值。

表1 計算系數(shù)

表2 位置調(diào)整系數(shù)

在評定磚結構房屋的抗震能力時，應綜合考慮房屋的構造措施及結構特點，對計算的樓層的平均抗剪強度進行修正。影響磚結構房屋抗震能力的其他諸因素中，主要有各樓層橫墻間距、樓蓋及屋蓋的類型、平面及立面的變化、施工質(zhì)量、有無抗震設防或抗震加固及房屋結構現(xiàn)狀等，這些因素將對房屋結構的整體性及地震荷載的傳遞與分配產(chǎn)生影響。在得出磚結構房屋樓層單位面積的折算平均抗剪強度的計算結果后，進一步確定上述諸因素對房屋抗震能力的影響，給出磚結構房屋震害預測綜合評定結果。

以邢臺市人民醫(yī)院病房擴建樓為例進行計算：

邢臺市人民醫(yī)院病房擴建樓，2003年建造，邢臺市建筑設計研究院設計，4層磚混結構，Ⅶ度抗震設防。建筑平面呈矩形，長39.97 m，寬14.10 m，建筑面積2 374.20 m2；建筑高度14.40 m，層高首層3.60 m，其他各層3.40 m。

墻體采用Mu10機制磚，地表以下基礎部分采用M10水泥砂漿，第一、二層采用M7.5混合砂漿砌筑，墻厚370 mm；第三、四層采用M5.0混合砂漿砌筑，墻厚240 mm。房屋現(xiàn)狀良好。震害預測結果見表3。

表3 邢臺市人民醫(yī)院病房擴建樓震害預測結果

4 磚房震害預測分析

本次共調(diào)查了邢臺市區(qū)內(nèi)典型磚混結構建筑物21棟，總建筑面積71 689.1 m2。從調(diào)查情況可以看出6層以下樓房較多，主要用于辦公、教學和醫(yī)療，90年代磚混結構建筑居多，占調(diào)查總面積的53%，占調(diào)查總棟數(shù)的52%(表4)，多為預制樓板，施工質(zhì)量較差，其抗震能力較弱；2000年以后建的多層磚混結構，樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土材料，施工質(zhì)量較以前有所提高，抗震能力有一定程度的提高。

對21棟建筑物在Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度、Ⅹ度5個地震烈度下進行震害預測計算分析。房屋的震害程度取決于其各組成構件的破壞情況，根據(jù)構件的破壞等級可評定出房屋的震害等級。通常房屋的震害等級分為5級：1代表基本完好，2代表輕微破壞，3代表中等破壞，4代表嚴重破壞，5代表毀壞。

采用磚混結構震害預測研究方法對這21棟磚混結構建筑進行抗震能力分析，得出破壞狀態(tài)的震害預測結果(表5)。邢臺市抗震設防烈度為Ⅶ度[7]，圖2給出了邢臺市所有重要建筑物中磚混結構房屋的總體平均震害指數(shù)[8]，其代表了房屋震害程度的定量指標，以0～1之間的數(shù)字來表示由輕到重的震害程度。結合表6，邢臺市區(qū)重要建筑物中磚混結構房屋總震害矩陣中(表6)可以看到，當邢臺市遭遇Ⅶ度地震影響時，磚混結構房屋13.29%的房屋面積發(fā)生嚴重破壞，8.35%的房屋面積發(fā)生中等破壞，57.86%的房屋面積發(fā)生輕微破壞，剩余建筑為基本完好；當遭遇Ⅷ度地震影響時，13.29%的建筑會全部毀壞，8.35%的房屋面積發(fā)生嚴重破壞，45.85%的房屋面積發(fā)生中等破壞，25.08%的房屋面積發(fā)生輕微破壞；遭遇Ⅸ度和Ⅹ度地震影響時，幾乎無基本完好房屋，50%以上房屋面積嚴重破壞和毀壞，將會發(fā)生嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此這些類型房屋應該采取必要的抗震加固措施。結構要合理、地基要夯實，采用砼地圈梁，截面一般500 mm× 300 mm ，可以加強基礎的整體性，煙囪采用輕質(zhì)材料，避免伸出過高、房屋的各部分和各構件的連接處要采取構造措施，如配備地梁、圈梁和構造柱，采用水泥砂漿膠結和現(xiàn)澆屋頂，增強房屋結構的整體性，避免房屋開間過大、高度偏高，要達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防標準，以減輕地震災害損失。

表4 邢臺市重要建筑中磚混結構分類表

表5 邢臺市區(qū)重要建筑物中磚混結構房屋震害預測結果

表6 邢臺市區(qū)重要建筑物中磚混結構房屋總震害矩陣(按面積百分比)

圖2 邢臺市所有重要建筑物中磚混結構的總體平均震害指數(shù)

5 結論

通過對邢臺市21棟重要建筑物中磚混結構進行震害預測計算分析，得到了這些建筑物的震害矩陣和震害指數(shù)，并對他們的抗震能力進行分析，得到了房屋震害程度的定量指標：

1)當建筑物遭受Ⅵ度地震影響時震害指數(shù)為0.11，78.36%的房屋面積為基本完好，8.35%的房屋面積受輕微破壞，13.29%的房屋面積為中等破壞；

2)當建筑物遭受Ⅶ度地震影響時震害指數(shù)為0.25，20.50%房屋面積為基本完好，57.86%的房屋面積受輕微破壞，8.35%的房屋面積為中等破壞，13.29%的房屋面積為嚴重破壞；

3)當建筑物遭受Ⅸ度地震影響時震害指數(shù)為0.57，17.29%房屋面積為輕微破壞，29.11%的房屋面積為中等破壞，31.63%的房屋面積為嚴重破壞，21.64%的房屋面積為毀壞。

按照建筑物功能來看，學校教學樓磚混結構相對較差，其中2棟樓在Ⅵ度時(1991年建設和2000年建設)，就達到了中等破壞，占所取樣本數(shù)的2/3；醫(yī)院相對較好。建議對學校進行一個系統(tǒng)的調(diào)查分析工作。

綜合分析，邢臺市區(qū)內(nèi)的磚混結構房屋除了極少量砌體房屋以外，都是1978年唐山地震之后，按照VII度進行抗震設防新建的，所以具有相對較好的抗震能力。但是有少數(shù)老舊房屋是19世紀80年代設計、90年代初所建，其結構布置不規(guī)則、大開間，砂漿強度只有M2.5，有個別砌體房屋高度超過規(guī)范規(guī)定的高度；極個別房屋結構形式為混合結構，中間一個大開間為框架結構，兩側為砌體結構，之間無伸縮縫，致使結構剛度在平面內(nèi)不均勻分配，造成個別底層框架砌體房屋破壞較重，此類結構在歷次震害中也破壞嚴重。對于這些老舊房屋我們應給予重視，并采取相應有效措施提高其總體抗震能力。

[1] 湯皓，陳國興，李方明．基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的多層磚房震害預測方法[J]．地震工程與工程振動，2006，26(4)：141-146．

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[4] 中國人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．《地震災害預測及其信息管理系統(tǒng)技術規(guī)范》(GB/T 19428—2013) [S]．北京：中國標準出版社，2013.

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Seismic Damage Prediction of Brick-concrete Structures in the Important Buildings in Xingtai

ZHANG He, LYU Guo-jun, SUN Li-na

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

In this study, we carried out field investigation on 21 important brick-concrete structure buildings in Xingtai city, calculated the damage levels of each building using earthquake disaster prediction method of masonry structure, and gave out the seismic damage prediction results of all these important buildings in the form of matrix damage. Combining with the total average seismic damage index, we also gave out comprehensive evaluation to the seismic performance of these buildings. The study may provide reference for the planning of earthquake prevention and disaster reduction in Xingtai.

brick-concrete structure; earthquake damage matrix; seismic performance

張合，呂國軍，孫麗娜. 邢臺市重要建筑中磚混結構震害預測[J]．華北地震科學，2017，35(1):73-77.

2016-07-08

基于遙感技術的建筑數(shù)據(jù)獲取方法對房屋類型抗震能力分析初步研究(DZ20160406032)

張 合(1979—)，男,河北新樂人，高級工程師，主要從事震害防御和地震應急工作．E-mail：hebgcy@163.com

P315.9

A

1003-1375(2017)01-0073-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.012