王 洪 王成虎 安易飛 陳 念 周 昊
(應急管理部國家自然災害防治研究院,地殼動力學重點實驗室,北京 100085)
青海省地處我國最大的地震區(qū)?青藏高原地震區(qū),整體處于活躍的南北地震帶上,地震活動頻繁,強震(Ms≥6.0)數(shù)量居全國第7 位(蘇延芬等,2013)。據(jù)中國地震局臺網(wǎng)中心匯編數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料顯示,1990 年以來,青海省發(fā)生5.0 級以上地震58 次,其中Ms5.0~Ms5.9 級地震50 次、Ms6.0~Ms6.9 級地震6 次、Ms7.0~Ms7.9 級地震2 次。目前,部分學者對青海省農(nóng)村民居進行大量實地調(diào)研,收集整理調(diào)查資料,并深入分析各類房屋結(jié)構(gòu)特征及抗震性能,取得了許多有價值的研究成果。鐘秀梅等(2019)將我國西北地區(qū)(青海省、甘肅省、陜西?。┺r(nóng)村民居結(jié)構(gòu)細分為6 大類、15 小類,并通過計算平均震害指數(shù)評估了各類房屋抗震能力,其中采取抗震構(gòu)造措施的磚混結(jié)構(gòu)和磚圍護木結(jié)構(gòu)房屋抗震性能最優(yōu),同時建議單獨統(tǒng)計城鎮(zhèn)和農(nóng)村房屋震害特征。楊娜等(2018)總結(jié)了青海東南部地區(qū)農(nóng)村民居結(jié)構(gòu)特點,給出土墻圍護木構(gòu)架結(jié)構(gòu)房屋震害矩陣,并對其進行抗震能力分析。邱舒睿等(2015)對青海省農(nóng)村民居地震災害易損性進行了研究,總結(jié)了青海地區(qū)歷年地震破壞比,評估了各鄉(xiāng)級農(nóng)村民居災害易損性。樸永軍(2013)、郭寧(2012)基于青海省農(nóng)村民居現(xiàn)場調(diào)查和文獻調(diào)研情況,總結(jié)得到了青海省房屋震害矩陣。目前,對于青海省農(nóng)村民居系統(tǒng)性的震害預測研究仍處于空白,由于青海地區(qū)地震活動頻繁,尤其是農(nóng)村地區(qū),農(nóng)村民居受建造年代、經(jīng)濟條件和地理位置等限制,導致其抗震能力弱,更易受到破壞。因此,對現(xiàn)有農(nóng)村民居開展抗震調(diào)查工作具有重要的現(xiàn)實意義。
青海省東部的共和地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景復雜,斷層較發(fā)育,區(qū)內(nèi)水系豐富,建有中型水利發(fā)電站,使該地區(qū)具有水庫誘發(fā)地震環(huán)境背景,且區(qū)域內(nèi)地熱資源豐富。因此,須對青海省共和地區(qū)開展農(nóng)村民居抗震設防調(diào)查。本文以青海省共和地區(qū)農(nóng)村民居為研究對象,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)及1990 年以來青海省中強地震現(xiàn)場震害調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果,揭示典型農(nóng)村民居結(jié)構(gòu)特點和1990 年以來的震害特征,并開展抗震性能分析,給出不同結(jié)構(gòu)類型農(nóng)村民居震害預測結(jié)果,以期為農(nóng)村民居抗震研究和防震減災工作提供依據(jù)。
調(diào)查對象主要為青海省共和地區(qū)農(nóng)村民居莊廓院房屋,調(diào)查目的是通過開展抗震設防能力評估工作,為后期改擴建工作提供參考,同時揭示海南藏族自治州共和縣農(nóng)村民居抗震設防能力是否符合危房改擴建項目指標及地區(qū)抗震設防烈度要求。青海省共和地區(qū)覆蓋4 個鎮(zhèn)、42 個村,依據(jù)區(qū)域地震地質(zhì)、人口經(jīng)濟情況、建筑特征等信息,本文選取恰卜恰鎮(zhèn)、倒淌河鎮(zhèn)、龍羊峽鎮(zhèn)、塘格木鎮(zhèn)的龍洋新村、次汗蘇村、阿乙亥村等人口最集中的13 個自然村作為房屋抗震設防能力調(diào)查區(qū),房屋按Ⅶ度抗震設防,每個村各類房屋抽樣數(shù)量占比為20%~30%,抽樣調(diào)查綜合考慮了既有和在建農(nóng)村民居建造年代、建筑特征、建筑分布等,具有較好的代表性。
本次調(diào)查于2019 年6?7 月進行,調(diào)查方式主要采取調(diào)查人員進村入戶實地查看,通過現(xiàn)場拍攝、訪談,獲取抗震設防信息。調(diào)查內(nèi)容主要包括農(nóng)村民居結(jié)構(gòu)類型、建造時間、建造方式等,此外,對居住人口數(shù)量、人員流動情況、民族分布情況、習俗、地理環(huán)境、經(jīng)濟收入來源、總收入、子女教育等經(jīng)濟社會發(fā)展基本情況進行了解。
現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)表明,農(nóng)村民居主要以磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)房屋為主(表1),具體表現(xiàn)為:(1)磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)房屋約占48%、47%,其中約68%的磚混結(jié)構(gòu)房屋未設置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁,僅5%的磚木結(jié)構(gòu)房屋設置構(gòu)造柱和圈梁;(2)土木結(jié)構(gòu)房屋僅占5%左右,個別村土木結(jié)構(gòu)房屋占比較大,如次汗素村土木結(jié)構(gòu)房屋占比高達30%,且仍作為民居使用;(3)各村人口數(shù)量較少,每戶家庭平均年收入約3 萬元,經(jīng)濟條件相對落后。
表1 農(nóng)村民居房屋結(jié)構(gòu)類型現(xiàn)狀Table 1 Types and proportion of rural buildings in different villages in Gonghe region of Qinghai province
根據(jù)各調(diào)研點年收入情況統(tǒng)計建筑結(jié)構(gòu)類型占比,結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可知,年收入低于2 萬元的村落房屋以磚木結(jié)構(gòu)為主,占比達75%;年收入高于2 萬元的村落房屋以磚混結(jié)構(gòu)為主,占比達71%;經(jīng)濟條件較差的村落,農(nóng)村民居抗震性能較差。
圖1 不同年收入村落房屋結(jié)構(gòu)類型占比Fig. 1 Proportion of building structure of villages with different annual income
青海省農(nóng)村地區(qū)最具民族特色的房屋為莊廓院,即由高大的夯土圍墻和厚實的大門圍合成的合院式民居,如圖2 所示。典型的莊廓院坐北朝南,圍墻平面布局形式呈正方形或長方形,傳統(tǒng)莊廓院圍墻選用當?shù)攸S土夯筑而成,但因黃土疏松多孔、黏聚性較差,圍墻呈上窄下寬形式,高4~5 m,厚80~100 cm。青海省地震活動頻繁,農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟條件落后,政府在2009?2014 年出臺農(nóng)村危舊房改造補貼政策,農(nóng)村地區(qū)80 %左右的莊廓院圍墻逐漸由夯土墻改建為磚墻,高3~4 m,厚120 mm 或240 mm,提高了抗震性能。調(diào)研發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)和改建莊廓院布局特點基本不變,主要由院墻、房屋和庭院組成,房屋靠圍墻建造,布局呈一字形、L 形、二字形、凹字形和口字形。沿北側(cè)院墻建造正房(北房或上房),正房內(nèi)部布局主要包括客廳、臥室、廚房;東墻和西墻建廂房,常用作雜物間,部分用作居??;南墻建房多用作牲畜棚或草料房(崔文河,2015;左丹,2015)。
圖2 次汗蘇村典型莊廓民居Fig. 2 Typical Zhuangkuo folk house in the Cihan village
青海省共和地區(qū)有放牧和半農(nóng)半牧2 種生產(chǎn)方式,不同農(nóng)業(yè)區(qū)有不同的房屋結(jié)構(gòu)形式,本次調(diào)研區(qū)域主要為半農(nóng)半牧地區(qū),房屋布局主要為莊廓院形式,以土木結(jié)構(gòu)(圖3(a))、磚木結(jié)構(gòu)(圖3(b))和磚混結(jié)構(gòu)(圖3(c))為主。農(nóng)村民居特點如下:(1)土木結(jié)構(gòu)為20 世紀80 年代修建,整體結(jié)構(gòu)一般為雙坡頂單層建筑,屋頂坡面較緩,坡度6°~7°。主要承重結(jié)構(gòu)為木柱和土坯墻,開間過大,進深達5 m,間寬約10 m。屋頂系統(tǒng)包括木梁、木檁條、葦席和草芥鋪設的屋面。此類房屋建造年代久,主要承重構(gòu)件抗震性能差,在地震作用下極易發(fā)生嚴重破壞。(2)磚木結(jié)構(gòu)為20 世紀80?90 年代建造,整體結(jié)構(gòu)一般為雙坡頂+木屋架形式的單層建筑,地基僅簡單夯實,基礎為埋深較淺的毛石砌筑基礎,無地圈梁。房屋主要承重構(gòu)件是磚墻和木柱,墻體一般采用黏土磚和白灰砂漿砌筑,山墻和外橫墻為370 mm 厚磚墻,后縱墻厚度一般為240 mm,內(nèi)墻為240 mm 厚磚墻或夯土墻,縱橫墻連接處未采取預留馬牙槎等拉結(jié)措施。屋頂常用平頂木構(gòu)架,木梁放置于后縱墻和前縱墻的木柱上。(3)磚混結(jié)構(gòu)房屋一般為雙坡頂+木屋架形式的單層建筑,少數(shù)為2 層建筑,地基埋深約1.5 m,下部設地圈梁。房屋包括磚墻、磚柱、鋼筋混凝土樓板或預制樓板、現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁,屋頂系統(tǒng)包括木屋架、木檁、瓦屋面。區(qū)域內(nèi)大多數(shù)磚混結(jié)構(gòu)房屋未設置構(gòu)造柱、圈梁等抗震設防措施(杜曉霞,2016)。
圖3 次汗素村房屋結(jié)構(gòu)類型Fig. 3 Structural types of rural houses in the Cihan Village
在歷次破壞性地震作用下,農(nóng)村地區(qū)成為震害最嚴重的受災區(qū),發(fā)生破壞性地震的概率相對較大。本文通過收集青海地區(qū)近年來發(fā)生的破壞性地震震害資料(中國地震局監(jiān)測預報司,1996,2001,2010;地震局震災應急救援司,2015),得到了區(qū)域內(nèi)典型農(nóng)村民居震害特征(表2)。
表2 1990 年以來青海省中強地震統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistics of middle-strong earthquakes of Qinghai since 1990
區(qū)域內(nèi)2 次特大地震為:(1)1990 年4 月26 日共和縣塘格木鎮(zhèn)7.0 級地震,震中烈度達Ⅸ度,此次地震共造成119 人死亡,149 人重傷,1 900 多人受傷,12 366 戶共45 000 多人經(jīng)濟受損,總經(jīng)濟損失高達2 億多元(劉志剛等,1990);(2)2010 年4 月14 日玉樹7.1 級地震,最高烈度達Ⅸ度,受災面積共3.5萬km2,其中,極重災區(qū)992 km2,重災區(qū)7 030 km2,共造成20 萬人受災,2 600 多人死亡,農(nóng)村民居倒損4.5 萬戶、共29 萬多間,總經(jīng)濟損失達750 多億元(白國良等,2011;樸永軍,2013)。近年來的破壞性地震,震中位置多位于農(nóng)村地區(qū),受經(jīng)濟和技術等條件的限制,農(nóng)村建筑物更易受到破壞。
國內(nèi)外對建筑物震害預測的研究始于20 世紀70 年代,目前關于震害預測的研究方法種類繁多(王強等,2011),本文針對不同房屋結(jié)構(gòu)類型,選取不同的震害預測方法(邵峰,2017),對于磚混結(jié)構(gòu)房屋,依據(jù)唐月等(2012)的研究成果,尹之潛等(1990)提出的樓層平均抗剪強度法;對于磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)房屋,依托王強等(2009,2011)和郭小東等(2011)的研究成果,選取較常用的模糊震害預測法,基于青海省共和地區(qū)震害資料,建立建筑結(jié)構(gòu)影響因子與震害指數(shù)之間的關系,應用模糊評價模型理論,給出區(qū)域內(nèi)磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果。
4.1.1 磚(土)木結(jié)構(gòu)房屋
模糊震害預測法是基于模糊數(shù)學的方法,應用隸屬度理論將單因素定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價,并對單因素評價結(jié)果加權(quán)求和,取得綜合評價結(jié)果(王強等,2011),具體步驟如圖4 所示。
圖4 磚(土)木結(jié)構(gòu)房屋震害預測計算流程Fig. 4 Flow chart of earthquake damage prediction calculation for brick-timber structure and civil-timber structure house
本文通過收集青海省共和地區(qū)及周邊區(qū)域近年來破壞性地震房屋震害資料,包括塘格木地震、瑪沁地震、興海地震、青海玉樹地震、青海門源地震、雜多地震等(中國地震局監(jiān)測預報司, 1996,2001,2010;秦松濤等,2010;地震局震災應急救援司,2015),并結(jié)合邱舒睿等(2015)對青海地區(qū)不同房屋結(jié)構(gòu)類型破壞比的統(tǒng)計,得到土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)房屋在不同地震烈度下的各狀態(tài)破壞比,如表3 所示。
表3 土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)房屋震害矩陣(%)Table 3 Earthquake damage matrix of civil and brick-wood structures (Unit:%)
4.1.2 磚混結(jié)構(gòu)房屋
磚結(jié)構(gòu)房屋主要承重構(gòu)件是墻體,在地震作用下,以墻體剪切破壞為主,因此可將磚墻抗剪強度值作為磚結(jié)構(gòu)房屋抗震能力的量值。本文采用樓層平均抗剪強度法對磚混結(jié)構(gòu)房屋進行震害預測,計算過程如下:
(3)震害指數(shù)的修正
考慮青海省共和地區(qū)農(nóng)村民居多為自建房,震害特征受施工質(zhì)量和設計標準等因素影響較大,應對不同農(nóng)村民居震害指數(shù)進行修正,修正公式如下:
式中:Ci為修正系數(shù),取值如表4 所示。
表4 修正系數(shù)取值Table 4 Correction factor value
(4)震害等級的確定
震害等級與其對應的震害指數(shù)之間的關系(尹之潛等,1990)如表5 所示。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,給出農(nóng)村民居基本參數(shù),如表6 所示。
表5 建筑物震害等級與其相應的震害指數(shù)Table 5 Earthquake damage grade of building and corresponding earthquake damage index
表6 農(nóng)村民居基本參數(shù)Table 6 Parameters of rural residential buildings
(1)磚混結(jié)構(gòu)房屋
基于磚混結(jié)構(gòu)房屋基本參數(shù)(表6),分別對2 層和單層磚混結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)1~結(jié)構(gòu)4)房屋進行震害預測分析,結(jié)果如表7 所示。由表7 可知,農(nóng)村民居采用高強度砌塊和砂漿并設置圈梁、構(gòu)造柱等抗震措施,在改善房屋抗震方面起到明顯作用,極大地提高了結(jié)構(gòu)抗剪強度。
表7 磚混結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果Table 7 Earthquake damage prediction results of rural masonry buildings
磚混結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)類型相同、建筑年份與抗震構(gòu)造措施不同時,震害結(jié)果差異較大。地震烈度為Ⅵ度時,結(jié)構(gòu)整體處于基本完好狀態(tài),不受影響;地震烈度為Ⅶ度時,結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)輕微破壞,墻體產(chǎn)生細裂縫;地震烈度為Ⅷ度時,結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為輕微破壞~嚴重破壞,墻體局部開裂,抗震措施薄弱的房屋需采取一定的修復措施,建造時間長及抗震措施差的房屋破壞,且墻體出現(xiàn)多道裂縫;地震烈度為Ⅸ度時,房屋表現(xiàn)為中等破壞~嚴重破壞,墻體開裂,甚至部分嚴重傾斜,屋面梭瓦現(xiàn)象明顯,已處于危險狀態(tài),不宜居??;地震烈度為Ⅹ度時,房屋表現(xiàn)為中等破壞~毀壞,墻體開裂或倒塌,樓板開裂或滑動。
(2)磚木結(jié)構(gòu)房屋
磚木結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果如表8 所示,由表8 可知,磚木結(jié)構(gòu)房屋抗震性能較未設防的磚混結(jié)構(gòu)房屋差,地震烈度為Ⅶ時,房屋表現(xiàn)為中等~嚴重破壞,整體破壞程度低,磚墻出現(xiàn)局部裂縫,門窗洞口處裂縫沿角落呈斜向擴展,木架屋頂出現(xiàn)瓦片錯動或滑落現(xiàn)象;地震烈度為Ⅷ度時,房屋表現(xiàn)為嚴重破壞,墻體多處開裂,砌塊發(fā)生剪切破壞,導致墻體產(chǎn)生斜向裂縫或X 形裂縫,甚至嚴重傾斜或倒塌;屋面出現(xiàn)瓦片大面積滑落,局部檁條墜落,房屋表現(xiàn)為危房狀態(tài),不宜居??;地震烈度為Ⅸ度時,房屋表現(xiàn)為倒塌,磚墻部分發(fā)生倒塌,屋面部分或整體發(fā)生墜落。
表8 磚木結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果Table 8 Earthquake damage prediction results of rural brick structural buildings
(3)土木結(jié)構(gòu)房屋
土木結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果如表9 所示,由表9 可知,土木結(jié)構(gòu)房屋抗震性能最差,在歷次地震破壞中,震害等級最高,破壞程度最嚴重。地震烈度為Ⅶ度時,房屋表現(xiàn)為嚴重破壞,土坯墻多處開裂,屋頂出現(xiàn)大面積梭瓦現(xiàn)象,房屋定為危房,不宜居??;地震烈度為Ⅷ、Ⅸ度時,房屋表現(xiàn)為倒塌,山墻開裂嚴重,縱橫墻體出現(xiàn)貫通裂縫,土坯墻體局部或整體倒塌,木屋架破壞嚴重,瓦片發(fā)生大面積滑落,屋頂多處塌陷。
表9 土木結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果Table 9 Earthquake damage prediction results of rural civil structural buildings
為驗證本文磚混結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果,引入西北地區(qū)農(nóng)村磚混結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果(鐘秀梅等,2019),進行了對比分析,結(jié)果如圖5 所示。
由圖5 可知,西北地區(qū)與青海省共和地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)房屋震害預測結(jié)果基本一致。其中,結(jié)構(gòu)2 震害預測結(jié)果介于西北地區(qū)新建磚混結(jié)構(gòu)與老舊磚混結(jié)構(gòu)結(jié)果之間,波動幅度較??;相對于西北地區(qū)新建磚混結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)1 在不同地震烈度下的破壞性較大,可能是因為結(jié)構(gòu)1 房屋樓層較高,且青海地區(qū)因經(jīng)濟條件、地理位置等影響,農(nóng)村民居多為自建房屋,施工質(zhì)量較差,導致房屋整體抗震性能較差;結(jié)構(gòu)3 和結(jié)構(gòu)4為未設防的磚混結(jié)構(gòu),在不同地震烈度下整體表現(xiàn)為較高的震害指數(shù)。
圖5 磚混結(jié)構(gòu)房屋震害指數(shù)曲線Fig. 5 Earthquake damage index curve of brick-concrete structure
本文通過對青海省共和地區(qū)大量村落房屋的實地調(diào)查,給出區(qū)域內(nèi)典型民居結(jié)構(gòu)特征,統(tǒng)計分析青海省1990 年以來中強地震農(nóng)村民居震害調(diào)查數(shù)據(jù),得到農(nóng)村民居歷史地震震害特征,并對傳統(tǒng)民居莊廓院抗震能力現(xiàn)狀進行預測,得出以下結(jié)論:
(1)青海省共和地區(qū)農(nóng)村民居結(jié)構(gòu)類型主要以磚混結(jié)構(gòu)(約占48%)和磚木結(jié)構(gòu)(約占47%)為主,有少量(約占5%)的土木結(jié)構(gòu)。該地區(qū)多為自建房屋,僅部分農(nóng)村民居按照標準設防等級建造,其抗震性能較差;磚木結(jié)構(gòu)房屋圈梁、構(gòu)造柱等抗震措施仍未得到廣泛應用,基礎設施、建造質(zhì)量等問題在不同地區(qū)存在較大差異。
(2)青海省共和地區(qū)農(nóng)村民居中約68%磚混結(jié)構(gòu)房屋未按照標準設防建造,抗震性能一般,但部分近年來改擴建的磚混結(jié)構(gòu)房屋抗震性能較好,磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)房屋抗震性能較差。采用樓層平均抗剪強度法和模糊綜合評價法分別對磚混結(jié)構(gòu)和磚(土)木結(jié)構(gòu)房屋進行震害預測分析,得到了區(qū)域內(nèi)各類典型農(nóng)村民居Ⅵ~Ⅹ度震害預測結(jié)果。地震烈度為Ⅵ度時,區(qū)內(nèi)各類房屋多數(shù)表現(xiàn)為基本完好,僅少數(shù)抗震性能較差的土木結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為輕微破壞,墻體出現(xiàn)裂縫;地震烈度為Ⅶ度時,磚混結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為基本完好,未設防房屋發(fā)生中等破壞,磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)房屋整體表現(xiàn)為中等破壞,磚墻局部產(chǎn)生裂縫,土坯墻體裂縫擴展延伸,木架屋頂出現(xiàn)梭瓦,承重構(gòu)件基本完好,抗震性能基本達到設防要求;地震烈度為Ⅷ~Ⅸ度時,磚混結(jié)構(gòu)房屋主要表現(xiàn)為中等~嚴重破壞,墻體開裂,柱有水平通縫,房屋需修復后繼續(xù)使用,磚木結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為嚴重破壞,局部房屋發(fā)生倒塌,抗震性能較差的夯土墻發(fā)生倒塌,多數(shù)墻體大面積開裂,形成通縫;地震烈度為Ⅹ度時,磚混結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)為嚴重破壞~毀壞,房屋無法修復,磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)房屋普遍倒塌。
(3)需合理高效推進青海省共和地區(qū)農(nóng)村民居危舊房屋改造工程,青海農(nóng)村地區(qū)多數(shù)為自建房,受施工工藝、經(jīng)濟條件約束,修建單層民房時設置抗震設防措施(地梁、圈梁和構(gòu)造柱)、使用燒結(jié)普通磚砌塊和強度等級較高的砂漿砌筑,均能提高自建房抗震性能。