賀素歌,冉 華,2,周青云,2,于 江,2,羅偉東,2,白仙富,2

(1.云南省地震局,云南 昆明 650224;2.中國地震局昆明地震預(yù)報(bào)研究所,云南 昆明 650224)

0 引言

云南省地處印度板塊與歐亞板塊碰撞帶東緣,南北地震帶的南段。省內(nèi)發(fā)育有49條活動斷裂[1],構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈,地震活動顯著,是全世界范圍內(nèi)地震發(fā)生頻率最高的地區(qū)之一[2-3]。根據(jù)20世紀(jì)以來的地震記錄,云南5.0～5.9級地震平均每年2次,6.0～6.9級地震平均每3年2次,7級及以上震級地震平均約每8年1次,各級別地震的發(fā)生頻率均很高。

漾濞縣位于著名的川滇菱形塊體邊界斷裂紅河斷裂附近。紅河斷裂是云南省內(nèi)年代最久、規(guī)模最大、活動程度最高的斷裂之一[4-5],歷史上曾發(fā)生過多次大地震,其中1925年鳳儀7級地震震中距離洱源縣城僅30 km。漾濞縣是具有很高的地震風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)該縣又是大理州最貧窮落后的地區(qū),縣域內(nèi)民居60%為抗震性能較差的老舊土木結(jié)構(gòu)。若不考慮縣城,則老舊土木結(jié)構(gòu)建筑的比例會增大到80%。

土木結(jié)構(gòu)是云南地區(qū)農(nóng)村最常見的民居結(jié)構(gòu)形式,具有抗震性能較差的特點(diǎn)[6-12]。由于抗震加固可以增加土木結(jié)構(gòu)的抗震性能,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究[13-15]。漾濞縣自2014年開始在全縣開展“傳統(tǒng)民居木構(gòu)架加固改造”工程。到2020年底,全縣范圍內(nèi)已基本完成全部土木結(jié)構(gòu)民居的抗震加固工程。

2021年5月21日,漾濞發(fā)生了MS6.4地震以及3次5.0～5.9級地震,這是云南全面開展抗震加固工作后首次遭遇6級以上地震。與省內(nèi)外近十年發(fā)生的幾次相近級別地震相比(例如盈江6.1級地震,景谷6.6級地震,岷縣—漳縣6.6級地震等),此次地震造成的人員傷亡較少,與以往震例有所差異[16-22]。此外,以往學(xué)者對于土木結(jié)構(gòu)抗震加固措施效果的評估,也大多是基于振動臺試驗(yàn),沒有經(jīng)歷過地震的真實(shí)檢驗(yàn)[23-26]。本文主要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的成果,結(jié)合強(qiáng)震動臺記錄的數(shù)據(jù)等,對比有無抗震加固的洱源縣土木結(jié)構(gòu)房屋受災(zāi)情況,來研究漾濞縣土木結(jié)構(gòu)房屋的抗震加固效果。

1 地震基本情況

2021年5月21日,云南省大理州漾濞縣(25.70°N,99.88°E)發(fā)生了MS6.4地震震源深度8 km(表1),共造成3人死亡,30人受傷,經(jīng)濟(jì)損失約31億元。截止到2021年6月3日,震區(qū)共記錄到3.0級以上地震46次,其中5.0～5.9級地震3次,4.0～4.9級地震13次,余震呈N310°W走向[27]。

表1 漾濞MS6.4地震及部分前震、余震參數(shù)Table 1 Parameters of the Yangbi MS6.4 earthquake and some foreshocks and aftershocks

云南省地震局在地震后迅速派出20人的災(zāi)害損失評估團(tuán)隊(duì),在四川省地震局、中國地震災(zāi)害防御中心、中國地震局工程力學(xué)研究所等單位17人的協(xié)助下,走訪調(diào)查了219個(gè)居民點(diǎn),確定了此次地震的烈度分布(圖1)。此次地震的宏觀震中為99.96°E,25.67°N,極震區(qū)烈度為Ⅷ度,面積約170 km2,Ⅶ度區(qū)面積約930 km2,Ⅵ度區(qū)面積約5 500 km2。

圖1 漾濞MS6.4地震等震線圖Fig.1 Isoseismal map of Yangbi MS6.4 earthquake

2 漾濞災(zāi)區(qū)土木結(jié)構(gòu)房屋加固情況與破壞形式

2.1 基本情況

漾濞及周邊地區(qū)最廣泛使用的土木結(jié)構(gòu)形式為穿斗木構(gòu)架,此次調(diào)查過程中沒發(fā)現(xiàn)抬梁式木構(gòu)架、木柱木屋架及其他結(jié)構(gòu)形式的土木結(jié)構(gòu)房屋。穿斗木構(gòu)架是一種輕型構(gòu)架,主要由梁、柱、穿枋等構(gòu)件組成,整體性較好。同時(shí),穿斗木構(gòu)架節(jié)點(diǎn)之間以榫卯的方式進(jìn)行連接,在地震中可以吸收一定的地震能量,因而相對其他結(jié)構(gòu)形式的木構(gòu)架房屋具有較好的抗震性能。據(jù)調(diào)查,漾濞縣及周邊區(qū)縣的土木結(jié)構(gòu)房屋的修建年代均較為久遠(yuǎn),房屋年齡基本上均超過30年,部分老舊房屋年齡超過50年。

2.2 加固情況

近幾年來地震災(zāi)害對土木結(jié)構(gòu)帶來的巨大損失逐漸引起了政府和學(xué)者們的重視,木結(jié)構(gòu)的抗震加固研究逐漸深入。周乾等[28]通過低周往復(fù)試驗(yàn)對扒釘、碳纖維增強(qiáng)塑料布和鋼箍3種加固方式進(jìn)行了抗震能力對比。國外也有大量學(xué)者開展不同加固方式進(jìn)行了性能測試[29-30]。漾濞地區(qū)的抗震加固工作主要的依據(jù)為《農(nóng)村民宅抗震構(gòu)造詳圖》[31]、《云南省農(nóng)村民居地震安全工程技術(shù)導(dǎo)則》[32]。根據(jù)實(shí)地調(diào)查,發(fā)現(xiàn)漾濞縣的抗震加固措施主要包含以下幾類:

(1)利用扒釘和鋼夾板對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固

依據(jù)云南省多次地震中土木結(jié)構(gòu)房屋震害情況可以發(fā)現(xiàn),梁柱節(jié)點(diǎn)的性能的好壞是房屋抗震性能優(yōu)劣的關(guān)鍵,只要主要木構(gòu)件不出現(xiàn)折斷、脫落,一般就不會倒塌。漾濞災(zāi)區(qū)常見的節(jié)點(diǎn)加固方式有兩種:扒釘加固和鋼夾板加固。

扒釘是一種釘頭有兩個(gè)尖刺的鐵質(zhì)固定件,主要用于兩塊木材的固定連接[圖2(a)]。利用扒釘可以對梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固,防止地震作用時(shí)榫頭拔出等危險(xiǎn)。扒釘具有造價(jià)便宜和施工方便的優(yōu)點(diǎn),但一般只能用于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[33]中Ⅵ、Ⅶ度區(qū)域,Ⅷ度區(qū)域一般采用鋼夾板加固。

圖2 漾濞縣土木結(jié)構(gòu)房屋的加固方式Fig.2 Reinforcement modes of civil structures in Yangbi County

兩塊鋼板從梁柱節(jié)點(diǎn)兩側(cè)采用對穿螺栓連接的方式對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固[圖2(b)],這種加固方式稱為鋼夾板加固。與扒釘相比,鋼夾板具有更大的可塑性,同時(shí)對穿螺栓在遭遇較大地震動時(shí)不易脫出,更加穩(wěn)固。

(2)利用鋼剪刀撐進(jìn)行縱向支撐加固

木構(gòu)架房屋的整體性對于其在地震中的表現(xiàn)——尤其是較強(qiáng)地震動中的表現(xiàn)至關(guān)重要。對于穿枋尺寸較小或施工工藝簡陋導(dǎo)致整體性不足的房屋,一般需要采用縱向支撐以增加相鄰橫向木構(gòu)架之間的聯(lián)系,以增強(qiáng)木構(gòu)架的整體性。災(zāi)區(qū)土木結(jié)構(gòu)房屋主要采用的縱向支撐加固方式為剪刀撐[圖2(c)]。

剪刀撐被廣泛運(yùn)用于各領(lǐng)域,例如建筑領(lǐng)域腳手架等。其基本原理是利用斜向支撐形成三角區(qū)域,增加穩(wěn)定性和整體性。在加固工程中,根據(jù)使用的材料不同,又可以分為木剪刀撐和鋼剪刀撐。漾濞災(zāi)區(qū)使用的材料是角鋼,進(jìn)一步增加了支撐的穩(wěn)定性。

(3)利用鋼索設(shè)置樓面水平支撐

《云南省農(nóng)村民居地震安全工程技術(shù)導(dǎo)則》[32]中提到,抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度地區(qū)的木構(gòu)架民居,屋面和樓面應(yīng)分別設(shè)置水平支撐。漾濞縣大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于Ⅷ度地區(qū)內(nèi),調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分土木結(jié)構(gòu)房屋使用鋼索設(shè)置了水平支撐[圖2(d)]。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,漾濞災(zāi)區(qū)的土木結(jié)構(gòu)房屋一般為三開間,分上下兩層。下層柱腳及其他部位未加固,加固部位一般為上層梁柱。目前抗震加固的物料費(fèi)在500～1 000元左右,人工費(fèi)在200～500元左右,總成本一般在1 000～1 500元,超過2 000元的戶數(shù)較少。對土木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行抗震加固的成本低,具有有效的抗震減災(zāi)效果,適宜進(jìn)行推廣。

2.3 破壞情況

此次地震極震區(qū)烈度評估為Ⅷ度,土木結(jié)構(gòu)在Ⅷ度、Ⅶ度和Ⅵ度區(qū)的破壞情況有差異。Ⅷ度區(qū),個(gè)別柱腳移位,少數(shù)墻體倒塌,部分局部倒塌,多數(shù)開裂、墻體外閃,普遍梭掉瓦;Ⅶ度區(qū),個(gè)別墻體倒塌,部分開裂、梭掉瓦;Ⅵ度區(qū),少數(shù)墻體開裂,梭掉瓦。典型照片見圖3所示。

圖3 漾濞地震土木結(jié)構(gòu)典型破壞照片F(xiàn)ig.3 Typical destruction photos of civil structures in Yangbi earthquak

2.4 本次地震與云南相近震級地震破壞情況的對比分析

2014年云南省發(fā)生了3次6～7級地震,分別為盈江MS6.1地震、景谷MS6.9地震和魯?shù)镸S6.6地震,地震震級均與本次漾濞地震震級相當(dāng)。多名學(xué)者對這3次地震的震害情況進(jìn)行了對比分析[16-18,34-35]。因魯?shù)榈卣馂?zāi)區(qū)土木結(jié)構(gòu)房屋主要為“墻抬梁”,與漾濞、盈江和景谷地震災(zāi)區(qū)的“穿斗木”結(jié)構(gòu)抗震性能差異較大,且該地震次生災(zāi)害造成的破壞較大,因此本文只用盈江地震和景谷地震與本次漾濞地震進(jìn)行對比分析(表2)。

從表2可以看出,與另外2次地震相比,本次漾濞地震災(zāi)區(qū)具有以下特點(diǎn):(1)震源最淺;(2)峰值加速度(PGA)最大;(3)傷亡人數(shù)最少(人口密度相當(dāng));(4)人均GDP最低;(5)Ⅷ度和Ⅶ度等震線面積最小。此外,根據(jù)3次地震的震后災(zāi)害損失評估調(diào)查所見,漾濞地震災(zāi)區(qū)除縣城位于順濞河階地上,其他區(qū)域基本全部為山區(qū),地震動的邊坡放大效應(yīng)顯著;漾濞災(zāi)區(qū)的土木結(jié)構(gòu)建筑年代久遠(yuǎn),抗震性能相對更差。

表2 漾濞地震與盈江地震、景谷地震的對比Table 2 Comparison of Yangbi,Yingjiang,and Jinggu earthquakes

以上分析表明,漾濞地震災(zāi)區(qū)的建筑物遭遇了更大的地震動、更強(qiáng)的場地放大效應(yīng)和擁有更差的建筑物抗震性能,但遭受的破壞反而更小。初步分析認(rèn)為,原因是漾濞縣土木結(jié)構(gòu)民居進(jìn)行了抗震加固。

2.5 加固與未加固房屋的比較

另一個(gè)更直觀反映抗震加固效果的研究方法,是將加固與未加固的土木結(jié)構(gòu)建筑在地震中的表現(xiàn)進(jìn)行比較。震后災(zāi)害損失評估調(diào)查中發(fā)現(xiàn),洱源縣南部與漾濞縣接壤的西山鄉(xiāng)、煉鐵鄉(xiāng)和鳳羽鎮(zhèn)并未對土木結(jié)構(gòu)(穿斗木結(jié)構(gòu))進(jìn)行抗震加固,而其南側(cè)更接近震中的漾江鎮(zhèn)進(jìn)行了抗震加固。在上述區(qū)域中分別選擇了5個(gè)和7個(gè)自然村(調(diào)查點(diǎn)),對其中的土木結(jié)構(gòu)的破壞情況進(jìn)行了調(diào)查,并根據(jù)《中國地震烈度表》(GB/T 17742-2008)評估了這些調(diào)查點(diǎn)的震害指數(shù)和宏觀烈度(表3,圖4)。

從表3及圖4可以看出,漾濞縣漾江鎮(zhèn)的7個(gè)調(diào)查點(diǎn)到震中的距離為11.6～17.2 km,宏觀烈度普遍為Ⅵ度;洱源縣的5個(gè)調(diào)查點(diǎn)到震中的距離為20.7～22.4 km。雖然漾濞縣漾江鎮(zhèn)的7個(gè)調(diào)查點(diǎn)距離震中更近,但震害更輕?？紤]到這些調(diào)查點(diǎn)相距不遠(yuǎn),地形坡度相似,建筑物修建年代相近,分析認(rèn)為震害差異主要原因是漾濞縣漾江鎮(zhèn)的土木結(jié)構(gòu)民居都進(jìn)行了抗震加固。

圖4 漾濞地震部分烈度調(diào)查點(diǎn)及儀測烈度點(diǎn)Fig.4 Intensity of survey points in Eryuan County and Yangjiang Town in Yangbi County and the intensity attenuation relationship

表3 漾濞縣漾江鎮(zhèn)與洱源縣西山鄉(xiāng)、煉鐵鄉(xiāng)、鳳羽鎮(zhèn)土木結(jié)構(gòu)建筑破壞情況對比Table 3 Comparison of damages on civil structures in Yangjiang Town of Yangbi County and Xishan Town,Liantie Town,and Fengyu Town of Eryuan County

3 漾濞MS6.4 級地震土木結(jié)構(gòu)房屋震害啟示

3.1 宏觀烈度與烈度衰減關(guān)系

地震烈度衰減關(guān)系反映的是地震波對建筑物的破壞隨震中距衰減的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,該關(guān)系是震后快速評估等工作的重要依據(jù)。本文中,將衰減關(guān)系用于建筑物整體抗震性能評估:宏觀烈度高于依衰減關(guān)系計(jì)算得到的烈度時(shí),表明建筑物抗震性能未達(dá)到區(qū)域平均值;宏觀烈度低于計(jì)算烈度時(shí),表明建筑物抗震性能高于區(qū)域平均值。多名學(xué)者對云南及周邊的烈度衰減關(guān)系進(jìn)行過總結(jié),因?yàn)檠ǖ卣馂橛倚呋偷卣?所以本文選擇董曼等[35]基于川滇地區(qū)走滑地震資料建立的川滇走滑地震烈度衰減關(guān)系。我們將調(diào)查點(diǎn)的烈度值依據(jù)震害指數(shù)進(jìn)行線性插值得到宏觀烈度值,這些烈度值和衰減關(guān)系由圖5所示。

圖5 洱源縣及漾濞縣漾江鎮(zhèn)調(diào)查點(diǎn)烈度與 烈度衰減關(guān)系Fig.5 Relationship between intensity attenuation and intensity in Eryuan County and Yangjiang Town of Yangbi County

可以看出,洱源縣的5個(gè)調(diào)查點(diǎn)的宏觀烈度(只考慮土木結(jié)構(gòu)建筑)比烈度衰減關(guān)系長軸高0.2～0.7,表明該區(qū)域內(nèi)的建筑物抗震性能明顯劣于川滇地震災(zāi)區(qū)的平均水平;漾濞縣7個(gè)調(diào)查點(diǎn)的宏觀烈度(同樣只考慮土木結(jié)構(gòu)建筑)比烈度衰減關(guān)系長軸低0.2～0.7,表明該區(qū)域內(nèi)的建筑物抗震性能明顯優(yōu)于川滇地震災(zāi)區(qū)的平均水平。考慮到烈度衰減關(guān)系10～70 km范圍內(nèi)長軸和短軸之間大約相差0.5,可以認(rèn)為,在遭遇相同地震動時(shí),未抗震加固的土木結(jié)構(gòu)建筑比加固過的該類建筑宏觀烈度可能會高1.0～2.0。這個(gè)結(jié)論是在Ⅵ～Ⅶ度情況下得到的,在更高烈度時(shí)這個(gè)結(jié)論是否正確還有待進(jìn)一步研究。

3.2 強(qiáng)震動地震臺的儀測烈度

震中附近約100 km范圍內(nèi)有約72個(gè)強(qiáng)震臺記錄到了此次地震。洱源縣和漾濞縣交界附近有兩個(gè)強(qiáng)震臺有記錄,其中漾濞漾江臺(安南以西)儀測烈度為6.4度,洱源西山臺(房后西北)儀測烈度為5.3度。漾江臺的儀測烈度與附近居民點(diǎn)的宏觀烈度相當(dāng),西山臺的儀測烈度比附近居民點(diǎn)的宏觀烈度低2度左右。這一結(jié)果同樣說明了對土木結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行抗震加固能有效地提高其抗震能力。

3.3 對防震減災(zāi)的效果

從表3及圖4可以看出,如果只考慮土木結(jié)構(gòu)的破壞情況,對于漾濞縣內(nèi)抗震加固后的土木結(jié)構(gòu)建筑物,Ⅶ度等震線長軸半徑約為11 km;對于洱源縣內(nèi)未抗震加固的土木結(jié)構(gòu)建筑物,Ⅶ度等震線長軸半徑約為22 km。根據(jù)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,Ⅶ度破壞區(qū)域面積因抗震加固可能減小了約75%,漾濞縣內(nèi)本來應(yīng)達(dá)到Ⅶ度破壞的土木結(jié)構(gòu)建筑群的實(shí)際破壞烈度降低到了Ⅵ度。從表2還可以看出,Ⅶ度和Ⅵ度區(qū)域土木結(jié)構(gòu)破壞情況差別很大:Ⅶ度破壞時(shí),5%左右的土木結(jié)構(gòu)建筑會毀壞,50%～70%的會破壞,而Ⅵ度區(qū)域這兩個(gè)比例分別下降到了0%～20%。這意味著本來可能毀壞的土木建筑因?yàn)榭拐鸺庸潭鴽]有毀壞;土木建筑的破壞比例也因?yàn)榭拐鸺庸檀蠓陆怠Ｒ虼?經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡也因此大幅下降。

4 結(jié)論與建議

通過對漾濞MS6.4地震土木結(jié)構(gòu)建筑物受損情況進(jìn)行調(diào)查和分析研究,得到以下初步結(jié)論:

(1)漾濞縣對縣域內(nèi)土木結(jié)構(gòu)房屋使用鋼夾板、鋼剪刀撐、鋼索等進(jìn)行了抗震加固,增加了土木結(jié)構(gòu)的整體性與穩(wěn)定性,提高土木結(jié)構(gòu)建筑的抗震能力。

(2)震害情況對比、強(qiáng)震動記錄、烈度衰減對比等方面的數(shù)據(jù)顯示,抗震加固有效地降低了災(zāi)區(qū)土木結(jié)構(gòu)建筑受到的破壞,宏觀烈度降低1～2度,大幅度降低了其在Ⅶ度地震作用下的受損程度,降低了經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

(3)本次地震中,未開展抗震加固土木結(jié)構(gòu)的區(qū)域宏觀烈度均未達(dá)到Ⅷ度,宏觀烈度達(dá)到Ⅷ度的區(qū)域內(nèi)土木結(jié)構(gòu)全部進(jìn)行了抗震加固,因此抗震加固措施在Ⅷ度及以上地震作用區(qū)域的抗震減災(zāi)效果還有待于進(jìn)一步研究。

云南省的抗震加固工作在本次地震中經(jīng)住了考驗(yàn),極大地降低了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,進(jìn)一步說明了抗震加固工作的合理性、有效性,為我們的防震減災(zāi)工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。建議在地震高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)一步推廣老舊民居的抗震加固工程,提高建筑物的抗震性能,減輕地震風(fēng)險(xiǎn),降低地震損失和人員傷亡。

在地震烈度評估中,進(jìn)行過抗震加固的建筑的與未進(jìn)行過抗震加固的建筑,因二者抗震性能差異較大,應(yīng)進(jìn)行區(qū)分?？蛇m當(dāng)提高前者的震害指數(shù),以避免低估地震產(chǎn)生的破壞。