廣西南部農村群體建筑抗震能力評價

楊欽杰,李 蕾,聶冠軍,趙修敏

(廣西壯族自治區地震局,廣西 南寧 530022)

0 引言

由于歷史經濟和技術條件所限,我國既有村鎮房屋普遍存在砂漿強度低、施工質量差、缺乏有效的抗震構造措施和結構布置不合理等缺陷,抗震能力普遍較差[1]。近年來的蘆山地震、玉樹地震和汶川地震等地震震害再一次暴露出我國村鎮房屋抗震能力的脆弱[2-6]。廣西壯族自治區南部地區簡稱“桂南地區”,該區域內有靖西-崇左斷裂帶、百色-合浦斷裂帶、防城-靈山斷裂帶和合浦-北流斷裂帶穿過,廣西歷史上發生的最大地震1936年月4月1日靈山6.8級地震就發生在此地區。近年該區域附近連續發生2016年蒼梧5.4級、2019年北流5.2級和2019年靖西5.2級中強地震,嚴重威脅當地人民生命財產安全,特別是抗震設防薄弱的農村成為地震造成房屋破壞和人員損失的重災區[7-8]。因此深入研究該區域農村民居現狀,評價其抗震性能,給出有價值的建議,找到提高農村民居抗震性能好的辦法顯得非常有必要。

本文結合廣西地震重點監視防御區的分布,選取了桂南地區的6個縣(區),12個村進行抽樣調查,對農村民居結構類型占比、建筑結構類型、建筑年代、建筑層數、抗震措施、地基基礎等進行了實地調查和研究,總結了調查區農村民居的結構特點和抗震性能現狀,分析了調查區農村民居抗震設防存在的問題,提出具有針對性的提高農村民居抗震性能的建議。

1 調查區地震背景

調查區包含了崇左市、防城港市和欽州市三個市,在《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)中,該地區基本地震動峰值加速度0.10 g及以上區(相當于地震烈度Ⅶ度以上地區)共涉及7個區縣,最高基本地震動峰值加速度為0.20 g,其中:0.10 g區涉及7個區縣46個鄉鎮;0.15 g區涉及2個縣9個鄉鎮;0.20 g區涉及2個縣5個鄉鎮。該區域內有靖西-崇左斷裂帶、百色-合浦斷裂帶、防城-靈山斷裂帶和合浦-北流斷裂帶穿過,自有地震記錄以來共發生4級及以上破壞性地震18次見表1。記錄的最早地震為1847年發生在靈山縣的4級地震,最近的地震為2003年發生在欽州市的4.3級地震,最大地震為1936年發生在靈山縣的6級地震,這個地震也是華南沿海地震帶內陸地區自有地震記載以來發生的最大地震。該區域地殼運動強烈而又復雜,發震構造復雜多變,具有發生中強地震的構造條件。

表1 桂南歷史地震表Table 1 Historical earthquakes occurred in southern Guangxi

2 調查內容與調查結果

2.1 調查點分布情況

桂南地區是近些年廣西地震高發地區之一,結合廣西地震重點監視防御區的分布,本文選取桂南地區崇左市的扶綏縣和江州區、防城港市的上思縣和港口區、欽州市的欽南區和欽北區作為抽樣調查的區域,有針對性在每個縣(區)選擇2個村(社區),一共12個村(社區)作詳細的抽樣調查。各個調查點的信息及當地基本抗震設防烈度見表2,調查點的分布如圖1所示。

圖1 調查點分布圖Fig. 1 Distribution map of survey points

表2 調研點分布Table 2 Survey areas of southern Guangxi

該次調查包括初查和實地核查 2 種形式:初查主要通過對村(社區)干部的詢問,填寫全村建筑情況調查表格,確定該地區農村房屋主要結構類型、建設年代、層數、每種結構類型房屋數量及占比、地理環境、地質災害等基本信息,每個調查點填寫一張表格。通過初查可知:該地區農村房屋以磚混結構為主,有少量磚木結構和土木結構。根據以往的震害經驗,對該地區農村房屋抗震能力有影響的主要因素為房屋結構類型、建筑年代、建筑層數、抗震措施、地基基礎及房屋所處場地條件等[9];實地核查是根據初查得到的各類農村房屋信息進行詳細核實,每個村(社區)針對每種建筑結構類型,實地入戶調查3～4戶,兼顧房屋建設年代,每棟建筑物填寫一張表格,表格內容主要包括建筑物結構類型、建造年代、設防情況、層數、高度、基礎類型、內外墻體厚度、場地條件、房屋現狀、砂漿等級和平立面是否規則等,12個村(社區)共抽取住宅建筑 122 棟,能基本反映當地農村建筑物抗震能力狀況。

2.2 調查結果分析

調查得到桂南地區農村房屋各結構類型占比見表3 。由表3可知:該地區農村房屋以不設防磚混結構(定義見3.3節)和設防磚混結構(定義見3.4節)為主,兩者占比90%左右,土木結構和磚木結構占比僅10%左右,不同地域的房屋結構類型差別不大。土木結構占比最高的是渠姆村,占比10.8%;磚木結構占比最高的是那布村和白沙村,分別占比8.3%和8.4%;不設防磚混結構占比最高的是那葛村,占比達81.3%;設防磚混結構占比最高的是沙港社區,占比達85.2%。這其中結構類型占比最為特殊的是沙港社區,沙港社區土木結構占比為0;磚木結構占比2.0%;不設防磚混結構占比低至12.8%,相比其它村低了一大截;設防磚混結構占比85.2%,相比其它村高出一大截。經調查得知:由于城市發展需要,該社區的土地大部分被征收,大部分農居都是近幾年新建的,都設置了圈梁和構造柱等抗震設防構造措施。

表3 農村房屋各結構類型占比Table 3 Proportion of various structural types of rural housings

3 調查區農居建筑現狀分析

3.1 土木結構

土木結構房屋是調查區內數量最少的結構類型,絕大部分建造于上世紀80年代以前,90年代以后已經較少建造,層數均為1層。目前該類房屋大多已無人居住,僅用作家禽用房和輔助用房,普遍比較破舊。調查區內的土木結構房屋墻體均為土坯墻,土坯磚之間用泥漿粘結,硬山擱檁,屋頂為木屋架鋪瓦屋面或檁條鋪瓦屋面如圖2-3所示。生土材料由于強度低,土坯磚無論是延性、抗剪強度還是抗壓強度都比較差,在相同的地震動強度下,與其它結構類型相比,土木結構的震害程度要嚴重的多。另外,調查中也發現土木結構房屋存在年久失修、梁和檁腐蝕、橫墻間距過大、屋蓋墻體未有效連接、外墻轉角未采取拉結措施和墻體出現裂縫等諸多問題如圖2-3所示。土木結構總體抗震性能很差,當遭遇設防烈度地震時,該類房屋會出現屋面掉瓦、墻體開裂及垮塌等震害[7]。

圖2 土木結構 圖3 土木結構局部 Fig. 2 Civil structure Fig. 3 Part of civil structure

3.2 磚木結構

磚木結構房屋數量在調查區比土木結構稍多,但仍占極少數。該結構建造簡單并且就地取材,費用低,建造時間一般在2005年以前,以1層居多,少數為2層如圖4-5所示。磚木結構房屋的承重墻體絕大部分由紅色的燒結黏土磚砌筑,個別為青色燒結黏土磚砌筑。2層的磚木結構層間樓板為預制板,屋蓋和土木結構基本一致,為硬山擱檁,木屋架鋪瓦屋面或檁條鋪瓦屋面。調查中發現磚木結構房屋普遍出現年久失修、地基腐蝕、墻體不同程度開裂以及砂漿強度低等問題。在結構連接上,普遍存在檁條與墻體間缺乏有效的連接,縱橫墻交接處無拉結和未采取任何抗震構造措施等問題。磚木結構總體抗震性能較差,當遭遇設防烈度地震時,該類房屋會出現屋面掉瓦、墻體開裂及局部垮塌等震害。

圖4 磚木結構 圖5 雙層磚木結構 Fig. 4 Brick wood structure Fig. 5 Two-story brick wood structure

3.3 未設防磚混結構

未設防磚混結構是指房屋由燒結的粘土磚墻承重,樓板和屋蓋采用現澆或裝配式鋼筋混凝土構件,但是沒有設置圈梁和構造柱等抗震構造措施的房屋結構形式如圖6-7所示。該結構是調查區最量大面廣的結構類型,占比一半以上。該結構建造相對簡單,就地取材,實用性比磚木結構要好,主要興起于上世紀90年代,以2層為主如圖6-7所示。未設防磚混結構房屋的承重墻體絕大部分由紅色的燒結黏土磚砌筑,個別為青色燒結黏土磚砌筑。調研中發現未設防磚混結構房屋均未經正規設計,存在選址隨意、設計不規范和施工不合理等問題,導致房屋產生地基承載力不足、平面和立面不規整、水泥砂漿強度不足、樓層隨意挑出、樓層預制板和墻體之間缺少可靠連接等地震安全隱患。未設防磚混結構總體抗震性能較磚木結構好,當遭遇設防烈度地震時,該類結構承重墻體會產生水平或豎向裂縫、屋面女兒墻閃裂和裝飾面層脫落,老舊房屋可能產生局部垮塌等震害。

圖6 未設防磚混結構 圖7 早期未設防磚混結構 Fig.6 Brick concrete structure without structural measures Fig.7 Early brick concrete structure without structural measures

3.4 設防磚混結構

由于當地農村房屋均未經正規設計,因此本文所指設防磚混結構是相對未設防磚混結構而言,是指房屋由燒結的粘土磚墻承重,樓板和屋蓋采用現澆鋼筋混凝土砌筑,并設置了圈梁和構造柱等抗震構造措施的結構形式如圖8-9所示,兩種結構形式的主要區別在于是否設置了圈梁和構造柱。設防磚混結構大致興起于2010年以后,以2～3層為主,在調查區的農村房屋中占有較大比例,在新建房屋中該類結構占絕大多數。結構中圈梁、構造柱的使用可以提高磚混結構的整體剛度和墻體延性,約束墻體裂縫的開展,增加建筑物承受地震作用的能力,能夠有效提升磚混結構的抗震性能[10]。調研中發現,設防磚混結構房屋均為自建房,所有房屋均存在結構設計不規范和施工隨意等諸多缺陷,特別是圈梁和構造柱的建造隨意性極大,資金多的圈梁層層設置,構造柱很粗;資金少的圈梁只設置1層,構造柱也只設置一兩層且很細。另外還有樓面挑檐出屋面過長造成“大頭房”如圖9所示、構造柱施工無馬牙槎和先建構造柱再砌墻等問題,這進一步降低了抗震措施的作用?？傮w上,此類結構抗震能力相對其它結構較好。

圖8 設防磚混結構 圖9 設防磚混結構 Fig. 8 Brick concrete structure with structural measures Fig. 9 Brick concrete structure with structural measures

4 調研點房屋抗震能力評價

4.1 抗震能力評價方法介紹

許多學者對農村房屋抗震能力進行了研究[11]。一些學者采用專家經驗法建立了房屋抗震性能指數[12];有學者通過遙感影像提取房屋基本信息,建立房屋抗震能力指數指標體系[13];另有學者僅考慮房屋結構比例及設計基本地震加速度建立房屋抗震性能指數[14],這些方法各有所長,均在一定程度上反映了房屋抗震能力狀況。本文在前人工作的基礎上,改進區域房屋抗震能力快速評價方法[14],把區域房屋抗震性能指數,改進為農村房屋抗震性能指數,針對較高烈度區民居和低烈度區民居建筑質量無明顯差別的情況,調整了較高烈度區村莊抗震性能指數的計算方法,突出了“高烈度高風險”,并建立了適用于桂南地區的建筑物抗震能力評估標準表,從房屋結構類型比例以及各地區設計基本地震加速度值出發,快捷的對建筑物抗震性能進行了評價。本文建立了群體房屋抗震性能指數I,用于表達群體房屋抗震性能,如公式(1)所示。

I=Itm×Ptm+Izm×Pzm+Izh×Pzh+Isf×Psf

(1)

式中:I表示群體房屋抗震性能指數,Ptm、Pzm、Pzh和Psf分別代表土木結構、磚木結構、未設防磚混結構和設防磚混結構房屋所占比例,Itm、Izm、Izh和Isf分別表示土木結構、磚木結構、未設防磚混結構和設防磚混結構房屋的抗震性能指數。

針對簡易房屋(土木結構和磚木結構),由于均為自建房,建筑材料和施工差異很大,沒有統一標準,其抗震性能差別較大,為此采用地震專家打分法(取均值)計算其抗震性能指數 (Itm和Izm) 。針對非簡易房屋(未設防磚混結構和設防磚混結構),絕大部分為自建房,均未按照正規設防標準建房,抗震性能存在不同程度缺陷,對于設計基本地震加速度值為0.05的地區,其抗震性能指數 (Izh和Isf) 采用當地設計基本地震加速度值乘以折減系數確定。對于設計基本地震加速度值為0.10的地區,由于其地震風險較大,而其建筑與其它地區并無明顯區別,所以其抗震性能指數 (Izh和Isf) 采用當地設計基本地震加速度值減去0.06再乘以折減系數確定。根據專家經驗,設防磚混結構折減系數取 0.9,未設防磚混結構折減系數取 0.7。參照 《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010),將群體房屋抗震性能指數劃分為 4個區間,對應“強”、 “較強”、“中等”和“較差”四個抗震能力評價等級見表4。

表4 建筑物抗震能力評估標準Table 4 Evaluating standard of seismic capacity of buildings

4.2 民居抗震能力評價

按照公式(1),結合調查點農村房屋基礎數據見表5以及 5位專家根據廣西震害經驗及資料數據對調查區不同村莊土木結構、磚木結構房屋抗震性能指數打分值(取均值)見表6,計算出桂南地區農村群體房屋抗震性能指數以及相應抗震能力評價等級見表6。

表5 調查點房屋基礎數據表Table 5 Fundamental data of surveyed houses of survey areas

表6 桂南地區農村房屋綜合抗震能力計算表Table 6 Comprehensive seismic capacity of rural housings in southern Guangxi

從表 6 可知:在桂南地區3個市12個村的調查中,2 個村的房屋抗震能力達到“較強” 水平;8個村的房屋抗震能力達到“中等” 水平;2個村的房屋抗震能力為“較差” 水平。 “較強” 水平的原因主要是村中設防磚混結構較多;“中等” 水平的原因主要是設防磚混結構占比不多,整體抗震性能一般;“較差” 水平的原因主要是處于較高烈度區,地震風險較大,且房屋建筑質量與其它村沒有明顯差別。因此整個桂南地區農村房屋抗震能力水平中等。

5 增強民居抗震性能的建議

本文通過對桂南地區3個市12個村的實地調查,分析了該地區民居建筑的結構特點及抗震能力現狀,針對桂南地區農村房屋抗震能力水平較差的現狀,給出如下增強民居抗震性能的建議:

1)對于土木結構和磚木結構建筑,這兩類結構建筑現存數量較少,大部分村占比低于10%,已不是農村民居建筑的主要結構形式,絕大部分已無人居住。而且,這兩類結構無任何抗震構造措施,存在縱橫墻連接弱、砂漿強度低、屋蓋墻體未有效連接和年久失修等一系列問題,抗震性能很差。建議有計劃地對這兩類房屋進行拆除清理,消除地震安全隱患。對少量有價值的歷史建筑,則盡早開展抗震加固。

2)對于磚混結構(包括未設防磚混結構和設防磚混結構)建筑,這是桂南地區民居最主要結構類型。未設防磚混結構在大部分村的占比達65%左右,設防磚混結構在大部分村的占比達30%左右,設防磚混結構多建于2010年以后,是未來農村民居的代表性結構類型。建議對未設防磚混結構有計劃地開展抗震性能鑒定,對有明顯地震安全隱患的房屋進行抗震加固。

3)為提高新建民居的抗震能力,建議推廣設防磚混結構:一是增加農村房屋的審批環節,在審批環節給予建房指導,從源頭杜絕有結構缺陷的建筑出現;二是給予建造設防磚混結構房屋的農民一定的財政補貼,鼓勵農民建造抗震性能較好的設防磚混結構房屋;三是加強對農村建筑工匠的施工知識培訓,設立培訓上崗制度,培訓合格的發給施工上崗證。通過培訓,加強建筑施工質量,增強農村民居的抗震性能水平。