基于窗上帶與窗間墻關系評估芮城縣磚混結構房屋抗震性能

韓曉飛,董 斌,薛曉東,史雙雙,王雷雷

(1.山西省地震局,山西 太原 030002;2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站,山西 太原 030025)

0 引言

在地震作用下,窗上帶結構優先出現損傷,再逐漸將損傷發展到墻體或窗間墻上,這樣的破壞模式,窗上帶能夠消耗大量的地震能量,最大限度發揮結構的材料性能,增加房屋延性,是符合結構抗震概念設計的破壞模式[1-4]。對來自汶川地震、蘆山地震和玉樹地震共202片震害墻體和89個模型的有限元進行分析發現,無圈梁、構造柱的磚混砌體結構房屋窗間墻寬與窗上帶高的比大于1.4,窗上帶跨高比和窗間墻高寬比的比值大于1.4,窗間墻與窗上帶剛度比大于1.6,窗上帶優先出現損傷;對于有圈梁、構造柱的磚混砌體結構房屋,控制窗間墻寬與窗上帶高比值大于1.3,窗上帶跨高比與窗間墻高寬比的比值大于1.2,窗間墻與窗上帶剛度比大于1.4,窗上帶優先出現損傷[5-6]。汶川地震中房屋典型破壞情況及簡要分析如圖1、表1所示。

表1 震害簡要分析Table 1 Brief analysis of the seismic damage

圖1 震害照片[1]Fig.1 Photos of seismic damage

依托開展的山西省地震災害風險普查工程,對芮城縣房屋建筑的抗震性能進行分析研究。芮城縣地處晉秦豫三省交界的黃河大拐彎處,是山西省的南大門。境內北依中條山,西和南臨黃河,全縣面積1 176 km2,轄7鎮3鄉(風陵渡鎮、陽城鎮、大王鎮、永樂鎮、學張鄉、古魏鎮、南衛鄉、西陌鎮、東壚鄉、陌南鎮)151個建制村、708個自然村。通過分析芮城縣磚混房屋的窗間墻和窗上帶尺寸(見圖2)及砂漿、材料強度,分析磚混結構房屋的抗震能力。

圖2 學張鄉為民服務中心窗間墻和窗上帶示意圖Fig.2 Schematic diagram of walls between windows and lintels above windows in Xuezhang Township community service center

1 房屋調查及地質構造、基本設防烈度情況

芮城縣房屋建筑結構形式有磚混結構、土木結構、多層鋼筋混凝土結構、高層結構、空曠結構、工業廠房及磚木結構7種。磚混結構房屋主要分布在縣城中心城區及鄉鎮中心地帶;土木、磚木結構房屋主要分布在廣大農村地區;多層鋼筋混凝土框架結構房屋多分布于芮城縣中心城區和鄉鎮中心地帶街道兩側及部分公共建筑;工業廠房主要集中于工業產業聚集區和風陵渡經濟開發區;高層結構房屋主要集中在中心城區,以行政辦公、小區住宅和商業綜合體為主;空曠結構房屋集中分布于中心城區,主要是車站、博物館、體育場等大型公共建筑。

按照第一次全國自然災害風險普查工作要求,抽樣調查原則如下:按照不低于普查房屋面積1%的抽樣率,同時滿足超過8層以上的高層房屋建筑抽樣詳查的面積不高于抽樣詳查總數據量的30%;除高層以外,其他各種結構房屋建筑的抽樣詳查數量不低于5棟;各種結構房屋建筑抽樣詳查考慮地理因素,盡量做到均勻分布;城區收集到圖紙信息的建筑物面積占比不少于總抽樣面積的80%。

1.1 抽樣調查情況

本次房屋抽樣詳查共完成78棟,抽樣點分布如圖3所示,面積為209 262.48 m2。其中,有完整建施圖和結施圖的40棟;有簡易草圖的38棟(1棟框架結構、17棟土木結構、10棟磚混結構及10棟磚木結構),面積為4 329.5 m2,占抽樣總面積的2.1%。

本次調查磚混結構建筑30棟,占調查總棟數的42.25%(見圖3),中心城區以行政辦公樓、住宅樓、學校、醫院為主,鄉鎮主要以民宅、政府辦公樓、衛生院、鄉鎮學校為主,各鄉鎮抽樣磚混結構房屋(以下簡稱磚混房屋)棟數占比情況如表2所示。從建設年代上看,基本涵蓋20世紀70年代至今各個時期。地理上覆蓋芮城縣7鎮3鄉?，F場調查顯示,部分70年代和80年代建筑存在構造柱和圈梁缺失、墻體腐蝕掉皮、地基不均勻沉降等風險隱患。本文分析30棟磚混建筑窗間墻與窗上帶之間的尺寸和剛度比,并評價其抗震性能。

表2 芮城縣鄉鎮磚混結構房屋抽樣統計Table 2 Sampling statistics of reinforced brick structure houses in Ruicheng County townships

1.2 地質構造和基本設防烈度

芮城縣地處中條山隆起區南側,新生代的始新世-漸新世,靈寶盆地作為汾渭斷陷帶的一部分斷陷沉降,到晚第三紀的中新世時期由前期的斷陷沉降轉為抬升,直到上新世又開始轉為斷陷沉降。因此,盆地內缺失中新統地層,上新統不整合堆積于下第三系地層之上。上新世的斷陷沉降一直延續到第四紀的早、中更新世,因而堆積上新統和下、中更新統的河湖相沉積,晚更新世以來以黃土堆積為主,其沉積特征基本不反映盆地的構造沉降狀態,但全新世構造活動在汾渭斷陷帶造成地裂縫發育、河道變遷、古地震等多種現象[7-9],需重視構造活動引起的建筑物或構筑物損毀破壞。靈寶盆地第三紀斷陷幅度3 500 m,第四紀斷陷幅度約500 m,盆地內斷陷最深部位在靈寶一帶。

圖4 芮城縣抗震設防參數圖Fig.4 Seismic design parameters for Ruicheng County

2 磚混房屋抗震性能判定

2.1 基于窗上帶與窗間墻關系的磚混房屋抗震性能評估標準

對于有圈梁、構造柱的磚混砌體結構房屋,窗間墻寬與窗上帶高的比值小于1.0時,主要出現窗間墻破壞;當比值大于1.3時,全部為窗上帶體破壞。窗上帶跨高比與窗間墻高寬比的比值在0.8～1.2時,協同破壞和窗上帶破壞均有可能發生;比值大于1.2時,破壞位置主要在窗上帶體上。窗間墻與窗上帶剛度比在0.8～1.6時,三種破壞均有可能發生;比值大于1.6時,主要為窗上帶體破壞[1]。

為便于評價,參考《房屋完損等級評定標準(試行)》的相關規定:房屋完損狀況,根據各類房屋的結構、裝修、設備等組成部分的完好、損壞程度,分成下列各類:完好房、基本完好房、一般損壞房、嚴重損壞房(分別對應本文總體評價的好、一般、較差、差)[10]。評判標準如表3所示。

表3 芮城縣磚混結構房屋抗震性能評價標準[11]Table 3 Seismic performance evaluation criteria for reinforced brick structure houses in Ruicheng County

結合馮麗麗研究成果[1],設定判別標準為:有圈梁抗震柱的房屋窗間墻寬與窗上帶高之比、窗上帶跨高比與窗間墻高寬比、窗間墻與窗上帶剛度比三項均符合要求,以窗上帶發生破壞為主,保持房屋整體結構,判定為好;有兩項符合要求,破壞形成以窗間墻、窗上帶協同破壞為主,房屋整體結構保持較好,判定為較好,介于好和一般等級之間;有一項符合要求,破壞形成以部分窗間墻、窗上帶協同破壞,部分窗間墻破壞,判定為一般;無符合要求項,房屋以窗間墻破壞為主,出現結構受損情況,判定為較差;無圈梁構造柱磚混房屋的抗震性能判定為差[12-13]。

2.2 城區磚混房屋窗間墻與窗上帶尺寸和剛度比及抗震性能

從芮城縣中心城區抽樣的16棟磚混房屋來看,均設圈梁、構造柱,窗間墻寬與窗上帶高之比符合要求的有4棟,窗上帶跨高比與窗間墻高寬比符合要求的有5棟,同時符合這兩項要求的有2棟。由于使用材料性能一致,窗間墻與窗上帶剛度比均不符合要求(見表4)。

表4 城區磚混結構房屋窗間墻與窗上帶尺寸比例及抗震性能Table 4 Proportions and seismic performance of walls between windows and lintels in urban reinforced brick structure houses

綜合判定得出,抗震性能較好的有2棟,一般的有5棟,較差的有9棟,表明建筑物雖有圈梁、構造柱,但窗間墻與窗上帶尺寸近一半設計不合理,容易使承重墻或柱子發生損壞,影響房屋整體的抗震性能。

2.3 鄉鎮磚混房屋窗間墻與窗上帶尺寸和剛度比及抗震性能

對于無圈梁、構造柱的結構,當窗間墻寬與窗上帶高的比值小于0.8時,主要出現窗間墻破壞的情況;比值大于1.4時,主要出現窗上帶破壞。窗上帶跨高比與窗間墻高寬比的比值大于1.4時,主要出現窗上帶破壞;在0.5～1.4時,三種破壞模式均有可能發生。窗間墻與窗上帶剛度比大于1.6時,主要出現窗上帶破壞;在0.8～1.6時,可能出現協同破壞和窗上帶破壞,但以出現窗上帶破壞為主[1]。

從芮城鄉鎮抽樣的14棟磚混房屋來看,8棟有圈梁、構造柱,窗間墻寬與窗上帶高之比符合要求的有1棟,窗上帶跨高比與窗間墻高寬比符合要求的有1棟,同時符合這兩項要求的有1棟。由于使用材料性能一致,窗間墻與窗上帶剛度比均不符合要求(見表5)。

表5 鄉鎮磚混結構房屋窗間墻與窗上帶尺寸比例及抗震性能Table 5 Proportions and seismic performance of walls between windows and lintels in rural reinforced brick structure houses

芮城鄉鎮抽樣房屋中有6棟無圈梁、構造柱的磚混房屋,根據表1,這6棟房屋的抗震性能差,容易發生窗間墻破壞、結構倒塌。

依據有圈梁、構造柱的結構判定標準,綜合判定鄉鎮磚混房屋抗震性能較好的有1棟,較差為7棟,表明鄉鎮磚混房屋雖有圈梁、構造柱,但窗間墻與窗上帶尺寸設計大多不合理,容易使承重墻或柱子發生損壞,影響房屋整體的抗震性能。

3 結論與討論

汶川地震中,許多磚混房屋發生破壞甚至倒塌,通過震害總結、統計和有限元印證,認為磚混房屋符合窗間墻與窗上帶墻尺寸和剛度比要求時,在地震作用下,窗上帶結構優先出現損傷,次之為窗上帶和窗間墻協同破壞,可最大限度地發揮結構的材料性能,增加房屋延性,減少房屋毀壞或倒塌。

對芮城縣城區和鄉鎮抽樣詳查的30棟磚混房屋判斷結果來看,城區16棟有圈梁、構造柱的,完全符合窗間墻與窗上帶尺寸設計和剛度比例關系的有0棟,7棟部分符合,9棟均不符合,影響房屋的抗震性能。鄉鎮14棟磚混房屋中,8棟有圈梁、構造柱,僅有1棟部分符合要求,其余均不符合評判要求;還有6棟為無圈梁、構造柱,抗震性能差?？傮w來看,芮城縣城區磚混房屋抗震性能判定為一般-較差級別,鄉鎮磚混房屋抗震性能判定為較差-差。因此,建議加強農村自建磚混房屋抗震設計指導,加強對中心城區房屋建筑的抗震設防管理,不斷提升城鄉房屋的抗震性能。

需要說明的是,由于抽樣樣本有限,評判結果與實際情況可能存在偏差,后續將開展更多工作進行數據更新,使分析結果更趨于真實情況。