甘東南農村民居抗震性能現狀調查與分析

許曉威, 鐘秀梅, 王 謙, 馬金蓮, 程 超, 劉富強

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國地震局(甘肅省)黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

甘肅東南部(簡稱甘東南[1-3])地區位于青藏高原東北緣,受青藏高原北東向擠壓作用的影響,新構造運動強烈,強震、大震頻發[4]。從公元前193年至今,甘肅地區發生5級以上地震159次[5-6],近年來的破壞性地震就有多次:如2013年岷縣—漳縣6.6級地震以及2019年夏河5.7級地震。根據強震活動特點,甘東南地區仍處在地震活躍期,可能會再次發生6.0級以上地震[7],地震風險較高。近年來甘東南及鄰區的主要地震如表1所列。

表1 影響甘東南的地震及受災情況[7-16]

由此可見,甘東南地區地震災害頻發,各類建筑物面臨較高的地震風險,且甘東南地區屬于黃土梁峁溝壑區,地形復雜,地貌特征多樣,地震災害風險加劇。尤其是人口眾多(甘肅農村人口占總人口的50%以上[17])、經濟水平相對落后(人均可支配收入小于城鎮居民的四分之一[17])的農村地區,民居抗震性能現狀與地震災害損失息息相關。因此,調查甘東南農村民居現狀,分析其抗震性能,是開展該地區防震減災救災工作,保障國家鄉村振興戰略穩步實施的重要前提。

部分地區對農村房屋的抗震性能開展了調查,并提出了一些改進措施。Liu等[18]調查了北京市農村民居,大部分農村建筑仍按照傳統建造,抗震性能薄弱,提出應同時采用結構柱圈梁框架體系與配筋砌體墻體系兩種抗震設防措施。鄭國琛等[19]對福建省代表性的縣(市)進行農居抗震能力現狀調查,針對分析得出的農居抗震薄弱環節,提出了技術與管理層面的建議。Liang等[20]對東北典型農村民居進行調查,發現近80%農居建筑存在缺乏抗震結構措施和構件連接的問題。Su等[21]對河南農村自建房進行抗震性能調查,發現簡單磚木結構抗震性能較差。袁中夏等[22]在汶川地震后對四川省青川縣的村鎮房屋進行了震害的實地調查,對磚混結構房屋進行了震害總結和震害成因分析,發現房屋質量參差不齊,存在安全問題,建議研發適用于農村建設條件的地震安全技術和標準。王強等[23]對汶川地震影響的隴南地區農村的震害現場進行了考察,木構架承重房屋震時表現良好,往往是“墻倒而屋不塌”,但往往因建造時施工工藝不當和使用中缺乏維護而降低其抗震性能。劉瑋等[24]總結了汶川地震對甘肅隴南地區農居造成的典型震害及原因,發現缺乏抗震設防的農居即使在低烈度情況下仍然損害嚴重,應對該類房屋增加抗震構造措施。賈冠華等[25]以汶川地震為例對在不同地震烈度下的磚砌農居進行震害分析,得出該類房屋各個結構的破壞特征,應在提高房屋施工質量的同時采取一定構造措施。王蘭民等[26]在岷縣—漳縣6.6級地震后進行實地考察與分析,發現Ⅷ度極震區的土木結構房屋基本嚴重破壞或倒塌,而近年來設計的安全抗震農居幾乎無倒塌,應推行切合當地實際的抗震結構農居。王謙等[27]對九寨溝地震影響的甘肅地區進行了現場震害調查,由于研究區房屋有效的抗震設防措施以及該地烈度較低,房屋震害比較輕,主要以土木結構、磚木結構房屋墻體出現裂縫為主,磚混結構、框架結構房屋出現細裂縫或墻體無破壞。馬海萍等[28]對甘肅省東鄉縣的農村民居進行了詳細調查,分析了民居震害產生的主要原因,并對不同類型的農居提出了針對性的抗震設防技術措施。張津[29]通過查閱資料和實地調查,歸納了甘肅隴南地區農村現狀及特點,整體上農居抗震能力較弱,應展開綜合防震減災對策。綜上,已有的研究大多基于農居的震害調查,僅在甘肅個別地區開展了實地調查,但針對甘東南地區整體農居的抗震性能現狀研究不足,部分結構類型農居研究較少,缺少系統、整體的研究。本文對甘東南農村民居總體抗震性能現狀進行調查與分析,明晰各類型現存農居的抗震薄弱環節,為甘東南地區開展農居抗震設防技術研究及鄉村防震減災工作提供數據支撐和理論參考。

1 現場調查

在甘東南地區選擇了35個自然村(圖1),對典型農居展開抽樣調查,總計調查737個農居單體。主要調查事項為農村民居的結構類型(土木結構、木架結構、磚木結構、磚混結構和窯洞)、建造年代(現場調查咨詢)、房屋進深及層高、地基處理方式(換填墊層法和強夯法等)及其類型(磚基礎、石基礎和混凝土基礎等)、墻體材料(磚墻、石墻、土坯墻和混凝土小砌塊墻等)及其類型(實心墻和空心墻等)、屋蓋類型及布設形式(木屋蓋和混凝土屋蓋等)、抗震措施 (有無構造柱、混凝土圈梁、配筋磚圈梁、木圈梁和縱橫墻交接處連接、屋蓋與墻體連接等)等,最后根據調查結果繪制房屋的平面圖。

圖1 調查點分布圖[審圖號:GS(2019)2883號]Fig.1 Distribution of the survey sites

2 甘東南地區民居現狀

經過實地調查,甘東南農村地區典型房屋結構類型主要有5類[30]:土木結構、木架結構、磚木結構、磚混結構和窯洞,研究區各房屋類型、占比及主要分布特征如表2所列。

表2 研究區各房屋類型及占比

2.1 窯洞

作為一種綠色環保的生土結構建筑,窯洞具有取材方便、建筑簡單、造價低廉、冬暖夏涼的優點[31]。20世紀80年代,隴東農村地區民居結構以窯洞為主,隨著經濟的發展和城鎮化建設,窯洞數量逐漸減少。甘肅境內現存的窯洞主要分布在慶陽市環縣境內。調查結果表明,現在還在使用的窯洞以崖窯為主,一種是由于經濟條件所限,部分舊窯洞仍繼續使用 (圖2);另一種是出于對窯洞特色民居形式和文化的傳承,新建房屋依然選擇窯洞,該類窯洞改進了舊式窯洞采光不良的缺點,朝向上選擇坐北朝南,采用大開間、多開窗、瓷磚貼面等措施,美觀大方,造價與當地新建磚混房屋相當(圖3)。

圖2 甘東南老舊崖窯(慶陽市合道鎮)Fig.2 Old cliff cave dwelling in the southeastern Gansu Province (Hedao Town,Qingyang City)

圖3 甘東南新建崖窯(慶陽市曲子鎮)Fig.3 Newly-built cliff cave dwelling in the southeastern Gansu Province (Quzi Town,Qingyang City)

2.2 土木結構

現場調查結果(表2)顯示,土木結構是甘東南地區農村民居應用最普遍的建筑結構形式,在各地均有分布?，F有的土木結構民居多修建于20世紀80～90年代,多數仍作為居住或貯藏使用。根據調查結果,基于墻體材料、砌筑方式和承重構件,將土木結構細分為2類:墻體承重土木結構和混合承重土木結構。

2.2.1 墻體承重土木結構

墻體承重土木結構房屋是以夯土墻或土坯墻(圖4)為承重主體。調查發現,該類型的房屋多由農村工匠自主建造,一般未設置構造柱和圈梁,墻體承受屋蓋系統的全部荷載。由于該結構房屋建造所需的木材較少、造價低廉,在甘東南經濟相對欠發達的農村地區,該類型房屋所占比例仍然較大。

圖4 甘東南土坯結構房屋(天水市清水縣)Fig.4 Rural residences with adobe structure in the southeastern Gansu Province (Qingshui County,Tianshui City)

2.2.2 混合承重土木結構

相比于墻體承重土木結構房屋,混合承重土木結構房屋不依靠單一的墻體來承重,而是墻體與簡單木柱或者磚柱共同承擔屋頂荷載。根據調查結果,該類房屋的磚柱或木柱多設置于房屋正面,多數與墻體或屋蓋系統缺乏有效的連接措施。此外,受經濟條件的制約和美觀考慮,甘東南部分混合承重土木結構房屋采用磚貼面的裝飾形式(圖5),以增加房屋的美觀性,但從結構抗震的角度,由于磚、土材料之間存在剛度差,且缺乏有效連接,使得該種結構的房屋在地震作用下更易產生磚貼面閃落等破壞。

圖5 甘東南混合承重土木結構房屋(平涼市涇川縣)Fig.5 Rural residences with soil-wood bearing structure in the southeastern Gansu Province (Jingchuan County,Pingliang City)

2.3 木構架結構

木構架結構的房屋主要是依靠木構架來承擔房屋和屋蓋重量(圖6)。木構架由梁、柱、檁、椽組成,相互之間主要以榫、鉚連接。該類型房屋主要分布在隴南地區,多修建于20世紀70～90年代,部分地區還保留著20世紀50年左右修建的房屋。根據調查結果和震害資料,該類型房屋經受住了多次中強地震的考驗,抗震性能相對較好,且受隴南地區山大溝深的地形限制,往往選擇在有限的建筑用地上建造二層木構架房屋[32]。

圖6 甘東南木架結構房屋(隴南市文縣)Fig.6 Rural residences with wooden frame structure in the southeastern Gansu Province (Wen County,Longnan City)

2.4 磚木結構

磚木結構房屋(圖7)主要是由磚砌墻體來承重和圍護,屋頂采用木椽、檁、瓦片等構筑的兩坡水房屋[33]。由于該類型房屋具有施工工藝簡單、取材方便、造價低廉和耐久性好的優點,其在甘東南各地均廣泛分布(隴南地區部分農村受建筑用地和建材運輸等條件的制約,分布相對較少)。調查結果表明,甘東南地區早期修建(基本可以汶川地震作為分界線)的大多數磚木結構房屋未設置抗震構造措施,而在近年修建的房屋,多設置有構造柱、圈梁(以底圈梁較為多見)等,抗震性能較好。

圖7 甘東南磚木結構房屋(天水市麥積區)Fig.7 Rural residences with brick-wood structure in the southeastern Gansu Province (Maiji District, Tianshui City)

2.5 磚混結構

相比于前述幾種類型的房屋,磚混結構房屋使用木材較少或不使用木材,一般以墻體作為承重構件。該類型在甘東南各地均有分布,天水市和定西市占比較大。根據建筑年代將磚混結構房屋細分為老舊磚混結構房屋[圖8(a)]和新建磚混結構房屋[圖8(b)]。老舊磚混結構房屋多修建于2008年之前,一般無構造措施;而新建磚混結構房屋多建造于2008年汶川地震之后,設置有圈梁、構造柱等抗震措施,單層或多層,屋頂或樓板一般采用現澆鋼筋混凝土[圖8(c)],具有較好的抗震性能。

圖8 甘東南磚混結構房屋Fig.8 Rural residences with brick-concrete structure in the southeastern Gansu Province

2.6 甘東南地區抗震農居構造形式

調查結果表明,甘東南農村地區農居構造形式主要分為五種:土木結構、木架結構、磚木結構、磚混結構和窯洞。受制于該地區經濟條件,多數老舊房屋(2008年前)一般未設置抗震措施,而在此之后新建的房屋,多為磚混結構、磚木結構,一般設置了圈梁、構造柱等抗震措施,抗震性能有了顯著的提高。

通過對甘東南不同區域的農居抗震構造形式對比分析發現,隴南地區房屋抗震性能顯著增加,經過汶川地震災后重建、安居工程、新農村建設等政策的實施,新建農居多為設置了圈梁、構造柱的現澆磚混結構,占比接近20%,木架結構數量最多,占比達到了35%,土木結構和磚木結構農居占比分別約為25%、20%,木架結構是隴南地區的特色農居,且由于地形條件限制,房屋多為二層。天水地區以磚混結構農居和磚木結構農居為主,占比都為40%左右,土木結構農居占比約為20%,相比于老舊土木結構的抗震性能較低,2008年后新建的磚混結構房屋都設有抗震構造措施。平涼市各類型農居的數量相當,土木結構、磚木結構和磚混結構農居占比分別為34%、33.5%和32.5%,其中無構造措施和有抗震設防措施的磚混結構農居數量接近。慶陽市因其獨特的地形地貌、歷史文化和民俗習慣,且土作為建筑材料更易獲取,其農居保留了一定數量的生土建筑,窯洞及土木結構房屋較甘東南其他地區占比更高;天水市和定西市農居抗震性能較好,尤其是靠近城鎮的鄉村地區,經濟發展水平較好,磚混結構農居占比較高,達到了40%以上。

3 甘東南地區農居抗震性能評價

農居的結構類型都是與所在地域的自然環境和社會環境存在一定的和諧性[32],但是受自然環境、經濟條件、建筑材料和人民群眾對防災減災的認識水平等多種因素的影響,甘東南各類型農居的抗震性能參差不齊,與當地的地震高風險性不符,不利于農居震害防御能力提升。因此,根據震害資料和現場調查結果,結合前人對不同結構類型房屋抗震性能的研究,對甘東南地區農居抗震性能進行評價。

3.1 窯洞

慶陽地區位于隴東黃土高原,黃土覆蓋層厚,地震放大作用明顯[34]。對于窯洞而言,選址是其面臨的首要問題[35-36]。調查發現,研究區部分崖窯所選山崖上覆土層厚度較小,而根據楊焜等[33]的研究結果,窯洞周圍土體的主壓應力與上覆土層厚度呈正相關,主壓應力增大有利于窯洞的結構穩定。因此,崖窯上覆土層厚度過小可能會增大地震作用下坍塌的風險。其次,研究區內的部分舊窯洞門臉處理措施簡單,開洞位置缺乏有效的支撐,根據震害資料,其在地震作用下門臉上方土體掉落的可能性較大[37]。第三,通過調查發現,部分新式窯洞為了空間和采光需求,一般門窗開洞較大,部分窯洞進深達到9 m,但洞內未設置橫隔墻或其他有效的支撐措施(圖9),使其在地震作用下洞頂受力較大,存在掉落、垮塌的風險[38]。第四,新式窯洞為了美觀,一般在窯洞前臉貼磚裝飾,不僅增加了窯體荷載,而且在地震作用下可能發生貼面閃落的風險。最后,由于黃土具有強烈的水敏性[39],調查結果顯示研究區內的窯洞一般未設置或簡單設置了排水措施,使得地震與水耦合作用下窯洞地基不均勻沉降、上部結構裂縫,地震災害風險增大。

圖9 窯洞內部缺乏有效支撐Fig.9 Lack of effective support inside the cave dwelling

3.2 土木結構

土木結構中墻體承重和混合承重房屋的抗震薄弱環節類似,因為混合承重土木結構中墻體仍然承擔了大部分屋蓋荷載。調查結果表明,墻體承重土木結構最大的問題是縱橫墻缺少有效連接、整體性較差,地震作用下會導致連接處裂縫甚至墻體閃落[40-41]。其次,受房屋開間的影響,區內土木結構房屋夯土墻縱墻的長度一般為11～20 m,但墻體缺少橫向支撐(圖10),使得地震作用下墻體極易產生豎向裂縫[38]。第三,修建較早的部分房屋土坯墻使用泥漿砌筑,膠結強度較小,地震作用下墻體由于砌筑材料的連接問題容易裂縫甚至倒塌[42]。第四,部分房屋屋蓋與墻體間缺乏有效連接(圖11),地震作用下屋蓋容易掉落[43]。最后,受經濟條件制約,研究區內木屋蓋用料良莠不齊、連接措施單一,使得其在地震作用下連接處容易脫落[33]。而混合承重土木結構除了上述的問題之外,還存在木柱/磚柱與墻體缺乏有效連接措施等抗震薄弱環節。此外,調查還發現木柱/磚柱橫截面較小,強度不夠,地震作用下容易產生裂縫或者剪切破壞。

圖10 墻體缺少橫向支撐Fig.10 Wall lack of transverse support

圖11 墻體與屋蓋缺乏有效連接Fig.11 Lack of effective connection between wall and roof

3.3 木架結構

木架結構一般是由梁、檁、柱、撁鉚榫結合形成的一個完整的構架體系,具有較強的整體性,柔性佳,允許較高的彈性變形,且木構架的榫卯節點在振動過程中具有明顯的減震作用,所以這類農居的抗震性較好[44]。調查發現,木構架民居的墻體一般為夯土或磚砌筑,墻體脆性大、抗剪強度較低、各承重構件間連接稍顯單一,使得其成為木構架結構的主要抗震薄弱環節。同時,部分木構架房屋在建造過程中由于經濟條件制約,使用的梁、檁、椽的材質良莠不齊,部分梁、柱材質較差,梁直徑過小,椽木過于纖細,長度不足,搭接不規范 (圖12),地震作用下容易掉落、斷裂[45]。部分房屋設置了柱腳石,但木柱和柱腳石之間缺乏有效連接(圖13),使得地震作用下柱石之間因振動不同步,產生相位差,導致柱腳滑移,從而導致木構架傾斜。此外,由于隴南山區環境較為潮濕,木架易遭受雨水長期侵蝕、腐朽和蟲蛀,導致木構件結點松動,從而使房屋整體抗震性下降[46]。

圖12 梁、柱隨意搭接Fig.12 Random lap of beam and column

圖13 立柱與柱腳石無連接Fig.13 No connection between column and column basestone

3.4 磚木結構

磚木結構民居的墻體承受屋頂、樓板傳遞的荷載,其磚砌墻體強度大,施工工藝簡單,整體建筑材料獲取方便,民居構造簡單,造價低廉,房屋整體性和抗變形能力較好。調查表明,磚木結構最大的抗震薄弱點是縱橫墻和隔墻之間缺乏連接構造措施或構造措施太弱,整體性不強,地震作用下墻體容易外閃,這與宋微等[47]數值模擬結果一致。部分磚木結構房屋的屋頂采用硬山擱檁的建筑方式(圖14),其屋蓋和墻體缺乏有效拉結措施,地震作用下屋蓋滑移、失穩[48]。此外,部分房屋墻體所采用的砌筑砂漿質量差,水泥摻量過少,粘結力弱,地震作用下墻體極易開裂[49]。

圖14 硬山擱檁Fig.14 Purlin roof on the wall

3.5 磚混結構

磚混結構房屋一般具有較好的抗震性能,尤其是設置了構造柱和圈梁的磚混結構房屋(圖15),其抗震性能良好[50]。然而,鑒于農村的各個地區經濟水平及農戶個體經濟水平的差異,且農村工匠沒有經過專業培訓、缺少相關抗震知識,修建的房屋仍然存在一些問題,影響房屋的抗震性能。第一,部分房屋只有底圈梁、沒有上圈梁,強梁弱柱,甚至不設置構造柱,或構造柱和墻體間缺乏有效連接,影響了房屋整體性,使得地震作用下墻體容易產生裂縫甚至倒塌[51]。第二,屋蓋重量過大,在地震作用下,墻體所受屋蓋荷載過大,易使墻體裂縫、傾倒。第三,在墻體砌筑時,水泥用量或水泥強度不夠,其膠結性較差從而影響墻體的整體性(圖16)。最后,為追求采光和空間,使得房屋開間過大,門、窗開洞較大(圖17),導致窗間墻較窄,地震作用下,墻體容易產生剪切裂縫[22]。

圖15 設置構造柱、圈梁的磚混房屋Fig.15 Brick-concrete residences with structural columns and ring beams

圖16 膠結材料強度問題Fig.16 The strength problem of cementitious materials

圖17 墻體開洞不合理Fig.17 Wall with unreasonable opening holes

綜上,不同結構類型民居的抗震薄弱環節、推薦的抗震構造措施以及在不同地震烈度下的震害如表3所列。

表3 研究區各民居類型的抗震薄弱環節、推薦加固措施和震害

3.6 新型農居抗震構造措施

本次調查中發現了一些新型的、值得借鑒推廣的農居抗震構造措施。首先是輕型鋼制屋架,它不僅自重輕、強度大、費用合理,而且各部件之間連接有效,屋蓋系統的整體性優良(圖18)。其次是預制墻體、屋蓋,其整體性較好,且施工工藝簡便、工期短,大大提高了建筑效率(圖19)。第三,木架結構房屋采用木制墻體,自重輕、柔性強,提高了房屋的整體性,但是造價略貴、防火性能欠佳(圖20)。此外,部分房屋在屋蓋和墻體連接處使用水泥加固,加強了屋蓋和墻體的連接性,增強了房屋的整體性(圖21)。

圖18 輕質鋼架屋蓋Fig.18 Light steel frame roof

圖19 預制墻體、屋蓋Fig.19 Prefabricated wall and roof

已逐步在甘東南地區的農居建造中推廣應用,但其抗震性能還有待進一步檢驗。

圖20 木制墻體Fig.20 Wooden wall

4 結論

本文通過對甘東南地區部分村落房屋的實地調查,得到了研究區內各典型民居的結構特征,分析了不同結構類型農居的抗震性能,得出以下結論:

(1) 甘東南農居主要結構類型有土木結構、木架結構、磚木結構、磚混結構和窯洞,窯洞只分布于慶陽市,木構架多見于隴南地區。土木結構居住率越來越低,新建房屋一般不再選擇土木結構,磚混結構的占比越來越高。

(2) 新建磚混結構和磚木結構多設置圈梁和構造柱等抗震構造措施,抗震性能最佳;其次是木構架、老舊磚混結構和磚木結構;由于建筑年代和建筑材料的限制,窯洞和土木結構抗震性能有待提高。

(3) 除了傳統的圈梁、構造柱等抗震構造措施,輕型鋼制屋架、預制墻體、木制墻體等新型筑房措施