鄒 博，肖 遙，李 偉，柯秋實，丁 浩

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地震易發(fā)區(qū)房屋設施加固工程是自然災害防治能力建設的重點工程之一，目的是利用工程手段有效降低地震災害風險。調(diào)查（排查）—鑒定—加固是加固工程實施過程中的三大關鍵環(huán)節(jié)，其中抗震能力調(diào)查是基礎性關鍵環(huán)節(jié)。遼寧省多次震害實例表明，省內(nèi)農(nóng)居抗震能力仍相對薄弱、老舊農(nóng)居存量高，中等強度的地震就能給農(nóng)村帶來很大的經(jīng)濟損失，大地震作用下則可能導致農(nóng)村地區(qū)出現(xiàn)災難性后果[1-2]。

遼寧省蓋州地區(qū)地震危險性高，民居暴露存量大。為了更準確地了解蓋州地區(qū)農(nóng)居的抗震能力，做好房屋設施加固工程的準備工作，在遼寧省老震區(qū)農(nóng)村地震風險評估與管理示范項目支持下開展了蓋州地區(qū)農(nóng)村農(nóng)居抗震能力調(diào)查工作。通過實地抽樣調(diào)查，調(diào)研組結(jié)合蓋州農(nóng)居的結(jié)構(gòu)特點、年代分布和尺寸特征，對農(nóng)居進行了抗震能力分類，并進一步指出了農(nóng)居在抗震能力方面存在的主要不足，對于未來更好的實施地震易發(fā)區(qū)房屋設施抗震加固工程具有借鑒意義。

1 調(diào)查區(qū)地震危險性背景

遼寧省蓋州地區(qū)地震構(gòu)造發(fā)育，金州斷裂是區(qū)內(nèi)最主要的斷裂構(gòu)造，貫穿蓋州，在晚更新世有活動，包括九寨—蓋州段、大石橋北—蓋州段。其中，九寨—蓋州段控制了熊岳第四紀盆地的發(fā)育，在熊岳盆地附近記載有1493 年4級地震和1940 年5級地震，現(xiàn)代地震活動頻繁，形成由蓋州北至熊岳一帶的震群活動。大石橋北—蓋州段為下遼河盆地沉積東界，斷裂兩側(cè)差異升降運動顯著，在該斷裂與海城河斷裂相交匯蓋州東北緣地域，有海城7.3 級地震發(fā)生，現(xiàn)代地震活動密集。據(jù)分析，蓋州地區(qū)內(nèi)金州斷裂九寨—蓋州段及熊岳盆地、金州斷裂大石橋北—蓋州段具有發(fā)生6～7 級左右地震的構(gòu)造條件，地區(qū)西北部營口及附近地區(qū)具有發(fā)生6～6.5 級左右地震的構(gòu)造條件，地區(qū)東北部海城地震區(qū)具有發(fā)生7～7.5 級強震的構(gòu)造條件（圖1）?？偟膩碚f，蓋州地區(qū)具有較高的地震危險性。

圖1 蓋州及周邊地區(qū)破壞性地震震中位置及主要斷裂分布Fig.1 Location of destructive earthquakes and distribution of major faults in and around Gaizhou

2 蓋州地區(qū)農(nóng)居抗震能力分類

本次實地調(diào)研的工作量在表1 中給出，圖2 則給出了調(diào)查點分布情況。在農(nóng)居普查和抗震性能評價工作中通常采用結(jié)構(gòu)形式和年代特征兩種劃分方法[3-5]。這兩種劃分方法均存在一定程度的不足，例如，蓋州地區(qū)2010 年后新建磚木結(jié)構(gòu)基本設置了圈梁和構(gòu)造柱，該類磚木建筑與傳統(tǒng)磚木建筑的抗震能力明顯不同，如對結(jié)構(gòu)形式進行更專業(yè)的再細分則容易給普查工作帶來不便；同年代跨度內(nèi)農(nóng)居的抗震能力亦可能有較大差別，簡單利用年代跨度統(tǒng)計容易引入較大的偏差。JGJT 363-2014《農(nóng)村住房危險性鑒定標準》根據(jù)性能將農(nóng)村住房危險等級劃分為四類，并針對不同結(jié)構(gòu)形式給出了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的危險性鑒定要點[6]。肖遙等[7]對遼寧省盤錦、海城、營口地區(qū)農(nóng)村住宅房屋的抗震性能進行了調(diào)查分析并將結(jié)構(gòu)與年代特征相結(jié)合給出了農(nóng)村住宅的分類方法。

表1 工作量簡表

圖2 蓋州地區(qū)地形特征與調(diào)查點分布Fig.2 Topographic characteristics and survey points distribution in Gaizhou area

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于蓋州地區(qū)石材豐富，民居結(jié)構(gòu)類型以砌體結(jié)構(gòu)和石結(jié)構(gòu)為主，部分老舊房屋兼具木結(jié)構(gòu)特征。其中，砌體結(jié)構(gòu)可細分為磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、設防磚木結(jié)構(gòu)、設防磚混結(jié)構(gòu)。磚木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)均采用磚砌筑的墻豎向承重，區(qū)別在于屋頂采用木制結(jié)構(gòu)還是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。是否“設防”則通過是否設置構(gòu)造柱來判定，盡管圈梁也是一種設防的構(gòu)造措施，但為了突出新建民居中構(gòu)造柱的作用，將構(gòu)造柱作為判定標準。老舊砌體結(jié)構(gòu)有采用木柱和磚柱或磚墻混合承重的，因此兼具木梁木柱結(jié)構(gòu)特征。石結(jié)構(gòu)則可細分為傳統(tǒng)石結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代石結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)石結(jié)構(gòu)是一種兼具部分土木結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)特征的混合結(jié)構(gòu)，其山墻、后縱墻和前縱墻窗臺以下用毛石和粘土砌壘，外用水泥勾縫，前縱墻窗臺及以上部分用磚砌筑，前縱墻門窗開洞間設置木柱或者用磚柱；現(xiàn)代石結(jié)構(gòu)則與設防磚混結(jié)構(gòu)相似，只是用條石或料石取代磚作為砌塊。借鑒JGJT 363-2014《農(nóng)村住房危險性鑒定標準》的做法，結(jié)合以往工作與本次調(diào)研成果可將蓋州地區(qū)的農(nóng)居按抗震能力大體分為以下幾類：

Ⅰ類：在年代上，主要是2000 年后建造的房屋；在結(jié)構(gòu)上，包括設防磚木、設防磚混和現(xiàn)代石結(jié)構(gòu)，以單層建筑為主，2010 年后少部分經(jīng)濟條件富裕的家庭新建兩層樓房。采用普通燒結(jié)磚或者條石作為砌塊，通常外墻厚度370 mm，內(nèi)墻厚度240 mm，條石砌塊的外墻厚度或可達到500 mm；砌筑砂漿方面采用水泥砂漿，灰縫厚度約10 mm，較飽滿。均設置上圈梁，地圈梁，四角設置有構(gòu)造柱，2010 年后習慣在窗間壁亦設置構(gòu)造柱；屋蓋按外形可分為平屋面和雙坡屋面，雙坡屋面主要為了防漏，采用三角形屋架搭在圈梁上；地基主要采用“滿堂紅”式，通常將地基砌壘較高，做小地下室，但一般設置的地下室進深較淺，不影響其上部房屋的穩(wěn)定性。前縱墻均設置大開窗，山墻側(cè)開窗的情況也較為普遍。圖3 給出了此類結(jié)構(gòu)的典型代表建筑：（a）三塊石村二層樓房照片，設防磚混結(jié)構(gòu)；（b）天保東村民居正面照片，設防磚木結(jié)構(gòu)，前后設置8 根構(gòu)造柱；（c）塔子溝村民居正面照片，現(xiàn)代石結(jié)構(gòu)，設置了較高的地基，并利用地基高度形成一層地下室；（d）塔子溝村民居地下室照片，利用地基作為地下室后墻，地下室在地基中進深較淺，有混凝土現(xiàn)澆梁支撐，不影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震能力。

圖3 蓋州地區(qū)典型Ⅰ類農(nóng)居Fig.3 Typical examples of the rural dwellings type Ⅰ

Ⅱ類：主要建造于上世紀90 年代的單層農(nóng)居。結(jié)構(gòu)特點大體與Ⅰ類房屋相似，最主要的區(qū)別在于，該類房屋在構(gòu)造上僅設置有上圈梁和地圈梁，未設置構(gòu)造柱，早、中期多使用配筋磚圈梁，后期才開始使用鋼筋混凝土圈梁。砌筑砂漿方面采用混合砂漿，配比較Ⅰ類略差。屋蓋通常為平屋面和雙坡屋面，其中平屋面是用木制屋架搭配彩鋼屋蓋，做成的“假搗制”形式，地基多采用條形基礎。圖4 給出了該類結(jié)構(gòu)調(diào)查照片，（a）三塊石村民居正面照片，（b）礦洞溝村民居正面照片，（c）天保東村民居正面照片，（d）天保東村民居側(cè)面照片。

圖4 蓋州地區(qū)典型Ⅱ類農(nóng)居Fig.4 Typical examples of the rural dwellings type Ⅱ

Ⅲ1類：主要建造于上世紀70 年代中期以后，年代分布區(qū)間大致是1975 年至1989 年，結(jié)構(gòu)形式上通常是磚木結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)石結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)石結(jié)構(gòu)外墻分兩層，內(nèi)層用毛石粘土砌筑，外層包稍加工的塊石或條石；砂漿方面早期采用粘土砂漿，該類砂漿強度極低，80 年代后期部分采用了混合砂漿，但配比明顯較前兩類農(nóng)居差；沒有設置上圈梁，少數(shù)設置了地圈梁，無構(gòu)造柱；屋蓋方面從外形上看主要為雙坡屋面，多采用“硬山擱檁”，少部分房屋做成“假搗制“形式；地基多采用砂土地基。圖5（a）、（b）分別給出了三塊石村民居正面照片和屋蓋形式，磚木結(jié)構(gòu)，（c）中給出了塔子溝村民居正面照片，傳統(tǒng)石結(jié)構(gòu)。

Ⅲ2類：主要建造于1975 年前，年代分布區(qū)間大致是1940 年至1975 年，部分農(nóng)民稱房屋已有上百年歷史，調(diào)研中難以考證。屬于老舊磚木或老舊石結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)采用多種建筑材料混合，老舊磚木結(jié)構(gòu)中山墻、后縱墻和前縱墻窗臺下通常用毛石砌筑，前縱墻窗臺以上用磚砌筑；砂漿采用粘土砂漿，強度極低，外用水泥勾縫；屋蓋方面為雙坡屋面和拱形屋面，早期多采用木制梁柱體系。需要指出的是，一些Ⅲ1 類和Ⅲ2 類的房屋從結(jié)構(gòu)形式上是相似的，但由于建造年代不同，建筑材料和老化、腐蝕程度有很大差別。圖5 中（d）為三塊石村民居正面照片；（e）為萬福村民居正面照片；（f）為塔子溝村民居正面照片。

圖5 蓋州地區(qū)典型Ⅲ1類和Ⅲ2類農(nóng)居Fig.5 Typical examples of the rural dwellings type Ⅲ1and Ⅲ2

3 農(nóng)居抗震能力方面存在的問題

震害實例和研究表明[1-2，10-12]，地震中農(nóng)居主要表現(xiàn)出兩個抗震薄弱環(huán)節(jié)：（1）在屋頂和支撐墻之間、內(nèi)橫墻和縱墻之間的連接破壞，（2）砌體墻的破壞。其中砌體墻的失效模式在力學表現(xiàn)上主要是剪切斷裂，彎曲斷裂和滑動斷裂；在幾何特征上表現(xiàn)為轉(zhuǎn)動失效，柱端滑移失效，斜裂縫失效和底角壓碎失效，實際砌體的失效模式也常表現(xiàn)為以上失效模式的組合。力學表現(xiàn)與幾何特征相統(tǒng)一，剪切斷裂以斜對角線開裂通過磚單元或者下邊的砂漿接縫為特征，如圖6（c），當主應力達到砌體的對角線抗拉強度時，產(chǎn)生這種情況。彎曲斷裂表現(xiàn)有兩種，（1）是由于墻平面外彎曲受力產(chǎn)生的水平彎拉破壞，如首先在薄弱部位出現(xiàn)水平裂縫，嚴重時墻體外閃，如圖6（a）；（2）是在細長的約束砌體墻中當縱向鋼筋屈服時或發(fā)生轉(zhuǎn)動實效時，相反一側(cè)磚砌體的底腳發(fā)生壓碎，如圖6（d）。滑動斷裂表現(xiàn)為裂縫沿著水平砂漿接縫，剪切應力達到砂漿和磚之間的粘結(jié)強度時出現(xiàn)這種情況，如圖6（b）。盡管大量研究指出，在上述破壞模式中剪切破壞造成的斜對角線開裂一直是最主要的破壞模式，并且這一點也被多次大地震現(xiàn)場勘查所證明。但最近遼寧燈塔地震的震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)在較小的地震中（燈塔地震震級M5.1），內(nèi)隔墻薄弱部位（如門角）出現(xiàn)的剪切破壞，和縱墻外閃也是農(nóng)村房屋建筑的主要破壞模式。

圖6 地震中砌體墻典型破壞模式Fig.6 Typical failure modes of masonry walls in earthquakes

對于上述兩個薄弱環(huán)節(jié)，第一個薄弱環(huán)節(jié)可以通過加強相應部位的連接能力來加強。第二個薄弱環(huán)節(jié)主要受制于墻的剛度，延展性，和極限強度三個主要的設計參數(shù)，這些參數(shù)主要取決于：是否有抗震構(gòu)造措施、磚和砂漿的強度、砂漿厚度、墻的尺寸和比例、開洞的數(shù)量和尺寸以及相對于所在墻的比例、墻上的豎向載荷等方面。通過薄弱環(huán)節(jié)分析并結(jié)合本次調(diào)查成果，可以總結(jié)出目前蓋州地區(qū)農(nóng)村房屋抗震性能仍存在一些問題：

（1）農(nóng)村房屋關鍵連接部位拉結(jié)措施缺乏或不符合規(guī)范。從本次調(diào)查統(tǒng)計來看，蓋州地區(qū)內(nèi)Ⅲ1類、Ⅲ2類房屋以及部分Ⅱ類都采用“硬山擱檁”的形式，這些民居缺乏有效的拉結(jié)措施，屋檐高度處未設置縱向通長水平系桿，兩端開間屋架和中間隔開間屋架未設置豎向剪刀撐，山墻山尖墻未采用墻攬與木屋架、木構(gòu)架或檁條拉結(jié)，內(nèi)隔墻墻頂未與梁或屋架下弦拉結(jié)。圖7 展示了調(diào)查房屋的“硬山擱檁”形式，以及山尖墻的陳舊損傷裂縫。需要注意到，蓋州部分地區(qū)設防烈度達8 度，幾次大地震的震害表明，在8 度地震區(qū)檁條拔出、山墻外閃以致房屋倒塌是常見的破壞現(xiàn)象。因此，JGJ161-2008《鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）村建筑抗震技術規(guī)程》中規(guī)定8 度及以上地區(qū)不應采用硬山擱檁屋蓋做法[8]。

圖7 蓋州地區(qū)老舊房屋“硬山擱檁”屋架形式和山尖墻陳舊損傷裂縫Fig.7 Roof truss form and damage cracks on the gable wall top in old buildings

（2）是否設置有抗震構(gòu)造措施。圈梁可以加強建筑物的整體性，減小不均勻沉降，增強房屋剛度，歷次震害表明，設有圈梁的砌體房屋的震害相對未設置圈梁的房屋要輕的多，其作用十分明顯。構(gòu)造柱可以有效的抵抗剪力，可以使墻體受力均勻，對墻體起到約束作用，提高墻體的抗震承載力，試驗表明圈梁構(gòu)造柱可以顯著提高墻體的抗剪能力[9]。本次調(diào)查中蓋州地區(qū)Ⅲ1類、Ⅲ2類房屋缺乏抗震構(gòu)造措施，這兩類房屋的抗震情況堪憂。

（3）磚和砂漿的質(zhì)量問題與陳舊損傷問題。砂漿強度是影響墻體抗剪能力的最重要因素，試驗表明新制泥漿的抗壓強度等級亦只有M0.5，泥漿砌筑的墻片抗剪能力極差[9]。在蓋州地區(qū)的Ⅲ1類和Ⅲ2類農(nóng)居中，使用的磚強度不達標，采用強度極低粘土砂漿，尤其是Ⅲ2類房屋老化情況非常嚴重，對抗震極為不利。另外，這兩類房屋由于地基設置的較為簡便，地基不均勻沉降等因素造成房屋墻體普遍存在一定程度的陳舊損傷，圖8 展示了陳舊損傷的常見形式，這些損傷將成為地震中易首先破壞的薄弱部位，可能進一步引起結(jié)構(gòu)的整體破壞。

圖8 蓋州地區(qū)農(nóng)居陳舊損傷情況Fig.8 Obsolete injure in GaiZhou old rural dwellings

（4）開洞尺寸問題。大的開洞尺寸一方面會造成整個抗震墻體截面嚴重不足，使整體的抗震能力不能滿足要求，另一方面會造成窗間壁過于細長，從而引起破壞模式的變化，容易發(fā)生彎曲破壞。因此在JGJ161-2008《鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）村建筑抗震技術規(guī)程》中規(guī)定了抗震墻層高的1/2 處門窗洞口所占的水平橫截面面積：對于承重橫墻，不應大于總截面面積的25%；對于承重縱墻，不應大于總截面面積的50%[8]。在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，蓋州農(nóng)居前縱墻開洞一般超過《規(guī)程》規(guī)定標準，在近幾年建造的Ⅰ類房屋中這個問題更加嚴重，并且農(nóng)居前后縱墻開洞一般有較大差別，后縱墻上窗開洞的尺寸較小、個數(shù)也較少，這會導致前后縱墻的剛度不相同，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心不一致，造成地震作用下的房屋平面扭轉(zhuǎn)，加重震害。

（5）其他一些問題。同一高度內(nèi)不應采用不同材料，蓋州老式房屋，前縱墻窗臺以上采用磚砌，其他三面采用毛石砌筑，如圖9 所示，這種做法極不安全。另外，無筋磚砌過梁在地震中低烈度區(qū)就會發(fā)生破壞，出現(xiàn)裂縫，嚴重時過梁脫落，因此不應采用。檁條和椽子在搭接時不應浮擱，木屋架應下設木墊板防止應力集中對墻體造成破壞。

圖9 蓋州地區(qū)老舊房屋同一高度采用不同材料砌筑Fig.9 The old dwellings built with different materials at the same height

總的來說，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蓋州調(diào)研工作區(qū)內(nèi)Ⅰ、Ⅱ類農(nóng)居具備一定的抗震能力，Ⅰ類農(nóng)居可以較好抵御未來設定烈度水平地震的作用，Ⅱ類農(nóng)居在設定烈度水平地震作用下不至于倒塌；Ⅲ1和Ⅲ2類農(nóng)居抗震能力薄弱，存在較大風險，應該予以加固改造，尤其是Ⅲ2類農(nóng)居宜考慮重建。同時發(fā)現(xiàn)由于受到經(jīng)濟條件的限制，我國農(nóng)村房屋長期處于自建狀態(tài)，多數(shù)房屋按照當?shù)卮迕竦牧晳T來建造，缺乏必要的規(guī)范約束。盡管近年來的農(nóng)村房屋很多已經(jīng)選擇雇傭村鎮(zhèn)施工隊進行施工，使房屋結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量有了較大的提高，但在很多細節(jié)上并不符合相關規(guī)范和技術標準的要求，因此在加固工程中應大力推進規(guī)范知識的普及，引導農(nóng)民對Ⅰ、Ⅱ類農(nóng)居中的薄弱環(huán)節(jié)進行自行加固，對Ⅲ1和Ⅲ2類農(nóng)居則通過適當?shù)恼a助多方統(tǒng)籌資金予以加固或重建。

4 結(jié)論

本文介紹了蓋州地區(qū)農(nóng)居抗震能力調(diào)查的情況。調(diào)查發(fā)現(xiàn)蓋州地區(qū)農(nóng)居以砌體結(jié)構(gòu)和石結(jié)構(gòu)為主，對農(nóng)居的構(gòu)造措施、材料質(zhì)量和尺寸特征進行了總結(jié)歸納，兼顧結(jié)構(gòu)形式和年代特征將蓋州地區(qū)農(nóng)居從抗震能力的角度分為四類?；诳拐鹉芰Φ姆诸惙椒ㄓ兄诤喕庸坦こ讨械呐挪楹臀７烤珳首R別工作。文中也根據(jù)調(diào)查結(jié)果和地震中農(nóng)居的破壞模式，對該地區(qū)農(nóng)居在抗震方面存在的主要問題進行了分析，指出了蓋州地區(qū)現(xiàn)有農(nóng)居在拉結(jié)措施、構(gòu)造措施、材料質(zhì)量與老舊損傷、開洞尺寸和建造習慣上存在的種種不足，對在加固工程中采取針對性改造具有一定參考意義。