湖北農(nóng)村民居現(xiàn)狀調(diào)查與震害預(yù)測(cè)*

李書(shū)進(jìn)，毛羚

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430070)

0 引言

我國(guó)是世界上遭受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，而廣大農(nóng)村又是我國(guó)地震災(zāi)害中最為深重的地區(qū)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于農(nóng)村地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)淡薄，國(guó)家又未將農(nóng)村地區(qū)建房納入規(guī)范管理，房屋一般未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)和施工，自行建造，基本上處于不設(shè)防狀態(tài)，地震發(fā)生時(shí)就會(huì)造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。“小震致災(zāi)”、“大震大災(zāi)”是我國(guó)農(nóng)村地區(qū)地震災(zāi)害的典型特征。2008年5月12日發(fā)生在四川汶川的8級(jí)大地震之所以造成極其慘重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，除地震本身震級(jí)大、烈度高外，我國(guó)村鎮(zhèn)地區(qū)房屋，特別是廣大農(nóng)村建筑抗震能力弱是造成此次災(zāi)害異常慘烈的重要原因。汶川地震讓我們?cè)俅握J(rèn)識(shí)到將抗震設(shè)防的目光投向廣大農(nóng)村地區(qū)的重要性與緊迫性，像重視城市建筑那樣重視農(nóng)村房屋安全是這次地震帶給我們的最深刻教訓(xùn)。

目前，我國(guó)正處于地震活躍期，湖北省也具備發(fā)生中等強(qiáng)度破壞性地震的條件和背景。長(zhǎng)期以來(lái)，湖北省縣市一級(jí)，特別是廣大農(nóng)村地區(qū)的抗震設(shè)防意識(shí)較差，房屋建筑抗震能力弱，加上人口密集，一旦發(fā)生中等強(qiáng)度以上的破壞性地震將會(huì)帶來(lái)相當(dāng)嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，開(kāi)展對(duì)湖北農(nóng)村當(dāng)今建筑物的抗震能力現(xiàn)狀和潛在地震危險(xiǎn)性程度的研究分析，對(duì)于提高農(nóng)村民居抗震設(shè)防水平、制定農(nóng)村防震減災(zāi)規(guī)劃、實(shí)施地震應(yīng)急方案以及政府對(duì)災(zāi)害綜合防御的科學(xué)決策都具有十分重要的意義，并且十分必要。

根據(jù)當(dāng)前我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)形勢(shì)和超前做好農(nóng)村防震減災(zāi)規(guī)劃的需要，2008年我們成立了湖北農(nóng)村民居抗震性能調(diào)查團(tuán)隊(duì)，深入到多個(gè)鄉(xiāng)、村，對(duì)湖北農(nóng)村民居的建筑結(jié)構(gòu)、抗震性能以及村民抗震防災(zāi)意識(shí)進(jìn)行了調(diào)查。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)湖北農(nóng)村民居的震害進(jìn)行了預(yù)測(cè)，給出了各結(jié)構(gòu)類(lèi)型的震害預(yù)測(cè)結(jié)果，為湖北省農(nóng)村地震災(zāi)害的綜合防御提供了科學(xué)依據(jù)。

1 湖北農(nóng)村民居抗震性能調(diào)查

1.1 調(diào)查內(nèi)容與方式

本次調(diào)查采取了實(shí)地調(diào)查和問(wèn)卷調(diào)查兩種方式。實(shí)地調(diào)查選擇了湖北省枝江市、仙桃市、武漢市郊、咸寧市、崇陽(yáng)縣、通城縣的農(nóng)村地區(qū)(圖1)。調(diào)查對(duì)象包括既有建筑和在建房屋兩種。以自然村為單位，通過(guò)查、看、探、訪(fǎng)的方式，對(duì)農(nóng)村住宅的結(jié)構(gòu)形式、建造方法、建造年代、連接構(gòu)造、抗震性能等進(jìn)行了調(diào)查。問(wèn)卷調(diào)查則委托學(xué)院部分湖北農(nóng)村學(xué)生，利用暑期在自己家鄉(xiāng)進(jìn)行，范圍基本涵蓋省內(nèi)各縣市，問(wèn)卷調(diào)查表的內(nèi)容見(jiàn)圖2。調(diào)查在2008年的暑期完成。

圖1 實(shí)地調(diào)查地點(diǎn)

圖2 問(wèn)卷調(diào)查表

1.2 調(diào)查結(jié)果

湖北農(nóng)村民居房屋式樣雖然較多，在不同的地域有不同的建筑方式和樣式，但歸納起來(lái)主要有3種:土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)。土木結(jié)構(gòu)基本建于1980年代以前，該類(lèi)房屋為木構(gòu)架承重，土坯墻作圍護(hù)，一般為平房，已為數(shù)不多(圖3a)。磚木結(jié)構(gòu)屋梁使用木料，墻體采用燒結(jié)磚，一般為平房(圖3b)。由于該結(jié)構(gòu)建造簡(jiǎn)單，材料準(zhǔn)備容易，費(fèi)用低，在既有房屋中占較大的比例。磚混結(jié)構(gòu)是近來(lái)興起的結(jié)構(gòu)形式，特別是近幾年中，農(nóng)村新建的房屋基本采用磚混結(jié)構(gòu)，幾乎完全取代磚木結(jié)構(gòu)，是農(nóng)村將來(lái)占主導(dǎo)地位的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，應(yīng)是今后重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。這種結(jié)構(gòu)采用磚砌體承重，預(yù)制板作層面分隔，多為2層，極少數(shù)做到了3層或以上(圖3c)。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，既有房屋中各類(lèi)結(jié)構(gòu)形式所占比例如圖4所示。

圖3 湖北農(nóng)村民居結(jié)構(gòu)類(lèi)型

圖4 農(nóng)村民居結(jié)構(gòu)類(lèi)型比例

湖北農(nóng)村民居的平面形狀以普通的橫長(zhǎng)方形為主，多為3開(kāi)間，一明二暗，也稱(chēng)“三間過(guò)”，占地面積大多120 m2左右。房屋中間為明間，作為廳，兩邊為室，左右對(duì)稱(chēng)。室的進(jìn)深與中間廳等齊或前部凸出，形成倒“凹”字形(圖3b)。廚房、牲舍、廁所等一般傍房搭建或另建。土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)的內(nèi)部以穿斗式杉木列架為支撐，上承檁、梁、椽，下以鎖腳連列架，構(gòu)成房體框架。民居多就地取材，建筑材料以實(shí)心粘土磚、木、生土、石材、砂為主。

農(nóng)村房屋的設(shè)計(jì)和施工大都由當(dāng)?shù)毓そ惩瓿桑緦儆跊](méi)有通過(guò)設(shè)計(jì)院正規(guī)設(shè)計(jì)過(guò)的房屋。施工中混凝土和砂漿的配比由經(jīng)驗(yàn)確定，拌和用水量十分隨意。房屋的建造規(guī)模與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r關(guān)系密切。調(diào)查顯示，湖北省農(nóng)民建房數(shù)量呈逐年上升的趨勢(shì)，近幾年尤為突出，這與國(guó)家近幾年經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展有關(guān)。在已調(diào)查的房屋中，不同年代房屋所占比例如圖5所示。

圖5 各年代民居比例

湖北省地質(zhì)地貌有平原、丘陵和山地3種，本次調(diào)查基本涵蓋了這3類(lèi)地區(qū)。在實(shí)地調(diào)查的房屋中，56%位于丘陵，26%位于山地，18%在平原。實(shí)地調(diào)查顯示，湖北民居宅基地一般較平整，地裂、地陷和滑坡隱患較少。場(chǎng)地條件多為中硬土，兼有少量硬土和軟土(圖6)。

圖6 場(chǎng)地條件

湖北農(nóng)村民居的基礎(chǔ)差別不大，均為磚砌或石砌條形基礎(chǔ)。基礎(chǔ)埋深大多在0.6～1.2 m范圍內(nèi)，基底分層夯實(shí)并鋪設(shè)砂墊層，很少設(shè)置地圈梁。

墻體方面，為節(jié)省造價(jià)，多數(shù)房屋采用了空斗墻。立柱則有磚柱、鋼筋混凝土柱和木柱3種。木柱主要存在于早期建筑，新建房屋均為磚柱或混凝土柱。房屋樓蓋和屋蓋的結(jié)構(gòu)形式主要有3種:木結(jié)構(gòu)、預(yù)制板和現(xiàn)澆板。早期單層房屋主要采用木屋蓋，而2層和以上的樓房則多采用預(yù)制板，是農(nóng)村民居樓蓋和屋蓋的主要承力體系。

構(gòu)造柱和圈梁能加強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)的整體性，調(diào)節(jié)地基不均勻沉降，是砌體結(jié)構(gòu)重要的抗震構(gòu)造措施。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，湖北農(nóng)村設(shè)置了構(gòu)造柱和圈梁的民居不多，特別是2000年以前的房屋。總體看，無(wú)任何抗震措施的房子占多數(shù)，抵御地震能力極弱(圖7)。但值得欣慰的是，據(jù)觀(guān)察，農(nóng)村正在建設(shè)的房屋普遍設(shè)置了構(gòu)造柱和圈梁，這與2008年發(fā)生的汶川大地震有較大關(guān)系。盡管許多設(shè)置方式不太規(guī)范，不盡如人意，但它顯示了當(dāng)?shù)鼐用癜踩庾R(shí)的提高。

圖7 抗震措施設(shè)置

2 湖北農(nóng)村民居震害預(yù)測(cè)

震害預(yù)測(cè)是指對(duì)某一個(gè)地區(qū)在遭受到可能發(fā)生的地震破壞情況下，建筑物、工程設(shè)施的震害程度以及由此所造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的預(yù)測(cè)。由于建筑物的破壞是地震災(zāi)害中最主要的形式，人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失主要是建筑破壞造成，因此建筑屋破壞程度及其分布情況是衡量某地地震災(zāi)害規(guī)模的重要指標(biāo)。農(nóng)村民居震害預(yù)測(cè)是農(nóng)村地區(qū)抗震防災(zāi)基礎(chǔ)工作的重要組成部分，也是編制農(nóng)村抗震防災(zāi)規(guī)劃的核心內(nèi)容。其目的是分析農(nóng)村建筑物在遭受不同地震烈度影響時(shí)，房屋所具有的抗震能力和可能產(chǎn)生的破壞。對(duì)于深入了解農(nóng)村地震災(zāi)害規(guī)模及其分布情況，正確評(píng)價(jià)農(nóng)村各類(lèi)房屋的抗震能力、薄弱環(huán)節(jié)以及完成其預(yù)定功能的狀況都具有重要的意義，同時(shí)為農(nóng)村地區(qū)地震災(zāi)害的綜合防御提供科學(xué)的依據(jù)。

2.1 震害預(yù)測(cè)方法

建筑物的震害預(yù)測(cè)方法有多種，本文將在此次湖北農(nóng)村民居抗震性能調(diào)查資料基礎(chǔ)上，采用建筑屋易損性分析方法對(duì)農(nóng)村民居的震害進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估［1－3］。

與其他建筑一樣，這里將農(nóng)村民房震害破壞程度也劃分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞5個(gè)等級(jí)，用符號(hào)J表示。震害等級(jí)與地震烈度和房屋抗震能力密切相關(guān)，通常用震害指數(shù)Ds對(duì)其進(jìn)行量化表示，用0表示結(jié)構(gòu)基本完好，1表示毀壞，中間等級(jí)就用0到1之間的數(shù)表征。震害等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)及其與震害指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1［4］。

表1 震害等級(jí)與震害指數(shù)

建筑物的震害預(yù)測(cè)通常用震害矩陣描述。在地震烈度為I時(shí)發(fā)生J級(jí)震害的概率稱(chēng)為震害比，用p［DJ/I］表示。震害矩陣就是將地震烈度、震害等級(jí)和震害比列成的表格。進(jìn)一步，根據(jù)各建筑物面積所占比例的權(quán)重，可計(jì)算出某一地區(qū)該類(lèi)建筑群體的震害矩陣。

湖北農(nóng)村房屋的結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要分土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)3類(lèi)，土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)基本是未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)農(nóng)村房屋，其震害矩陣無(wú)法用分析方法給出，主要根據(jù)大量震害統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得出［3］。這里參考文獻(xiàn)［3］中的C類(lèi)、D類(lèi)結(jié)構(gòu)得到的磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)震害矩陣如表2、表3所示。

表2 磚木結(jié)構(gòu)的震害矩陣%

表3 土木結(jié)構(gòu)的震害矩陣%

至于磚混結(jié)構(gòu)房屋，首先通過(guò)對(duì)這類(lèi)結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行抽樣調(diào)查，求出抽樣房屋的震害比，進(jìn)而得到該類(lèi)建筑的群體震害矩陣。抽樣房屋的震害比將采用樓層平均抗剪強(qiáng)度法確定。

樓層平均抗剪強(qiáng)度法認(rèn)為磚混結(jié)構(gòu)主要由墻體抵抗地震力，墻體的破壞主要由剪力引起，因而采用樓層單位面積的平均抗剪強(qiáng)度作為磚結(jié)構(gòu)抗震能力的標(biāo)志，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量等方面的影響進(jìn)行修正，并根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出平均抗剪強(qiáng)度與震害指數(shù)之間的關(guān)系，并依此來(lái)確定震害等級(jí)［5］。其計(jì)算過(guò)程如下:

(1)平均抗剪強(qiáng)度αcs的計(jì)算

磚混結(jié)構(gòu)第i層單位面積的平均抗剪強(qiáng)度αi計(jì)算公式為:

式中:Fj為第i層第j片墻的斷面積(cm2);Ai為第i層的建筑面積(m2);m為第i層墻的總片數(shù);τ為墻體抗剪強(qiáng)度(kg/cm2)。

假定地震力沿結(jié)構(gòu)高度按倒三角分布，在相同地震力作用下，第s樓層的折算樓層單位面積平均抗剪強(qiáng)度αcs按下式計(jì)算:

式中:n為樓層總數(shù)。

(2)震害指數(shù)Ds的確定

不同烈度下震害指數(shù)Ds(I)按下面統(tǒng)計(jì)關(guān)系得到［5］:

(3)震害指數(shù)Ds的修正

農(nóng)村民居的施工質(zhì)量和抗震構(gòu)造措施普遍達(dá)不到規(guī)范要求，震害指數(shù)需根據(jù)建筑物的體型、構(gòu)造措施、施工質(zhì)量等因素進(jìn)行修正。修正公式如下:

式中:Ci為修正系數(shù)，取值見(jiàn)表4。

表4 修正系數(shù)的取值

(4)抽樣房屋震害比計(jì)算

根據(jù)計(jì)算得到的震害指數(shù)Dsm，對(duì)照表1可得到抽樣房屋的震害等級(jí)和破壞預(yù)測(cè)，從而得到抽樣房屋震害比:

式中:NJ(I)為地震烈度為I時(shí)抽樣房屋中發(fā)生J級(jí)震害的樓層數(shù)。再根據(jù)調(diào)查地磚混結(jié)構(gòu)房屋面積總數(shù)即可得到其群體震害矩陣。

2.2 震害預(yù)測(cè)

根據(jù)上面介紹的震害預(yù)測(cè)方法，對(duì)本次調(diào)查地——湖北枝江市劉家沖村在不同地震烈度下各類(lèi)房屋的震害進(jìn)行了預(yù)測(cè)。表5為劉家沖村房屋現(xiàn)狀，當(dāng)?shù)匚挥冖龆仍O(shè)防區(qū);表6為計(jì)算得到的劉家沖村磚混類(lèi)結(jié)構(gòu)震害矩陣;表7至表9分別為劉家沖村土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)在不同地震烈度下的震害預(yù)測(cè)結(jié)果。

表5 劉家沖村房屋現(xiàn)狀

表6 劉家沖村磚混結(jié)構(gòu)震害矩陣%

表7 劉家沖村土木結(jié)構(gòu)房屋震害預(yù)測(cè)m2

表8 劉家沖村磚木結(jié)構(gòu)房屋震害預(yù)測(cè)m2

表9 劉家沖村磚混結(jié)構(gòu)房屋震害預(yù)測(cè)m2

分析結(jié)果可以看出，劉家沖村在基本設(shè)防烈度地震作用下土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)房屋均有較大面積的破壞，破壞嚴(yán)重程度也較高，磚混結(jié)構(gòu)表現(xiàn)相對(duì)較好。而當(dāng)發(fā)生高于設(shè)防烈度的罕遇地震時(shí)，三類(lèi)結(jié)構(gòu)房屋均有較大程度的破壞，反應(yīng)了當(dāng)前農(nóng)村防震減災(zāi)任務(wù)的艱巨。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，還可以得到各類(lèi)建筑屋在地震烈度I下的平均抗震能力指數(shù)D(I)［6－8］，如圖8所示，它反應(yīng)了各類(lèi)建筑屋的抗震能力。其計(jì)算公式如下:

式中:dJ為結(jié)構(gòu)發(fā)生J級(jí)破壞的震害指數(shù)。

圖8 各類(lèi)結(jié)構(gòu)民居平均抗震能力指數(shù)

從圖8中可以看到，農(nóng)村民居中磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，其次是磚木結(jié)構(gòu)，抗震能力最差的是土木結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)湖北農(nóng)村民居的抗震性能進(jìn)行了調(diào)查與分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)農(nóng)村各類(lèi)房屋在不同地震烈度下的震害進(jìn)行了預(yù)測(cè)，給出了震害預(yù)測(cè)結(jié)果。研究表明，湖北農(nóng)村民居的抗震性能十分脆弱，絕大多數(shù)房屋處于不安全的狀態(tài)，加上缺乏管理，一旦發(fā)生中等強(qiáng)度以上地震，將會(huì)造成較大的人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。在湖北農(nóng)村民居中，土木結(jié)構(gòu)的房屋破壞最為嚴(yán)重，盡管這類(lèi)房屋現(xiàn)存不多，在農(nóng)村地震災(zāi)害防御中應(yīng)予以高度重視。磚木結(jié)構(gòu)房屋是湖北農(nóng)村民居中最為典型和數(shù)量較多的一類(lèi)結(jié)構(gòu)形式，震害也較為嚴(yán)重，對(duì)這類(lèi)房屋應(yīng)加以普查并采取必要的抗震加固措施。磚混結(jié)構(gòu)是近來(lái)興起的結(jié)構(gòu)形式，可以預(yù)見(jiàn)將逐步取代磚木結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)抗震性能較好，但應(yīng)加以施工指導(dǎo)和規(guī)范化管理，使其達(dá)到抗震設(shè)防的要求。

當(dāng)前是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要機(jī)遇期，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)也以較快速度增長(zhǎng)，加上國(guó)家新農(nóng)村建設(shè)的實(shí)施，伴之而來(lái)的必將是農(nóng)村民房更新?lián)Q代的高潮。應(yīng)以此為契機(jī)，進(jìn)行農(nóng)村防震減災(zāi)工作機(jī)制和保障體系的探索和研究，全面提高農(nóng)村民居抗御地震災(zāi)害的能力。

［1］李書(shū)進(jìn)，毛羚，陶禮龍，等.湖北農(nóng)村民居抗震性能調(diào)查報(bào)告［R］.武漢:武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，2008.

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