平潭石結構房屋的抗震性能分析及防治加固研究

林曉東

（福建省建筑科學研究院，福建 福州 350025）

平潭是福建省東部沿海一個島縣，與臺灣隔海相望，為全省第一大島。季風明顯，夏季以偏南風為主，其余季節多為東北風，風力年平均風速6.9m/s，灣海地區全年大風7 級以上日數為125 天，是本省強風區之一。島上礦藏資源有花崗巖、石英砂。因交通不便及強季風的限制且島上又盛產花崗巖，過去島上很多居民因地制宜、就地取材將花崗巖石材大量用到建筑中。

石材料性質屬脆性，抗剪、抗彎、抗拉強度較低，平潭島上的石結構房屋多數是由島上工匠憑借多年經驗進行設計和施工，沒有經過正規嚴謹的設計，更沒有進行相關抗震設計，工匠在選材、砌筑技術、房屋構造、施工管理方面存在許多缺陷。房屋結構通常存在或多或少的安全隱患，抗震性能差，影響了房屋的正常功能和后續使用年限，嚴重的隱患會導致房屋倒塌，島民的生命和財產也受到威脅。

1 平潭石結構的形成及結構類型

平潭石結構房屋是就地取材、因地制宜的傳統房屋結構類型。它具有悠久的歷史和濃厚的地方建筑特色。千百年來，石頭和平潭人民生活息息相關，由于平潭島盛產花崗巖石，所以，島民就地取材，利用豐富的花崗巖石建造房子。距今5 500～6 000 年的新石器時代，已經有人類在島上繁衍生息。平原鎮山顯美村南垅自然村殼山文化遺址出土了各種石制工具，表明平潭島的祖先已在石器時期就使用石料。

平潭島上現有的石屋主要分為四扇厝（圖1）和竹篙厝（圖2）。四扇厝是平潭最重要的傳統房屋形式，屬于福建“一亮兩暗”傳統房屋類型。舊時的平潭房屋多為石木結構，房屋的屋頂呈人字形，屋頂不留風雨檐，用拱形的瓦片正反交錯鋪蓋，上面壓上巨石防止大風揭瓦。房屋的規模和大小是以“榀”為單位，民間稱為“扇”。富商和官宦的房屋會有六扇厝、八扇厝，普通百姓多為四扇厝。四扇厝一般為兩層，大門、天井和中堂都在中軸線上，左右兩側用橫墻隔為房間，中間用木板相隔分為前后房，中間為廳，又分為前廳、后廳，前廳是整座房屋最明亮的廳堂，后廳一般用作廚房、倉庫、雜物間或用來放置漁具、農具。這種結構非常適合大型老式家庭。

圖1 四扇厝

竹篙厝是清初在平潭開始慢慢形成的另一種形式，閩南海軍駐扎在平潭島，兵營駐守在魚口，以閩南傳統形式建造房屋。后來，當地人開始模仿，而后逐漸發展成為平潭住宅的另一種形式。竹篙厝按入口、房間、前院、大廳、房間和后院的順序排列。房子的前面和后面都有門，大廳的兩側都有門，由此可以與左右房屋連通。院子里有魚眼天窗。從平面布置中不難看出竹篙厝的深度較深，易守難攻，但因為采光不好，也不通暢，后來島上建造這樣房子的人越來越少了。平潭島鮮明的特點鑄就了偉大的居住文化，吳金泰說“這些獨特的石頭民居冬暖夏涼，還可以抵擋海島大風大浪以及潮濕等各種惡劣天氣”。

圖2 竹篙厝

2 平潭石結構房屋特點及抗震性能缺陷的表現和成因分析

石材本身具有抗壓強度高、耐久性好、吸水率低和外觀漂亮的優點，是傳統的建筑材料之一。由于具有良好的耐久性，許多古代建筑文化都以石結構的形式傳承下來。平潭盛產優質花崗巖石材，具有濃厚的建筑特色和悠久的歷史。目前，石結構房屋在島上建筑中占比仍然很高，是平潭住宅的主要結構形式。

2.1 平潭石結構房屋的特點

根據平潭住宅建筑的結構特點，分為石結構、石磚結構、石混凝土結構、磚混凝土結構、石木結構和鋼筋混凝土框架結構，其中以石結構和石木結構為主要結構類型。由此可見，早期平潭島建造房屋的過程是相當混亂的。早期住宅施工技術水平較低，工匠多是憑借經驗建造。野蠻加層改造、年久失修破損嚴重等現象普遍存在，住宅的安全現狀和防災形勢不容樂觀。首先，由于平潭處于亞歐板塊與太平洋板塊交界處，地震活動非常活躍，處在地震烈度7 度的抗震設防地區未經抗震設計的房屋是非常脆弱的。其次，由于臺風和亞熱帶氣候的影響，平潭島每年都要發生數月的臺風，而且經常報告因惡劣天氣造成的事故。因地震和臺風等自然災害有安全隱患的房屋對島民的生命和財產構成巨大威脅。

2.2 石結構房屋抗震性能缺陷的表現和成因分析

石結構房屋在抗震性能方面，首先，因石材自重大、剛度大，所以，地震反應也大；其次，石材變形能力小，抗剪、抗彎、抗拉、抗扭等受力性能都很差，這就決定了石結構房屋的抗震能力先天不足，下面列舉五點抗震隱患的表現并對其進行分析。

2.2.1 石墻傾斜、開裂

平潭住宅多數是由工匠憑經驗設計和建造的，在地基承載力和基礎形式上也是憑借經驗和習慣做法確定的。當局部地基的承載力小于基礎所能承受的上部荷載時，基礎便會產生不均勻沉降。基礎不均勻沉降的原因有以下五點：（1）基礎土質變化大，承載力差異大。（2）持力層下夾有軟弱土層，持力層的厚度不足。（3）基礎上部荷載變化大，未按照規范要求設置沉降縫。（4）周邊新建建筑物的振動、降水、開挖、堆載和主體施工過程，導致局部地基土受力的傳遞疊加。（5）基礎結構自身破壞。

2.2.2 未設置構造柱、圈梁

當房屋的跨度、層高、總高度等超過限值要求時，未設置構造柱、圈梁等鋼筋混凝土構件會使房屋的整體性變差，縱橫墻交接處連接薄弱。當地基受到不均勻沉降產生的彎曲應力或較大的振動荷載作用時，石結構房屋的墻體會產生裂縫，甚至傾斜。

2.2.3 承重構件錯位或斷裂

石構件抗剪、抗拉、抗彎強度不足導致抗震性能缺陷。石材的抗壓強度高，抗剪、抗拉、抗彎強度低，當在超過允許值的剪力、拉力、側壓力等荷載效應下，將引起石材脆性破壞。地震襲來時，石柱、石梁、石樓板、石樓梯等承重構件毫無預兆的脆性破壞，其危害性極大。

2.2.4 石砌體結構砌筑所采用的方法或材料不當

平潭石結構房屋墻體多數采用粗料石(毛料石)黃土砂漿座漿(甩漿)砌筑，砂漿不飽滿，經過幾年的風吹日曬砂漿粉化嚴重且易碎，砂漿的干縮效應和不緊密性使得砂漿在石砌體結構中的強度等級幾乎為零，這將極大地削弱石砌體結構的抗震變形能力。施工不規范會導致墻體的上下皮石塊水平接觸面不規則，墊片的大小、數量和排列也不均勻，導致砌體壓應力不均勻，使得石墻的整體穩固性變差，進而削弱砌體的抗剪強度。

2.2.5 部分承重構件地震時易造成房屋局部先行破壞

石柱、石梁、石樓板等構件因支撐(錨固)長度不足等原因會導致脫落、錯位、失穩等后果；另外，砌體的搭接方式、砂漿強度、施工時水平度、垂直度控制等因素將影響到砌體的抗壓強度和穩定性，進而影響整個結構的抗震性能。

3 平潭石結構房屋的抗震防治以及加固

平潭位于環太平洋地震帶和東南沿海地震帶交匯處，處于福建省最大的活動斷裂構造帶長樂-詔安帶的東北端，屬地震活動較多且強烈的地區。福建省緊鄰全球地震最為活躍的臺灣地震帶，東南沿海地區被列為全國地震重點監視防御區，平潭地區抗震設防標準為7 度。

為保證石結構房屋正常使用功能和壽命，應在施工建設中采取合理的加固方式，對新房屋進行設計和施工。根據平潭石結構房屋抗震性能缺陷的分析，抗震具體措施如下。

3.1 地基的穩定性

應尋找基巖或干燥、密實且均勻的土層作為新房地基，不宜在軟土層、分布不均勻的土層、古老的河道和活動斷層等區域建造房子。在不可避免的情況下，應采取有效措施防止沉降不均。考慮到建筑物的現場材料和經濟性，地基處理應采用更換填充墊層，石灰土樁復合地基和土工合成材料加固處理等方法。

3.2 建筑用材合理性

（1）新建多層石結構房屋不得采用石柱、石梁、石樓板作為承重構件，應設置地圈梁、構造柱、圈梁使房屋形成一個整體，宜采用現澆或者裝配式鋼筋混凝土樓板、屋蓋板。

（2）跨度大于4.2m 的梁和跨度大于6m 的屋架，其支承位置的砌體應設置鋼筋混凝土或混凝土墊塊并與圈梁澆成整體。

（3）各種料石的高度、寬度均不宜小于20cm，長度不宜超過厚度4 倍。

（4）砌筑用砂漿不應采用黃土砂漿，宜采用水泥砂漿。

3.3 建筑構造規范要求

（1）非空曠的單層石砌體房屋有墊片砌筑時層高不應超過4m，當采用無墊片鋪漿砌筑時層高不應超過5m；多層石砌體房屋的層高不應超過3m。石砌體結構房屋墻體不應小于220mm。墻體采用細料、半細料石砌筑時，房屋的高度不應超過13m，層數不應超過4 層；墻體采用粗料石、毛料石砌筑時，房屋的高度不應超過10m，層數不應超過3 層；對于乙類設防、采用干砌甩漿法砌筑或者橫墻較少的石砌體，房屋高度應根據墻體類別不同相應降低3m，層數應減少一層。多層石砌體房屋的最大高寬比不應大于2.5。

（2）應采用橫墻承重或縱墻共同承重的結構體系；抗震墻在平面內宜閉合、均勻對稱，沿平面內宜對齊，沿豎向應上下連續，且縱橫墻抗震墻體數量不宜相差過大。多層石砌體結構房屋的抗震橫墻最大間距：現澆或裝配整體式鋼筋混凝土樓板、屋蓋最大間距為10m，裝配式鋼筋混凝土樓板、屋蓋最大間距為7m，木樓板、屋蓋最大間距為4m。抗震橫墻洞口的水平截面面積應不大于全截面面積的1/3。

（3）縱橫墻交接處應無墊片咬槎漿砌，沿墻高每隔500mm 應有兩根直徑不小于6mm 的水平拉結筋，每邊伸入墻內不宜小于1m。

3.4 加固方法及配合使用的技術

當石砌體結構的構件承載力不能滿足要求時，應對其進行加固。加固有直接加固法和間接加固法兩種，在設計時宜根據對應的建筑結構特點，結合實際的設計需求進一步還原建筑風貌，選擇適宜實際條件的加固方式。

（1）石砌體結構構件，這種加工可以采取直接加固的方式來進行。在工程實際進行過程中，需選用鋼筋網水泥砂漿面加固層加固法，其中可以選擇類似灰縫灌漿加固型的加固方式和外包型鋼加固法，或者針對性地選擇外加鋼筋混凝土的形式來進行加固。如選用間接加固法需根據實際工程進展狀況通過選擇合適的抗震墻、增設支點等來進一步穩固結構的傳力途徑。

（2）石砌體的受彎構件，這種方式采用直接加固的形式根據施工建設情況進一步進行施工建設，需要按照實際情況中存在的受力區域進行外層加固。此外，還可以選擇外粘型鋼加固法以及對應的置換方式，對整個結構進行間接加固。

4 結語

總而言之，在當前的石結構房屋建設過程中，抗震結構必須建設得更加穩定，不能忽視抗震隱患。在實際建設過程中造成隱患存在的因素不是單一的，而是在兩個或多個原因綜合影響下發生。本文對平潭石結構房屋的抗震性能進行了分析，提出產生這些抗震隱患的原因，列舉了防治和加固措施，希望本文能夠引起相關人員對石砌體結構房屋抗震隱患的重視，避免事故的發生。