瀘定縣6.8級地震村鎮建筑震害調查與分析

陳 云, 董金爽, 張奉超

(1. 海南大學 土木建筑工程學院,海口 570228;2. 中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司,西安 710054)

四川作為我國地震頻發、震害最為嚴重的地區之一,歷次震害均造成了不同程度的人員傷亡及財產損失。據四川省地震目錄[1],公元前26年—2021年底,四川省共發生5級以上地震309次,其中6.0～6.9級60次,7.0～7.9級21次,8.0～8.9級1次,如圖1示。四川省境內主要有三大主斷裂帶[2],包括龍門山主斷裂帶、鮮水河主斷裂帶及安寧河主斷裂帶,三大主斷裂帶交錯成“Y”形分布,如圖2示。由圖2可知,四川5級及以上地震震中主要分布在三大主斷裂帶上。

圖1 四川5級以上地震震中分布圖(公元前26年—2021年)Fig.1 Distributions of earthquakes greater than MS 5.0 in Sichuan in 26 BC-2021

圖2 四川三大主斷裂帶分布圖Fig.2 Distribution of the three main fault zones in Sichuan

據四川省地震局統計,過去10年間(2011— 2021年),四川省共發生23 次5.0 級及以上地震。地震發生區域多為人口密集的地區,如汶川地震、蘆山地震和長寧地震等,從而導致較大程度的人員傷亡及財產損失,而人員傷亡多因震害中建筑物破壞有關,如圖3示。四川省的村鎮建筑多為較分散的自建房,結構類型多樣,建設年代分布較廣,如磚木結構、磚砌體結構及磚混結構和框架結構[3-4]。整體上,這些村鎮建筑多為自行設計,且建筑質量參差不齊,抗震措施采取不到位,存在不同程度的抗震安全隱患[5]。

圖3 2011—2021年四川5.0級以上地震與人口分布Fig.3 Distributions of earthquakes greater than MS 5.0 and population of Sichuan in 2011—2021

為掌握村鎮建筑的抗震性能,國內外學者進行了大量的震害調查。在2019年夏河5.7級地震中,袁寧等[6]通過地震現場走訪調查發現,構造缺陷和日常維護不足是墻體產生較為嚴重破壞的最主要影響因素,并針對圍護墻體類型和破壞特征,給出了震后房屋加固修復對策。在2019年應城4.9級地震中,譚杰等[7]通過對6個鄉鎮近百個村落的建筑物震害情況調查,總結常見村鎮建筑類型的震害特點,并分析其破壞原因。在2019年長寧6.0級地震中,潘毅等[8-11]通過對村鎮建筑的震害調查,分析不同形式結構的震害特征和破壞原因,并給出了與當地相適宜的災害防治措施。繆小龍根據“5.12”汶川地震造成四川大量村鎮建筑倒塌的調研結果,提出了一系列加強村鎮建筑抗震能力的措施及建議。郭光玲等[12]基于對漢中村鎮既有磚木結構現狀的調查,給出了磚木結構房屋的震害規律、破壞原因和主要影響因素,并對其加固提出了建議。蔣歡軍等[13]對通過靜力彈塑性分析探討樓梯對框架結構屈服破壞機制的影響,給出了鋼筋混凝土框架結構中樓梯的改進設計建議。在2008年汶川8.0地震中,李鋼等[14]、于文等[15]對災區的村鎮建筑進行了震害調查,并對地震中村鎮房屋的常見破壞形式進行了分析,提出了村鎮建筑抗震方面的建議。劉寅等[16]對村鎮建筑中生土砌塊墻體進行的地震失效機理研究表明典型尺寸的生土砌塊墻體在地震作用下發生剪切破壞。

在2021年漾濞6.4 級地震中,戴必輝等[17]基于村鎮建筑的構成特點,分析了其震害原因。在2014 年魯甸6.5 級地震中,周鐵鋼等[18]對村鎮建筑進行了震害調查,分析了災區農房受損較重的主要原因。在2015年尼泊爾8.1 級地震中,Khadka等[19]通過震害分析,得出砌體結構及生土結構震害較嚴重的原因是其抗側向剛度較弱的結論。

我國幅員遼闊,村鎮建筑類型較多、建造年代跨度較廣、震害特點差異性較大,雖有對村鎮建筑震害的多次調查及分析,但總體上我國村鎮建筑抗震性能及防御災害的能力仍處于較低水平[20-22]。因此,對破壞性地震震害進行詳細調查及分析,可為有效防災、精準施政提供更多的基礎數據,社會意義重大。

針對此次瀘定縣6.8 級地震,課題組開展的震災調研主要為針對震中20 km內的區域,該區域內有磨西鎮、得妥鎮和燕子溝鎮,人口密度大。調研的主要結構形式為村鎮建筑中常見的磚木結構、磚混結構和框架結構。根據國家應急管理部發布的“瀘定縣6.8級地震烈度圖”顯示[23],此3個村鎮為Ⅸ度(9度)區域。據統計,3類房屋的統計數量如表1示,震害矩陣如表2示。

表1 瀘定縣6.8級地震震中3類房屋統計數量

表2 瀘定縣6.8級地震震中三類房屋震害矩陣

此次震害調研主要是針對震害較為嚴重的震中附近村鎮建筑展開,通過實地勘測震害,分析房屋破壞的情況和震害原因,并對震中附近Ⅸ度地區村鎮房屋破壞等級進行破壞等級評估,以期為災后重建及既有房屋抗震加固提供理論依據。

1 地震概況

2022年9月5日12時52分,在四川甘孜州瀘定縣(29.59°N,102.08°E)發生MS6.8級地震,震中位于海螺溝冰川森林公園,震源深度16 km,屬于淺源地震,震源機制解顯示為走滑型破裂。瀘定縣抗震設防烈度8度,設計基本地震加速度0.20g,地震分組為第二組,特征周期Tg為0.45 s。震中20 km內有磨西鎮、得妥鎮和燕子溝鎮,根據GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》,這3個鄉鎮的地震動峰值加速度分別為0.4g、0.3g、0.3g。震中5 km范圍內平均海拔約2 722 m。根據第七次人口普查顯示瀘定縣人口總數為8.4萬人,是全州國土面積最小、人口最稠密的山區多民族聚居縣,人口密度為36.95 人/km2。

根據國家應急管理部發布的最新信息[24],瀘定縣6.8級地震造成四川省甘孜藏族自治州、雅安市等6市(州)24個縣(市、區)54.8萬人受災,因災死亡失蹤117人,緊急轉移安置8萬人;災區居民住房損毀嚴重,倒塌房屋1.2萬間,不同程度損壞26.5萬間。

2 典型震害特征與分析

震中調查區域主要為村鎮地區,且部分區域為少數民族聚居地區,該區域居民自建房較少進行抗震設計,在設計和建造過程中多依據經驗,抗震防災能力較低,導致在地震時不同建筑的震害相差較大。調查區域建筑結構形式主要為磚木結構、磚混結構及框架結構,分別對此三類結構形式的震害特征進行分析。

2.1 磚木結構

磚木結構作為村鎮建筑中較為常見和典型的建筑結構形式,其圍護結構多就地取材,如磚墻、石墻、土坯墻、土筑墻、里坯外磚墻、砌塊墻或用竹笆、荊條、板條抹灰等做成各種輕質墻,其中土坯墻、土筑墻應用最多。磚木結構承重體系多采用磚墻承重或木構件與磚墻共同承重。磚木結構在建造過程中多缺乏必要的抗震構造措施,導致整體性及抗震性能較差,在地震作用下易出現墻體開裂或倒塌、木屋架嚴重傾斜或倒塌、墻倒屋塌及屋蓋破壞等破壞形式。

2.1.1 地基基礎破壞

基礎和地基是影響上部建筑結構壽命與安全的主要因素。調查中未發現嚴重的沉降現象,有個別房屋的柱子與礎石出現了滑移或臺階與地面脫離的震害形式,如圖4示。

圖4 地基破壞形式Fig.4 Foundation failure form

據了解,大多數磚木民居有幾十年的歷史,地基沉降已完成,根據當地傳統建造習慣,地基土都經夯實且做毛石基礎,故而未發現較重震害。

2.1.2 結構整體倒塌

地震中,一些磚木結構發生較為嚴重的整體倒塌,如圖5、圖6示。這是由于這些結構建造年代較為久遠,承重木構架由于腐蝕和蟲蛀對木材的損傷,嚴重影響了其承載能力。此外,部分結構缺乏必要的抗震構造措施,屋蓋與墻體、縱橫墻間缺乏必要的拉結措施,導致地震作用下,結構連接部位易發生脫離,并形成運動相位差,從而引起梁檁對墻體的碰撞,從而導致結構在地震作用下發生坍塌或整體傾覆。

圖5 房屋整體倒塌Fig.5 Overall collapse of the structure

圖6 結構整體傾覆Fig.6 Overall overturning of structure

2.1.3 墻體破壞

調查發現該地區的圍護墻體通常下重上輕,且后墻與山墻的土坯外圍護墻相互勾搭成“L”形附著在木構架的外圍,若墻體震壞時里側有立柱、梁等木構件抵住,所以出現“墻倒屋不塌”,“倒墻倒外面”,這對抗震較為有利,如圖7示。

圖7 地震作用下基本完好的磚木結構Fig.7 Basically intact of masonry-timber structure under earthquake action

調查中發現某些磚木結構的圍護墻體缺乏與其他結構構件的必要拉結措施,地震時木構架的晃動以及彎曲變形將引起墻體的“X”向開裂,嚴重時甚至倒塌;部分柱架由于根部腐朽下沉,導致墻體直接承重梁上的荷載,較大的應力集中導致墻體出現較大的裂縫;此外,木構架與墻體的抗側剛度相差較大,地震作用下,兩者變形不協調而導致墻體損壞或倒塌,特別是橫向變形,木構架遠大于墻體,易導致山墻倒塌。對于墻包柱的形式,由于不能協調變形,震害比較明顯。此外,調查中發現有些墻體僅有一匹磚,整體豎向剛度及側向剛度均不足,在地震作用下,極易發生倒塌,如圖8示。

圖8 墻體破壞Fig.8 Damage of walls

對一些磚-木-生土墻房屋,由于生土墻體抗外界侵蝕能力不強,不可避免地遭受到雨水、太陽輻射等自然氣候的侵蝕或人為破壞(如在墻角堆放雜物),導致墻腳侵蝕、墻體剝落等墻體破壞,且生土墻與木構架缺乏必要的拉結措施,生土墻與木構件是完全分離的兩個結構,導致地震時,生土墻極易倒塌,如圖9所示。

圖9 磚-木-生土結構墻體倒塌Fig.9 Overall collapse of masonry-timber-soil structure

2.1.4 屋蓋破壞

對于屋面結構,多采用有檁屋蓋,檁條采用木材,由于年久失修,且雨水較多,屋面雜草叢生、漏雨積水嚴重,加之屋面瓦片破壞,有些建筑的屋頂存在一定程度的滲漏現象,加劇了木構架的腐朽與性能退化。調查中發現,磚木結構的屋蓋損壞較為普遍,這是由于木屋架與墻體拉結性能較差,甚至于無拉結措施,地震作用時,木屋架極易發生錯動,或屋架與山墻變形不協調,導致屋脊被拉裂,如圖10所示。

圖10 屋蓋破壞Fig.10 Damage of wood roof

此外,屋面瓦與椽條間無有效拉結,導致屋面溜瓦,如圖10(c)所示,或屋面與周邊建筑物缺乏必要的連接措施,導致屋架整體下沉,如圖11所示。

圖11 屋蓋與其他建筑缺乏必要連接措施Fig.11 The roof lacks the necessary connection with other buildings

2.2 磚混結構

磚混結構作為抗震性能優于磚木結構的結構形式,且造價較低,在村鎮建筑中被普遍采用,其豎向及水平荷載主要通過磚墻承擔,樓面及屋面多采用預制的混凝土板。

調查中發現,高烈度區的磚混結構若未考慮抗震構造措施或抗震構造措施設置不合理,則破壞嚴重,沒有考慮抗震措施的建筑,如縱橫墻轉角處未設置構造柱,甚至發生倒塌。某些采取抗震構造措施的磚混結構,措施不完備或不合理,在地震作用下同樣易遭受破壞。究其原因是由于這些建筑多是由當地工匠根據經驗建造,且有些建筑建造年代較久遠,墻體多為強度較低的混合砂漿砌筑,砂漿因年代久遠而性能大幅度退化,導致磚混結構在此次地震中破壞較為嚴重,其震害特征為地基基礎破壞、結構整體倒塌、墻體破壞、樓(屋)面破壞及非結構構件破壞。

2.2.1 地基基礎破壞

地基和基礎的破壞會導致建筑物較為嚴重的損害,震中附近3鎮的村鎮建筑基坑多是開挖較淺的淺基礎,基礎類型多為條形基礎,由于大部分磚混房屋建造年代久遠,地基沉降已完成。調研中發現,部分磚混結構由于上部結構構造措施缺失或不完備,如構造柱、圈梁設置不合理或未考慮構造措施,導致在地震作用下,基礎產生不均勻沉降,造成上部結構開裂或縱橫墻轉角處破壞嚴重,如圖12所示。

圖12 地基沉降導致結構破壞Fig.12 The settlement of the foundation leads to structural failure

2.2.2 結構整體倒塌

調查中發現,缺乏抗震構造措施的磚混結構,如構造柱、圈梁及樓梯間墻體灰縫中未埋置拉結鋼筋等,易發生整體倒塌。此外,樓(屋)板多采用預制板鋪設,缺乏與周圍梁、墻體的連接措施,導致結構整體性較差,甚至發生地震時預制板整體掉落。墻體中砂漿因老化而導致強度衰減、黏結性降低,較大程度削弱了砌體抗壓與抗剪強度。如圖13所示,某磚混結構整體發生倒塌。

圖13 結構整體倒塌Fig.13 Overall collapse of structure

2.2.3 墻體破壞

磚混結構中墻體作為主要的抗側力構件,對結構抗震性能影響重大。調查中發現震中區域磚混結構的墻體多采用實心黏土磚砌筑,部分磚混結構的墻體之間或墻體與其他結構的拉結措施不完備或不合理;有些結構未設置構造柱和圈梁等構造措施,導致磚混結構墻體破壞較為嚴重,如圖14所示。

圖14 墻體開裂及墻體坍塌Fig.14 Wall cracking and wall collapse

墻體開裂作為磚混結構最為顯著的震害特征,軸壓比是影響其破壞形式的最主要因素。對于村鎮常見磚混結構中的無筋砌體,其軸壓比一般在0.047～0.492[25],且隨著層數的增加,軸壓比逐漸增大,總體上,外墻軸壓比小于內墻。地震作用下,若軸壓比較大,墻體易發生剪切破壞,墻體在重力及地震復合作用下,墻體內主拉應力超過砂漿抗拉強度,砂漿開裂,裂縫呈階梯形斜向擴展,形成X形剪切裂縫,該類型破壞在歷次地震中均有所體現,如圖15(a)、圖15(b)所示。

圖15 墻體破壞Fig.15 Damage of walls

當墻體高寬比較小,加之建造年代久遠,砌筑砂漿易產生老化,墻體的抗拉及抗剪強度降低。地震時,墻中間易形成一條水平裂縫如圖15(c)所示。縱橫墻轉角處在地震作用下易產生應力集中,若未設置構造措施或設置不完備,易出現墻角裂縫,如圖15(d)所示。

如圖15(e)、圖15(f)所示,窗間墻由于墻體缺乏拉結措施,地震時窗間墻易出現平面外或平面內失穩,導致墻體出現整體性的傾覆外閃;若縱橫墻間缺乏必要的構造措施,則易造成墻體抗側剛度不足,導致墻體出現貫通裂縫,或墻體兩側產生不協調的錯位滑移。

墻體作為磚混結構的豎向承重構件,又是主要的抗側力構件,若墻體設置不合理,縱橫向剛度差別較大,則會導致墻體自身的穩定性與抗震能力差,加之屋面板與墻體缺乏連接措施,屋面板多是直接搭在墻體上,約束能力弱,易導致墻體在地震作用下發生倒塌,從而引起結構局部倒塌,甚至連續倒塌,如圖16所示。

圖16 結構局部倒塌Fig.16 Partial collapse of structure

2.2.4 樓(屋)面破壞

此次震中附近的磚混結構,樓屋面板多采用空心預制板,施工時將其直接支撐于兩端的墻上,而很少采用必要的連接措施,預制板間也無拉結措施,整體性能較差,預制板間僅填充水泥砂漿,在地震作用下結構晃動時,水泥砂漿很快失去拉結作用,導致預制板易發生掉落,如圖17所示。

圖17 樓面破壞Fig.17 Damage of floor

2.2.5 非結構構件破壞

調查中發現,磚混結構非結構構件的震害主要表現為女兒墻開裂,如圖18(a)、圖18(b)所示,某磚混結構的女兒墻與下部結構產生錯動,在女兒墻底部出現水平貫通裂縫。究其原因,主要是上部的女兒墻與下部結構缺乏連接措施,女兒墻平面外未設置有效的約束,且女兒墻及其在轉角處通常不布置構造柱,導致在鞭梢效應作用下,女兒墻底部易出現貫通裂縫。

圖18 非結構構件破壞Fig.18 Damage of non-structural components

女兒墻的破壞雖然不會對結構的整體性能產生較大影響,但若女兒墻掉落,則可能造成房屋的二次破壞和人員的傷害。此外,某些磚混結構室外裝飾也出現了大面積的剝落,如圖18(c)所示。

2.3 框架結構

框架結構抗震性能優良,其承載構件主要為梁、柱及樓板,填充墻多采用空心砌塊。在此次調查中發現,震中附近框架結構主要是用于公共建筑,如學校、辦公樓等,經正規設計施工的框架結構總體上在地震中震害較輕,震害多為結構與填充墻之間出現裂縫或非結構部件開裂、墜落等,此類破壞對結構的安全性影響較小,經加固后仍可繼續使用。但調查中也發現,少量框架出現與其他框架明顯差異,其結構及其非結構部件破壞均相對嚴重,呈現出豐富的結構破壞現象。

2.3.1 梁、柱及節點震害

梁、柱作為框架結構主要的承重構件,地震中震害發生的位置一般位于端部,如圖19(a),圖19(b)所示,某框架結構柱端發生壓潰破壞,破壞范圍延伸至梁-柱節點。該長柱破壞主要發生在柱端,先出現“彎剪”裂縫,后柱端混凝土壓潰,豎向鋼筋彎曲外凸,呈燈籠狀。這是由于此處的彎矩、剪力和軸力均較大,柱箍筋配置不足或者錨固不好,在彎、剪和壓共同作用箍筋對核心混凝土的約束作用不足,導致柱端壓潰破壞。

圖19 梁、柱及節點破壞Fig.19 Damaged of beams, columns and joints

某些框架結構梁端發生剪切破壞,混凝土剝落嚴重,鋼筋外露,如圖19(c)所示,某些框架結構梁端破壞雖未發生混凝土大量剝落、鋼筋外露等嚴重破壞,但裂縫開展嚴重,需加固后方可使用,如圖19(d)所示。此外,某些框架結構在梁-柱節點處產生沿著節點約45°方向的剪切破壞,致使整個節點破壞嚴重,結構失去承載能力,如圖19(e)所示。

2.3.2 非結構構件震害

填充墻作為框架結構中非承重構件,主要用作隔斷空間,工程中常采用空心砌塊砌筑,因而受剪承載力較低,變形性能較差。調查中發現,震害較嚴重填充墻,多是采用填充墻與框架脫開砌筑方式,填充墻端部未設置構造柱,與周邊柱拉結措施設置不足,最上部一匹磚與框架梁脫離而采用斜砌方式,如圖20(a)所示,地震時,水平地震力將使嵌砌在框架和梁中間的填充墻砌體頂推框架梁柱,易造成節點處破壞,如圖20(b)所示。

圖20 填充墻破壞Fig.20 Damage of infill walls

調查中發現構造措施設置不足的填充墻易發生墻面斜裂縫,并沿柱周邊開裂,產生“X”形裂縫,如圖20(a)所示;部分砌體倒塌,如圖20(c)所示;端墻、窗間墻和門窗洞口邊角部位破壞更加嚴重,如圖20(d)所示;烈度比較高時墻體會全部倒塌,如圖20(e)所示;某些填充墻與框架結構的界面處出現水平裂縫,如圖20(f)所示、圖20(g)所示。圖20(h)所示為震中附近某小區框架結構底部填充墻破壞。

除填充墻外,框架結構中其他非結構構件的破壞主要集中于女兒墻、雨棚、吊頂,樓面裝飾、窗戶等部位。磨西鎮某六層框架結構外墻窗戶及底層填充墻外裝飾發生掉落,如圖21(a)所示;某框架辦公樓室外臺階發生錯位,部分臺階踏板破碎,如圖21(b)所示;某辦公樓的吊頂未采用抗震支架或抗震夾等措施,部分吊頂板發生脫落,但整體震害較輕,如圖21(c)所示;某會議室門口的汽車坡道出現嚴重的開裂,如圖21(d)所示;某框架結構報告廳玻璃門窗發生嚴重傾斜,如圖21(e)所示。

圖21 非結構構件震害Fig.21 Seismic damage of non-structural components

3 地震破壞等級評估分析

由于施工工藝、建筑材料及結構形式的不同,導致村鎮建筑的震害程度存在諸多差異,尤其是震中附近磨西鎮的地震動峰值加速度為0.40g,烈度為Ⅸ度,場地條件差異導致村鎮建筑震害程度差異性更顯著。

依據GB/T 24335—2009《建(構)筑物地震破壞等級劃分》[26]和GB/T 17742—2020《中國地震烈度表》[27],并結合現場震害調查的情況,將村鎮建筑的震害等級劃分5個等級,即基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、倒塌。考慮到基本完好、輕微破壞較難界定,將基本完好與輕微破壞合并為一類,稱為基本未破壞,即將震害等級劃分4個等級,分別為基本未破壞、中等破壞、嚴重破壞、倒塌,與其對應的建筑物可修復程度分別對應為較易修復、可以修復、不可修復、不可修復。為方便現場震害調查和分類,給出了不同結構在不同破壞等級下的典型實例,如表3所示。

表3 地震作用下村鎮建筑震害等級、可修復程度及典型實例Tab.3 Typical examples for damage grade of rural architecture and corresponding repairable degree

4 結 論

基于瀘定縣6.8級地震概況及震中附近村鎮建筑實地調研,根據村鎮建筑的建筑特點,重點分析了磚木結構、磚混結構、框架結構的震害特點,對此3類村鎮建筑在地震作用下的地震破壞等級進行評估分析,并結合村鎮建筑抗震加固措施,得出以下結論。

(1) 調研中發現,框架結構主要為公共建筑,大部分結構設計滿足現行規范要求;設計合理的框架結構震害明顯比磚木結構及磚混結構輕,整體上表現了較好的抗震性能。嚴重破壞的框架結構主要是在設計中構造措施設置不合理導致或非結構構件破壞,嚴重破壞的框架結構數量較少,約為7.2%,未見倒塌情況。填充墻嚴重破壞同時伴隨著框架梁柱及節點的破壞。

(2) 磚木結構及磚混結構倒塌戶數占比調查房屋最多,嚴重破壞的房屋占調查房屋的比例較高,未倒塌的房屋大部分需經過大的維修加固才可繼續服役,且服役質量下降。這主要是由于此兩類結構形式受當地建造及經濟水平,多為自建房,建造主要是依靠匠人經驗,設計和建造缺乏必要的管理和監督,導致該兩類房屋在建筑、結構及構造上存在較大差別,房屋抗震能力參差不齊,且整體抗震水平較低。

(3) 地震過程中人員傷亡主要與房屋的破壞程度及破壞形式關系較大。地震時,人員逃離過程中,若房屋構件掉落或房屋倒塌,極易造成人員傷亡。因此,在加強村鎮建筑抗震能力的基礎上,結合村鎮建筑的震害特點,制定相應的逃生避難方法及策略,加強防震避難知識宣傳,強化應急疏散演練,以提升村鎮地區人員在地震時的逃生能力,最大限度減少人員傷亡。

(4) 與以往震害相比,磚木結構及磚混結構構造措施缺失導致結構產生嚴重破壞甚至倒塌的現象與其他歷次地震的典型震害區別較小;框架結構中的自建房由于構造措施不到位導致破壞程度大于公共建筑框架結構,與其他地區框架結構震害相比,無明顯差別。