江蘇高郵、寶應MS4.9級地震現場震害調查與破壞原因研究1

洪海春 楊偉林 彭小波 范小平 顧勤平

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江蘇高郵、寶應4.9級地震現場震害調查與破壞原因研究

洪海春 楊偉林 彭小波 范小平 顧勤平

（江蘇省地震工程研究院，南京 210014）

江蘇高郵、寶應4.9級地震在極震區造成了數10間農村民居不同程度和不同方式的破壞，出現人員傷亡。震后對地震災害現場進行震害調查與破壞原因研究，典型的震害特征包括磚砌體、磚木和磚混結構房屋局部傾倒、墻體貫通開裂、房頂瓦片掀翻和煙囪倒塌等。農村民居遭到破壞的主要因素包括：選址不當、施工質量較差、砂漿強度不夠、缺少圈梁和構造柱等。同時，分析了豎向地震作用和鞭梢效應等地震效應，討論了磚砌體和磚混結構抗震設計的加固方法和改善抗震性能的構造措施等，為農村民居的抗震設防和減輕震害損失等提供參考。

高郵、寶應4.9級地震 震害調查 破壞原因 豎向地震作用 鞭梢效應

引言

2012年7月20日20時11分在江蘇省揚州市的高郵市、寶應縣交界處（N33.0°，E119.6°）發生了4.9級地震，震源深度5km。地震發生時，江蘇省全省普遍有感，周邊省、市也有部分地區有感。這次地震是1990年常熟5.1級地震以來江蘇省陸地發生的最大地震，地震發生后江蘇省地震局立即啟動應急預案，20時40分起陸續派出三支地震現場工作隊伍趕赴震區。根據華東協作區應急聯動方案，上海、安徽、浙江等地部分地震現場工作隊員也在震后當晚趕赴震害現場，進行了地震烈度調查、震災評估、地震科考和流動監測等（洪海春等，2011）。

高郵、寶應4.9級地震發生在仲夏的晚上，地震時許多村民剛吃過晚飯，準備洗澡、納涼或者看電視，感覺到地震后都紛紛外跑，絕大多數居民避免了被掉落塊體和倒塌墻體砸傷。根據地震災后的調查結果，高郵、寶應兩地共有6個鄉鎮不同程度受災，此次地震微觀震中位于高郵市周巷鎮、宏觀震中位于寶應縣夏集鎮（兩地相距約8km），極震區震中烈度為Ⅵ度，地震造成1人死亡、2人受傷，數10間房屋以不同的程度和方式被破壞。這是在中強地震活動背景下中強地震成災的典型案例（高孟潭等，2010），從而引起省、市（縣）、鎮各級政府領導和中央電視臺等新聞媒體的關注。

本文基于地震現場震害調查與破壞原因研究，分析了部分農村民居出現磚砌體房屋局部傾倒、墻體貫通開裂、房頂瓦片掀翻和煙囪倒塌等的典型震害特征，以及豎向地震作用和鞭梢效應等，討論了磚砌體和磚混結構抗震設計的加固方法和改善抗震性能的構造措施等，可為農村民居的抗震設防和減輕震害損失等提供參考。

1 地震現場震害調查

高郵、寶應4.9級地震震害的主要特點為：震中區破壞較強烈，影響范圍較大，極震區相對集中，主要分布于高郵市周巷鎮和寶應縣夏集鎮。應當說，地震災區部分房屋沒有經受住此次4.9級中強地震的考驗（洪海春等，2011）。根據地震現場災評小組評定和專家鑒定：此次地震造成高郵市周巷鎮和寶應縣夏集鎮等部分房屋開裂、局部倒塌，總體的地震損失相對較輕，對人民群眾正常生產生活影響較小。根據中國地震動參數區劃圖，高郵市的抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震動峰值加速度為0.10g，而寶應縣的抗震設防烈度為Ⅵ度，設計基本地震動峰值加速度為0.05g（中華人民共和國國家標準，2001）。根據工程地質資料顯示，受災區域的覆蓋土層較薄（約50m），其場地卓越周期接近于磚砌體結構的自振周期，致使房屋晃動比較劇烈，出現倒塌開裂、錯位和少量貫穿型“X”裂縫（洪海春等，2011），個別房屋建筑破損程度屬于中等破壞，經濟損失較大。地表沒有出現嚴重變形或破壞，地震裂縫、地震塌陷（形成陷坑、溶洞陷落）、砂土液化等地表變形或破壞現象均未明顯出現。

1.1 墻體局部倒塌破壞

在高郵市周巷鎮和寶應縣夏集鎮2000年以前修建的房屋約占75%，當地大多數房屋以2層磚砌體結構為主，采用混合砂漿勾縫較常見，以墻為承重主體，采用承重柱、構造柱、圈梁等抗震措施不足，縱橫墻連接部位不牢固，房屋結構不合理，所以抗震能力較差、出現局部倒塌，如圖1所示。磚砌體的抗壓強度隨著塊體和砂漿強度等級的提高而提高，而塊體的外形越規則、越平整，則砌體的抗壓強度越高。在地震現場調查中發現，砌體中灰縫的厚度不夠規范，混合砂漿的厚度較大，水泥砂漿和石灰砂漿的厚度較小，這可能是房屋建筑過程中考慮經濟因素較多造成的（混合砂漿的成本較低）。采用水泥砂漿和石灰砂漿可以改善受力特性和達到防潮要求，同時，這兩者的粘結力較大和耐久性較好。為保證磚砌體均勻受力和使砌體緊密結合，要求砌筑后灰縫飽滿，厚薄均勻，否則，磚砌體受力后容易彎曲而斷裂（彭小芹等，2002）。建筑材料和施工質量是保證建筑物抗震性能的主要因素。在此次地震的極震區少數農村民居墻體厚度較薄，不符合國家相關規范的要求（中華人民共和國行業標準，2008），導致墻體局部倒塌破壞。

磚砌體的抗壓性能較好，而抗剪性能較差，設置鋼筋混凝土構造柱和圈梁能提高墻體和房屋的整體性。構造柱的作用主要表現是增加砌體房屋的抗剪強度，提高墻體高厚比限值，對砌體起到約束作用，使其變形能力有較大提高。圈梁的作用主要表現是提高樓蓋的水平剛度，增強縱、橫墻的連接，減小墻體的自由長度，減輕地基不均勻沉降對房屋的影響（彭小芹等，2002）。2000年以前修建的房屋基本沒有設置構造柱和圈梁，這是在中強破壞性地震近場較強震動荷載作用力下，出現整面墻體倒塌的主要原因。然而，最近10年修建的房屋絕大多數是2層磚混結構，部分房屋設置了構造柱和圈梁，在此次地震后其主體結構基本完好，未造成實質性的損傷。

1.2 墻體開裂破壞

房屋墻體開裂破壞主要表現在縱橫墻連接處開裂和墻體“X”形剪切裂縫，個別甚至出現內外墻體大型貫通裂縫等，如圖2所示。縱橫墻連接處未進行特殊處理，整面墻體未設置拉結鋼筋或者拉結鐵絲網片的抗震構造措施（中華人民共和國行業標準，2008），因此，容易產生墻體開裂破壞現象。空斗墻具有用料省、造價低、自重輕和隔熱、隔聲性能好等優點，但是，在土層較厚或土質軟弱的地基且可能引起建筑物不均勻下沉時，不宜采用空斗墻砌筑。相對實心磚墻而言，空斗墻的縱橫墻連接處抗震性能更低。縱橫墻連接處由于受到兩個水平方向和豎直方向地震力的共同作用，受力情況特別復雜，容易產生應力集中效應（彭小芹等，2002）。總體上說，空斗墻是一種非均質砌體，堅固性較實砌墻差，因而墻體的重要部位須砌成實體，例如：縱橫墻交接處、門窗洞口的兩側等。因此，在農村民居砌體房屋中，應盡量采用實心磚墻提高房屋的抗震性能。

墻體“X”形交叉斜裂縫是典型的剪切裂縫。墻體抗剪承載力不夠，地震發生時在承受水平荷載狀況下，墻體受到的剪力超過墻體的抗剪強度，就容易產生“X”形交叉斜裂縫。裂縫交叉點基本上在墻體中心位置，在地震荷載作用下，裂縫交叉位置出現貫穿情況，屬于破壞嚴重的部位（周云等，2009）。墻體“X”形剪切裂縫對墻體內部和整體損傷較大，開裂處的磚塊被剪斷，有的磚塊劈裂、剪壓破碎，通常這類房屋可采用高標號水泥砂漿灌縫，在墻體外表面裂縫處（剔除裝飾層）鋪一層鋼板網或鋼絲網并抹高標號水泥砂漿修復和加固。

在此次地震的極震區，個別磚砌體房屋出現垂直于墻面方向的錯動，其錯距最寬處超過3cm，這使得墻體的強度和穩定性顯著降低，對于此類墻體應視具體情況將其拆除重新修建。

1.3 窗間墻墻體開裂

在地震荷載作用下，極震區大部分房屋窗間墻周邊的砌體墻容易發生開裂和破壞，窗戶玻璃振裂甚至振碎，窗戶的四周出現裂縫且上部裂縫寬于下部裂縫，最大寬度約5cm，如圖3所示。窗間墻在地震中開裂破壞主要包括兩方面的原因：一是窗戶洞口的設置使墻體橫截面積突然減少，在地震破壞作用力下，墻體受到的剪力超過墻體的抗剪強度，以致產生不同程度的斜裂縫或水平裂縫；二是窗戶洞口上未采用鋼筋混凝土過梁或鋼筋磚過梁，有的已設置過梁，但厚度不夠或配筋不足，不能起到過梁的構造加固作用，有的采用臥砌（眠磚）方法過梁，墻體本身強度較低，在地震荷載作用下，造成局部應力集中，產生洞口上部、角部墻體出現斜裂縫（洪海春等，2011；周云等，2009）。相對而言，空斗墻的斜裂縫比實心磚墻要寬一些。

因此，對于農村民居的窗間墻墻體要按照規范要求進行合理設計和施工，采用鋼筋混凝土過梁或鋼筋磚過梁。當門窗洞口采用鋼筋磚過梁時，其縱向鋼筋配筋量、砂漿層的厚度和強度等級等要滿足規范要求（中華人民共和國行業標準，2008）。

1.4 其他破壞現象

除了極震區或與地震地質環境影響有關的農村民居破壞較重以外，按農村民居圖集進行正規設計、施工的房屋，均經受住了這次地震的考驗。土木結構是當地大多數廚房、倉庫、畜棚的房屋建筑形式，少部分土木結構為居民住宿使用（洪海春等，2011）。土木結構建筑由木柱、木梁和墻體承重，整體性相對較差、抗震能力較弱（中華人民共和國行業標準，2008），在地震破壞作用下，存在墻體開裂、墻皮脫落、房屋掉土塊或者歪斜等現象，但木構架基本完好、節點榫頭未見拔出，只是在柱角處有移位現象，這存在一定的安全隱患。在經濟條件許可的情況下，應盡量避免居住在土木結構房屋內（都昌庭等，2006）。在地震災害較重的村鎮，部分房屋受到損壞，其中大多數是2000年及其以前修建的磚砌體結構平房、少數是樓房遭到破壞。此外，部分農村民居的天花板出現粉刷水泥塊體或者石灰塊體掉落（洪海春等，2011）。

2 地震效應分析

2.1 豎向地震作用

隨著人們對地震破壞機理的深入研究和國內外的（特）大地震的震害調查，發現豎向地震作用不容忽視，收集到的地震動加速度資料表明，豎向地震作用對建筑物的破壞狀態和破壞過程的影響是重要因素。當豎向地震加速度達到一定數值時，豎向地震荷載與結構自重疊加時，其最大壓力值將不在建筑物的底部而是在中上部，導致房屋結構在中上部破壞（楊春田等，1993）。在高郵、寶應4.9級地震的極震區，少數房屋的上部破壞比下部嚴重，煙囪整體倒塌破壞，如圖4和圖5所示，這說明除水平地震作用外，對于震中地區的房屋，豎向地震作用的影響不可忽視。從近年來的國內外震害經驗來看，豎向地震作用有時甚至起主要作用，此時表現為房屋的破壞上重下輕、煙囪整體倒塌和頂部塌落等。

在地震現場災害調查中發現，部分農村民居的上部結構破壞相比下部結構而言要更嚴重，如圖4所示。從圖4（a）中可以看出，磚混結構房屋的上層是空斗墻，其整面墻體基本倒塌，而下層實心磚墻基本完好，墻體輕微裂縫也很少出現。從圖4（b）中可以看出，磚砌體結構房屋的上部墻體較薄，但卻是實心砌筑，磚墻沿著墻厚變化的搭接部位倒塌，而下層實心墻體基本完好。同時，有部分沿街的門面房基本完好或者輕微破壞，但其上部用于安裝或者加固廣告牌匾的附屬建筑，則出現倒塌、開裂或者變形破壞等。在地震現場災害調查中發現，部分居民家中的煙囪出現倒塌破壞現象，有的煙囪從灶臺底部至頂部整體倒塌，有的煙囪只是頂部出現塌落，如圖5所示。此次高郵、寶應4.9級地震中出現煙囪倒塌破壞的房屋均為附近地區上世紀90年代左右的老舊房屋或簡易房屋，絕大多數為磚木結構。試驗和理論分析結果表明，煙囪結構的震害是由水平和豎向地面運動共同作用引起的，在彈性振動階段，水平輸入地震動應力大于豎向地震動應力；但是，進入塑性階段以至破壞階段時，由于煙囪結構很柔，周期的延長使得豎向動力響應超過水平方向，使得煙囪在地震力作用下的主要破壞形式為在其中上部的拉裂和折斷（陳健云等，2005）。因此，計算高柔結構和特定條件下某些結構的豎向地震作用有其必要性，有利于煙囪結構的安全和穩定。

通常情況下，位于極震區的建筑物，水平地震作用和豎向地震作用共同對建筑結構產生不利影響。汶川地震的震害經驗表明，多層房屋建筑的豎向地震效應，要小于高聳豎筒形結構，但水平構件剛度偏大時，對房屋結構的抗震性能是不利的（曲淑英等，2001；高志兵等，2009）。豎向地震作用的破壞效應，主要取決于結構剛度、墻體重量和特征周期值等。結構剛度大、墻體重量偏重、特征周期偏長，豎向地震作用的效應越顯著，對抗震不利（劉愛文等，2006）。

2.2 地震鞭梢效應

鞭梢效應是指在地震作用下，高層建筑或其他建（構）筑物頂部或突出物的振幅劇烈增大的現象，其發生的原因主要是由于突出物自振頻率與地面運動干擾頻率相等或相近（曲淑英等，2001），地震波動過程中，建筑物在擺動方向轉換瞬間，突出部位在慣性作用下繼續按原來運行軌跡發展，而下部主體結構已經朝相反的方向擺動，突出部位形成較大的加速度，導致突出部分地震作用迅速增加，從而形成結構薄弱部位。

在國內外多次較為嚴重的破壞地震的震害調查中發現，突出屋面部分的震害普遍嚴重。本文針對出屋面的建（構）筑物的鞭梢效應，綜合規范和震害破壞做了分析比較。在極震區有少部分房屋的屋頂邊緣或屋脊的瓦片被掀翻，如圖6所示。這是鞭梢效應產生震害的典型案例，由于極震區高層或小高層建筑較少，鞭梢效應震害多集中于低矮建筑上，地震中頂部甩動位移過大，部分瓦片從屋頂邊緣或屋脊掉落。

總體而言，鞭梢效應造成頂部突出物結構破壞。當突出部位的基本頻率與整體結構的固有頻率接近，并與地面擾頻接近時，容易發生鞭梢效應（曲淑英等，2001）。因此，按照相關規范和要求進行建筑抗震設計，通過適當調整結構的剛度或質量分布使突出物的基本自振頻率與整體結構的低階頻率差值增大，可減少鞭梢效應的影響，從而為建筑結構設計和安全提供更可靠的依據。

3 造成地震災害的原因研究

根據地震特點和現場調查結果，本次地震造成人員傷亡和經濟損失的主要原因為（高孟潭等，2010；洪海春等，2011）：①震源深度淺。地震所釋放的能量傳到地面的距離較短、地震造成的地面運動較強、地震動的持續時間較長；②部分房屋選址不當。由于在河道、池塘和耕地附近修建的房屋建筑覆蓋土層比較軟弱，地震反應較大而可能加重震害；③房屋建筑抗震性能較差。部分房屋建筑未采取抗震措施，房屋的結構型式、建筑材料、砌筑方法等均不利于抗震；④防震減災意識不強。極震區的抗震設防烈度較低，相關部門重視防震減災工作程度有限，而居民的防震減災意識也比較薄弱。

由于場地條件不利或者地基處理不當（劉愛文等，2006），導致少部分房屋建筑發生的破壞比較嚴重。通常情況下，基巖埋深較淺的工程場地，上覆土層較薄，對地震波的放大作用較小，因此，地震災害相對較輕；反之，上覆土層較厚，建筑物自振周期附近頻段的地震波的放大作用較大，地震災害就較重（馮建林等，2007；洪海春等，2009）。在此次地震中，河道和耕地附近建筑物原本可能存在的地基不均勻沉降和變形是導致房屋結構破壞較重的主要原因，場地地形對地震動的放大效應影響也可能是重要原因。當遭遇地震波時，場地對地震波具有明顯的放大效應，可能加劇房屋地基不均勻沉降、縱橫墻開裂、墻體錯動等較為嚴重的破壞現象。由于農村居民經費有限，工程場地通常不進行地震工程地質條件勘測，這樣的場地其地基和基礎存在一定的安全隱患，農村民居的安全性難以得到保證（馮建林等，2007；洪海春等，2009）。因此，在農村民居選址時，應進行場地條件勘察，宜選擇對建筑抗震有利的地段、避開不利地段，為農村民居建設選址、確定抗震目標等提供依據（馮建林等，2007；洪海春等，2009）。

在地震發生時，豎向地震作用和鞭梢效應有時是近場區房屋破壞的主要因素，應使房屋的結構型式、布置方式、結構反應和動力特性等有利于提高其抗震性能（高志兵等，2009），剛度突變、附屬建筑突出等容易產生應力集中，導致地震荷載作用下房屋破壞。在地震災后農村民居的加固、修建以及新建民居的設計、施工中，要盡可能弱化豎向地震作用和鞭梢效應的不利作用。

（4）對生態系統的威脅。以轉基因大豆為例，其可能會給生物資源以及生態系統造成一定的風險，影響生物的多樣性，或者引起耐除草劑雜草的蔓延等。

農村地區經濟發展水平相對較低，農村民居納入規范建設管理較少，導致農村民居抗震能力較低。摒棄在房屋建設過程中要求跨度大、開間寬、層數高的陋習，同時，在裝修上盡量減少支出，將有限的經費用于提高抗震性能的構造措施上（洪海春等，2009）。一般而言，在農村民居建設過程中，較少使用抗震設計圖集，在農村工匠帶領下由親戚朋友幫助建筑房屋，施工隊伍技術水平較低，施工質量難以保證。但是，近10年來修建的磚混結構、框架結構房屋在這次地震中大多數基本完好，表現出了較好的抗震性能。

4 結論

（1）結合相關規范，適當開展場地條件勘察，為農村民居建設選址、合理提高抗震能力等提供依據。在農村民居建設選址時，要盡量避開地震活動斷裂、抗震不良場地和沉降、塌陷等災害易發地段。同時，征求相關部門的建議和意見，確保有利的場地可以有效地緩解地震波的破壞作用。

（2）部分房屋墻體厚度不夠，施工質量較差、砂漿強度不夠、缺少圈梁和構造柱等構造措施。因此，應嚴格按照鎮（鄉）村建筑抗震有關技術規定、政府核準的圖集等進行設計、施工，改善房屋抗震性能。

（3）在農村民居磚砌體房屋中，應盡量減少空斗墻并采用臥砌（眠磚）的砌筑方法，建議推廣使用實心磚墻提高房屋的抗震性能。

（4）當地農村居民應改變煙囪修建較高的建筑習慣，在盡可能低的位置條件下，推薦先砌筑一段煙囪再采用管道將廚房煙霧排出。

（5）震害調查和研究表明，宣傳防震減災科普知識和抗震設防技術方法，提高廣大農民群眾的防震減災意識，可避免人員傷亡和減少財產損失。

致謝：感謝中國地震局華東協作區現場指揮部的領導和專家等提供的幫助。本文部分資料來源于江蘇省防震減災信息網和媒體報道。

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Field Investigation and Research on Damage Cause of Gaoyou-Baoying4.9 Earthquake in Jiangsu Province

Hong Haichun, Yang Weilin, Peng Xiaobo, Fan Xiaoping and Gu Qinping

（Institute of Earthquake Engineering of Jiangsu Province, Nanjing 210014, China）

2012 Gaoyou-Baoying4.9 earthquake in Jiangsu province caused various damages involving tens of rural buildings, and seismic casualty is appeared in meizoseismic area. Based on the field investigation and research on damage post-earthquake, we found that the typical damage characteristics mainly includes local collapse of brick masonry, brick woodand brick concrete structure, through fracture of wall，tiles of roof tilting, and chimney collapse. The main factors causing the damage of the rural buildings are improper construction site, poor qualities of the buildings, inadequate mortar strength, and lack of ring beam and constructional column. Meanwhile, the seismic effect of vertical seismic action and whipping effect are analyzed. Bothseismic design reinforced methods of brick masonry and concrete structure and constitution in order to improve anti-seismic capacity for rural buildings are discussed. Finally, our results can offer reference to the earthquake fortification and the reduction of damage loss.

Gaoyou-Baoying4.9 earthquake; Field damage investigation; Damage cause; Vertical seismic action; Whipping effect

國家自然科學基金青年科學基金項目（51208234）；中國地震局地震科技星火計劃青年項目（XH12021Y）

2013-03-28

洪海春，男，生于1977年。博士，高級工程師。主要從事地震巖土工程、地震災害預防和地震應急救援方面的研究。E-mail: haichunhong@126.com

洪海春，楊偉林，彭小波，范小平，顧勤平，2013．江蘇高郵、寶應4.9級地震現場震害調查與破壞原因研究．震災防御技術，8（3）：283—291.