巴東5.1級地震震害分析*

李 恒 張靜波 楊 勇

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071 2)中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，武漢 430056

巴東5.1級地震震害分析*

李 恒1)張靜波2)楊 勇1)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071 2)中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，武漢 430056

巴東5.1級地震造成大量簡易房屋不同程度的破壞。土坯結(jié)構(gòu)的典型震害特征為局部倒塌和豎向開裂，石砌體結(jié)構(gòu)的典型震害特征為局部倒塌和局部垮落。對震中附近記錄到的地震波分析結(jié)果表明，地震動的高頻成分極為豐富，卓越周期約為0.1 s，與單層簡易房屋自振周期吻合，而共振效應(yīng)是單層簡易房屋震害重于其他柔性結(jié)構(gòu)的重要外因;災(zāi)區(qū)簡易房屋普遍存在的結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性差、構(gòu)件強(qiáng)度不足、節(jié)點連接弱等缺陷是震害較重的內(nèi)因。

巴東地震;震害分析;抗震設(shè)計;地震動加速度;自振周期

對巴東5.1級地震的現(xiàn)場調(diào)查顯示，地震造成的破壞范圍涉及恩施土家族苗族自治州巴東縣和宜昌市秭歸縣。地震烈度Ⅵ度及以上面積約250 km2，極震區(qū)(Ⅶ度)面積約7.7 km2。本文將根據(jù)房屋建筑震害調(diào)查資料，對簡易房屋建筑的震害特點進(jìn)行初步分析。

1 居民房屋結(jié)構(gòu)分類

地震災(zāi)區(qū)房屋類型以磚混房屋、土墻木屋架的土坯房和碎石(片石)砌筑房屋為主，部分為框架結(jié)構(gòu)，主要集中在巴東縣城。其中，磚混房屋以普通磚混平房和多層砌體結(jié)構(gòu)為主，部分設(shè)置圈梁，少數(shù)設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁。

1)土木結(jié)構(gòu)。土墻木屋架的土坯房多數(shù)修建于20世紀(jì)60至70年代，少數(shù)修建于近10 a。老舊的土坯房在地震中受損較重，特別是在極震區(qū)，而較新的房屋破壞相對較輕。

2)碎石(片石)結(jié)構(gòu)。碎石結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能比土坯房更差。地震中，這類房屋出現(xiàn)局部垮落現(xiàn)象，并且由于石頭不規(guī)則，其維修難度大。片石結(jié)構(gòu)采用的砌筑材料優(yōu)于碎石，呈片狀但表面不平整且大小不一，在地震中受損程度略輕于碎石結(jié)構(gòu)。

2 震害現(xiàn)象

按照建筑物地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)［1］及文獻(xiàn)［2］部分條文，根據(jù)房屋震損程度將震后房屋分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌5個等級。

2.1 土坯房

在地震災(zāi)區(qū)農(nóng)村，土坯房比較常見，墻的內(nèi)外材料用的都是泥土，根據(jù)成墻方法又可分為兩類:一類是先手工做成土磚，然后砌成土磚墻;另一類是直接將泥土放入模具內(nèi)分層夯實成墻。

土坯房在地震中受損較為嚴(yán)重，表現(xiàn)為兩類破壞形式:1)墻體倒塌或局部倒塌(圖1);2)墻體豎向開裂或老裂縫加寬(圖2)。經(jīng)統(tǒng)計，在極震區(qū)(Ⅶ度)內(nèi)，土坯房震損程度達(dá)到中等破壞及以上的比例達(dá)27%。土坯房的另一個典型震害特點是幾乎所有的裂縫都是從頂部向底部豎向延展，極少出現(xiàn)橫向或斜裂縫，貫通房屋全高的豎裂縫多出現(xiàn)在縱橫墻交接處。另外，破壞較重的老舊土坯房一般修建時間較早，而在近10 a內(nèi)修建的新房屋則破壞相對較輕。

圖1 土坯墻倒塌Fig.1 Collapsed adobe wall

2.2 碎(片)石房

圖2 土坯房嚴(yán)重破壞(豎向裂縫擴(kuò)展)Fig.2 Extended vertical crack of adobe wall

圖3 碎石砌筑房屋嚴(yán)重破壞(局部倒塌)Fig.3 Partial collapse of rubbly masonry structure

地震極災(zāi)區(qū)屬山地地形，石材是比較容易獲取的建筑材料，碎(片)石房屋占有較大比例。碎石結(jié)構(gòu)用形狀不規(guī)則、大小不一的石頭壘砌而成，一般采用泥漿或石灰砂漿作為黏合劑，其抗震性能甚至比土坯房更差。片石結(jié)構(gòu)采用的砌筑材料優(yōu)于碎石，呈片狀，墻體整體穩(wěn)定性略好，在地震中受損程度略輕于碎石結(jié)構(gòu)。此次地震中，碎(片)石結(jié)構(gòu)的房屋嚴(yán)重受損的比例高于土坯房，表現(xiàn)為局部倒塌和局部垮落。由于石塊的不規(guī)則性，其維修難度大。

3 震害特點分析

3.1 地震動因素

震后我們?nèi)〉昧司嗾鹬?.9 km的金子山地震臺(東經(jīng) 110.4°、北緯 31.02°)的地震動數(shù)據(jù)，加速度峰值(PGA)達(dá)到132 cm/s2，而速度峰值(PGV)僅為2.1 cm/s，具有高頻成分豐富而中低頻成分衰減較快的特點。地震動加速度反應(yīng)譜計算結(jié)果如圖4所示。郝敏等［3］的研究表明，地震動加速度峰值(PGA)能夠非常好地表征對短周期脆性結(jié)構(gòu)的破壞勢;而有效加速度峰值(EPA)能夠體現(xiàn)地震動對高層砌體結(jié)構(gòu)的潛在破壞勢。金子山臺站記錄的有效加速度峰值(EPA)僅為40.9 cm/s2，遠(yuǎn)小于加速度峰值(PGA)。理論上，此次地震近場范圍內(nèi)剛度大、自振周期短的結(jié)構(gòu)破壞較重，而自振周期較長的結(jié)構(gòu)則受損較輕。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果與理論分析吻合，所有倒塌和局部倒塌的房屋均為單層簡易房屋，4層及以上的多、高層建筑幾乎沒有受到地震破壞。

圖4 巴東地震記錄的加速度反應(yīng)譜(5%阻尼比)Fig.4 Acceleration spectra of ground motion of Badong earthquake(5%damping)

對反應(yīng)譜分析，在周期小于0.1 s的短周期部分，金子山臺站記錄的反應(yīng)譜顯著大于罕遇地震反應(yīng)譜，而單層土坯房、碎(片)石砌筑房屋和磚砌房屋的自振周期大約為0.1 s。因此，共振效應(yīng)使得單層簡易房屋震損較重。從圖4可以看出，周期大于0.3 s時，金子山臺站記錄的反應(yīng)譜低于設(shè)防地震反應(yīng)譜。由此可見，巴東地震近場范圍內(nèi)地震動對多、高層結(jié)構(gòu)和其他中長周期結(jié)構(gòu)的影響較小。我們在震中附近現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)一棟棄用的木結(jié)構(gòu)房屋，建造年代久遠(yuǎn)，但并未受損。木結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，具有長周期結(jié)構(gòu)特點，受本次地震影響較小。

3.2 材料與結(jié)構(gòu)因素

災(zāi)區(qū)的簡易房屋普遍存在結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性差、構(gòu)件強(qiáng)度不足、節(jié)點連接弱等缺陷。結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性差體現(xiàn)在簡易房屋均沒有設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁，而構(gòu)造柱和圈梁可明顯提高房屋的整體性。構(gòu)造柱可以增加房屋的抗剪強(qiáng)度，對墻體起到約束作用，提高其變形能力;圈梁則可以提高樓蓋的水平剛度，增強(qiáng)縱、橫墻的連接［4－5］。構(gòu)件強(qiáng)度不足指的是石塊的抗剪強(qiáng)度差，土坯的抗剪、抗拉(抗彎)強(qiáng)度都很低，土坯房的豎向裂縫便是其抗拉(抗彎)強(qiáng)度極低的表現(xiàn)。節(jié)點連接弱則體現(xiàn)為墻角無拉結(jié)，門、窗、洞口未設(shè)置過梁。

此次地震中土坯房震害的一個主要特點是老裂縫的擴(kuò)展、延伸。老舊土坯房由于多年周期性溫度變化反復(fù)收縮、膨脹，或地基不均勻沉降，墻體出現(xiàn)裂縫。這些裂縫大多不影響結(jié)構(gòu)承載能力、穩(wěn)定性和剛度，但在地震后顯著擴(kuò)展并危及房屋安全。近年來新建的土坯房由于墻體自身裂縫較少，經(jīng)受住了此次地震的考驗。因此，材料延性差、抗拉和抗剪強(qiáng)度低是土坯房抗震能力弱的主要原因。

對于碎(片)石砌體結(jié)構(gòu)，材料本身屬于脆性材料且表面不規(guī)則，抗震性能較差;砌體間靠砂漿黏結(jié)，黏結(jié)性能差，抗剪性能低，使結(jié)構(gòu)整體性低。石砌體結(jié)構(gòu)的抗震能力主要取決于砌體墻厚度、黏結(jié)強(qiáng)度等級以及砌筑質(zhì)量［6］。現(xiàn)場調(diào)查顯示，倒塌的墻體厚度明顯偏薄(僅約120 mm)，增大墻體厚度則可避免倒塌發(fā)生而使墻體完全喪失承載能力。砌體之間靠泥或石灰砂漿黏結(jié)，黏結(jié)強(qiáng)度較低且隨時間逐漸衰退。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，少數(shù)采用水泥砂漿作為黏結(jié)劑的石砌體結(jié)構(gòu)破壞明顯較輕。

4 結(jié)論與建議

巴東5.1級地震引起的地面強(qiáng)震動高頻成分極為豐富，中低頻成分迅速衰減，地震動卓越周期約為0.1 s，與單層簡易房屋自振周期吻合，共振效應(yīng)是單層簡易房屋震害重于其他柔性結(jié)構(gòu)的重要外因。災(zāi)區(qū)簡易房屋普遍存在的結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性差、構(gòu)件強(qiáng)度不足、節(jié)點連接弱等缺陷，則是其震害較重的內(nèi)因。

考慮到湖北西部地區(qū)廣大農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，完全否定土坯房是不切實際的。盡管土坯房抗震性能不佳，但具有就地取材、因地制宜、技術(shù)簡單、保溫與隔熱性能優(yōu)越和經(jīng)濟(jì)實用的特點［7］。因此，通過改良土料、合理設(shè)計來提高土坯房抗震性能具有現(xiàn)實意義。研究表明，在生土中填充部分加筋材料(如稻草、麥秸等)可顯著增加墻體延性，提高其抗彎和抗剪能力［8］。采用木柱、梁-土坯組合墻結(jié)構(gòu)體系可提高土坯房屋的抗震能力，且造價增加不大。有限元分析結(jié)果表明，只要注意木柱、梁和土坯墻體之間的連接和土坯砌筑方式，土坯墻體完全可以滿足VI～VII度區(qū)的抗震設(shè)防要求［9］。

建議全面禁止采用泥或石灰砂漿作為黏合劑砌筑碎(片)石房屋。當(dāng)采用石塊作為建筑材料時，需滿足以下條件:1)采用水泥砂漿黏結(jié);2)配置鋼筋混泥土構(gòu)造柱和圈梁;3)墻體厚度不小于360 mm;4)房屋高度不超過2層。

1 GB/T 24335-2009.建(構(gòu))筑物地震破壞等級劃分［S］.(GB/T 24335-2009.Classification of earthquake damage to buildings and special structures［S］)

2 GB/T 17742-2008.中國地震烈度表［S］.(GB/T 17742-2008.The Chinese seismic intensity scale［S］)

3 郝敏，謝禮立，李爽.砌體結(jié)構(gòu)的地震動潛在破壞勢研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，39(10):1 652 －1 655.(Hao Min，Xie Lili，Li Shuang.Study on the damage potential to masonry structures of earthquake ground motions［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39(10):1 652－1 655)

4 彭小芹，馬銘彬.土木工程材料［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2002.(Peng Xiaoqin，Ma Mingbin.Civil engineering materials［M］.Chongqing:Chongqing University Press，2002)

5 洪海春，等.江蘇高郵、寶應(yīng)Ms4.9地震現(xiàn)場震害調(diào)查與破壞原因研究［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2013，8(3):283 －291.(Hong Haichun，et al.Field investigation and research on damage cause of Gaoyou-Baoying Ms4.9 earthquake in Jiangsu Province［J］.Technology for Earthquake Disaster Prevention，2013，8(3):283 －291)

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7 閆增峰，趙敬源，劉加平.生土建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面吸放濕過程實驗研究［J］.長安大學(xué)學(xué)報:建筑與環(huán)境科學(xué)版，2003，20(4):16 － 19.(Yan Zengfeng，Zhao Jingyuan，Liu Jiaping.Experimental study on moisture absorption and desorption process of adobe building envelope［J］.Journal of Chang’an University:Arch.＆ Envir.Science Edition，2003，20(4):16－19)

8 王毅紅，等.生土結(jié)構(gòu)的土料受壓及受剪性能試驗研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2006，26(4):16 －19.(Wang Yihong，et al.Experiment on shear properties and compressive properties of earth material of raw-soil structure［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology)，2006，26(4):16－19)

9 阿肯江·托呼提，亓國慶，陳漢清.新疆南疆地區(qū)傳統(tǒng)土坯房屋震害及抗震技術(shù)措施［J］.工程抗震與加固改造，2008，30(1):82 － 86.(Akenjiang Tuohuti，Qi Guoqing，Chen Hanqing.Seismic damage and seismic countermeasures of Xinjiang traditional adobe house［J］.Earthuqake Resistant Engineering and Retrofitting，2008，30(1):82 －86)

SEISMIC DAMAGE ANALYSIS OF BADONG EARTHQUAKE

Li Heng1)，Zhang Jingbo2)and Yang Yong1)
1)Key Laboratory of Earthqake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)China Communications Second Highway Consultant Co.Ltd，Wuhan430056

Badong Ms5.1 earthquake in Hubei province caused various damages of simple buildings.The typical damage characteristics of adobe structures mainly includes partial collapse and vertical crack.While the damage patterns of masonry structures partial collapsing and falling.The analysis result of strong ground motion of the Earthquake show that ground motion concentrates in high-frequency contents and its predominant period is of 0.1 s，which might lead to heavy damage of one-storey simple structures.Poor stability of structure system of simple houses，insufficient intensity of components，and weak connection of nodes are the intrinsic factors of seismic damage.

Badong earthquake;seismic damage investigation;aseismic design;ground motion acceleration;natural period of vibration

P315.9

A

1671-5942(2014)03-0020-03

2014-03-09

國家自然科學(xué)基金項目(41004020)。

李恒，男，1980年生，高級工程師，主要從事地震工程研究工作。E－mail:liheng@eqhb.gov.cn。