西北地區農村房屋結構細化分類及抗震性能分析

鐘秀梅 袁中夏 常想德 譚明 李娜 宋立軍

摘要：根據結構形式、構造措施、材料強度的差異，對西北地區典型農村房屋結構類型進行細分，并分別介紹了各類農村房屋的建筑特色、屋蓋組成、分布區域等。通過計算各類農村房屋結構的平均震害指數，將西北地區典型農居抗震性能分為較好、中等、較差3個等級，分別對其抗震性能進行了評價。結果表明：西北地區農村房屋可分為6大類、15小類，抗震性能較差的是土坯墻土木結構、石結構和泥漿砌筑磚木結構房屋，抗震性能中等的是夯土墻土木結構、砂漿砌筑磚木結構、土圍護木架結構和老舊磚混結構房屋，抗震性能較好的是磚圍護木架結構和新建磚混結構房屋。

關鍵詞：農村房屋;建筑結構;震害指數;抗震性能;西北地區

中圖分類號：P315.925 ??文獻標識碼：A ??文章編號：1000-0666（2019）02-0151-07

0 引言

在抗震救災指揮體系的建設過程中，常常遇到的一大難題是如何迅速獲取適應地震應急要求的各類基礎數據。從科學決策的意義上講，地震應急基礎數據庫是地震部門開展應急工作的基礎，是政府履行地震應急指揮職能的基本保障。地震應急基礎數據庫的缺乏和不完善極大地制約了各級地震應急指揮系統的功能，甚至使部分指揮體系失效（方雅申，2015;帥向華等，2009;單德華等，2010;明小娜等，2017），因此，地震應急數據庫的完備和完善具有重要的現實意義。

根據歷史地震資料記載，從公元1038年至今，我國境內死亡人數達萬人以上的地震有25次，平均約40年就有1次嚴重的地震災害（鄭雷綱，李亮，2007）。西北地區是我國地震最為活躍的地區之一，幾乎每年都會有5級以上地震發生。有歷史記錄以來，西北地區發生的破壞性地震，8級以上有10次、7～7.9級38次（石玉成等，2004;王蘭民，袁中夏，2011;周光全，2007），均居全國之首。地震造成西北地區農村經濟損失占總經濟損失的80%以上（王蘭民，林學文，2006;譚明等，2010;明小娜等，2018），如2010年青海玉樹7.1級地震，2013年甘肅岷縣漳縣6.6級地震和2016年青海門源6.4級地震，也包括2008年汶川8.0級特大地震，給西北農村地區造成了嚴重的經濟損失。我國農村的地震防御水平較低，相同震級下的地震災害損失明顯較城鎮更高。但與地震損失偏高的現實情況嚴重不符的是由于經濟發展水平低、建筑數據分散、交通不便等諸多因素制約，農村房屋相關數據庫亟待建立和完善。

隨著新農村建設、災后恢復重建等工作的推進，西北地區經過統一規劃、設計、選址和施工，具備抗震設防能力的房屋數量日趨增長，但舊式自主修建、沒有經過抗震設計的房屋依然占有一定的比例。目前地震災害評估工作中農村房屋的主要類型分為土木結構、磚木結構、磚混結構和框架結構4種。但農村房屋的種類多而龐雜，該分類稍顯粗糙。依據該分類標準，同一結構類型的房屋抗震性能相差頗大，在地震作用下破壞的情況相差甚遠。首先，農村木構架夯土墻房屋占有一定比例，在災害損失評估中分類是土木結構，但是歷次地震表明其抗震性能遠遠優于一般的夯土墻、土坯房等土木結構房屋;其次，新農村建設中采用統一規劃設計施工的帶圈梁構造柱的磚木結構的抗震性能和老舊自建磚墻木屋頂的磚木結構差異也很大;第三，同樣是磚混結構房屋，2008年之后統一規劃設計建造的有圈梁構造柱的磚混結構和老舊自建的磚混結構房屋，在地震中遭遇的破壞情況也相差很大。

綜上所述，現有地震應急數據庫中西北地區農村房屋分類和震害矩陣不太適用于農村的大部分房屋，且對地震應急、災害損失評估工作的準確度有較大的影響。因此本文通過實地調查，研究西北地區，包括甘肅、青海和陜西農村房屋的結構細化，并進行抗震性能分析。

1 農村房屋結構細化分類

根據農村房屋的建筑材料、建筑年代、膠結材料、承重構件等因素，將西北地區農村房屋細分為6大類：窯洞、土木結構、木架結構、石結構、磚木結構和磚混結構。

1.1 窯洞

窯洞主要分布在甘肅省慶陽市農村地區和陜北地區，在青海省海東市樂都區有零星分布。根據建造場地、開洞方式、建造方式和建筑材料的不同，可以分為黃土窯洞和拱窯（又叫箍窯，獨立式窯洞）。黃土窯洞是修建在黃土中的住人洞穴，又分為地坑窯（也叫地窯、下沉式窯洞、天井式窯洞）和崖窯;拱窯是仿照窯洞形式建造的特殊的墻體承重結構房屋，根據建材不同又分為土拱窯、磚拱窯和石拱窯。目前，西北地區窯洞數量較少。

1.2 土木結構

由于取材方便，土木結構是西北地區農村房屋普遍采用的建筑結構形式，一些年代久遠的土木結構房屋已無人居住，多轉為儲藏室、庫房。根據墻體材料、砌筑方式和承重構件的不同，將土木結構細分為夯土墻、土坯墻及混合承重土木結構3小類。

1.2.1 墻體承重土木結構

夯土墻土木結構房屋的承重主體為夯土墻（圖1a），土坯墻土木結構房屋的承重主體為土坯墻（圖1b），一般不設置柱，采用木屋蓋。房屋的大梁或檁子直接搭放在夯土墻上，俗稱“土擱梁”或者“硬山擱檁”。梁或檁與承重墻體之間，一般無固定措施，墻體承受屋蓋系統全部荷載。木屋蓋也相對簡單，設有梁和椽的房屋，椽直接橫搭在梁上，俗稱“滾椽”。而簡易的墻體承重土木結構房屋直接將椽子搭在墻上。

1.2.2 混合承重土木結構

混合承重土木結構房屋的墻體和簡單木架或磚柱共同承擔屋頂重量。此類房屋設有簡易木柱或者磚柱。簡易木柱多較細且僅承擔部分屋蓋重量。柱子多為“墻包柱”，檁子仍然搭在土墻上。磚柱土坯墻是為了好看和提高墻體承重能力而在墻角等部位設置的（圖2）。

1.3 木架結構

木架承重土木平房的屋蓋重量由木架承擔。木架由梁、檁、椽構成，相互之間多以榫、鉚連接，木架具有較高的彈性變形范圍，整體性好，即便墻體破壞，房屋也不容易倒塌。非承重的墻體僅起分隔和填充的作用。該類房屋抗震性能好，多分布在甘肅和青海省內。根據墻體材料、承重構件的不同，木架結構細分為土圍護木架結構（圖3a）和磚圍護木架結構（圖3b）2小類。

1.4 石結構

石結構房屋從外面看不見一根木頭，以石砌墻，窗戶少而小，俗稱“墻包房廣”（圖4）。除甘肅南部和青海地區的寺院建筑以外，這種形式的房屋已逐漸減少。

1.5 磚木結構

磚木結構房屋是指由磚砌墻體承重和圍護，屋頂采用木質椽、檁、瓦片等構筑的一坡水或兩坡水房屋（圖5）。該類房屋的墻體承受屋頂荷載，磚砌墻體強度大，施工工藝簡單，但其抗裂性能和抗變形能力較差。這類房屋由于其施工工藝簡易、造價低、耐久性好、取材方便，在西北地區廣泛分布。根據建造年代、砌筑材料的不同和有無抗震措施，磚木農村房屋主要分為泥漿砌筑、砂漿砌筑和抗震磚木結構3小類。

1.6 磚混結構

磚混結構房屋使用木材很少或者不使用木材，它是木材稀缺地區農民建造新房的優先選擇。磚混結構一般為墻體承重，根據建筑年代、墻體砌筑粘結材料又分為老舊和新建磚混結構2小類（圖6）。老舊磚混結構多修建于2008年之前，樓板基本采用預制板，抗震構造措施較少或者沒有設置。新建磚混結構多建于2008年以后，一般都設置有抗震措施，尤其是統一規劃建設的新農村、異地搬遷、災后重建的房屋，大多數樓板和屋蓋采用鋼筋混凝土現澆而成。

2 抗震性能分析

根據前人對各類房屋結構震害矩陣（樸永軍，2013;李慧明等，2010;徐國棟等，2008;邱淑睿，高慧瑛，2015;陳波等，2018）的研究，利用中國地震烈度表（GB/T 17742—2008）各細化結構的平均震害指數進行計算：

式中：d為震害指數;λ為破壞比;i為破壞等級。

各破壞等級下震害指數的取值參考姜紹飛等（2011）的研究（表1），各細化農村結構房屋平均震害指數的計算結果如表2所示。

圖7為各細化農村房屋結構平均震害指數三維柱狀圖。如圖所示，在地震烈度為Ⅵ度時，泥漿砌筑磚木結構、石結構、土坯墻土木結構、混合承重土木結構和夯土墻土木結構房屋為輕微破壞，磚混結構、木架結構和砂漿砌筑磚木結構房屋表現為基本完好;在地震烈度為Ⅶ度時，2種磚混結構房屋均為基本完好，夯土墻土木結構、木架結構和砂漿砌筑磚木結構房屋表現為輕微破壞，土坯墻土木結構、泥漿砌筑磚木結構、石結構和混合承重土木結構表現為中等破壞;在地震烈度為Ⅷ度時，2種磚混結構房屋均為輕微破壞，夯土墻土木結構、2種木架結構和砂漿砌筑磚木結構房屋表現為中等破壞，土坯墻土木結構、混合承重土木結構、泥漿砌筑磚木結構和石結構房屋表現為嚴重破壞;在地震烈度為Ⅸ度時，2種磚混結構和磚圍護木架結構房屋表現為中等破壞，其余農村結構房屋均表現為嚴重破壞;在地震烈度為Ⅹ度時，2種木架結構和新建磚混結構房屋表現為嚴重破壞，其余農村結構房屋均表現為毀壞。

根據以上分析可得，西北地區典型農村房屋結構中，抗震性能較差的是土坯墻土木結構、石結構和泥漿砌筑磚木結構房屋，抗震性能中等的是夯土墻土木結構、砂漿砌筑磚木結構、土圍護木架結構和老舊磚混結構房屋，抗震性能最好的是磚圍護木架結構和新建磚混結構房屋。

3 結論與討論

根據結構形式、構造措施、材料強度等，將西北地區典型農村房屋結構類型細化為6大類、15小類。根據計算所得平均震害指數將西北地區典型農村抗震性能分為較好、中等、較差3類。抗震性能較好的是磚圍護木架結構和新建磚混結構;抗震性能中等的是夯土墻土木結構、砂漿砌筑磚木結構、土圍護木架結構和老舊磚混結構;抗震性能較差的是土坯墻土木結構、石結構和泥漿砌筑磚木結構。

地震應急數據庫中城市和農村的建筑物采用同一分類：土木結構、磚木結構、磚混結構、框架結構和其它結構，對于農村地區該分類稍顯粗糙，例如同屬于土木結構的土坯墻土木結構和土圍護木架結構，其在地震中的破壞特征和抗震性能均存在較大的差距。因此，建議對地震應急數據庫中農村房屋結構分類進行細化研究，并進一步詳細調查各地區各細化類型所占比例，以供建筑物災害損失評估修正使用。

地震應急數據庫中震害矩陣只根據地域進行區分，但是地震現場調查顯示，對于城市和農村的房屋建筑，其結構類型和抗震性能均有較大區別，在相同地震烈度影響下同屬一類的農村房屋的破壞更為嚴重，可能造成的人員傷亡和財產損失會更大。因此，同一地域內城市和農村采用同一震害矩陣進行震后災害損失評估，可能會造成較大的誤差，建議同一地域內給出單獨的農村地區建筑物的震害矩陣，以提高地震災害損失評估的準確度。

中國地震臺網中心帥向華研究員、南京工業大學吳志堅教授、中國地震局工程力學研究所林均岐研究員對房屋細化分類提出過寶貴意見，青海省地震局楊理臣和內蒙古自治區地震局楊智升提供了諸多意見和幫助，在此一并表示感謝。

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