皖北地區農居抗震性能分析及震害預測

馮偉棟，曹均鋒，彭劉亞，解惠婷 （安徽省地震局，安徽合肥230031）

1 引言

地處淮河以北的安徽宿州、淮北、蚌埠、亳州、阜陽、淮南等六市構成的皖北地區，總面積約3.92萬km2，東靠江蘇，西連河南，北望山東。地勢以平原為主，是安徽省唯一的一帶一路經過地區。皖北地區地震地質環境復雜，著名的郯廬斷裂帶呈北北東走向斜貫該地區，是安徽省最具地震危險性的地區之一，其地震活動震級和頻次在全省屬于中等偏上水平。該地區歷史上共發生Ms6級地震2 次，Ms5～Ms6 級地震 5 次，Ms43/4級地震3次，區域最大地震為1831年安徽鳳臺東北Ms6級地震，全省最近的1次Ms5級以上地震為發生在1979年固鎮連城的Ms5級地震（圖1）。根據第五代《中國地震動參數區劃圖》[1]，皖北地區五河縣、泗縣地震動峰值加速度值為0.15g，部分鄉鎮達0.20g，為全省最高；其他區域地震動峰值加速度為0.05g～0.10g。

2015年3月14日，皖北地區阜陽市潁泉區發生Ms4.3級地震，震源深度10km，震中附近民居普遍出現屋頂落瓦、圍墻倒塌，部分老舊房屋開裂，承重墻體出現X形剪切裂縫，相當數量磚混樓房裝飾構件“羅馬柱”被震落，地震造成2人死亡，十余人受傷，具有典型“小震大災”的特點，圖2為阜陽地震烈度分布。

圖1 皖北主要行政區劃范圍

圖2 阜陽地震烈度分布圖

為深入了解皖北地區農村民居的抗震設防現狀，安徽省地震局組織相關專業人員對皖北地區開展專項民居抗震設防調研，具體內容是選取皖北地區有代表性的自然村作為抽樣點，對抽樣點民居進行詳細調查。重點通過實地勘察、現場儀器檢測和抽樣調查訪談等方式，對房屋抗震能力進行綜合評估，并對主要建筑類型民居進行震害預測，以評價該皖北地區典型民居震害程度，預測該地區未來的建筑震害程度及分布。

2 抽樣調查樣本選取

根據現場震害的分布情況，抽樣調查從宿州市泗縣、蕭縣及埇橋區，亳州市蒙城縣，淮北市濉溪縣，阜陽市潁泉區，蚌埠市固鎮縣、五河縣，按照20%～30%的比例，對民用房屋及公共建筑進行調查，具體抽樣自然村調查點如圖1所示。按照以往震害經驗提取的震害影響因素，從民居的建設年代、結構類型、構造措施、建筑材料及抗震設防等方面，對房屋抗震能力進行細致實地考察，并匯總所調查建筑物抗震不利表現，填寫現場調查表。

初步調查結果顯示，皖北地區農村民居建筑物類型主要包括磚混結構、磚木結構及框架結構，其中，磚混結構房屋數量占絕大多數，比例大約為74%，而磚木結構和框架結構分別為22%和4%，所占比例較低。這與皖北地區多數是農村人口，經濟基礎相對薄弱等因素有著直接的關系。磚混結構民居以2～3層為主，多采用24cm磚墻砌筑，小部分房屋結構布置較為合理，有完整的圈梁和構造柱等構造措施，抗震能力較高，屋蓋分預制板與現澆板兩種形式。根據調查結果顯示，磚木結構民居建設年代較早，多建于上世紀80～90年代，部分民居建造年代甚至更久，大部分采用條石地基，使用木結構作為承重梁，屋頂鋪設木板、葦草或預制塊加蓋瓦，泥土砂漿作為膠結物，抗震性能較差；框架結構房屋大多為新建房屋，抗側構件和設防體系較多，絕大多數都包含圈梁和構造柱這些抗震構造措施，因此抗震性能較好，但數量較少，另有少量土木結構房屋，抗震性能很差，基本已不作人員居住使用。

對大約800戶樣本進行統計分析可得，皖北抽樣點民居各結構類型分布比例如表1和圖3所示，統計數據顯示磚混結構數量超過民居總量50%，最高達80%左右，其次為磚木結構，約占20%～40%，框架結構較少，大約占總數量4%。

民居結構類型分布比例 表1

圖3 民居結構類型分布圖

3 皖北農村民居抗震薄弱環節分析

調查顯示，皖北農居建設缺乏統一規劃和正規的抗震設計，大多憑經驗或簡單參照周邊房屋建設，同時，受經濟能力所限，圈梁構造柱等必要的抗震構造措施仍未普遍設置；皖北農居建設缺乏統一規劃和正規的抗震設計，大多憑經驗或簡單參照周邊房屋建設。同時，受地質條件所限，土層場地地震時，易發生軟土震陷和砂土液化等地基失效問題；受經濟能力所限，圈梁構造柱等必要的抗震構造措施仍未普遍設置，且房屋結構布置十分不合理，極容易發生倒塌現象；受施工工藝所限，建筑材料和施工質量水平低下。總體上看，皖北農居房屋抗側構件少，設防體系單一，抗震能力薄弱，處于抗震高風險狀態，民居抗震性能遠遠低于現行國家抗震的標準要求，存在各種安全隱患。

3.1 地基及基礎

皖北地區絕大部分為平原，僅涉及少部分山地，同時又位于郯廬斷裂帶中南段附近，極為復雜的地質條件，使得皖北大部分地區屬于VII度（0.10g）以上抗震設防區，如果遭受震級較大的地震時，坐落在郯廬斷裂帶上及其附近的建筑結構，往往會由于斷層的錯動而瞬間倒塌，造成難以估量的損失。此外，皖北地區大量民居建造時，未進行場地土層勘察，由于場地內淤泥軟弱土、可液化土的存在，地震時易發生軟土震陷和砂土液化等地基失效問題，從而導致房屋上部結構嚴重損壞。

基于天然地基上的淺基礎造價低廉、施工方便、施工速度快等優點，皖北地區民居普遍采用天然淺基礎，埋深多在0.6m～1.5m范圍內。且磚混結構房屋基礎絕大多數是磚砌墻下的條形基礎，多采用土坯、黏土磚和毛石進行建造，基底一般僅鋪夯實砂墊層。皖北地區很多年代較為久遠的民居未設置地圈梁，且部分基礎出現腐蝕、剝落等現象，房屋抗震承載力水平較低；而皖北地區2000年以后建造的民居，普遍都設置了地圈梁，極大地增強了建筑結構的整體性和抗震承載力。

圖4 開通窗取消外縱墻

圖5 承重墻豎向不連續

圖6 房屋整體布局不合理造成破壞

3.2 結構布置

皖北地區農村房屋結構布置不合理情況非常普遍，結構不對稱，平面和豎向布置不規則；縱橫墻間連接薄弱，構造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封閉等，地震時地震力傳力路徑不明確。具體表現為：平面上承重墻體布置不對稱，樓梯設置在房屋的轉角和端部，導致房屋的剛心偏移，地震作用下極其容易造成結構扭轉性破壞，嚴重者甚至導致整個結構的倒塌。其次，農居建筑為了追求通風、采光帶而大面積開窗甚至取消縱墻與門窗洞口兩側的構造柱，極大地削弱了墻體的抗震承載力。農居為開通窗取消外縱墻，見圖4所示，農居承重墻豎向不連續，見圖5所示，為房屋整體布局不合理在地震中造成的破壞情況，見圖6所示。

3.3 承重墻體

通過走訪調查，皖北地區磚木和磚混結構房屋大多采用橫墻承重結構體系，墻體內基本不設置拉結筋，門窗洞邊窗間墻的寬度遠小于設計規范的限值要求，窗間墻、窗端墻寬度過小，從而導致墻體的抗剪強度不足，結構圈梁、構造柱等措施缺失或不足，一系列因素都會造成地震作用下磚墻容易產生剪切破壞甚至倒塌。圖7為阜陽4.3級地震造成墻體X形裂縫及水平裂縫。

皖北地區很多民居建筑仍存在空斗墻砌筑方式，且未按規范要求砌筑。歷次震害經驗表明[2]：空斗墻側砌的“斗磚”和平砌的“眠磚”僅靠少許砂漿連接，墻體抗剪、抗彎能力極差，在地震作用下容易出現斜裂縫、X形裂縫和水平裂縫，且大多數空斗墻的縱橫墻交接處，沒有采用實心砌法或采取其他拉接措施，縱橫墻交接處連接薄弱，墻體在縱橫墻交接處開裂，導致墻體開裂甚至房屋倒塌。

圖7 墻體裂縫

3.4 樓（屋）蓋

皖北地區民居主要采用現澆板、預制空心板和木屋蓋3種樓（屋）蓋結構形式。磚木和磚混結構房屋常采用三角形木屋架、硬山擱檁形式屋蓋，其和墻體之間缺乏有效的錨固措施，抗震能力不足，地震作用下容易造成山墻外閃和屋架塌落，圖8所示為泗縣泗城鎮大吳村木屋架上鋪預制板塊蓋瓦，存在較大安全隱患。

磚混結構民居還有一定比例采用預制空心樓板的無蓋結構形式。2000年以后，皖北地區建設的磚混房屋預制樓板的屋蓋結構比例降低，基本采用60mm～80mm厚現澆板。但是，為節省建筑成本，底層和中間層仍使用預制板的情況并不少見，預制板和墻體及預制板之間缺少可靠連接，一般直接搭在板端的墻或梁上，支承長度僅有80mm～90mm，且板端的鋼筋無搭接，板間縫隙大多無混凝土連接，樓蓋的整體性差，遭遇稍強地震作用，預制板極易出現開裂、瞬間垮塌等嚴重震害，造成人員傷亡，圖9所示為阜陽地震中預制樓板出現裂縫。

圖8 磚木房屋預制板屋蓋

圖9 阜陽地震造成預制樓板開裂

3.5 構造措施

大量研究表明[3]，在地震災害中，房屋內的圈梁與構造柱往往發揮極大的作用，能夠有效抵抗地震力。因此合理設置圈梁和構造柱，梁、柱的協同工作，可以有效改善房屋的變形性能，增強砌體結構房屋的整體性，并可提高側向剛度，從而提高結構的抗震承載能力。因此，合理的圈梁和構造柱設置是減少磚混房屋地震破壞的最有效構造措施。調查顯示，在皖北泗縣、五河等高烈度區，70%以上的新建房屋均設置圈梁和構造柱，但在設置過程中還存在設置位置不規范的問題，例如僅設圈梁、無構造柱，或圈梁和構造柱不延伸到頂層，或屋蓋處未設置圈梁和構造柱等，這些構造措施設置不足之處，都是將來地震作用下結構發生破壞，甚至倒塌的隱患。

3.6 附屬結構

皖北農村磚混結構民居普遍存在在樓、屋頂安裝預制瓷瓶護欄（“羅馬柱”）的習慣，且與樓屋面缺乏有效連接，僅通過鋪設一層砂漿簡易安裝，缺乏有效固結措施，即便該地區發生不到5級的中小地震，房屋主體結構基本完好，輕微地晃動也能造成此類裝飾構件的跌落，在地震時極易造成墜落傷人，存在較大安全隱患，容易造成小震大災。2015年3月14日阜陽4.3級地震造成2人死亡，十多人受傷，均由地震時屋頂裝飾構件晃動跌落砸中造成，圖10所示為該次地震時，震中伍明村民居附屬結構破壞情況。

圖10 屋頂裝飾構建破壞

3.7 建筑材料及施工質量

調查結果顯示，皖北地區民居建筑材料以舊磚、新舊磚混合為主，墻體抗壓強度低；早期房屋采用粘土砂漿或石灰砂漿，粘結能力差，抗剪強度低。同時，農村建材市場劣質水泥、鋼筋等建筑材料充斥，也直接影響房屋的安全性。此外，民居房屋大多施工質量差，農村施工匠人未經專業技術培訓，很多施工人員憑經驗施工，且施工技術水平參差不齊，直接影響房屋抗震性能。影響抗震性能的施工問題主要包括：墻體組砌方法不當，縱橫墻交接處沒有咬槎砌筑，灰縫砂漿飽滿度不夠，砌筑砂漿和混凝土的配合比不當，致使其粘結性和強度均較差，圈梁與構造柱設置方式不當，預制空心板和墻體連接性差等。這些施工質量問題都會導致房屋結構抗震承載力降低，地震來臨時造成嚴重的安全隱患。

4 震害預測

結合皖北地區歷史地震震害資料，尤其是近年來發生破壞性地震造成的震害現場調查成果，以及皖北地區民居結構類型及特點，對皖北地區分布較為普遍的磚混和磚木房屋，未來遭遇破壞性地震時，可能發生的震害進行分析預測，評估其可能的破壞方式及破壞程度，以及可能造成的地震損失，為針對性地開展房屋抗震加固及新建房屋時提供參考。

4.1 震害預測方法

目前，磚砌體房屋震害預測方法，主要包括震害經驗判斷法[4]，經驗與理論結合的半經驗判斷法[5]，以及模糊類比法[6]等3類。

考慮到皖北地區民居基本為自建磚混和磚木房屋，本次震害預測主要采用尹之潛等[7]提出的磚混結構震害預測方法，該方法假設在地震作用下，磚混結構房屋主要由墻體承擔地震荷載，利用樓層單位面積的平均折算抗剪強度獲取磚結構房屋抗震能力指標，結合各種不利抗震因素，并用該方法提供的震害指數修正系數，考慮農村民居施工質量和抗震構造措施，普遍達不到規范要求的情況。其計算式如下：

式中Ri為第i樓層單位面積折算平均抗剪強度；Ki為第i層單位面積平均抗剪強度折算系數；Pi為第i樓層墻體抗剪強度；Fj為第i樓層第j片墻斷面積；Si為第i樓層平面面積。

4.2 震害預測結果

皖北地區基本設防烈度為Ⅵ～Ⅷ度，根據調查結果，民居中大多數為磚混結構和磚木結構，本次根據泗縣、蕭縣、蒙城、固鎮四縣調查得出的民居結構特征，對所調查磚混和磚木結構民居進行震害預測，分析其在Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ度烈度下的抗震性能，得到磚混和磚木民居的震害矩陣，如表2和表3所示。

磚混結構民居震害矩陣 表2

磚木結構民居震害矩陣 表3

震害矩陣結果表明，各抽樣點民居破壞比例分布基本一致，在地震烈度為0.05g時，磚混和磚木結構民居大部分表現為基本完好和輕微破壞，少數中等破壞，個別出現嚴重破壞，無毀壞現象；在地震烈度為0.10g時，輕微破壞和中等破壞比例上升，磚木民居中等破壞比例稍高，個別出現毀壞現象；在地震烈度為0.20g時，中等破壞和嚴重破壞比例超50%，磚木民居破壞比例高于磚混民居，毀壞比例磚混民居約5%、磚木民居約10%。

5 對策及建議

皖北地區地震地質環境復雜，大量農村民居缺乏有效抗震措施，抗震防災能力薄弱。本文基于皖北農居現場調查，開展了不同類型農居結構抗震能力分析，進而對皖北地區農村民居的抗震性能進行評估。具體針對皖北地區典型農村民居的建設年代、結構類型、構造措施、施工方式、建筑材料及抗震設防等各方面進行定性的分析，并指出了影響農村民居抗震能力的薄弱環節，并對該地區農村民居進行了震害預測，結果表明，皖北地區農村民居整體質量較差，房屋抗震承載力令人堪憂。

根據皖北地區農居抗震設防調查的現狀，以及震害預測的相關結果，可以考慮從以下幾個方面加強民居抗震設防工作[8]，以全面提高農村民居抗御地震災害風險的能力。

①政府要加強農村房屋抗震知識的宣傳和普及工作，引導其合理設置承重墻體、門窗等，盡量避免結構布置不對稱，平面和豎向布置不規則；縱橫墻間連接薄弱，構造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封閉等；進行合理的建筑場地選擇，盡量抗震不利的危險場地。

②對農村建筑施工匠人進行建筑施工工藝科普，對農居抗震技術進行重點培訓，并結合當地習慣和國家規范，給建筑工人提供簡單易懂的標準圖集，從而提高皖北地區農村建筑工人的施工技術和房屋質量。

③政府要加強農村建材市場規范與整頓。建設、工商、質檢等多個部門應加強協同工作，共同監管，杜絕偽劣建材，尤其是水泥鋼筋等流入市場。并加大農村房屋抗震設防資金的投入，這樣才可以從根本上杜絕劣質建造材料的出現，提高房屋的建筑材料品質。

④政府應當加快推進皖北地區民居房屋抗震性能普查和鑒定，并對不合格的房屋建筑進行抗震加固和維修，抗震承載力較低的房屋建筑，應立即拆除，確保每戶房屋建筑都有安全可靠地抗震構造措施。

⑤在皖北地區經濟較為發達的農村建設抗震安全示范點，并建立抗震安全技術服務體系，通過示范點，促使廣大群眾自覺去建設抗震承載力高的安全農居。

⑥政府對農民建設抗震安全房要從政策和資金上給予扶持，給予農民施工建設上的技術指導，切實解決皖北地區農村房屋抗震承載力低的問題。