青海省共和地區(qū)農村民居特征與抗震性能分析1

王 洪 王成虎 安易飛 陳 念 周 昊

（應急管理部國家自然災害防治研究院，地殼動力學重點實驗室，北京 100085）

引言

青海省地處我國最大的地震區(qū)?青藏高原地震區(qū)，整體處于活躍的南北地震帶上，地震活動頻繁，強震（Ms≥6.0）數量居全國第7 位（蘇延芬等，2013）。據中國地震局臺網中心匯編數據統(tǒng)計資料顯示，1990 年以來，青海省發(fā)生5.0 級以上地震58 次，其中Ms5.0～Ms5.9 級地震50 次、Ms6.0～Ms6.9 級地震6 次、Ms7.0～Ms7.9 級地震2 次。目前，部分學者對青海省農村民居進行大量實地調研，收集整理調查資料，并深入分析各類房屋結構特征及抗震性能，取得了許多有價值的研究成果。鐘秀梅等（2019）將我國西北地區(qū)（青海省、甘肅省、陜西省）農村民居結構細分為6 大類、15 小類，并通過計算平均震害指數評估了各類房屋抗震能力，其中采取抗震構造措施的磚混結構和磚圍護木結構房屋抗震性能最優(yōu)，同時建議單獨統(tǒng)計城鎮(zhèn)和農村房屋震害特征。楊娜等（2018）總結了青海東南部地區(qū)農村民居結構特點，給出土墻圍護木構架結構房屋震害矩陣，并對其進行抗震能力分析。邱舒睿等（2015）對青海省農村民居地震災害易損性進行了研究，總結了青海地區(qū)歷年地震破壞比，評估了各鄉(xiāng)級農村民居災害易損性。樸永軍（2013）、郭寧（2012）基于青海省農村民居現場調查和文獻調研情況，總結得到了青海省房屋震害矩陣。目前，對于青海省農村民居系統(tǒng)性的震害預測研究仍處于空白，由于青海地區(qū)地震活動頻繁，尤其是農村地區(qū)，農村民居受建造年代、經濟條件和地理位置等限制，導致其抗震能力弱，更易受到破壞。因此，對現有農村民居開展抗震調查工作具有重要的現實意義。

青海省東部的共和地區(qū)地質構造背景復雜，斷層較發(fā)育，區(qū)內水系豐富，建有中型水利發(fā)電站，使該地區(qū)具有水庫誘發(fā)地震環(huán)境背景，且區(qū)域內地熱資源豐富。因此，須對青海省共和地區(qū)開展農村民居抗震設防調查。本文以青海省共和地區(qū)農村民居為研究對象，根據現場調查數據及1990 年以來青海省中強地震現場震害調查數據統(tǒng)計分析結果，揭示典型農村民居結構特點和1990 年以來的震害特征，并開展抗震性能分析，給出不同結構類型農村民居震害預測結果，以期為農村民居抗震研究和防震減災工作提供依據。

1 現場調查

1.1 調查范圍與內容

調查對象主要為青海省共和地區(qū)農村民居莊廓院房屋，調查目的是通過開展抗震設防能力評估工作，為后期改擴建工作提供參考，同時揭示海南藏族自治州共和縣農村民居抗震設防能力是否符合危房改擴建項目指標及地區(qū)抗震設防烈度要求。青海省共和地區(qū)覆蓋4 個鎮(zhèn)、42 個村，依據區(qū)域地震地質、人口經濟情況、建筑特征等信息，本文選取恰卜恰鎮(zhèn)、倒淌河鎮(zhèn)、龍羊峽鎮(zhèn)、塘格木鎮(zhèn)的龍洋新村、次汗蘇村、阿乙亥村等人口最集中的13 個自然村作為房屋抗震設防能力調查區(qū)，房屋按Ⅶ度抗震設防，每個村各類房屋抽樣數量占比為20%～30%，抽樣調查綜合考慮了既有和在建農村民居建造年代、建筑特征、建筑分布等，具有較好的代表性。

本次調查于2019 年6?7 月進行，調查方式主要采取調查人員進村入戶實地查看，通過現場拍攝、訪談，獲取抗震設防信息。調查內容主要包括農村民居結構類型、建造時間、建造方式等，此外，對居住人口數量、人員流動情況、民族分布情況、習俗、地理環(huán)境、經濟收入來源、總收入、子女教育等經濟社會發(fā)展基本情況進行了解。

1.2 調查結果

現場調查數據表明，農村民居主要以磚混結構和磚木結構房屋為主（表1），具體表現為：（1）磚混結構和磚木結構房屋約占48%、47%，其中約68%的磚混結構房屋未設置鋼筋混凝土構造柱和圈梁，僅5%的磚木結構房屋設置構造柱和圈梁；（2）土木結構房屋僅占5%左右，個別村土木結構房屋占比較大，如次汗素村土木結構房屋占比高達30%，且仍作為民居使用；（3）各村人口數量較少，每戶家庭平均年收入約3 萬元，經濟條件相對落后。

表1 農村民居房屋結構類型現狀Table 1 Types and proportion of rural buildings in different villages in Gonghe region of Qinghai province

根據各調研點年收入情況統(tǒng)計建筑結構類型占比，結果如圖1 所示。由圖1 可知，年收入低于2 萬元的村落房屋以磚木結構為主，占比達75%；年收入高于2 萬元的村落房屋以磚混結構為主，占比達71%；經濟條件較差的村落，農村民居抗震性能較差。

圖1 不同年收入村落房屋結構類型占比Fig. 1 Proportion of building structure of villages with different annual income

2 結構類型

青海省農村地區(qū)最具民族特色的房屋為莊廓院，即由高大的夯土圍墻和厚實的大門圍合成的合院式民居，如圖2 所示。典型的莊廓院坐北朝南，圍墻平面布局形式呈正方形或長方形，傳統(tǒng)莊廓院圍墻選用當地黃土夯筑而成，但因黃土疏松多孔、黏聚性較差，圍墻呈上窄下寬形式，高4～5 m，厚80～100 cm。青海省地震活動頻繁，農村地區(qū)經濟條件落后，政府在2009?2014 年出臺農村危舊房改造補貼政策，農村地區(qū)80 %左右的莊廓院圍墻逐漸由夯土墻改建為磚墻，高3～4 m，厚120 mm 或240 mm，提高了抗震性能。調研發(fā)現，傳統(tǒng)和改建莊廓院布局特點基本不變，主要由院墻、房屋和庭院組成，房屋靠圍墻建造，布局呈一字形、L 形、二字形、凹字形和口字形。沿北側院墻建造正房（北房或上房），正房內部布局主要包括客廳、臥室、廚房；東墻和西墻建廂房，常用作雜物間，部分用作居住；南墻建房多用作牲畜棚或草料房（崔文河，2015；左丹，2015）。

圖2 次汗蘇村典型莊廓民居Fig. 2 Typical Zhuangkuo folk house in the Cihan village

青海省共和地區(qū)有放牧和半農半牧2 種生產方式，不同農業(yè)區(qū)有不同的房屋結構形式，本次調研區(qū)域主要為半農半牧地區(qū)，房屋布局主要為莊廓院形式，以土木結構（圖3（a））、磚木結構（圖3（b））和磚混結構（圖3（c））為主。農村民居特點如下：（1）土木結構為20 世紀80 年代修建，整體結構一般為雙坡頂單層建筑，屋頂坡面較緩，坡度6°～7°。主要承重結構為木柱和土坯墻，開間過大，進深達5 m，間寬約10 m。屋頂系統(tǒng)包括木梁、木檁條、葦席和草芥鋪設的屋面。此類房屋建造年代久，主要承重構件抗震性能差，在地震作用下極易發(fā)生嚴重破壞。（2）磚木結構為20 世紀80?90 年代建造，整體結構一般為雙坡頂+木屋架形式的單層建筑，地基僅簡單夯實，基礎為埋深較淺的毛石砌筑基礎，無地圈梁。房屋主要承重構件是磚墻和木柱，墻體一般采用黏土磚和白灰砂漿砌筑，山墻和外橫墻為370 mm 厚磚墻，后縱墻厚度一般為240 mm，內墻為240 mm 厚磚墻或夯土墻，縱橫墻連接處未采取預留馬牙槎等拉結措施。屋頂常用平頂木構架，木梁放置于后縱墻和前縱墻的木柱上。（3）磚混結構房屋一般為雙坡頂+木屋架形式的單層建筑，少數為2 層建筑，地基埋深約1.5 m，下部設地圈梁。房屋包括磚墻、磚柱、鋼筋混凝土樓板或預制樓板、現澆鋼筋混凝土梁，屋頂系統(tǒng)包括木屋架、木檁、瓦屋面。區(qū)域內大多數磚混結構房屋未設置構造柱、圈梁等抗震設防措施（杜曉霞，2016）。

圖3 次汗素村房屋結構類型Fig. 3 Structural types of rural houses in the Cihan Village

3 房屋震害特征

在歷次破壞性地震作用下，農村地區(qū)成為震害最嚴重的受災區(qū)，發(fā)生破壞性地震的概率相對較大。本文通過收集青海地區(qū)近年來發(fā)生的破壞性地震震害資料（中國地震局監(jiān)測預報司，1996，2001，2010；地震局震災應急救援司，2015），得到了區(qū)域內典型農村民居震害特征（表2）。

表2 1990 年以來青海省中強地震統(tǒng)計結果Table 2 Statistics of middle-strong earthquakes of Qinghai since 1990

區(qū)域內2 次特大地震為：（1）1990 年4 月26 日共和縣塘格木鎮(zhèn)7.0 級地震，震中烈度達Ⅸ度，此次地震共造成119 人死亡，149 人重傷，1 900 多人受傷，12 366 戶共45 000 多人經濟受損，總經濟損失高達2 億多元（劉志剛等，1990）；（2）2010 年4 月14 日玉樹7.1 級地震，最高烈度達Ⅸ度，受災面積共3.5萬km2，其中，極重災區(qū)992 km2，重災區(qū)7 030 km2，共造成20 萬人受災，2 600 多人死亡，農村民居倒損4.5 萬戶、共29 萬多間，總經濟損失達750 多億元（白國良等，2011；樸永軍，2013）。近年來的破壞性地震，震中位置多位于農村地區(qū)，受經濟和技術等條件的限制，農村建筑物更易受到破壞。

4 震害預測

4.1 震害預測方法

國內外對建筑物震害預測的研究始于20 世紀70 年代，目前關于震害預測的研究方法種類繁多（王強等，2011），本文針對不同房屋結構類型，選取不同的震害預測方法（邵峰，2017），對于磚混結構房屋，依據唐月等（2012）的研究成果，尹之潛等（1990）提出的樓層平均抗剪強度法；對于磚木結構和土木結構房屋，依托王強等（2009，2011）和郭小東等（2011）的研究成果，選取較常用的模糊震害預測法，基于青海省共和地區(qū)震害資料，建立建筑結構影響因子與震害指數之間的關系，應用模糊評價模型理論，給出區(qū)域內磚木結構和土木結構房屋震害預測結果。

4.1.1 磚（土）木結構房屋

模糊震害預測法是基于模糊數學的方法，應用隸屬度理論將單因素定性評價轉化為定量評價，并對單因素評價結果加權求和，取得綜合評價結果（王強等，2011），具體步驟如圖4 所示。

圖4 磚（土）木結構房屋震害預測計算流程Fig. 4 Flow chart of earthquake damage prediction calculation for brick-timber structure and civil-timber structure house

本文通過收集青海省共和地區(qū)及周邊區(qū)域近年來破壞性地震房屋震害資料，包括塘格木地震、瑪沁地震、興海地震、青海玉樹地震、青海門源地震、雜多地震等（中國地震局監(jiān)測預報司， 1996，2001，2010；秦松濤等，2010；地震局震災應急救援司，2015），并結合邱舒睿等（2015）對青海地區(qū)不同房屋結構類型破壞比的統(tǒng)計，得到土木結構、磚木結構房屋在不同地震烈度下的各狀態(tài)破壞比，如表3 所示。

表3 土木結構、磚木結構房屋震害矩陣（%）Table 3 Earthquake damage matrix of civil and brick-wood structures (Unit:%)

4.1.2 磚混結構房屋

磚結構房屋主要承重構件是墻體，在地震作用下，以墻體剪切破壞為主，因此可將磚墻抗剪強度值作為磚結構房屋抗震能力的量值。本文采用樓層平均抗剪強度法對磚混結構房屋進行震害預測，計算過程如下：

（3）震害指數的修正

考慮青海省共和地區(qū)農村民居多為自建房，震害特征受施工質量和設計標準等因素影響較大，應對不同農村民居震害指數進行修正，修正公式如下：

式中：Ci為修正系數，取值如表4 所示。

表4 修正系數取值Table 4 Correction factor value

（4）震害等級的確定

震害等級與其對應的震害指數之間的關系（尹之潛等，1990）如表5 所示。根據現場調查結果，給出農村民居基本參數，如表6 所示。

表5 建筑物震害等級與其相應的震害指數Table 5 Earthquake damage grade of building and corresponding earthquake damage index

表6 農村民居基本參數Table 6 Parameters of rural residential buildings

4.2 震害預測結果

（1）磚混結構房屋

基于磚混結構房屋基本參數（表6），分別對2 層和單層磚混結構（結構1～結構4）房屋進行震害預測分析，結果如表7 所示。由表7 可知，農村民居采用高強度砌塊和砂漿并設置圈梁、構造柱等抗震措施，在改善房屋抗震方面起到明顯作用，極大地提高了結構抗剪強度。

表7 磚混結構房屋震害預測結果Table 7 Earthquake damage prediction results of rural masonry buildings

磚混結構房屋震害預測結果表明，結構類型相同、建筑年份與抗震構造措施不同時，震害結果差異較大。地震烈度為Ⅵ度時，結構整體處于基本完好狀態(tài)，不受影響；地震烈度為Ⅶ度時，結構局部出現輕微破壞，墻體產生細裂縫；地震烈度為Ⅷ度時，結構主要表現為輕微破壞～嚴重破壞，墻體局部開裂，抗震措施薄弱的房屋需采取一定的修復措施，建造時間長及抗震措施差的房屋破壞，且墻體出現多道裂縫；地震烈度為Ⅸ度時，房屋表現為中等破壞～嚴重破壞，墻體開裂，甚至部分嚴重傾斜，屋面梭瓦現象明顯，已處于危險狀態(tài)，不宜居住；地震烈度為Ⅹ度時，房屋表現為中等破壞～毀壞，墻體開裂或倒塌，樓板開裂或滑動。

（2）磚木結構房屋

磚木結構房屋震害預測結果如表8 所示，由表8 可知，磚木結構房屋抗震性能較未設防的磚混結構房屋差，地震烈度為Ⅶ時，房屋表現為中等～嚴重破壞，整體破壞程度低，磚墻出現局部裂縫，門窗洞口處裂縫沿角落呈斜向擴展，木架屋頂出現瓦片錯動或滑落現象；地震烈度為Ⅷ度時，房屋表現為嚴重破壞，墻體多處開裂，砌塊發(fā)生剪切破壞，導致墻體產生斜向裂縫或X 形裂縫，甚至嚴重傾斜或倒塌；屋面出現瓦片大面積滑落，局部檁條墜落，房屋表現為危房狀態(tài)，不宜居住；地震烈度為Ⅸ度時，房屋表現為倒塌，磚墻部分發(fā)生倒塌，屋面部分或整體發(fā)生墜落。

表8 磚木結構房屋震害預測結果Table 8 Earthquake damage prediction results of rural brick structural buildings

（3）土木結構房屋

土木結構房屋震害預測結果如表9 所示，由表9 可知，土木結構房屋抗震性能最差，在歷次地震破壞中，震害等級最高，破壞程度最嚴重。地震烈度為Ⅶ度時，房屋表現為嚴重破壞，土坯墻多處開裂，屋頂出現大面積梭瓦現象，房屋定為危房，不宜居住；地震烈度為Ⅷ、Ⅸ度時，房屋表現為倒塌，山墻開裂嚴重，縱橫墻體出現貫通裂縫，土坯墻體局部或整體倒塌，木屋架破壞嚴重，瓦片發(fā)生大面積滑落，屋頂多處塌陷。

表9 土木結構房屋震害預測結果Table 9 Earthquake damage prediction results of rural civil structural buildings

4.3 磚混結構房屋震害預測結果對比

為驗證本文磚混結構房屋震害預測結果，引入西北地區(qū)農村磚混結構房屋震害預測結果（鐘秀梅等，2019），進行了對比分析，結果如圖5 所示。

由圖5 可知，西北地區(qū)與青海省共和地區(qū)磚混結構房屋震害預測結果基本一致。其中，結構2 震害預測結果介于西北地區(qū)新建磚混結構與老舊磚混結構結果之間，波動幅度較小；相對于西北地區(qū)新建磚混結構，結構1 在不同地震烈度下的破壞性較大，可能是因為結構1 房屋樓層較高，且青海地區(qū)因經濟條件、地理位置等影響，農村民居多為自建房屋，施工質量較差，導致房屋整體抗震性能較差；結構3 和結構4為未設防的磚混結構，在不同地震烈度下整體表現為較高的震害指數。

圖5 磚混結構房屋震害指數曲線Fig. 5 Earthquake damage index curve of brick-concrete structure

5 結論

本文通過對青海省共和地區(qū)大量村落房屋的實地調查，給出區(qū)域內典型民居結構特征，統(tǒng)計分析青海省1990 年以來中強地震農村民居震害調查數據，得到農村民居歷史地震震害特征，并對傳統(tǒng)民居莊廓院抗震能力現狀進行預測，得出以下結論：

（1）青海省共和地區(qū)農村民居結構類型主要以磚混結構（約占48%）和磚木結構（約占47%）為主，有少量（約占5%）的土木結構。該地區(qū)多為自建房屋，僅部分農村民居按照標準設防等級建造，其抗震性能較差；磚木結構房屋圈梁、構造柱等抗震措施仍未得到廣泛應用，基礎設施、建造質量等問題在不同地區(qū)存在較大差異。

（2）青海省共和地區(qū)農村民居中約68%磚混結構房屋未按照標準設防建造，抗震性能一般，但部分近年來改擴建的磚混結構房屋抗震性能較好，磚木結構和土木結構房屋抗震性能較差。采用樓層平均抗剪強度法和模糊綜合評價法分別對磚混結構和磚（土）木結構房屋進行震害預測分析，得到了區(qū)域內各類典型農村民居Ⅵ～Ⅹ度震害預測結果。地震烈度為Ⅵ度時，區(qū)內各類房屋多數表現為基本完好，僅少數抗震性能較差的土木結構房屋表現為輕微破壞，墻體出現裂縫；地震烈度為Ⅶ度時，磚混結構房屋表現為基本完好，未設防房屋發(fā)生中等破壞，磚木結構和土木結構房屋整體表現為中等破壞，磚墻局部產生裂縫，土坯墻體裂縫擴展延伸，木架屋頂出現梭瓦，承重構件基本完好，抗震性能基本達到設防要求；地震烈度為Ⅷ～Ⅸ度時，磚混結構房屋主要表現為中等～嚴重破壞，墻體開裂，柱有水平通縫，房屋需修復后繼續(xù)使用，磚木結構房屋表現為嚴重破壞，局部房屋發(fā)生倒塌，抗震性能較差的夯土墻發(fā)生倒塌，多數墻體大面積開裂，形成通縫；地震烈度為Ⅹ度時，磚混結構房屋表現為嚴重破壞～毀壞，房屋無法修復，磚木結構和土木結構房屋普遍倒塌。

（3）需合理高效推進青海省共和地區(qū)農村民居危舊房屋改造工程，青海農村地區(qū)多數為自建房，受施工工藝、經濟條件約束，修建單層民房時設置抗震設防措施（地梁、圈梁和構造柱）、使用燒結普通磚砌塊和強度等級較高的砂漿砌筑，均能提高自建房抗震性能。