漾濞MS6.4地震中土木結構房屋抗震加固效果研究

賀素歌,冉 華,2,周青云,2,于 江,2,羅偉東,2,白仙富,2

(1.云南省地震局,云南 昆明 650224;2.中國地震局昆明地震預報研究所,云南 昆明 650224)

0 引言

云南省地處印度板塊與歐亞板塊碰撞帶東緣,南北地震帶的南段。省內(nèi)發(fā)育有49條活動斷裂[1],構造運動強烈,地震活動顯著,是全世界范圍內(nèi)地震發(fā)生頻率最高的地區(qū)之一[2-3]。根據(jù)20世紀以來的地震記錄,云南5.0～5.9級地震平均每年2次,6.0～6.9級地震平均每3年2次,7級及以上震級地震平均約每8年1次,各級別地震的發(fā)生頻率均很高。

漾濞縣位于著名的川滇菱形塊體邊界斷裂紅河斷裂附近。紅河斷裂是云南省內(nèi)年代最久、規(guī)模最大、活動程度最高的斷裂之一[4-5],歷史上曾發(fā)生過多次大地震,其中1925年鳳儀7級地震震中距離洱源縣城僅30 km。漾濞縣是具有很高的地震風險,同時該縣又是大理州最貧窮落后的地區(qū),縣域內(nèi)民居60%為抗震性能較差的老舊土木結構。若不考慮縣城,則老舊土木結構建筑的比例會增大到80%。

土木結構是云南地區(qū)農(nóng)村最常見的民居結構形式,具有抗震性能較差的特點[6-12]。由于抗震加固可以增加土木結構的抗震性能,國內(nèi)外學者開展了大量研究[13-15]。漾濞縣自2014年開始在全縣開展“傳統(tǒng)民居木構架加固改造”工程。到2020年底,全縣范圍內(nèi)已基本完成全部土木結構民居的抗震加固工程。

2021年5月21日,漾濞發(fā)生了MS6.4地震以及3次5.0～5.9級地震,這是云南全面開展抗震加固工作后首次遭遇6級以上地震。與省內(nèi)外近十年發(fā)生的幾次相近級別地震相比(例如盈江6.1級地震,景谷6.6級地震,岷縣—漳縣6.6級地震等),此次地震造成的人員傷亡較少,與以往震例有所差異[16-22]。此外,以往學者對于土木結構抗震加固措施效果的評估,也大多是基于振動臺試驗,沒有經(jīng)歷過地震的真實檢驗[23-26]。本文主要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的成果,結合強震動臺記錄的數(shù)據(jù)等,對比有無抗震加固的洱源縣土木結構房屋受災情況,來研究漾濞縣土木結構房屋的抗震加固效果。

1 地震基本情況

2021年5月21日,云南省大理州漾濞縣(25.70°N,99.88°E)發(fā)生了MS6.4地震震源深度8 km(表1),共造成3人死亡,30人受傷,經(jīng)濟損失約31億元。截止到2021年6月3日,震區(qū)共記錄到3.0級以上地震46次,其中5.0～5.9級地震3次,4.0～4.9級地震13次,余震呈N310°W走向[27]。

表1 漾濞MS6.4地震及部分前震、余震參數(shù)Table 1 Parameters of the Yangbi MS6.4 earthquake and some foreshocks and aftershocks

云南省地震局在地震后迅速派出20人的災害損失評估團隊,在四川省地震局、中國地震災害防御中心、中國地震局工程力學研究所等單位17人的協(xié)助下,走訪調(diào)查了219個居民點,確定了此次地震的烈度分布(圖1)。此次地震的宏觀震中為99.96°E,25.67°N,極震區(qū)烈度為Ⅷ度,面積約170 km2,Ⅶ度區(qū)面積約930 km2,Ⅵ度區(qū)面積約5 500 km2。

圖1 漾濞MS6.4地震等震線圖Fig.1 Isoseismal map of Yangbi MS6.4 earthquake

2 漾濞災區(qū)土木結構房屋加固情況與破壞形式

2.1 基本情況

漾濞及周邊地區(qū)最廣泛使用的土木結構形式為穿斗木構架,此次調(diào)查過程中沒發(fā)現(xiàn)抬梁式木構架、木柱木屋架及其他結構形式的土木結構房屋。穿斗木構架是一種輕型構架,主要由梁、柱、穿枋等構件組成,整體性較好。同時,穿斗木構架節(jié)點之間以榫卯的方式進行連接,在地震中可以吸收一定的地震能量,因而相對其他結構形式的木構架房屋具有較好的抗震性能。據(jù)調(diào)查,漾濞縣及周邊區(qū)縣的土木結構房屋的修建年代均較為久遠,房屋年齡基本上均超過30年,部分老舊房屋年齡超過50年。

2.2 加固情況

近幾年來地震災害對土木結構帶來的巨大損失逐漸引起了政府和學者們的重視,木結構的抗震加固研究逐漸深入。周乾等[28]通過低周往復試驗對扒釘、碳纖維增強塑料布和鋼箍3種加固方式進行了抗震能力對比。國外也有大量學者開展不同加固方式進行了性能測試[29-30]。漾濞地區(qū)的抗震加固工作主要的依據(jù)為《農(nóng)村民宅抗震構造詳圖》[31]、《云南省農(nóng)村民居地震安全工程技術導則》[32]。根據(jù)實地調(diào)查,發(fā)現(xiàn)漾濞縣的抗震加固措施主要包含以下幾類:

(1)利用扒釘和鋼夾板對節(jié)點進行加固

依據(jù)云南省多次地震中土木結構房屋震害情況可以發(fā)現(xiàn),梁柱節(jié)點的性能的好壞是房屋抗震性能優(yōu)劣的關鍵,只要主要木構件不出現(xiàn)折斷、脫落,一般就不會倒塌。漾濞災區(qū)常見的節(jié)點加固方式有兩種:扒釘加固和鋼夾板加固。

扒釘是一種釘頭有兩個尖刺的鐵質(zhì)固定件,主要用于兩塊木材的固定連接[圖2(a)]。利用扒釘可以對梁柱節(jié)點進行加固,防止地震作用時榫頭拔出等危險。扒釘具有造價便宜和施工方便的優(yōu)點,但一般只能用于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[33]中Ⅵ、Ⅶ度區(qū)域,Ⅷ度區(qū)域一般采用鋼夾板加固。

圖2 漾濞縣土木結構房屋的加固方式Fig.2 Reinforcement modes of civil structures in Yangbi County

兩塊鋼板從梁柱節(jié)點兩側(cè)采用對穿螺栓連接的方式對節(jié)點進行加固[圖2(b)],這種加固方式稱為鋼夾板加固。與扒釘相比,鋼夾板具有更大的可塑性,同時對穿螺栓在遭遇較大地震動時不易脫出,更加穩(wěn)固。

(2)利用鋼剪刀撐進行縱向支撐加固

木構架房屋的整體性對于其在地震中的表現(xiàn)——尤其是較強地震動中的表現(xiàn)至關重要。對于穿枋尺寸較小或施工工藝簡陋導致整體性不足的房屋,一般需要采用縱向支撐以增加相鄰橫向木構架之間的聯(lián)系,以增強木構架的整體性。災區(qū)土木結構房屋主要采用的縱向支撐加固方式為剪刀撐[圖2(c)]。

剪刀撐被廣泛運用于各領域,例如建筑領域腳手架等。其基本原理是利用斜向支撐形成三角區(qū)域,增加穩(wěn)定性和整體性。在加固工程中,根據(jù)使用的材料不同,又可以分為木剪刀撐和鋼剪刀撐。漾濞災區(qū)使用的材料是角鋼,進一步增加了支撐的穩(wěn)定性。

(3)利用鋼索設置樓面水平支撐

《云南省農(nóng)村民居地震安全工程技術導則》[32]中提到,抗震設防烈度為Ⅷ度地區(qū)的木構架民居,屋面和樓面應分別設置水平支撐。漾濞縣大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于Ⅷ度地區(qū)內(nèi),調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分土木結構房屋使用鋼索設置了水平支撐[圖2(d)]。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,漾濞災區(qū)的土木結構房屋一般為三開間,分上下兩層。下層柱腳及其他部位未加固,加固部位一般為上層梁柱。目前抗震加固的物料費在500～1 000元左右,人工費在200～500元左右,總成本一般在1 000～1 500元,超過2 000元的戶數(shù)較少。對土木結構建筑進行抗震加固的成本低,具有有效的抗震減災效果,適宜進行推廣。

2.3 破壞情況

此次地震極震區(qū)烈度評估為Ⅷ度,土木結構在Ⅷ度、Ⅶ度和Ⅵ度區(qū)的破壞情況有差異。Ⅷ度區(qū),個別柱腳移位,少數(shù)墻體倒塌,部分局部倒塌,多數(shù)開裂、墻體外閃,普遍梭掉瓦;Ⅶ度區(qū),個別墻體倒塌,部分開裂、梭掉瓦;Ⅵ度區(qū),少數(shù)墻體開裂,梭掉瓦。典型照片見圖3所示。

圖3 漾濞地震土木結構典型破壞照片F(xiàn)ig.3 Typical destruction photos of civil structures in Yangbi earthquak

2.4 本次地震與云南相近震級地震破壞情況的對比分析

2014年云南省發(fā)生了3次6～7級地震,分別為盈江MS6.1地震、景谷MS6.9地震和魯?shù)镸S6.6地震,地震震級均與本次漾濞地震震級相當。多名學者對這3次地震的震害情況進行了對比分析[16-18,34-35]。因魯?shù)榈卣馂膮^(qū)土木結構房屋主要為“墻抬梁”,與漾濞、盈江和景谷地震災區(qū)的“穿斗木”結構抗震性能差異較大,且該地震次生災害造成的破壞較大,因此本文只用盈江地震和景谷地震與本次漾濞地震進行對比分析(表2)。

從表2可以看出,與另外2次地震相比,本次漾濞地震災區(qū)具有以下特點:(1)震源最淺;(2)峰值加速度(PGA)最大;(3)傷亡人數(shù)最少(人口密度相當);(4)人均GDP最低;(5)Ⅷ度和Ⅶ度等震線面積最小。此外,根據(jù)3次地震的震后災害損失評估調(diào)查所見,漾濞地震災區(qū)除縣城位于順濞河階地上,其他區(qū)域基本全部為山區(qū),地震動的邊坡放大效應顯著;漾濞災區(qū)的土木結構建筑年代久遠,抗震性能相對更差。

表2 漾濞地震與盈江地震、景谷地震的對比Table 2 Comparison of Yangbi,Yingjiang,and Jinggu earthquakes

以上分析表明,漾濞地震災區(qū)的建筑物遭遇了更大的地震動、更強的場地放大效應和擁有更差的建筑物抗震性能,但遭受的破壞反而更小。初步分析認為,原因是漾濞縣土木結構民居進行了抗震加固。

2.5 加固與未加固房屋的比較

另一個更直觀反映抗震加固效果的研究方法,是將加固與未加固的土木結構建筑在地震中的表現(xiàn)進行比較。震后災害損失評估調(diào)查中發(fā)現(xiàn),洱源縣南部與漾濞縣接壤的西山鄉(xiāng)、煉鐵鄉(xiāng)和鳳羽鎮(zhèn)并未對土木結構(穿斗木結構)進行抗震加固,而其南側(cè)更接近震中的漾江鎮(zhèn)進行了抗震加固。在上述區(qū)域中分別選擇了5個和7個自然村(調(diào)查點),對其中的土木結構的破壞情況進行了調(diào)查,并根據(jù)《中國地震烈度表》(GB/T 17742-2008)評估了這些調(diào)查點的震害指數(shù)和宏觀烈度(表3,圖4)。

從表3及圖4可以看出,漾濞縣漾江鎮(zhèn)的7個調(diào)查點到震中的距離為11.6～17.2 km,宏觀烈度普遍為Ⅵ度;洱源縣的5個調(diào)查點到震中的距離為20.7～22.4 km。雖然漾濞縣漾江鎮(zhèn)的7個調(diào)查點距離震中更近,但震害更輕。考慮到這些調(diào)查點相距不遠,地形坡度相似,建筑物修建年代相近,分析認為震害差異主要原因是漾濞縣漾江鎮(zhèn)的土木結構民居都進行了抗震加固。

圖4 漾濞地震部分烈度調(diào)查點及儀測烈度點Fig.4 Intensity of survey points in Eryuan County and Yangjiang Town in Yangbi County and the intensity attenuation relationship

表3 漾濞縣漾江鎮(zhèn)與洱源縣西山鄉(xiāng)、煉鐵鄉(xiāng)、鳳羽鎮(zhèn)土木結構建筑破壞情況對比Table 3 Comparison of damages on civil structures in Yangjiang Town of Yangbi County and Xishan Town,Liantie Town,and Fengyu Town of Eryuan County

3 漾濞MS6.4 級地震土木結構房屋震害啟示

3.1 宏觀烈度與烈度衰減關系

地震烈度衰減關系反映的是地震波對建筑物的破壞隨震中距衰減的經(jīng)驗關系,該關系是震后快速評估等工作的重要依據(jù)。本文中,將衰減關系用于建筑物整體抗震性能評估:宏觀烈度高于依衰減關系計算得到的烈度時,表明建筑物抗震性能未達到區(qū)域平均值;宏觀烈度低于計算烈度時,表明建筑物抗震性能高于區(qū)域平均值。多名學者對云南及周邊的烈度衰減關系進行過總結,因為漾濞地震為右旋走滑型地震,所以本文選擇董曼等[35]基于川滇地區(qū)走滑地震資料建立的川滇走滑地震烈度衰減關系。我們將調(diào)查點的烈度值依據(jù)震害指數(shù)進行線性插值得到宏觀烈度值,這些烈度值和衰減關系由圖5所示。

圖5 洱源縣及漾濞縣漾江鎮(zhèn)調(diào)查點烈度與 烈度衰減關系Fig.5 Relationship between intensity attenuation and intensity in Eryuan County and Yangjiang Town of Yangbi County

可以看出,洱源縣的5個調(diào)查點的宏觀烈度(只考慮土木結構建筑)比烈度衰減關系長軸高0.2～0.7,表明該區(qū)域內(nèi)的建筑物抗震性能明顯劣于川滇地震災區(qū)的平均水平;漾濞縣7個調(diào)查點的宏觀烈度(同樣只考慮土木結構建筑)比烈度衰減關系長軸低0.2～0.7,表明該區(qū)域內(nèi)的建筑物抗震性能明顯優(yōu)于川滇地震災區(qū)的平均水平。考慮到烈度衰減關系10～70 km范圍內(nèi)長軸和短軸之間大約相差0.5,可以認為,在遭遇相同地震動時,未抗震加固的土木結構建筑比加固過的該類建筑宏觀烈度可能會高1.0～2.0。這個結論是在Ⅵ～Ⅶ度情況下得到的,在更高烈度時這個結論是否正確還有待進一步研究。

3.2 強震動地震臺的儀測烈度

震中附近約100 km范圍內(nèi)有約72個強震臺記錄到了此次地震。洱源縣和漾濞縣交界附近有兩個強震臺有記錄,其中漾濞漾江臺(安南以西)儀測烈度為6.4度,洱源西山臺(房后西北)儀測烈度為5.3度。漾江臺的儀測烈度與附近居民點的宏觀烈度相當,西山臺的儀測烈度比附近居民點的宏觀烈度低2度左右。這一結果同樣說明了對土木結構建筑物進行抗震加固能有效地提高其抗震能力。

3.3 對防震減災的效果

從表3及圖4可以看出,如果只考慮土木結構的破壞情況,對于漾濞縣內(nèi)抗震加固后的土木結構建筑物,Ⅶ度等震線長軸半徑約為11 km;對于洱源縣內(nèi)未抗震加固的土木結構建筑物,Ⅶ度等震線長軸半徑約為22 km。根據(jù)這組數(shù)據(jù)進行計算,Ⅶ度破壞區(qū)域面積因抗震加固可能減小了約75%,漾濞縣內(nèi)本來應達到Ⅶ度破壞的土木結構建筑群的實際破壞烈度降低到了Ⅵ度。從表2還可以看出,Ⅶ度和Ⅵ度區(qū)域土木結構破壞情況差別很大:Ⅶ度破壞時,5%左右的土木結構建筑會毀壞,50%～70%的會破壞,而Ⅵ度區(qū)域這兩個比例分別下降到了0%～20%。這意味著本來可能毀壞的土木建筑因為抗震加固而沒有毀壞;土木建筑的破壞比例也因為抗震加固大幅下降。因此,經(jīng)濟損失和人員傷亡也因此大幅下降。

4 結論與建議

通過對漾濞MS6.4地震土木結構建筑物受損情況進行調(diào)查和分析研究,得到以下初步結論:

(1)漾濞縣對縣域內(nèi)土木結構房屋使用鋼夾板、鋼剪刀撐、鋼索等進行了抗震加固,增加了土木結構的整體性與穩(wěn)定性,提高土木結構建筑的抗震能力。

(2)震害情況對比、強震動記錄、烈度衰減對比等方面的數(shù)據(jù)顯示,抗震加固有效地降低了災區(qū)土木結構建筑受到的破壞,宏觀烈度降低1～2度,大幅度降低了其在Ⅶ度地震作用下的受損程度,降低了經(jīng)濟損失和人員傷亡。

(3)本次地震中,未開展抗震加固土木結構的區(qū)域宏觀烈度均未達到Ⅷ度,宏觀烈度達到Ⅷ度的區(qū)域內(nèi)土木結構全部進行了抗震加固,因此抗震加固措施在Ⅷ度及以上地震作用區(qū)域的抗震減災效果還有待于進一步研究。

云南省的抗震加固工作在本次地震中經(jīng)住了考驗,極大地降低了人員傷亡和經(jīng)濟損失,進一步說明了抗震加固工作的合理性、有效性,為我們的防震減災工作提供了寶貴的經(jīng)驗。建議在地震高風險區(qū)域進一步推廣老舊民居的抗震加固工程,提高建筑物的抗震性能,減輕地震風險,降低地震損失和人員傷亡。

在地震烈度評估中,進行過抗震加固的建筑的與未進行過抗震加固的建筑,因二者抗震性能差異較大,應進行區(qū)分。可適當提高前者的震害指數(shù),以避免低估地震產(chǎn)生的破壞。