墨江M5.9 地震農危改房屋震害調查與分析

戴必輝，陶忠，葉燎原，高永林，皇甫雙娥

（1.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500；2.西南林業大學 土木工程學院，云南 昆明 650224；3.云南省抗震工程技術研究中心，云南 昆明 650500；4.云南師范大學，云南 昆明 650500）

我國地震災害頻發，地震區域分布廣闊，GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》（以下簡稱“第五代區劃圖”）施行后，地震動峰值加速度小于0.05g（即Ⅵ度）的分區不再出現，設防烈度Ⅶ度及以上的地區占國土面積達58%[1]，其中超過80%的5 級以上地震發生在農村地區.由于長期以來農房建設并未完全納入我國的建筑抗震管理體系，缺乏統一科學的規劃、設計、建造和監管[2]，導致現役農房抗震能力普遍較低，這種現象在欠發達的西部地區尤為突出，長期居住使原本抗震性能不佳的農房在環境因素和人為因素的侵蝕及破壞下變成危房，對居民安全造成巨大威脅.當大地震來臨時，往往會對這類房屋造成災難性的破壞，甚至小震發生時在近震區造成“小震大災”的現象也屢見不鮮[3].

云南省位于印度洋板塊與歐亞板塊碰撞帶的東側，以小江斷裂帶為代表的227 條活動斷裂帶星羅棋布，第五代區劃圖施行后，地震基本烈度Ⅶ度及以上地區占全省總面積90%以上，Ⅷ度及以上地區占比接近一半，是我國破壞性地震較多、震災頻繁的地區之一.云南省處于橫斷山脈南段，高山河谷縱橫其間，山地面積占全省總面積90%以上.歷次震害調查表明，山區地形存在地震動放大效應，加劇房屋震害[4-5].云南省農村地區經濟落后，自建農房抗震防災能力薄弱，是我國農村危房最多的省份之一，也是地震成災次數最多的省份[6].

村鎮建筑的抗震水平是一個國家整體抗震能力的重要組成部分，隨著社會和經濟的快速發展，農村地區對房屋的抗震安全需求不斷提高，對經安全性鑒定為C 級危房（局部危房）或D 級危房（整體危房）的既有農村住房進行加固、維修、拆除、置換或重建，是我國從抗震大國向抗震強國過渡的必然選擇.

目前已有諸多學者圍繞如何提高農房抗震防災能力開展研究，在農房加固改造方面獲得了經驗和成果.阿肯江·托呼提等[7]針對新疆農村地區房屋提出木柱梁-土坯組合墻結構體系；王毅紅等[8]通過試驗研究了在役生土結構房屋抗震加固改造的技術措施；尚守平等[9]針對農村民居既有建筑與新建建筑分別提出了HPFL 加固技術和鋼筋-瀝青復合層隔震技術；周鐵剛等[10-11]針對土坯承重民居和木構架承重-空斗墻圍護民居提出對應加固措施，通過縮尺振動臺試驗得出總體上可以滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防目標和結論.這些農房抗震加固改造措施雖然得到了理論和試驗的驗證，但在實際地震中的表現卻鮮有報道.墨江5.9 級地震雖然給人民財產造成了重大損失，但未造成人員死亡，這在云南省歷史上同級別地震中較為少見，極大程度上得益于近年大力實施的農村危房改造工作.為進一步驗證農危改房屋的抗震加固效果，研究地震中各種結構形式房屋的震害特征，本文根據記錄的強震動觀測資料，對地震動峰值加速度衰減規律及部分臺站地震波進行地震動特征分析，在現場震害調查的基礎上結合云南省農村危房改造的實施情況總結震害經驗，同時給出相關建議.

1 地震動特性分析

2018 年9 月8 日10 時31 分29 秒，云南墨江縣境內發生5.9 級地震，震中位于通關鎮丙蚌村，震源深度為11 km，發震構造為阿墨江斷裂帶西支[12].此次地震是墨江歷史上震級最高的一次地震，也是云南省近四年來震級最高的地震，更是2018 年中國大陸震級最高的地震.地震造成墨江縣15 個鄉（鎮），168 個村（社區）不同程度受災，其中：通關、魚塘、聯珠、雅邑、龍潭5 個鄉（鎮），33 個村嚴重受災，受災人數達10.48 萬人，受傷28 人；因災受損民房10 989戶（因災倒塌民房673 戶2 020 間，嚴重損壞民房4 423 戶13 269 間，一般損壞民房5 893 戶17 680間），交通、水利、市政、電力、通訊、教育、衛生等基礎設施損毀嚴重.云南省地震局公布的墨江5.9 級地震烈度圖[13]顯示，此次地震極震區烈度達Ⅷ度，主要涉及普洱市墨江縣通關鎮、雅邑鎮、聯珠鎮，面積約32 km2，等震線呈橢圓形，長軸方向呈NW向，Ⅶ度區總面積為438 km2，Ⅵ度區及以上總面積約5 180 km2.

此次震害調查主要針對震災較嚴重的Ⅶ度區和Ⅷ度區的農房，重點對農危改中加固和新建農房在地震中的抗震表現進行評估.本文共收集到云南省地震監測中心采集的震中周邊37 個臺站3 個方向的地面加速度峰值和距離震中最近的3 個臺站的強震波形數據，用于此次地震動特性分析.圖1 為地震震中及臺站分布示意圖.圖2 為調查點位置示意圖.

圖1 震中及臺站分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of epicenter and stations

圖2 調查點位置示意圖Fig.2 Locations of investigation sites

表1 列出了臺站及其地震動觀測信息，臺站震中距為50～100 km，除國慶、景谷兩個臺站場地類型為基巖外，其余臺站場地類型均為土層.

表1 震中距100 km 內強震動記錄Tab.1 Strong motion recordings within 100 km from the epicenter

1.1 加速度峰值衰減特性分析

地震動衰減關系是地震危險性分析和工程抗震設防輸入的重要依據.由于區域地震構造活動特征不同，各地區地震動衰減特征差異明顯，利用特定區域的強震動觀測數據統計得到的衰減規律，才能真實反映該地區的地震動衰減特性.對比表1 的觀測數據，距震中較近的勐先、磨黑和寧洱得到的地面加速度值較大，水平向PGA（取EW 和NS 兩個方向中的較大值）最大值為39.2 gal，豎向PGA 最大值為15.2 gal，并隨震中距的增加成一定規律衰減.為了分析此次地震的水平向加速度衰減特性，本文選取了4組包含該區域的PGA 衰減關系研究成果與實際觀測記錄進行對比，分別為汪素云等[14]的中國西部地區（WSY2000 模型）、崔建文等[15]的云南Ⅱ區（CJW2006模型）、劉本玉等[16]的云南地區（LBY2012 模型）和俞言祥等[17]的第五代區劃圖青藏區（YYX2013 模型）.從圖3 給出的各模型預測值曲線與地震加速度記錄數據可以看出，地震動記錄數據為震中距50～300 km 內，CJW2006 模型對此次地震動PGA 衰減規律具有較好的適應性，其余模型在震中距100 km 內預測值均高于觀測值，其中LBY2012 模型偏離最大.分析原因主要是CJW2006 模型統計資料區域針對性強，更適合這一地區地震動衰減的預測.

圖3 水平向PGA 衰減特征Fig.3 Attenuation of the horizontal PGA

雖然缺乏近震區觀測數據，但從預測值看，除YYX2013 模型偏高外，其余模型極震區內PGA 值為200～300 gal，由于近斷層地震動具有明顯的長周期速度和位移脈沖，對砌體、土坯和生土等脆性結構具有較強的破壞性，導致震中大量土木、磚木結構農房破壞、倒塌，極震區烈度達到Ⅷ度.值得注意的是，國慶和景谷臺站PGA 值明顯小于同等震中距臺站PGA 值，例如國慶與江城縣城相距不到5 km，水平向PGA 值相差3 倍，說明場地條件對地震動的放大效應顯著，農村危房改造中拆除重建的房屋應考慮選址的影響.

1.2 頻譜特性分析

為進一步掌握此次地震的地震動特性，對勐先、磨黑和寧洱臺站記錄到的強震波形數據進行頻譜特性分析.圖4、圖5 分別給出了3 個臺站東西、南北和豎直方向的加速度時程及其頻譜分析結果.

由圖4 可知，由于震中距和場地類型較為接近，勐先和磨黑臺站的PGA 相差不大，寧洱臺站的PGA略小，水平方向地震動水平高于豎直方向.通過計算地震動參數發現，地震波的Arias 強度與PGA 值正相關，地震動相對持時（t5～t95）在10～18 s 之間，并隨震中距增加有逐漸增大的趨勢，豎直方向持時總體高于水平方向.

圖4 臺站加速度時程曲線Fig.4 Acceleration time histories of the ground motion recorded of three seismometer stations

由圖5 可以看出，3 個臺站主頻成分在2 Hz 左右，由于水平地面峰值加速度不大，對該地區以土木、磚木、生土和砌體結構為主的剛度大、高度小的農房建筑未造成破壞.

圖5 臺站傅里葉幅值譜Fig.5 Fourier amplitude spectra of three seismometer stations

2 典型震害對比分析

2.1 墨江縣農房建筑結構概述

墨江縣位于云貴高原西南邊緣，地處阿墨江斷裂帶，同時受哀牢山斷裂帶、紅河斷裂帶和把邊江斷裂帶的影響，地震頻發，境內山谷縱橫，山區面積占墨江縣總面積的99.98%.墨江縣內有25 個民族，受經濟條件限制，廣大農戶在自建房屋時首先考慮的是采用價廉量廣的土坯、木材、石材、磚瓦等當地建材.經濟條件稍好的農戶采用磚混結構.以農村工匠為主體的施工隊伍決定了建筑結構形式只能是施工簡單的土木、磚木、生土等.為了便于進行震害分析，將災區建筑分為木結構（土木）、生土結構（土掌房）、磚木結構、磚混結構和簡易房等形式，簡易房一般作為附屬建筑為滿足日常儲存、飼養等功能，結構形式隨意，建筑多以土木、磚木結構為主.墨江縣村鎮房屋構成占比如圖6 所示，其中農村地區土木結構與磚木結構房屋占比達80%以上[13].

圖6 墨江縣村鎮房屋構成比例Fig.6 Composition of rural houses in Mojiang county

木結構以木梁、木柱等作為主要承重構件，采用土坯、生土作為圍護和分隔墻體，按照木構架組成又分為穿斗木構式、木柱木屋架和木柱木梁.穿斗式房屋一般為兩層獨棟建筑，層高2～3 m，每棟3～5間，作為正房或廂房使用，柱腳浮擺平擱于礎石之上，橫向用梁和梁下穿枋把柱串聯成單榀構架，縱向依靠斗枋和擱于柱頂的檁條相連，梁柱間、枋柱間采用榫卯連接，檁條上釘椽子，椽上鋪設小青瓦形成人字形瓦屋面，建造時一般先立架后成墻，由于建造簡單、取材方便，是這一區域分布最廣、數量最多的一種結構形式.這類房屋建造年代跨度較大，服役時間長，現役農房中建于二十世紀七八十年代居多.穿斗木構架柱上承檁，屋面荷載和樓面荷載分別通過椽檁和梁枋由木柱直接傳至地面，可以充分利用木材順紋抗壓強度.水平地震作用下木構架產生側向變形，梁柱構件在榫卯節點處的嵌壓和摩擦效應支配節點的半剛性特性，提供轉動剛度并消耗部分地震能量，使木構架具有良好的抗震性能，震后“墻倒架不塌”就是證明.同時，木材作為一種有機材料在溫濕度變化和長期荷載下容易開裂、變形甚至糟朽，木構架抗側能力隨之下降，在上部荷載和較強的水平地震作用下房屋可能“架倒墻塌”.該類房屋主要加固其木構架承重結構體系，例如加固木柱柱腳，更換、剔補或墩接加固木柱，采用小斜撐、三角木、鐵扒釘、扁鋼、角鋼等加固梁柱榫卯節點，使穿斗式木構架從松散可變體系變為耗能減震的幾何不變體系，同時在縱向柱架增設剪刀撐，樓屋面增設水平支撐，修復加固圍護墻體，增強墻體、檁條與木構架的連接，提高房屋整體抗震性能，減輕震害.值得注意的是，近年來在傳統木結構梁柱榫卯連接抗震加固研究中使用了許多新材料，例如軟鋼、纖維增強材料（碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等）、橡膠阻尼器[18]等，試驗表明具有較好的加固效果.

另一類歷史更為久遠的民居是哈尼族土掌房，這種房屋一般層高較低，多為二層，依山而建，層層疊疊，錯落有致.屋頂用圓木按間隔300～500 mm 一根分檔，上鋪竹笆或木棍，再墊草或樹葉，最上層填150 mm 左右的泥土夯實，可作為曬場或日常活動場地.土掌房冬暖夏涼，耐久性較好，利于防火，但不利于通風采光.哈尼土掌房是一種獨具民族特色的密梁平頂式結構，由木柱和木梁形成內部框架，與土坯或夯土外墻一起承擔豎向荷載，屬于土木混合承重體系.抗震情況下，地震剪力同樣由木框架和土體墻共同承擔，因為樓層低、屋頂重、墻體厚且開洞少，哈尼土掌房具有較好的抗震能力.隨著農村經濟發展，新建農房基本不會采用此類，一戶居民土掌房和新式農房混用的現象也很常見.這種混用形式既能增加居住和儲物的使用空間，又能兼顧老一輩居民火塘取暖，供祖祭祀等需求，同時也使哈尼族土掌房得到保留.

磚木結構在新建農房中被廣泛采用，可分為磚墻承重、木構架承重磚墻圍護、木構架與磚墻混合承重三種結構類型.墨江地區的磚木結構房屋建造時多是先砌墻后搭架，墻體材料以空心磚為主，采用硬山擱檁式木屋蓋，一般為單層，層高3～5 m，屋面荷載通過檁條由磚墻傳至地面，屬于磚墻承重結構體系.砌體墻的抗剪能力普遍高于土坯墻和生土墻，但砌筑砂漿強度低、墻體高厚比過大、縱橫墻連接不牢、屋蓋與墻體連接缺乏錨固、不設壁柱和圈梁等問題在這類房屋中普遍存在，水平地震作用下常出現墻體灰縫開裂、外墻拉脫外閃、山墻外閃致屋架坍塌等震害.對此，該類房屋主要加固其磚墻承重體系，例如增設砌體抗震墻或混凝土扶壁柱，拆除重砌強度過低的墻體，灌漿修補已開裂的墻體，采用水泥砂漿面層、鋼絲網或鐵絲網砂漿面層加固墻體的一側或兩側，提高墻體的強度、承載能力和抗變形性能.同時采用鋼拉桿、外加柱或外加固梁等措施增強縱橫墻連接，增設托梁或扶壁柱以滿足木樓屋蓋構件墻上支承長度，增設現澆鋼筋混凝土外墻圈梁和鋼拉桿內墻圈梁，增設木屋蓋縱向水平系桿、豎向剪刀撐和水平支承，提高房屋整體抗震性能.近年來，諸如碳纖維布加固、高強鋼絞線-聚合物砂漿加固、高延性混凝土加固[19]、簡易隔震等新技術在砌體結構加固研究中取得了一些進展，部分已用于村鎮磚木結構房屋的抗震加固中.

框架結構由于造價高，施工難度大，只有縣城和鄉鎮少數公共建筑采用.磚混結構是我國村鎮建筑中最常見的結構形式，但在經濟條件更為落后的墨江農村地區，只有經濟寬裕的家庭自建磚混房，大多都是近幾年才建造的.此外，農危改工作中易地重建和震后恢復重建的民居多采用磚混結構.

2.2 典型震害現象

此次地震極震區烈度達到Ⅷ度，超過了當地建筑物抗震設防烈度（Ⅶ度，0.10g），按云南省及墨江縣農危改技術標準實施了修繕加固的農房，達到了“中震可修，大震不倒”的設防目標.地震破壞主要集中在Ⅶ度區、Ⅷ度區未經加固的農房，其中Ⅷ度區土木、磚木結構農房震害最為嚴重.為了與農危改房進行震害對比，主要對Ⅷ度區、Ⅶ度區土木和磚木結構農房震害調查資料進行整理和分析，總結各自震害特點并分析震害原因.

土木結構是極震區采用最多的結構形式，因此震害最為嚴重，受使用年限、用材、設計水平和施工質量的綜合影響，同一區域的震害現象會有差異.調查發現，Ⅷ度區土木結構房屋普遍梭掉瓦，墻體開裂，個別架倒墻塌，如圖7（a）所示.部分墻體外閃或局部坍塌，如圖7（b）所示.Ⅶ度區震害以中等破壞和輕微破壞為主，表現為墻體局部坍塌、梭掉瓦和墻體開裂，如圖7（c）（d）所示，大部分房屋基本完好.

圖7 土木結構農房典型震害Fig.7 Typical seismic damage of rural raw-soil and timber structure houses

磚木結構和生土結構主要分布在Ⅶ度區，震害相對較輕.未經加固的磚木結構房屋普遍墻體開裂，梭掉瓦，如圖8 所示.調查發現，承重墻體破壞主要是由于墻厚小，砂漿強度低，地震時墻體抗剪承載力不夠，或是層高和開間過大、墻體開洞導致側向剛度不足.

圖8 磚木結構農房典型震害Fig.8 Typical seismic damage of rural brick and timber structure houses

哈尼土掌房在此次地震中表現出較好的抗震性能，Ⅶ度區少數墻體開裂，大部分房屋基本完好，如圖9 所示.

圖9 哈尼土掌房典型震害Fig.9 Typical seismic damage of raw-soil structure houses of Hani people

相比于以上結構形式的民居，磚混結構房屋大多數是脫貧工作中拆除重建的民居或政府出資建設的公共用房，經過正規選址和設計，按圖施工，因此具有較好的抗震性能.如圖10 所示，丙蚌村（Ⅷ度區）拆除重建的二層磚混結構房屋基本完好.

圖10 磚混結構房屋典型震害Fig.10 Typical seismic damage of masonry-concrete structure houses

2.3 農危改房屋震害對比分析

2009～2018 年，墨江縣結合脫貧攻堅和抗震安居工程對37 018 戶C、D 級危房實施改造，其中拆除重建20 629 戶，修繕加固16 389 戶，各占總數的55.7%和44.3%.地震發生后，應急排查評估專家組對災區68 戶農房（農危改40 戶，未改造28 戶）進行抽查，結果顯示：實施農村危房改造工程的民房震損較輕，砌體承重墻、樓屋蓋完好，評估結論絕大多數為A 類，極少數為B 類，未實施農危房改造的震損嚴重，評估結論為C 類，表明已改造房屋能經受地震的考驗.表2 對未改造房屋與農危改房屋震害進行了對比.

表2 加固與未加固房屋震害對比Tab.2 Comparison of seismic damage between reinforced and unreinforced houses

房屋倒塌和破壞是地震造成人員傷亡的主要原因，此次地震未造成人員死亡，受傷人數較少，這在云南歷年同級別地震中較為少見.針對地震災區分布最廣、數量最多的土木結構農房，本文將此次地震與其他三次地震在Ⅷ度區震害的統計情況和震害指數進行對比，如圖11 所示.

圖11 四次地震Ⅷ度區土木結構農房震害對比Fig.11 Comparison of seismic damage to rural raw-soil and timber structure houses in the region of Ⅷintensity of the four earthquakes

為了統一，土木結構農房不同破壞等級的震害指數按簡易房屋毀壞、破壞和基本完好分別取0.65、0.29 和0，其中2007 年寧洱6.4 級地震[20]距離最近，2011 年盈江5.8 級地震[21]震級相當，2014 年魯甸6.5級地震[22]傷亡最大.由圖11 可以看出，墨江地震中土木結構農房毀壞的比例較低，震害指數最小，說明房屋破壞明顯輕于其余地震，抗震加固效果顯著.

對既有農房進行抗震加固主要針對大部分C 級和少量D 級危房，結構形式以土木結構和磚木結構為主，此次地震中這兩類房屋的抗震加固效果也最為明顯.墨江地區的土木結構房屋主要以穿斗式木構架為主要受力構件，土坯或夯土墻為圍護結構.浮擺柱腳的減隔震以及梁柱榫卯節點的耗能減震使穿斗式木構架具有良好的整體變形能力和抗倒塌能力[23]，但年久失修的房屋在自然侵蝕和人為破壞下，梁柱榫卯節點強度和剛度下降，榫頭脫離卯口，木構架變松散，抗震能力降低，水平地震作用下木構架變形，梭掉瓦和墻體開裂現象普遍存在，強震下易造成房屋局部甚至整體坍塌.同時還存在木構架與墻體剛度差異大而變形不協調的問題，當墻體與木構架缺乏足夠拉結時易發生相互碰撞，加劇墻體開裂破壞.加固后一方面通過補強木構件和木節點使穿斗式木構架從松散可變體系變為耗能減震的幾何不變體系，抗側能力提高；另一方面通過增設有效支撐、修復墻體、增強構件連接提高房屋整體抗震性能，減少地震破壞.磚木結構的砌體墻既要承擔所有上部荷載，又要作為抗震墻抵抗水平地震作用，部分房屋砌體墻塊材使用不當、墻厚度薄、砂漿強度低，導致墻體抗剪承載力不夠，或是層高開間過大、墻體開洞導致側向剛度不足，地震時墻體開裂非常普遍.當墻體平面布局不合理，未設置圈梁，屋蓋體系不完整，縱橫墻連接或樓屋蓋與墻體連接不牢時極易造成坍塌.加固后一方面通過增設、拆除重砌、修補或加固砌體墻，提高抗震墻的強度、承載能力和抗變形性能，減少墻體開裂破壞和變形；另一方面通過增設圈梁、托梁、扶壁柱和各類支撐件，增強構件連接，加固易倒塌部位，完善房屋抗側力體系，提高房屋整體抗震性能，減輕震害.

震害調查表明，按云南省及墨江縣農危改技術標準修繕加固的農房，在Ⅶ度區能做到基本完好，在Ⅷ度區能做到局部可修或不倒塌；拆除重建的農房在Ⅷ度區能做到完好或基本完好；未加固農房在Ⅶ度區表現為中等破壞，在Ⅷ度區表現為嚴重破壞或倒塌.實踐證明，農村危房改造不僅是民心工程，更是群眾生命財產的守護工程，是群眾的“保命房”.

3 結論與建議

在掌握墨江5.9 級地震地震動特征的基礎上，對農房震害進行了調查，重點分析農村危房改造對提高農房抗震防災能力的實際效果，得出以下結論和建議：

1）加強地震動觀測.利用地震多發的地理優勢豐富西南地區地震觀測數據資料，為地震危險性分析和工程抗震設防輸入提供依據.近年來云南省通過加強地面地震觀測臺網建設在歷次地震中捕捉到了一些非常有意義的地震記錄，如2014 年8 月3 日魯甸6.5 級地震，PGA 高達948 gal；2018 年8 月13日通海5.0 級地震，PGA 達到460.5 gal.相比之下，對建構筑物的強震觀測還很少.

2）加大農房抗震加固改造.震后應急排查評估和震害調查結果顯示，實施農村危房改造工程的民房震損較輕，在Ⅶ度區能做到基本完好，在Ⅷ度區能做到局部可修或不倒塌，有效保障了人民生命財產安全，是此次地震損失較輕的重要原因.農村危房抗震加固改造工作是全面提升既有農房抗震防災能力的有效途徑.

3）推廣新材料新技術應用.許多新技術新材料已經在城市建筑中取得成功運用，但在村鎮建筑方面，因為缺少技術標準的支撐且造價偏高，在缺乏實際地震檢驗的情況下，新技術新材料的運用推廣嚴重滯后.建議積極引導相關標準制定，解決推廣缺乏依據的難題.政策上對新技術新材料應用提供一定時期指導性補貼，解決造價偏高的問題.積極開展相關研究和試點應用，為實際工程應用提供經驗和技術支撐.

4）重視震害調查.由于對地震的產生、傳播與其對建筑物的影響涉及諸多不確定性，加之地震模擬及實驗條件、數值模擬及仿真條件、理論分析及計算方法的局限性，應更加注重地震災害調查研究，將地震震害作為抗震規范的標準.

調研過程中得到了云南省住房和城鄉建設廳、普洱市住房和城鄉建設局的支持和配合，感謝墨江哈尼族自治縣人民政府提供農危改工作開展情況數據、地震農房受損數據、震后農房排查評估數據以及震害對比圖片資料，感謝云南省地震局云南臺提供地震動觀測數據，在此深表感謝！