基于窗上帶與窗間墻關(guān)系評(píng)估芮城縣磚混結(jié)構(gòu)房屋抗震性能

韓曉飛,董 斌,薛曉東,史雙雙,王雷雷

(1.山西省地震局,山西 太原 030002;2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,山西 太原 030025)

0 引言

在地震作用下,窗上帶結(jié)構(gòu)優(yōu)先出現(xiàn)損傷,再逐漸將損傷發(fā)展到墻體或窗間墻上,這樣的破壞模式,窗上帶能夠消耗大量的地震能量,最大限度發(fā)揮結(jié)構(gòu)的材料性能,增加房屋延性,是符合結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的破壞模式[1-4]。對(duì)來自汶川地震、蘆山地震和玉樹地震共202片震害墻體和89個(gè)模型的有限元進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),無圈梁、構(gòu)造柱的磚混砌體結(jié)構(gòu)房屋窗間墻寬與窗上帶高的比大于1.4,窗上帶跨高比和窗間墻高寬比的比值大于1.4,窗間墻與窗上帶剛度比大于1.6,窗上帶優(yōu)先出現(xiàn)損傷;對(duì)于有圈梁、構(gòu)造柱的磚混砌體結(jié)構(gòu)房屋,控制窗間墻寬與窗上帶高比值大于1.3,窗上帶跨高比與窗間墻高寬比的比值大于1.2,窗間墻與窗上帶剛度比大于1.4,窗上帶優(yōu)先出現(xiàn)損傷[5-6]。汶川地震中房屋典型破壞情況及簡(jiǎn)要分析如圖1、表1所示。

表1 震害簡(jiǎn)要分析Table 1 Brief analysis of the seismic damage

圖1 震害照片[1]Fig.1 Photos of seismic damage

依托開展的山西省地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查工程,對(duì)芮城縣房屋建筑的抗震性能進(jìn)行分析研究。芮城縣地處晉秦豫三省交界的黃河大拐彎處,是山西省的南大門。境內(nèi)北依中條山,西和南臨黃河,全縣面積1 176 km2,轄7鎮(zhèn)3鄉(xiāng)(風(fēng)陵渡鎮(zhèn)、陽(yáng)城鎮(zhèn)、大王鎮(zhèn)、永樂鎮(zhèn)、學(xué)張鄉(xiāng)、古魏鎮(zhèn)、南衛(wèi)鄉(xiāng)、西陌鎮(zhèn)、東壚鄉(xiāng)、陌南鎮(zhèn))151個(gè)建制村、708個(gè)自然村。通過分析芮城縣磚混房屋的窗間墻和窗上帶尺寸(見圖2)及砂漿、材料強(qiáng)度,分析磚混結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力。

圖2 學(xué)張鄉(xiāng)為民服務(wù)中心窗間墻和窗上帶示意圖Fig.2 Schematic diagram of walls between windows and lintels above windows in Xuezhang Township community service center

1 房屋調(diào)查及地質(zhì)構(gòu)造、基本設(shè)防烈度情況

芮城縣房屋建筑結(jié)構(gòu)形式有磚混結(jié)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)、多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)、空曠結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房及磚木結(jié)構(gòu)7種。磚混結(jié)構(gòu)房屋主要分布在縣城中心城區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心地帶;土木、磚木結(jié)構(gòu)房屋主要分布在廣大農(nóng)村地區(qū);多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋多分布于芮城縣中心城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心地帶街道兩側(cè)及部分公共建筑;工業(yè)廠房主要集中于工業(yè)產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)和風(fēng)陵渡經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū);高層結(jié)構(gòu)房屋主要集中在中心城區(qū),以行政辦公、小區(qū)住宅和商業(yè)綜合體為主;空曠結(jié)構(gòu)房屋集中分布于中心城區(qū),主要是車站、博物館、體育場(chǎng)等大型公共建筑。

按照第一次全國(guó)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查工作要求,抽樣調(diào)查原則如下:按照不低于普查房屋面積1%的抽樣率,同時(shí)滿足超過8層以上的高層房屋建筑抽樣詳查的面積不高于抽樣詳查總數(shù)據(jù)量的30%;除高層以外,其他各種結(jié)構(gòu)房屋建筑的抽樣詳查數(shù)量不低于5棟;各種結(jié)構(gòu)房屋建筑抽樣詳查考慮地理因素,盡量做到均勻分布;城區(qū)收集到圖紙信息的建筑物面積占比不少于總抽樣面積的80%。

1.1 抽樣調(diào)查情況

本次房屋抽樣詳查共完成78棟,抽樣點(diǎn)分布如圖3所示,面積為209 262.48 m2。其中,有完整建施圖和結(jié)施圖的40棟;有簡(jiǎn)易草圖的38棟(1棟框架結(jié)構(gòu)、17棟土木結(jié)構(gòu)、10棟磚混結(jié)構(gòu)及10棟磚木結(jié)構(gòu)),面積為4 329.5 m2,占抽樣總面積的2.1%。

本次調(diào)查磚混結(jié)構(gòu)建筑30棟,占調(diào)查總棟數(shù)的42.25%(見圖3),中心城區(qū)以行政辦公樓、住宅樓、學(xué)校、醫(yī)院為主,鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要以民宅、政府辦公樓、衛(wèi)生院、鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)校為主,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)抽樣磚混結(jié)構(gòu)房屋(以下簡(jiǎn)稱磚混房屋)棟數(shù)占比情況如表2所示。從建設(shè)年代上看,基本涵蓋20世紀(jì)70年代至今各個(gè)時(shí)期。地理上覆蓋芮城縣7鎮(zhèn)3鄉(xiāng)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示,部分70年代和80年代建筑存在構(gòu)造柱和圈梁缺失、墻體腐蝕掉皮、地基不均勻沉降等風(fēng)險(xiǎn)隱患。本文分析30棟磚混建筑窗間墻與窗上帶之間的尺寸和剛度比,并評(píng)價(jià)其抗震性能。

表2 芮城縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)磚混結(jié)構(gòu)房屋抽樣統(tǒng)計(jì)Table 2 Sampling statistics of reinforced brick structure houses in Ruicheng County townships

1.2 地質(zhì)構(gòu)造和基本設(shè)防烈度

芮城縣地處中條山隆起區(qū)南側(cè),新生代的始新世-漸新世,靈寶盆地作為汾渭斷陷帶的一部分?jǐn)嘞莩两?到晚第三紀(jì)的中新世時(shí)期由前期的斷陷沉降轉(zhuǎn)為抬升,直到上新世又開始轉(zhuǎn)為斷陷沉降。因此,盆地內(nèi)缺失中新統(tǒng)地層,上新統(tǒng)不整合堆積于下第三系地層之上。上新世的斷陷沉降一直延續(xù)到第四紀(jì)的早、中更新世,因而堆積上新統(tǒng)和下、中更新統(tǒng)的河湖相沉積,晚更新世以來以黃土堆積為主,其沉積特征基本不反映盆地的構(gòu)造沉降狀態(tài),但全新世構(gòu)造活動(dòng)在汾渭斷陷帶造成地裂縫發(fā)育、河道變遷、古地震等多種現(xiàn)象[7-9],需重視構(gòu)造活動(dòng)引起的建筑物或構(gòu)筑物損毀破壞。靈寶盆地第三紀(jì)斷陷幅度3 500 m,第四紀(jì)斷陷幅度約500 m,盆地內(nèi)斷陷最深部位在靈寶一帶。

圖4 芮城縣抗震設(shè)防參數(shù)圖Fig.4 Seismic design parameters for Ruicheng County

2 磚混房屋抗震性能判定

2.1 基于窗上帶與窗間墻關(guān)系的磚混房屋抗震性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于有圈梁、構(gòu)造柱的磚混砌體結(jié)構(gòu)房屋,窗間墻寬與窗上帶高的比值小于1.0時(shí),主要出現(xiàn)窗間墻破壞;當(dāng)比值大于1.3時(shí),全部為窗上帶體破壞。窗上帶跨高比與窗間墻高寬比的比值在0.8～1.2時(shí),協(xié)同破壞和窗上帶破壞均有可能發(fā)生;比值大于1.2時(shí),破壞位置主要在窗上帶體上。窗間墻與窗上帶剛度比在0.8～1.6時(shí),三種破壞均有可能發(fā)生;比值大于1.6時(shí),主要為窗上帶體破壞[1]。

為便于評(píng)價(jià),參考《房屋完損等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》的相關(guān)規(guī)定:房屋完損狀況,根據(jù)各類房屋的結(jié)構(gòu)、裝修、設(shè)備等組成部分的完好、損壞程度,分成下列各類:完好房、基本完好房、一般損壞房、嚴(yán)重?fù)p壞房(分別對(duì)應(yīng)本文總體評(píng)價(jià)的好、一般、較差、差)[10]。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 芮城縣磚混結(jié)構(gòu)房屋抗震性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11]Table 3 Seismic performance evaluation criteria for reinforced brick structure houses in Ruicheng County

結(jié)合馮麗麗研究成果[1],設(shè)定判別標(biāo)準(zhǔn)為:有圈梁抗震柱的房屋窗間墻寬與窗上帶高之比、窗上帶跨高比與窗間墻高寬比、窗間墻與窗上帶剛度比三項(xiàng)均符合要求,以窗上帶發(fā)生破壞為主,保持房屋整體結(jié)構(gòu),判定為好;有兩項(xiàng)符合要求,破壞形成以窗間墻、窗上帶協(xié)同破壞為主,房屋整體結(jié)構(gòu)保持較好,判定為較好,介于好和一般等級(jí)之間;有一項(xiàng)符合要求,破壞形成以部分窗間墻、窗上帶協(xié)同破壞,部分窗間墻破壞,判定為一般;無符合要求項(xiàng),房屋以窗間墻破壞為主,出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受損情況,判定為較差;無圈梁構(gòu)造柱磚混房屋的抗震性能判定為差[12-13]。

2.2 城區(qū)磚混房屋窗間墻與窗上帶尺寸和剛度比及抗震性能

從芮城縣中心城區(qū)抽樣的16棟磚混房屋來看,均設(shè)圈梁、構(gòu)造柱,窗間墻寬與窗上帶高之比符合要求的有4棟,窗上帶跨高比與窗間墻高寬比符合要求的有5棟,同時(shí)符合這兩項(xiàng)要求的有2棟。由于使用材料性能一致,窗間墻與窗上帶剛度比均不符合要求(見表4)。

表4 城區(qū)磚混結(jié)構(gòu)房屋窗間墻與窗上帶尺寸比例及抗震性能Table 4 Proportions and seismic performance of walls between windows and lintels in urban reinforced brick structure houses

綜合判定得出,抗震性能較好的有2棟,一般的有5棟,較差的有9棟,表明建筑物雖有圈梁、構(gòu)造柱,但窗間墻與窗上帶尺寸近一半設(shè)計(jì)不合理,容易使承重墻或柱子發(fā)生損壞,影響房屋整體的抗震性能。

2.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)磚混房屋窗間墻與窗上帶尺寸和剛度比及抗震性能

對(duì)于無圈梁、構(gòu)造柱的結(jié)構(gòu),當(dāng)窗間墻寬與窗上帶高的比值小于0.8時(shí),主要出現(xiàn)窗間墻破壞的情況;比值大于1.4時(shí),主要出現(xiàn)窗上帶破壞。窗上帶跨高比與窗間墻高寬比的比值大于1.4時(shí),主要出現(xiàn)窗上帶破壞;在0.5～1.4時(shí),三種破壞模式均有可能發(fā)生。窗間墻與窗上帶剛度比大于1.6時(shí),主要出現(xiàn)窗上帶破壞;在0.8～1.6時(shí),可能出現(xiàn)協(xié)同破壞和窗上帶破壞,但以出現(xiàn)窗上帶破壞為主[1]。

從芮城鄉(xiāng)鎮(zhèn)抽樣的14棟磚混房屋來看,8棟有圈梁、構(gòu)造柱,窗間墻寬與窗上帶高之比符合要求的有1棟,窗上帶跨高比與窗間墻高寬比符合要求的有1棟,同時(shí)符合這兩項(xiàng)要求的有1棟。由于使用材料性能一致,窗間墻與窗上帶剛度比均不符合要求(見表5)。

表5 鄉(xiāng)鎮(zhèn)磚混結(jié)構(gòu)房屋窗間墻與窗上帶尺寸比例及抗震性能Table 5 Proportions and seismic performance of walls between windows and lintels in rural reinforced brick structure houses

芮城鄉(xiāng)鎮(zhèn)抽樣房屋中有6棟無圈梁、構(gòu)造柱的磚混房屋,根據(jù)表1,這6棟房屋的抗震性能差,容易發(fā)生窗間墻破壞、結(jié)構(gòu)倒塌。

依據(jù)有圈梁、構(gòu)造柱的結(jié)構(gòu)判定標(biāo)準(zhǔn),綜合判定鄉(xiāng)鎮(zhèn)磚混房屋抗震性能較好的有1棟,較差為7棟,表明鄉(xiāng)鎮(zhèn)磚混房屋雖有圈梁、構(gòu)造柱,但窗間墻與窗上帶尺寸設(shè)計(jì)大多不合理,容易使承重墻或柱子發(fā)生損壞,影響房屋整體的抗震性能。

3 結(jié)論與討論

汶川地震中,許多磚混房屋發(fā)生破壞甚至倒塌,通過震害總結(jié)、統(tǒng)計(jì)和有限元印證,認(rèn)為磚混房屋符合窗間墻與窗上帶墻尺寸和剛度比要求時(shí),在地震作用下,窗上帶結(jié)構(gòu)優(yōu)先出現(xiàn)損傷,次之為窗上帶和窗間墻協(xié)同破壞,可最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的材料性能,增加房屋延性,減少房屋毀壞或倒塌。

對(duì)芮城縣城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)抽樣詳查的30棟磚混房屋判斷結(jié)果來看,城區(qū)16棟有圈梁、構(gòu)造柱的,完全符合窗間墻與窗上帶尺寸設(shè)計(jì)和剛度比例關(guān)系的有0棟,7棟部分符合,9棟均不符合,影響房屋的抗震性能。鄉(xiāng)鎮(zhèn)14棟磚混房屋中,8棟有圈梁、構(gòu)造柱,僅有1棟部分符合要求,其余均不符合評(píng)判要求;還有6棟為無圈梁、構(gòu)造柱,抗震性能差。總體來看,芮城縣城區(qū)磚混房屋抗震性能判定為一般-較差級(jí)別,鄉(xiāng)鎮(zhèn)磚混房屋抗震性能判定為較差-差。因此,建議加強(qiáng)農(nóng)村自建磚混房屋抗震設(shè)計(jì)指導(dǎo),加強(qiáng)對(duì)中心城區(qū)房屋建筑的抗震設(shè)防管理,不斷提升城鄉(xiāng)房屋的抗震性能。

需要說明的是,由于抽樣樣本有限,評(píng)判結(jié)果與實(shí)際情況可能存在偏差,后續(xù)將開展更多工作進(jìn)行數(shù)據(jù)更新,使分析結(jié)果更趨于真實(shí)情況。