川南地區磚混結構房屋典型震害及地震易損性研究

張瑩，郭紅梅，尹文剛，等.川南地區磚混結構房屋典型震害及地震易損性研究［J］.地震工程學報，2024，46（2）：358368.DOI：10.20000j.10000844.20220823001

摘要：

以川南地區為研究區，并以在建造方式上具有明顯當地地域特征的磚混結構房屋為研究對象，結合磚混結構房屋建造特點及川南歷史地震（如長寧6.0級地震）震害調查結果等，分析磚混結構房屋典型震害特征，統計其在不同烈度下不同破壞等級的比例，采用經驗分析法得到初步的易損性矩陣。在此基礎上，針對因樣本局限性造成的結構在高烈度下破壞比例不全，使實際易損性矩陣缺失的問題，通過插值法，推算高烈度下的破壞比例，補全經驗易損性矩陣，擬合出易損性曲線，建立以震害統計為主、數值模擬為輔的磚混結構易損性分析模型；并基于平均震害指數對比分析，對易損性分析的可靠性進行檢驗。結果表明，構建的易損性矩陣能客觀反映川南地區磚混結構房屋的抗震能力，對開展震害預測、災害損失評估及震害風險評估等工作具有實際應用價值。

關鍵詞：

川南地區;磚混結構;震害特征;易損性矩陣;經驗分析;數值模擬

中圖分類號：P315.9文獻標志碼：A文章編號：10000844（2024）02-0358-11

DOI：10.20000j.10000844.20220823001

0引言

近年來，位于四川盆地歷史少震與弱震區的川南地區先后頻繁發生了興文5.7級、珙縣5.3級、長寧6.0級、威遠5.4級、資中5.2級、瀘縣6.0級等中強地震，造成了較為嚴重的人員傷亡與經濟損失，并不斷突破了以往對該地區地震活動性與災害風險水平的認知［1］。川南是國家能源發展戰略行動計劃的重點地區之一，同時也是成渝雙城經濟圈的重要組成部分，其經濟高度發達、人口高度集中。一旦該地區發生地震災害，將對當地人民群眾正常生活和油氣開采等工業生產造成嚴重的影響。在相同震級下，這種影響和造成的損失將遠高于省內其他區域。而川南地區地處四川盆地南緣，地形以丘陵為主，地勢平緩，震后不易發生大型次生地質災害，也不存在海嘯等其他類型的次生災害。因此，各類建（構）筑物的破壞是導致人員傷亡和經濟損失的最主要原因。

通過大量實地調研，結合已有資料發現，磚混結構是當地主要的建筑結構類型之一，其數量多，分布廣。受當地風俗習慣等的影響，其在建造方式上具有明顯的地域特征，總體抗震性能較差，在歷次中強地震中均出現了不同程度的破壞，并多次造成人員傷亡［2］。但目前對此類房屋結構在該地區還缺乏針對性、系統性的地震易損性分析，與四川省其他地區通用一套相同的易損性矩陣，而通用的易損性矩陣具有一定的局限性，難以正確反映其真實的抗震能力。為此，在川南地區仍面臨高概率中強震威脅的情況下，針對當地磚混結構房屋，在典型震害特征分析的基礎上進行地震易損性分析，并通過構建易損性矩陣確定地震作用強度與結構破壞程度間的關系。該研究結果對開展震害預測、災害損失評估及震害風險評估與防治等均具有重要意義。

常用的建筑結構地震易損性分析主要包括理論分析法和經驗分析法兩種［3］。理論分析法根據建筑物結構構件等專業信息，基于試驗計算出特定建筑物的抗震能力指標，其較適用于單體建筑物的易損性分析。經驗分析法則根據震害資料作為統計分析的樣本，總結出地震動與建筑物破壞程度的關系，其較適用于群體建筑物的易損性分析［4］。但在使用經驗分析法時，由于該地區屬于歷史少震與弱震區，用于破壞性地震房屋建筑破壞和損失比統計的樣本有限，將出現結構在高烈度下破壞比不全的問題，造成易損性矩陣的缺失。因此，本文采用半經驗半數值模擬分析的方法，在調研川南地區磚混結構房屋建造特點，充分利用歷史地震（如長寧6.0級、瀘縣6.0級、興文5.7級地震等）工程震害調查資料，通過經驗分析得到初步的易損性矩陣后，再應用插值法推算高烈度下的破壞比，補全經驗易損性矩陣，從而得到完整的磚混結構易損性分析模型，實現易損性矩陣在川南地區的本地化。

1研究區概況及磚混結構房屋建造特點

1.1研究區概況

研究區位于四川盆地南緣，包括自貢市、宜賓市、瀘州市和內江市，區域經濟在四川省內相對發達，人口高度集中。境內分布有長山鎮、大興場、華鎣山等多條斷裂帶［5］。歷史地震主要發生在威遠、榮縣至宜賓一帶，儀器監測地震自2012年開始呈現井噴式增加，以5級左右中等地震活動為主，2019年長寧6.0級地震打破了這一區域的最大地震記錄。據統計，長寧6.0級地震后至今，川南地區已發生5.0級以上地震4次，顯示近年來中強地震顯著增多，地震活動水平明顯提升［6］。

研究區房屋建筑主要以磚混、磚木、土木、框架和框剪結構為主，結合基礎數據統計各結構類型房屋建筑比例如表1所列。

磚混結構房屋建筑分布情況如圖１所示.

由表1和圖1可見，磚混結構房屋數量多、分布廣，是當地最常見的建筑結構類型。

1.2磚混結構房屋建造特點

根據磚混結構房屋建筑分布情況，在川南地區28個縣（區）均勻設置了308個調查點，對其建造年代、層數、基礎類型、承重方式、設防標準等建造特點進行實地調查。調查點分布如圖2所示。

通過調查，按設防情況，可將川南地區的磚混結構房屋建筑分為未經正規抗震設防的房屋和經過正規抗震設防的房屋兩類。

未經正規抗震設防的磚混結構房屋建造年代較早，大多建于20世紀的80—90年代，少部分建于1990—2010年之間，主要分布在老城區、鄉鎮和農村，以民房居多。大部分房屋未設圈梁和構造柱，完全無抗震設防措施;少部分房屋設置了圈梁和構造柱，有一定的抗震設防措施，但存在砂漿強度不達標，平立面不規則等建造或設計不規范的現象，設防措施不完善。在建造方式上，此類房屋一般為條形基礎，層數以2～3層為主，部分樓層隨意挑出，橫墻承重是主要的承重方式，以空斗墻砌筑的較多，墻體材質多為紅磚或空心磚，底樓墻體厚度為180mm，2層以上樓層為120mm，墻體薄弱，樓板均為預制板。此外，基本設有陽臺、護欄、女兒墻等附屬和出屋面構件，但和主體結構間無任何拉結措施，如圖3所示。

經過正規抗震設防的磚混結構房屋主要建于2010年以后，2010年以前修建的較少，集中分布在市區和城鎮，多為政府、學校、醫院等公共建筑和商品房住宅。均按照Ⅵ度及以上標準設防，但部分墻體所用材料為多孔頁巖磚，砌筑砂漿強度普遍較低，對房屋抗震性能有所影響。在建造方式上，設有圈梁和構造柱，構造柱通常設置在房屋墻體交接、轉角、邊緣等部位。平立面大多規則，層數以3～6層為主，大部分房屋采用縱墻承重體系，部分開間、進深變化較多的商品房通過縱橫墻混合承重，承重墻多為非空斗墻砌筑，墻體厚度240mm，樓板為混凝土現澆板，將所有承重墻體連接形成整體［7］，如圖4所示。

可見，未經正規抗震設防的磚混結構房屋在建造方式上呈現出大多無圈梁和構造柱、墻體薄弱、樓板為預制板、附屬結構和主體間無拉結等特點，加之建造年代較早，總體抗震性能較差。而經過正規抗震設防的磚混結構房屋采用縱橫墻承重體系，樓板均為現澆板，房屋整體性較好，總體抗震性能明顯提升。

2磚混結構房屋典型震害現象

根據在2018年至2021年間川南地區發生的長寧6.0級、瀘縣6.0級、興文5.7級、威遠5.4級、珙縣5.3級、資中5.2級及榮縣4.9級等歷史地震中磚混結構房屋的破壞情況，結合房屋建造特點，總結其典型震害現象如下：

（1）墻體開裂

磚混結構房屋墻體除承重外，還是圍護構件，承受著房屋自重及橫向和豎向的雙向荷載，墻體本身的抗拉剪能力不足，因此，在地震水平作用下容易產生各種裂縫［8］。主要包括如圖5（a）所示的剪斜裂縫、（b）所示的豎向裂縫及（c）所示的水平裂縫三類。

（2）附屬構件掉落

陽臺、護欄、女兒墻等附屬構件因根部與主體結構連接薄弱，相互間無拉結措施，在地震作用下，受鞭端效應的影響，自重和剛度驟降，極易從主體結構掉落［8］（圖6）。

在川南發生的歷次破壞性地震中，未經正規抗震設防的磚混結構房屋附屬構件掉落是較為典型的震害現象，已多次造成人員傷亡，存在較大安全隱患。

（3）局部垮塌

磚混結構房屋的外墻、墻體轉角或交接處、屋蓋等不規則平面、凹凸部位的過渡或連接處是平面的薄弱部位［9］，在強震作用下容易出現如圖7所示的局部垮塌。

其中，若外墻與內墻分別砌筑，水平拉結措施不足，將導致外墻外閃并垮塌。而墻體轉角或交接處由于位于房屋盡端，主體對其約束作用有所減弱，在地震中的位移反應較其他位置偏大，也極易垮塌。屋蓋垮塌則主要是因預制板在墻體上的搭接長度不足或板與墻間無足夠的拉結造成的。

從以上震害現象可見，未經正規抗震設防的磚混結構房屋震害以墻體開裂、附屬構建掉落和局部垮塌為主，少數房屋出現地基不均勻沉降、整體垮塌等。而經過正規抗震設防的磚混結構房屋除少數有瓷磚脫落、門窗角細小裂紋外，基本無其他震害現象。

3磚混結構房屋地震易損性分析

3.1易損性矩陣構建

3.1.1基于震例統計的經驗易損性矩陣構建

結合磚混結構房屋建造特點及典型震害現象，選取興文5.7級、珙縣5.3級、長寧6.0級、威遠5.4級、資中5.2級及瀘縣6.0級6次川南地區歷史震例，統計建筑破壞比。在此，建筑破壞比指房屋破壞面積與調查面積之比，根據如表2所列的上述震例中，現場調查得到的磚混結構房屋在《中國地震烈度表（GBT17742—2020）》定義和劃分的基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和毀壞［10］五種破壞等級下的房屋破壞面積與調查總面積，統計得到其在烈度為Ⅵ～Ⅷ度時的破壞比（表3）。

為得到經驗易損性矩陣，通過式（1）計算磚混結構在不同破壞等級下的權重，再由式（2）對統計的建筑破壞比進行加權計算［1113］：

ωn=sn∑5n=1sn（1）

P=∑5n=1ωnpn（2）

式中：n為破壞等級;sn為歷次地震現場調查的不同破壞等級的建筑物面積;ωn為建筑物在不同破壞等級下的權重;pn為不同破壞等級的建筑物破壞比;P為通過加權計算后得到的經驗易損性矩陣，如表4所列。

可見，在川南地區已發生的歷史地震震級下，烈度范圍僅為Ⅵ～Ⅷ度，通過經驗分析法統計得到的磚混結構經驗易損性矩陣并不完整，缺少建筑物在Ⅸ度和Ⅹ度下的破壞分布情況。

3.1.2基于數值模擬的經驗易損性矩陣完善

針對經驗易損性矩陣缺失的問題，在計算綜合震害指數確定川南地區磚混結構所處抗震等級區間后，采用插值法推算其在高烈度下的破壞比，按圖8所示的流程通過數值模擬對經驗易損性矩陣進行完善。

孫柏濤等［1213］按照磚混結構的綜合震害指數將其抗震等級劃分為6級，并分別擬合出了抗震等級為2～3級和4～6級時磚混結構建筑破壞比與破壞等級間的關系如式（3）和式（4）所示［11］：

Pi=ae-nt0+y0（3）

Pi=a0n3+a1n2+a2n+y1（4）

式中：Pi表示烈度為i時不同破壞等級的建筑物破壞比;n為破壞等級;a，t0，y0，a0，a1，a2，y1均為回歸參數因子。根據川南地區磚混結構房屋建造特點及典型震害現象，初步判定其抗震等級應處于2～5級之間，因此，首先通過式（3）和式（4）求得抗震等級為2～5級時的磚混結構破壞比如表5所列。

然后，根據式（5）、式（6）［1213］，基于川南地區磚混結構破壞比和不同抗震等級的磚混結構破壞比，分別計算地震烈度為Ⅵ～Ⅷ度時，川南地區及不同抗震等級下磚混結構的平均震害指數和綜合震害指數：

MSDIi=∑5n=1dnpn（5）

CSDIk=1k-5∑ki=6MSDIi（6）

式中：MSDIi表示結構在不同烈度下的平均震害指數;dn表示破壞等級為n的震害指數，按表6所列取值;pn為破壞等級為n的建筑物破壞比;CSDIk表示結構在實際地震烈度為k時的綜合震害指數。計算結果如表7和表8所列。

再根據式（7）將川南地區磚混結構的綜合震害指數與不同抗震等級下磚混結構的綜合震害指數進行比較：

（CSDIm）k≤CSDIk≤（CSDIm+1）k（7）

式中：（CSDIm）k表示抗震等級為m的磚混結構在實際地震烈度k下的綜合震害指數。通過對比可知川南地區的磚混結構抗震等級處于3～4級之間。

最后，由表5中抗震等級為3級和4級的磚混結構破壞比，通過線性內插推算出川南地區磚混結構在Ⅸ度和Ⅹ度下的破壞比如表9所列。

3.2易損性曲線擬合

完善后的磚混結構易損性矩陣反映了不同地震烈度下，結構出現不同破壞程度的概率，而地震易損性曲線可建立地震強度與結構超越某特定破壞狀態概率間的關系［14］。因此，為進一步分析結構破壞等級與地震強度間的關系，根據以上計算結果，分別基于建筑物破壞比與超越概率，擬合出磚混結構易損性曲線如圖9所示。

由圖9（a）可知，在不同破壞等級下，建筑物破壞比呈現出低烈度正相關和高烈度負相關的變化規律。結合圖9（b）可知，當地震烈度為Ⅵ～Ⅶ時，中等及以下破壞占比較大，超越概率累計高達98%以上，嚴重破壞和毀壞的超越概率極低;當地震烈度到達Ⅷ時，磚混結構在中等及以下破壞的超越概率較Ⅵ～Ⅶ時下降約20%，破壞比也出現明顯變化;當地震烈度為Ⅸ時，磚混結構以中等和嚴重破壞為主，嚴重破壞的超越概率高達91%;當地震烈度為Ⅹ時，磚混結構大部分處于嚴重破壞和毀壞狀態，中等破壞的超越概率僅為30%左右。

3.3結果檢驗

平均震害指數是某種結構類型房屋震害指數的總平均值，在《中國地震烈度表（GBT17742—2008）》中規定了磚混結構在不同地震烈度下的平均震害指數范圍［10］。因此，根據式（5）計算出磚混結構在地震烈度為Ⅵ～Ⅹ度下的平均震害指數后，將其與烈度表規定的平均震害指數范圍進行對比，可檢驗易損性分析結果，如表11所列。

可見，計算得出的川南地區磚混結構平均震害指數均在烈度表規定的取值范圍內，表明易損性分析結果具有可靠性。

4結論

本文根據川南地區磚混結構房屋建造特點，結合川南歷史地震工程震害調查資料，分析了磚混結構房屋的典型震害特征。在此基礎上，應用經驗與數學模型相結合的半經驗半數值模擬分析方法，得到了以震害統計為主、數值模擬為輔的磚混結構易損性分析模型，并通過將平均震害指數與烈度表規定的取值范圍進行對比，驗證了結果的可靠性。

由地震易損性分析結果可知，當地震烈度為Ⅵ度時，近90%的磚混結構房屋基本完好;當地震烈度為Ⅶ度及以上高烈度時，基本完好的比例由58.8%下降至2.5%，嚴重破壞的比例由1.4%增加至37%；在地震烈度達到Ⅹ度時，近30%的磚混結構房屋將被毀壞。這對正確認識當地磚混結構房屋抗震性能，開展震害預測、評估災害損失及震害風險等具有實際應用價值。但由于經驗易損性矩陣由統計分析震害資料而來，因此，應根據震害資料的積累不斷加以更新。此外，對補全高烈度區破壞比方法的深入研究也有待震例的積累和完善。

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（本文編輯：任棟）

收稿日期：20220823

基金項目：國家重點研發計劃項目（2020YFA071060307）;四川省重點研發項目（2020YFS0451）;四川地震科技創新團隊專項（201901）

第一作者簡介：張瑩（1989-），女，碩士，高級工程師，主要從事承災體調查與地震災害風險評估研究。

Email：179585473@qq.com。

通信作者：郭紅梅（1984-），女，碩士，研究員，主要從事地震災害風險評估、地震應急救援技術與理論等研究。Email：115453242@qq.com。