农村民居实用抗震技术研究展望

黄 艳，李江伟，马小燕

(1.黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090；2.大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024； 3.青岛理工大学琴岛学院，山东 青岛 266106)

0 引言

中国大陆地震灾害较严重，近20年来农村地区遭受了严重的地震灾害，造成了重大经济损失和人员伤亡[1-4]。自汶川地震以来，农村民居抗震研究进展较快，国内大部分省(市)都对当地农村民居房屋的抗震性能进行了调查、总结和分析[5-23]。这些研究表明，大陆地区现有农村民居存量大，各地农村民居结构形式、建筑材料、施工方式及质量差异大，农房建造规模小、较分散等基本特点，这些特征是导致其抗震能力薄弱的主要原因。

基于我国现有规范门类齐全、技术积累丰厚的这一优势，目前研究大多基于现行规范提出解决措施，以解决农村民居抗震能力薄弱的现状。然而，现行规范中的技术标准、抗震措施及技术等都是基于我国数十年大规模城市化建设而来，对建造成本、专业施工及规模化建造等要求较高，在提高存量巨大、分散性较高的现有农村民居房屋抗震能力问题中收效甚微。因此，研发适用于现有农村民居房屋基本特点的实用抗震技术，是当前农村民居地震安全研究的一项紧迫性课题。

1 农村民居震害及现状分析

我国历史地震留下了丰富的农村民居震害调查资料，这些震害资料为各地区的民居抗震研究提供了基础资料[1-4]。近十年来，农村经济条件发展较快，新建砖混结构与框架结构民居房屋增多，房屋层数由单层向两层、三层及以上转变，对抗震安全提出了更高要求。同时，抗震性能差的老旧砖混结构、木结构以及泥坯混合结构仍大量存在。2015年，我国颁布实施了新一代《中国地震动参数区划图》，全国所有地区的抗震设防烈度均达到VI度，新增并提高部分地区抗震设防烈度，乡镇农村房屋纳入强制性抗震设防范畴。长江流域及以南的两湖、两广、江淮、云贵及广西、浙江等南方(下文简称南方)农村地区与黄河流域及以京津冀及新疆、宁夏、山西、陕西等北方(下文简称北方)农村地区农村民居的震害形式、现状及地震安全问题既有相同点，又有各自的特点。

1.1 南方农村民居震害与现状

对南方各省(市)[5-14]农村民居震害形式、现状的研究显示，主要有三类典型结构地震安全问题较为突出：

(1)砖砌体结构：多层砖混结构及底框架结构的底层整体剪切破坏，空斗墙砌筑结构的墙体局部破坏，未设构造柱、地圈梁及上圈梁等抗震构造措施而引起的墙体开裂、外闪，预制楼屋盖板的塌落造成的整体损毁。

(2)传统木结构：传统木结构骨架与生土墙或夯土墙或砖砌体墙围城的围护墙，两只材质和刚度不同，地震中土结构骨架相对位移过大导致围护墙的坍塌。

(3)生土、夯土结构：生土建筑的砌筑砖体由粘土直接晒干而成，砌筑砂浆为粘土拌沙，抗压承载力低；夯土结构一般加入竹条、松针等植物纤维夯筑成墙体，抗剪、抗压能力较低。地震作用下，墙体发生严重损毁、坍塌，并导致木屋顶塌落，结构整体倒塌。

1.2 北方农村民居震害与现状

对北方各省(市)[15-23]农村民居震害形式、现状的研究显示，主要有两类典型结构地震安全问题较为突出：

(1)砖砌体结构[22-23]：多为横墙承重体系，纵墙门窗开洞过大，山墙的墙体厚度减半造成山墙刚度突变，追求大使用面积，过大门窗开洞严重削弱纵墙抗震能力；烟囱高度过大鞭梢效应加重震害；墙体砂浆强度低于M1.0；未设构造柱、地圈梁及上圈梁等抗震构造措施而引起的墙体开裂、外闪。

(2)泥坯混合结构：主要有三类[22-23]：①泥坯房与泥草房的纵向墙体整体倒塌；②土坯-木屋顶结构木屋顶的檩条坠落、木屋顶垮塌；③砖(柱)墙-土墙-木屋顶结构，各材料的力学性能差异大，造成砖砌体结构的斜裂缝、纵横墙体外闪、竖向贯通缝及两种材质墙体的脱落。

1.3 南北地区农村民居震害与现状共同点

分析各地区农村民居房屋的震害、致灾成因和现状，显示这些农村民居在规划、隔震带处理、经济条件、施工工艺普及、建筑布局与结构设计、各构件的相互连接、抗震措施以及房屋使用中的维护和修复等方面仍然存在共同点。

2 研究现状

现有研究在农村民居的震害形式、致灾成因及现状调查各方面取得了丰富的成果[15-23]，并提出了很多解决对策，如政府应重视农村民居的规划工作，完善村镇抗震建设技术标准，加强抗震技术推广应用工作，逐步完善抗震技术服务体系，理顺地震系统各级管理部门的职能分工等，也取得了较好的成效。

2.1 已有研究方法特点

已有研究[5-23]对我国农村地区房屋抗震防灾工作的薄弱问题把握得很准，但在解决对策方面尚未达成一致，面对我国数量庞大的已有建筑略显乏力。

(1)农村人口仍有较大基数，但是人口规模在减小，农房用地等逐渐被规范、限制，这就决定政府当前及以后在村镇抗震防灾工作的财政不会有过多的增长。这一基本情况就决定了农村新建房屋不会大规模增多，现有适用于新建房屋的技术无法用于现有房屋及震损房屋。

(2)农村民居具有分散性、大存量、抗震能力参差不齐等特点，城市建设的规范化、标准化建造技术经验是否适用于这一基本情况，也是一个问题。

(3)强调基层政府的作用，让基层政府当地建材市场进行规范、监督、管理和整治可能导致农村建房市场的封闭。地震安全农居示范工程，本意是“以点带面”，但“带面”效果并不如意。创造并提供平台为农村工匠提供技术培训，难以有效实行。

近年来大量提倡使用的现浇混凝土楼板及屋顶，有农村简陋施工条件下存在诸多质量问题，也不利于实现框架结构及弱框架结构(砖混结构)“强柱弱梁”的设计目标。预制板楼盖或者木屋架屋盖是有利于砖混结构“强柱弱梁”的设计目标，预制板由规范厂家生产制造，施工环境与施工质量有保证。历史震害中预制板致灾成因在于不规范制造、施工质量差、预留连接构件长度不达标。同时，房屋采用空斗墙砌筑，房屋不加设构造柱与圈梁，这是造成砌体结构墙体破坏的主要原因。

2.2 现行农居抗震性能研究现状

我国地形地势差异较大、民族较多、经济发展程度、气候条件和生活习惯等差异性很大，农村地区民居房屋存量大、分散性强，新建、已建、震损等使用状态各不相同。

(1)尽管现有规范各项抗震措施及技术给房屋总造价带来低于5%的增长，但部分农户仍无力承担，并且这些抗震措施种类繁多，需要相当的专业培训才能正确用于农房建设中。在重点防御区和地震高风险区，发挥高校、研究所、建设等技术部门的作用[29-34]，研发并推广农村民居房屋实用抗震技术。

(2)南方农村大量单层、多层砖混结构和底框架结构使用混凝土预制空心楼板、屋盖，空斗墙砌筑墙体，未设置构造柱和圈梁。南方农村空斗墙房屋存量巨大，历次地震中破坏非常严重，空斗墙的破坏机理研究应尽快开展。北方如黑龙江地区[21-23]砖砌体结构门窗开洞率过大，纵墙抗震能力严重削弱[22]。

(3)对农村民居砖混结构房屋的主要建筑材料如砌块、砌筑砂浆、钢材、水泥、砂石等现场检测和试验研究显示，砖混结构砌筑砂浆的强度是影响房屋抗震性能的关键因素。在湖南、安徽、湖北、江苏、江西、广西等南方地区砖混结构砌筑砂浆的现场贯入强度在2.5MPa左右，在黑龙江省等北方地区砖混结构砌筑砂浆的现场贯入强度在1.0MPa左右。尽管各地砖混结构、泥坯混合结构以及各种土木及砖木结构墙体破坏形式和类型多样，各有差异，但墙体破坏的致灾成因均在于砖砌墙体、泥坯混合墙体、土木及砖木结构中土质、砖砌墙体的抗剪能力和抗拉能力太差。

通过上述讨论，发现一个共同点，那就是各地农村民居房屋墙体建造质量差，墙体抗剪、抗拉能力弱是各种破坏形式的主要成灾原因。因此，从建筑材料、标准化减隔震技术、节能环保抗震建筑技术、结构加固技术等角度出发，研究可提高房屋墙体抗震能力或减小墙体作用力及位移的抗震实用技术是一个可行的研究方向。

3 典型民居实用抗震技术分析

目前，已有研究[24-45]从建筑材料、标准化减隔震装置、节能环保抗震建筑技术、结构加固技术等方面，研究可提高房屋墙体抗震能力或减小墙体作用力及位移的抗震实用技术，并在实际应用中取得了较好的成果。

3.1 节能环保抗震建筑技术研究

现有农村民居存量大、分布广，结合我国传统民居优点与现代新型建筑材料、施工技术，研究农村民居节能环保抗震建筑技术是近年来的一个趋势。刘方等[24]结合聚苯板与钢筋混凝土两种材料的特点，提出模块化聚苯板钢筋混凝土剪力墙结构，通过对吉林等地农房冬天室内温度的观测，验证了聚苯板良好的保温隔热性能可满足居住温度使用要求而将取暖燃料减半。该项技术目前为吉林省农村民居标准化建设委员会采纳，改进该项技术实现可装配式聚苯板钢筋混凝土剪力墙结构或可扩大该项技术在高寒地区农村民居建设及改造中的应用。高源等[25]在四川彭州山区传统木板竹材夹泥墙加入聚苯板，改造成保持原有建筑与周围生态环境相协调并满足冬天使用温度的复合墙体，通过对大坪村新建民居夏冬两季室内温度的观测，新建民居夏冬两季室内温度变化更稳定，平均温度分别为22.7℃与7.8℃，实现了夏天不制冷、冬季不烧取暖材料即可满足居住温度使用要求。张慧等[24]提出利用粉煤灰、煤矸石作为原料烧制成多孔砖、空心砖作为砖砌体建筑材料，该项研究仍处于理念设计阶段，尚未有成熟产品。目前，青岛理工大学与黑龙江省地震局正在山东青岛跟进该项技术的研究[22]。陶忠[26-28]、张波等[29]对云南与汉中两地的传统夯土墙进行研究。陶忠[26-28]提出在夯土墙中添加松针等植物纤维的方式增强房屋墙体的抗剪承载能力，通过试件试验显示墙体抗压承载力可达0.5～0.6MPa，抗剪承载力可达0.4MPa以上。张波等[29]借鉴砖混结构构造柱、圈梁中钢筋与混凝土的相互作用，提出在夯土墙中采用竹材制成的竹筋，竹筋、竹筋构造柱及圈梁设置参照砌体结构构造要求，仍采用传统夯筑方法夯筑墙体。这些建筑的抗震技术在采用现代材料的同时，继承了我国传统建筑的建造方式，所用主要建筑材料都是土、木、竹等可再生材料，通过在各地农村的实际应用验证了各项技术的有效性，做到了夏季可节省制冷耗能、冬季可节省取暖耗能等节能环保的目标。

3.2 农村民居减隔震技术研究

为支援汶川灾后重建，尚守平等[30-35]开发了一系列农村民居减隔震技术，最早的隔震层用于新建建筑，给出了钢筋-沥青复合隔震层[30-33]理论计算模型、阻尼介质特性、适用范围以及设计与施工的细部构造，满足结构竖向承载力及平面内水平限位要求[31]，可减小上部结构50%～60%的地震加速度反应达，减震效果明显，并形成了《农村民居实用隔震技术规程》，并被中国工程建设标准化协会批准颁布施行。

对于地震高风险区的大量已有建筑和震损建筑。尚守平等[34]将隔震层设计改为隔震墩，不改变钢筋的力学模型和计算假定。隔震墩在VII度抗震设防烈度下具有稳定理想的加速度减震系数0.50～0.70，可用于地震高风险区的大量已有建筑。2016年，尚守平等[35]又开发出三维弹簧隔震墩，解决了隔震墩的竖向隔震问题，三维弹簧隔震墩的竖向、水平向的加速度减震系数在0.7以上，减震效果非常好，用于1～3层的农居房屋或质量较轻的文物保护建筑。采用该隔震墩后，VII度及以下设防区，房屋可不做抗震设计，不用加设构造柱和圈梁等构造措施；VIII度和IX度设防区，房屋可降低一度设计。隔震墩在工厂预制，可同时应用于新建建筑和既有建筑的隔震，施工简单易行、维修保养方便、廉价实用，适合标准化生产。农村民居房屋减隔震技术的研究和开发，在国内属于首创。这些研究和技术，积累了丰厚的技术资料，在该领域均已处于领先地位。该减隔震装置计算模型假定中，仅考虑了钢筋在隔震墙体平面内的稳定，而实际房屋的隔震是一个三维问题。在历次震害中，农村民居墙体，尤其是空斗墙的平面外局部破坏很常见。这对隔震墩提出平面外作用和稳定问题，要求钢筋在隔震墙体具有平面外限位能力。

3.3 农村木结构房屋地震安全研究

我国悠长的木结构建筑使用历史形成了独特的木结构抗震体系，这些成果也促进了农村地区典型木结构体系抗震的研究[36-39]。我国南方存在大量的传统穿斗木木结构，对于该类木结构的抗震加固技术取得了较实用的成果[36]。此外，现代竹结构住宅新型结构系统[40-44]与现代轻型木结构体系[45]在农村民居房屋的应用上，也取得了阶段性成果。

3.3.1 传统木结构抗震加固研究

传统穿斗木屋架房屋结构偏柔，耗能能力良好，可减小上部结构加速度反应。但结构整体刚度小，结构水平相对位移大，在地震中容易产生过大变形而破坏，如房屋的榫卯连接破坏、围护墙倒塌等震害。黄曙等[36]采用将传统穿斗木屋架房屋的墙壁板成45°角与柱子、横梁进行斜钉连接的加固措施，墙壁板同时起到围护墙与斜支撑的作用。

该加固方法将结构的抗侧刚度提高了近一倍，阻尼比减半但仍有良好的耗能能力，上部结构加速度反应未被放大，减小结构相对位移达30%～80%，控制了柱子的倾斜角度，实用性很好。但仍有一些问题未得到完全解决：①试验显示结构各柱底部与柱底基础的相对位移明显增大、各相对位移明显不一致，此相对位移对上部结构各构件变形及作用力有影响；②改造后的45°斜向墙壁板，改变了墙壁板、木柱及横梁各构件及各构件之间的受力状态与连接构造的施工措施；③对加固后结构各柱间相对位移、墙壁与柱和横梁动力反应以及加固设计施工工艺等问题的研究。

3.3.2 现代轻型木结构研究

单波等[40-44]将现代力学理论中剪力墙的概念引入木结构体系中，提出了现代竹结构住宅的新型结构系统[42-44]。该结构体系使用竹胶合材作为主要建筑材料，由结构骨架、墙面板、楼面板、屋面板以及金属连接件组成，并共同承受、传导竖直向和水平向荷载至基础上，结构安全灵活，已被用于小型别墅、景观桥梁及灾区临时安置板房。借鉴我国传统木结构房屋承重体系的特点，邓涛和何放龙[45]提出了一种轻型木结构体系的农村民居房屋，该结构体系采用木材的规格材料作为结构骨架材料，形成超静定冗余密骨柱体系，采用竹胶板作为房屋的墙面及屋面板材。

目前，这两种轻型木结构体系在墙体剪力、结构刚度、阻尼比、耗能能力、结构相对位移、位移角值等指标方面均取得较好结果，结构加速度放大系数均小于1，满足规范VIII度抗震设防要求，适合标准化及生产。有学者认为，该类体系采用的竹胶板在耐久性等方面还未完善，需进一步研究。

4 结论

本文基于现有农村民居存量大、建造规模小、分散性强的现实，总结了现有农村民居结构形式、建筑材料、施工方式的基本情况，分析了我国农村民居震害形式，提出开发具有成本低廉、耐久适用、施工简易、节能环保等特质的实用抗震技术，以提高农村民居抗震能力。

(1)对地震高风险区及中等地震风险区农村民居震害形式及现状的分析显示，长江流域及以南的两湖、两广、江淮、云贵及广西、浙江等南方农村地区的单层、多层砖混结构和底框架结构使用混凝土预制空心楼板、屋盖，空斗墙砌筑墙体以及未设置构造柱和圈梁是当地农村民居抗震能力薄弱最主要的起因。同时，黄河流域及以北等北方地区，尤其东北的农村地区农村民居抗震能力薄弱问题主要有两个方面，一是各农村聚居点仍存在5%～15%不等比例的泥坯混合结构，二是砖砌体结构门窗开洞率过大，纵墙抗震能力严重削弱，砌筑砂浆的现场贯入强度在1.0MPa左右，未设置构造柱；京津冀及新疆、宁夏、山西、陕西等地区农村也存在形式各异的生土及夯土结构，砖混结构普遍未设置构造柱和圈梁。

(2)对各地区农村民居房屋研究现状分析显示，农村民居在规划、隔震带处理、经济条件、施工工艺普及、建筑布局与结构设计、各构件的相互连接、抗震措施以及房屋使用中的维护和修复等问题仍然存在共同点。此外，从新型建筑材料、标准化减隔震装置、节能环保抗震建筑技术及结构加固技术等角度出发，研究可提高房屋墙体抗震能力或减小墙体作用力及位移的抗震实用技术在实际应用中取得良好效果，成为当前研究的一大趋势。

(3)针对现代新型材料在农村民居中的应用，分析了现有标准化减隔震技术、节能环保抗震建筑技术及结构加固技术等方面研究的代表性成果，并提出各项成果的后续研究和应用方向。

致谢：本文的研究，受黑龙江省地震局局长张志波、原副局长杨金山争取到的项目资金支持，并得到了黑龙江省地震局震害防御(政策法规)处、科学技术处、工程研究院及哈尔滨市(县)城建部门和地震部门领导的大力支持与配合，在此一并感谢各位领导和师长的鼎力支持!