漾濞MS6.4地震中土木结构房屋抗震加固效果研究

贺素歌,冉 华,2,周青云,2,于 江,2,罗伟东,2,白仙富,2

(1.云南省地震局,云南 昆明 650224;2.中国地震局昆明地震预报研究所,云南 昆明 650224)

0 引言

云南省地处印度板块与欧亚板块碰撞带东缘,南北地震带的南段。省内发育有49条活动断裂[1],构造运动强烈,地震活动显著,是全世界范围内地震发生频率最高的地区之一[2-3]。根据20世纪以来的地震记录,云南5.0～5.9级地震平均每年2次,6.0～6.9级地震平均每3年2次,7级及以上震级地震平均约每8年1次,各级别地震的发生频率均很高。

漾濞县位于著名的川滇菱形块体边界断裂红河断裂附近。红河断裂是云南省内年代最久、规模最大、活动程度最高的断裂之一[4-5],历史上曾发生过多次大地震,其中1925年凤仪7级地震震中距离洱源县城仅30 km。漾濞县是具有很高的地震风险,同时该县又是大理州最贫穷落后的地区,县域内民居60%为抗震性能较差的老旧土木结构。若不考虑县城,则老旧土木结构建筑的比例会增大到80%。

土木结构是云南地区农村最常见的民居结构形式,具有抗震性能较差的特点[6-12]。由于抗震加固可以增加土木结构的抗震性能,国内外学者开展了大量研究[13-15]。漾濞县自2014年开始在全县开展“传统民居木构架加固改造”工程。到2020年底,全县范围内已基本完成全部土木结构民居的抗震加固工程。

2021年5月21日,漾濞发生了MS6.4地震以及3次5.0～5.9级地震,这是云南全面开展抗震加固工作后首次遭遇6级以上地震。与省内外近十年发生的几次相近级别地震相比(例如盈江6.1级地震,景谷6.6级地震,岷县—漳县6.6级地震等),此次地震造成的人员伤亡较少,与以往震例有所差异[16-22]。此外,以往学者对于土木结构抗震加固措施效果的评估,也大多是基于振动台试验,没有经历过地震的真实检验[23-26]。本文主要根据现场调查的成果,结合强震动台记录的数据等,对比有无抗震加固的洱源县土木结构房屋受灾情况,来研究漾濞县土木结构房屋的抗震加固效果。

1 地震基本情况

2021年5月21日,云南省大理州漾濞县(25.70°N,99.88°E)发生了MS6.4地震震源深度8 km(表1),共造成3人死亡,30人受伤,经济损失约31亿元。截止到2021年6月3日,震区共记录到3.0级以上地震46次,其中5.0～5.9级地震3次,4.0～4.9级地震13次,余震呈N310°W走向[27]。

表1 漾濞MS6.4地震及部分前震、余震参数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人的灾害损失评估团队,在四川省地震局、中国地震灾害防御中心、中国地震局工程力学研究所等单位17人的协助下,走访调查了219个居民点,确定了此次地震的烈度分布(图1)。此次地震的宏观震中为99.96°E,25.67°N,极震区烈度为Ⅷ度,面积约170 km2,Ⅶ度区面积约930 km2,Ⅵ度区面积约5 500 km2。

图1 漾濞MS6.4地震等震线图Fig.1 Isoseismal map of Yangbi MS6.4 earthquake

2 漾濞灾区土木结构房屋加固情况与破坏形式

2.1 基本情况

漾濞及周边地区最广泛使用的土木结构形式为穿斗木构架,此次调查过程中没发现抬梁式木构架、木柱木屋架及其他结构形式的土木结构房屋。穿斗木构架是一种轻型构架,主要由梁、柱、穿枋等构件组成,整体性较好。同时,穿斗木构架节点之间以榫卯的方式进行连接,在地震中可以吸收一定的地震能量,因而相对其他结构形式的木构架房屋具有较好的抗震性能。据调查,漾濞县及周边区县的土木结构房屋的修建年代均较为久远,房屋年龄基本上均超过30年,部分老旧房屋年龄超过50年。

2.2 加固情况

近几年来地震灾害对土木结构带来的巨大损失逐渐引起了政府和学者们的重视,木结构的抗震加固研究逐渐深入。周乾等[28]通过低周往复试验对扒钉、碳纤维增强塑料布和钢箍3种加固方式进行了抗震能力对比。国外也有大量学者开展不同加固方式进行了性能测试[29-30]。漾濞地区的抗震加固工作主要的依据为《农村民宅抗震构造详图》[31]、《云南省农村民居地震安全工程技术导则》[32]。根据实地调查,发现漾濞县的抗震加固措施主要包含以下几类:

(1)利用扒钉和钢夹板对节点进行加固

依据云南省多次地震中土木结构房屋震害情况可以发现,梁柱节点的性能的好坏是房屋抗震性能优劣的关键,只要主要木构件不出现折断、脱落,一般就不会倒塌。漾濞灾区常见的节点加固方式有两种:扒钉加固和钢夹板加固。

扒钉是一种钉头有两个尖刺的铁质固定件,主要用于两块木材的固定连接[图2(a)]。利用扒钉可以对梁柱节点进行加固,防止地震作用时榫头拔出等危险。扒钉具有造价便宜和施工方便的优点,但一般只能用于《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)[33]中Ⅵ、Ⅶ度区域,Ⅷ度区域一般采用钢夹板加固。

图2 漾濞县土木结构房屋的加固方式Fig.2 Reinforcement modes of civil structures in Yangbi County

两块钢板从梁柱节点两侧采用对穿螺栓连接的方式对节点进行加固[图2(b)],这种加固方式称为钢夹板加固。与扒钉相比,钢夹板具有更大的可塑性,同时对穿螺栓在遭遇较大地震动时不易脱出,更加稳固。

(2)利用钢剪刀撑进行纵向支撑加固

木构架房屋的整体性对于其在地震中的表现——尤其是较强地震动中的表现至关重要。对于穿枋尺寸较小或施工工艺简陋导致整体性不足的房屋,一般需要采用纵向支撑以增加相邻横向木构架之间的联系,以增强木构架的整体性。灾区土木结构房屋主要采用的纵向支撑加固方式为剪刀撑[图2(c)]。

剪刀撑被广泛运用于各领域,例如建筑领域脚手架等。其基本原理是利用斜向支撑形成三角区域,增加稳定性和整体性。在加固工程中,根据使用的材料不同,又可以分为木剪刀撑和钢剪刀撑。漾濞灾区使用的材料是角钢,进一步增加了支撑的稳定性。

(3)利用钢索设置楼面水平支撑

《云南省农村民居地震安全工程技术导则》[32]中提到,抗震设防烈度为Ⅷ度地区的木构架民居,屋面和楼面应分别设置水平支撑。漾濞县大多数乡镇处于Ⅷ度地区内,调查发现部分土木结构房屋使用钢索设置了水平支撑[图2(d)]。

根据现场调查,漾濞灾区的土木结构房屋一般为三开间,分上下两层。下层柱脚及其他部位未加固,加固部位一般为上层梁柱。目前抗震加固的物料费在500～1 000元左右,人工费在200～500元左右,总成本一般在1 000～1 500元,超过2 000元的户数较少。对土木结构建筑进行抗震加固的成本低,具有有效的抗震减灾效果,适宜进行推广。

2.3 破坏情况

此次地震极震区烈度评估为Ⅷ度,土木结构在Ⅷ度、Ⅶ度和Ⅵ度区的破坏情况有差异。Ⅷ度区,个别柱脚移位,少数墙体倒塌,部分局部倒塌,多数开裂、墙体外闪,普遍梭掉瓦;Ⅶ度区,个别墙体倒塌,部分开裂、梭掉瓦;Ⅵ度区,少数墙体开裂,梭掉瓦。典型照片见图3所示。

图3 漾濞地震土木结构典型破坏照片Fig.3 Typical destruction photos of civil structures in Yangbi earthquak

2.4 本次地震与云南相近震级地震破坏情况的对比分析

2014年云南省发生了3次6～7级地震,分别为盈江MS6.1地震、景谷MS6.9地震和鲁甸MS6.6地震,地震震级均与本次漾濞地震震级相当。多名学者对这3次地震的震害情况进行了对比分析[16-18,34-35]。因鲁甸地震灾区土木结构房屋主要为“墙抬梁”,与漾濞、盈江和景谷地震灾区的“穿斗木”结构抗震性能差异较大,且该地震次生灾害造成的破坏较大,因此本文只用盈江地震和景谷地震与本次漾濞地震进行对比分析(表2)。

从表2可以看出,与另外2次地震相比,本次漾濞地震灾区具有以下特点:(1)震源最浅;(2)峰值加速度(PGA)最大;(3)伤亡人数最少(人口密度相当);(4)人均GDP最低;(5)Ⅷ度和Ⅶ度等震线面积最小。此外,根据3次地震的震后灾害损失评估调查所见,漾濞地震灾区除县城位于顺濞河阶地上,其他区域基本全部为山区,地震动的边坡放大效应显著;漾濞灾区的土木结构建筑年代久远,抗震性能相对更差。

表2 漾濞地震与盈江地震、景谷地震的对比Table 2 Comparison of Yangbi,Yingjiang,and Jinggu earthquakes

以上分析表明,漾濞地震灾区的建筑物遭遇了更大的地震动、更强的场地放大效应和拥有更差的建筑物抗震性能,但遭受的破坏反而更小。初步分析认为,原因是漾濞县土木结构民居进行了抗震加固。

2.5 加固与未加固房屋的比较

另一个更直观反映抗震加固效果的研究方法,是将加固与未加固的土木结构建筑在地震中的表现进行比较。震后灾害损失评估调查中发现,洱源县南部与漾濞县接壤的西山乡、炼铁乡和凤羽镇并未对土木结构(穿斗木结构)进行抗震加固,而其南侧更接近震中的漾江镇进行了抗震加固。在上述区域中分别选择了5个和7个自然村(调查点),对其中的土木结构的破坏情况进行了调查,并根据《中国地震烈度表》(GB/T 17742-2008)评估了这些调查点的震害指数和宏观烈度(表3,图4)。

从表3及图4可以看出,漾濞县漾江镇的7个调查点到震中的距离为11.6～17.2 km,宏观烈度普遍为Ⅵ度;洱源县的5个调查点到震中的距离为20.7～22.4 km。虽然漾濞县漾江镇的7个调查点距离震中更近,但震害更轻。考虑到这些调查点相距不远,地形坡度相似,建筑物修建年代相近,分析认为震害差异主要原因是漾濞县漾江镇的土木结构民居都进行了抗震加固。

图4 漾濞地震部分烈度调查点及仪测烈度点Fig.4 Intensity of survey points in Eryuan County and Yangjiang Town in Yangbi County and the intensity attenuation relationship

表3 漾濞县漾江镇与洱源县西山乡、炼铁乡、凤羽镇土木结构建筑破坏情况对比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 级地震土木结构房屋震害启示

3.1 宏观烈度与烈度衰减关系

地震烈度衰减关系反映的是地震波对建筑物的破坏随震中距衰减的经验关系,该关系是震后快速评估等工作的重要依据。本文中,将衰减关系用于建筑物整体抗震性能评估:宏观烈度高于依衰减关系计算得到的烈度时,表明建筑物抗震性能未达到区域平均值;宏观烈度低于计算烈度时,表明建筑物抗震性能高于区域平均值。多名学者对云南及周边的烈度衰减关系进行过总结,因为漾濞地震为右旋走滑型地震,所以本文选择董曼等[35]基于川滇地区走滑地震资料建立的川滇走滑地震烈度衰减关系。我们将调查点的烈度值依据震害指数进行线性插值得到宏观烈度值,这些烈度值和衰减关系由图5所示。

图5 洱源县及漾濞县漾江镇调查点烈度与 烈度衰减关系Fig.5 Relationship between intensity attenuation and intensity in Eryuan County and Yangjiang Town of Yangbi County

可以看出,洱源县的5个调查点的宏观烈度(只考虑土木结构建筑)比烈度衰减关系长轴高0.2～0.7,表明该区域内的建筑物抗震性能明显劣于川滇地震灾区的平均水平;漾濞县7个调查点的宏观烈度(同样只考虑土木结构建筑)比烈度衰减关系长轴低0.2～0.7,表明该区域内的建筑物抗震性能明显优于川滇地震灾区的平均水平。考虑到烈度衰减关系10～70 km范围内长轴和短轴之间大约相差0.5,可以认为,在遭遇相同地震动时,未抗震加固的土木结构建筑比加固过的该类建筑宏观烈度可能会高1.0～2.0。这个结论是在Ⅵ～Ⅶ度情况下得到的,在更高烈度时这个结论是否正确还有待进一步研究。

3.2 强震动地震台的仪测烈度

震中附近约100 km范围内有约72个强震台记录到了此次地震。洱源县和漾濞县交界附近有两个强震台有记录,其中漾濞漾江台(安南以西)仪测烈度为6.4度,洱源西山台(房后西北)仪测烈度为5.3度。漾江台的仪测烈度与附近居民点的宏观烈度相当,西山台的仪测烈度比附近居民点的宏观烈度低2度左右。这一结果同样说明了对土木结构建筑物进行抗震加固能有效地提高其抗震能力。

3.3 对防震减灾的效果

从表3及图4可以看出,如果只考虑土木结构的破坏情况,对于漾濞县内抗震加固后的土木结构建筑物,Ⅶ度等震线长轴半径约为11 km;对于洱源县内未抗震加固的土木结构建筑物,Ⅶ度等震线长轴半径约为22 km。根据这组数据进行计算,Ⅶ度破坏区域面积因抗震加固可能减小了约75%,漾濞县内本来应达到Ⅶ度破坏的土木结构建筑群的实际破坏烈度降低到了Ⅵ度。从表2还可以看出,Ⅶ度和Ⅵ度区域土木结构破坏情况差别很大:Ⅶ度破坏时,5%左右的土木结构建筑会毁坏,50%～70%的会破坏,而Ⅵ度区域这两个比例分别下降到了0%～20%。这意味着本来可能毁坏的土木建筑因为抗震加固而没有毁坏;土木建筑的破坏比例也因为抗震加固大幅下降。因此,经济损失和人员伤亡也因此大幅下降。

4 结论与建议

通过对漾濞MS6.4地震土木结构建筑物受损情况进行调查和分析研究,得到以下初步结论:

(1)漾濞县对县域内土木结构房屋使用钢夹板、钢剪刀撑、钢索等进行了抗震加固,增加了土木结构的整体性与稳定性,提高土木结构建筑的抗震能力。

(2)震害情况对比、强震动记录、烈度衰减对比等方面的数据显示,抗震加固有效地降低了灾区土木结构建筑受到的破坏,宏观烈度降低1～2度,大幅度降低了其在Ⅶ度地震作用下的受损程度,降低了经济损失和人员伤亡。

(3)本次地震中,未开展抗震加固土木结构的区域宏观烈度均未达到Ⅷ度,宏观烈度达到Ⅷ度的区域内土木结构全部进行了抗震加固,因此抗震加固措施在Ⅷ度及以上地震作用区域的抗震减灾效果还有待于进一步研究。

云南省的抗震加固工作在本次地震中经住了考验,极大地降低了人员伤亡和经济损失,进一步说明了抗震加固工作的合理性、有效性,为我们的防震减灾工作提供了宝贵的经验。建议在地震高风险区域进一步推广老旧民居的抗震加固工程,提高建筑物的抗震性能,减轻地震风险,降低地震损失和人员伤亡。

在地震烈度评估中,进行过抗震加固的建筑的与未进行过抗震加固的建筑,因二者抗震性能差异较大,应进行区分。可适当提高前者的震害指数,以避免低估地震产生的破坏。