松原市5.7级和5.1级地震房屋震害特征分析与启示

张仁鹏， 冯靖乔， 雷焕珍， 于宏伟， 马 飞， 王佳蕾

(1. 吉林省地震局， 吉林 长春 130022； 2. 长春市地震速测速报中心， 吉林 长春 130000)

0 引言

地震对人民的生命和财产安全造成严重威胁，而居民的地震直接经济损失主要来自于房屋破坏的经济损失。每次破坏性地震发生后，专家学者都会对震后的房屋破坏和损失情况进行总结及分析，例如四川地震[1-3]、云南地震[4-5]、青海地震[6]和新疆地震[7]等震后对房屋结构类型、震害特征进行总结，对震害发生原因进行分析，为震区灾后重建、房屋加固、科普宣传等工作提供了基础资料。目前对松原市4.9级地震的震区房屋破坏情况已做过分析[8]，而松原地区在2013年(5次)、2018年和2019年共计发生过7次5级以上的地震，因此对于松原地区5级以上地震震区房屋的震害特征和震害原因需要详细分析。

2018年5月28日1时50分在松原市宁江区发生5.7级地震(45.27°N， 124.71°E)，震源深度13km。现场震害调查结果表明，此次地震震区最高烈度Ⅶ度， Ⅵ度以上的总面积是1073km2，等震线长轴方向呈北东向。在间隔一年后， 2019年5月18日06时24分在松原市宁江区发生5.1级地震(45.3°N， 124.75°E)，震源深度10km，极震区烈度为Ⅵ度，烈度圈的面积为237km2，等震线长轴方向为北东向。两次地震震中间距16km，同在松原市宁江区发生两次5级以上地震。

两次地震都发生在北东向扶余(松原)—肇东断裂和北西向第二松花江断裂的交汇部位附近，根据对5.7级地震发震构造的分析[9]，推测5.7级地震的发震构造为北东走向的扶余—肇东断裂，而对5.1级发震构造的研究[10]认为，北西向第二松花江断裂可能是5.1级地震的发震断裂。本文通过收集两次地震房屋震害调查资料，归纳震区各结构房屋典型震害特征，计算各类结构房屋破坏比及平均震害指数，分析破坏发生原因，以期为松原市房屋的重建、加固、城市未来规划等工作提供有效依据，也为东北新农村房屋的建设提出建议。

1 震区房屋结构概况

2018年5.7级地震和2019年5.1级地震都发生在松原市宁江区地区，两次地震震害调查结果表明，震区房屋的结构类型主要是土木结构、砖木结构、单层砖混结构和多层砖混结构[11-12]。

1.1 土木结构特点

土木结构多建于20世纪70—90年代，地基一般采用简单的条形基础，石块、红砖砌筑或灌注河砂，基础较浅，部分房屋未设置地基； 夯土墙或土坯墙承重，个别由木框架与土墙混合承重，另有部分房屋，在正面土墙外部砖挂面(俗称“一面青”)，由砖墙和土坯墙共同承重，墙体厚度一般为50cm； 简易木搁梁/檩平顶屋面或“平改坡”屋面。

1.2 砖木结构特点

砖木结构房屋大部分建于20世纪80—90年代，地基多数采用简单的条形基础，石块、红砖砌筑或灌注河砂，基础较浅； 多数为砖墙承重，少数房屋由砖墙和木架混合承重，外墙厚50cm或37cm，内墙厚37cm或24cm，墙体多为泥浆砌筑或黑油砂砌筑，水泥砂浆封缝； 没有混凝土底圈梁和顶圈梁； 屋面多数采用三角木屋架，少数为简易平顶木屋架，铺望板，挂机制瓦或轻钢架彩钢屋面。

1.3 单层砖混结构特点

单层砖混结构房屋多建于2000年以后，地基多数采用条形基础，开挖至冻土层砌筑石块，并设置钢筋混凝土底圈梁； 墙体由水泥砂浆砌筑，厚度多为37cm； 多数房屋仅有底圈梁、顶圈梁，未设置构造柱，砖墙承重； 少数近年建造的房屋，在四角增加了构造柱，砖墙与钢筋混凝土构造柱混合承重； 屋面一般为三角木屋架，铺望板，挂机制瓦或轻钢架彩钢屋面，部分采用现浇钢筋混凝土屋面。

1.4 多层砖混结构特点

多层砖混结构房屋地基多数采用标准条形基础或桩基础，墙体由水泥砂浆砌筑，砖墙与钢筋混凝土构造柱混合承重，一般采用混凝土预制板或钢筋混凝土现浇屋面。

统计两次地震震区各类结构房屋所占比例如图 1所示， 松原市农村房屋主要是以单层砖混结构和砖木结构为主。在5.7级地震的Ⅵ度区多层砖混结构房屋占比达到55.81%，主要是因为Ⅵ度区的东南方向涵盖了松原市宁江区市区，市区的房屋是以多层砖混结构为主。对比5.7级地震震区和5.1级地震震区土木结构房屋的使用比例，从1.3%降到0.5%，并且在使用的土木房屋也是当仓库使用。

图 1 两次地震灾区现场调查各类结构所占比例Fig.1 Proportion of various types of building structure in disaster area of Songyuan M5.7 earthquake in 2018 and M5.1 earthquake in 2019 in field investigation

2 房屋震害特征与成因分析

2.1 土木结构房屋

土木结构房屋主要震害特征见表 1。

原因分析：土木结构的房屋年代久远，没有设置抗震措施，黏土时间久黏性差，屋顶前高后低，后应力墙上受力集中，加之屋顶材料重，在地震力的作用下，容易发生后墙倒塌(图 2b)、房屋整体倾斜(图 2c)的问题； 纵横墙之间也不曾设置任何连接措施，交界处为土坯直槎，使用黏土黏连在一起，易发生墙体外闪、墙交界处错位变形； 建造材料自身强度就低，地震力作用后，就会使墙体开裂。

图 2 土木结构房屋破坏Fig.2 Photos of seismic damage of civil buildings

2.2 砖木结构房屋

砖木结构房屋[13]主要震害特征见表 2。

表 2 砖木结构房屋的主要震害特征Tab.2 Main characteristics of seismic damage of brick-wood buildings

原因分析：砖木结构房屋的房龄在30年左右，材料老化，没有顶圈梁、底圈梁、构造柱等抗震结构措施。屋顶主要以木架采用硬山搁檩式直接架设在砖墙，整体屋顶重量主要集中在前后承重墙上，地震发生后纵墙就容易开裂和变形； 山尖墙与承重墙体间无搭接，在地震复杂力的作用下，容易发生山墙倒塌(图 3b)、外闪； 纵横墙交界连接处或主体和附属结构的接连处没有连接措施，当地震发生后，由于应力集中在连接点上，因此容易发生山墙和内横墙与外纵墙拉脱、出现裂缝(图 3c)、烟囱折断或开裂、围墙倒塌； 窗口使用大开间又没有圈梁设置，上部荷载超过窗口的荷载范围，导致门窗洞口出现开裂。

图 3 砖木结构房屋破坏Fig.3 Photos of seismic damage on the brick-wood buildings

2.3 单层砖混结构房屋

单层砖混结构房屋主要震害特征见表 3。

表 3 单层砖混结构房屋的主要震害特征Tab.3 Main characteristics of seismic damage of single layer brick-concrete structure

原因分析：房屋大部分墙体主要使用混合砂浆砌筑，老房子的砂浆强度因时间推移逐渐丧失黏结力，加上窗口开间过大，在地震中水平作用力影响下，其底部与上部竖向上的荷载差异以及上下空间布局的非对称性，易导致底部扭转破坏，门窗墙开裂(图 4c)。部分房屋山墙和纵墙无结构措施，地震力在山墙和纵墙连接处集中，导致连接处开裂；山尖墙不是和横墙一体砌筑而成，整体性低，地震后连接处易产生水平裂缝破坏或山尖墙外闪； 烟囱折断或开裂是因为烟囱建造简单、主体和附属结构的接连处没有连接措施。

图 4 单层砖混结构房屋破坏Fig.4 Photos of seismic damage of single layer brick-concrete structure

2.4 多层砖混结构房屋

多层砖混结构房屋主要震害特征见表 4。

表 4 多层砖混结构房屋的主要震害特征Tab.4 Main characteristics of seismic damage of multi-story brick-concrete structure

多层砖混结构房屋多在市区内，一般5层以下，基本采用底圈梁、顶圈梁、构造柱等抗震措施，松原市区的这类房屋都按Ⅷ度设防，所以只有个别房屋墙体出现轻微裂缝(图 5a、5 b)。在5.1级地震中基本没有发生破坏。

图 5 多层砖混结构破坏Fig.5 Photos of seismic damage of multi-story brick-concrete structure

上述分析表明， 5.7级地震中各类结构房屋的主要震害特征包含了5.1级地震的房屋震害特征情况，但5.7级地震的房屋破坏更加严重，两次地震的房屋震害特征能够代表松原地区震后土木结构、砖木结构、单层砖混结构和多层砖混结构房屋破坏的基本情况[14]。

2.5 平均震害指数

根据震区房屋破坏情况和附近地区历次地震经验，参照《地震现场工作第4部分：灾害直接损失评估》(GB/T 18208.4—2011)中房屋破坏等级划分标准，将砖木结构、单层砖混结构、多层砖混结构划分为5个破坏等级，土木结构划分为3个破坏等级[15]。统计现场调查数据，计算得出各结构房屋破坏比[16-17](表 5)。根据《中国地震烈度表》(GB/T 17742-2020)的房屋分类描述，结合松原市多次地震中房屋震害指数计算经验，将震区中土木结构、砖木结构为A1类，单层砖混结构为B类，多层砖混结构为C类[18]。按照式(1)，根据各类房屋建筑不同破坏等级的破坏比，计算出两次地震不同结构房屋的平均震害指数(表 5)。

表 5 房屋的破坏比(%)与平均震害指数Tab.5 Damage ratio(%) and average seismic damage index of buildings in the study area

D=∑di×λi

(1)

式中，D为某调查点(或区域)某一类房屋建筑平均震害指数；di为该类房屋破坏等级为i的震害指数；λi为该类结构破坏等级为i的建筑面积(或栋数)与建筑总破坏面积的比值。

根据房屋破坏比和平均震害指数显示，在两次地震中不同结构房屋的破坏程度从重到轻依次是土木结构、砖木结构、单层砖混结构和多层砖混结构。将本次地震平均震害指数与《中国地震烈度表》的震害指数范围(表 6)进行对比，其中土木结构平均震害指数都高于同等烈度下平均震害指数范围，明显破坏程度最为严重； 多层砖混结构、砖木结构和单层砖混结构平均震害指数都在烈度区平均震害指数范围内，破坏程度符合震害规律。

表 6 地震烈度与房屋平均震害指数的关系Tab.6 The relationship between seismic intensity and average seismic damage index

3 地震地质灾害

松原市的地貌为平原，由于松原市地区的饱和砂土非常发育，存在地表黏性土覆盖层较少较薄、地下水位较高、砂土颗粒较细以及砂土密实度较差等不利因素，因此在松原市的部分地区存在着砂土液化的危险性。松原市以第二松花江为分界线，总体地势南高北低，其中江北一级阶地大面积发育，地形开阔平坦，标高在130～135m，以斜坡与现代河谷缓慢过渡，无明显前缘陡坎，在阶面的低洼处，河流故道、沼泽湿地多有分布，发育有淤泥质粉质黏土和软黏性土夹层。

两次地震震中区位于第二松花江北岸， 5.1级地震未发生地质灾害，而在5.7级地震震区发生了大规模的砂土液化现象，主要宏观表现为喷砂冒水，喷出物主要有灰色细砂和黄色细砂，已知点有200余处，主要集中在Ⅶ度区内。从宏观上看液化场地沿北东向分布明显，与烈度图长轴方向大体一致[19]。绝大部分液化发生在水田中，且主要集中在松花江北岸，破坏了稻田中的秧苗和种植环境，对农业生产了一定影响。现场调查显示，此次液化未对建筑造成大规模损坏，在崔家围子一民居室内出现喷水冒砂现象，液化导致地基不均匀沉降，砖木结构房屋出现墙体开裂现象； 在姜家围子村委会办公室屋后、广场、广场前小河沟都有砂土液化现象，但对房屋结构未造成破坏。

李平等在研究松原市5.7级地震砂土液化时，通过钻探发现在18～19m处发生了显著的深层砂土液化，并且发现地震中地表未产生喷水冒砂现象的场地也可能出现液化。研究表明，松原地区场地为深厚的易液化的砂层，地下水位较高，并且松原地区地震频繁，松原地区具有发生更大规模砂土液化的可能性[20]。

4 启示

综上分析表明，结合两次地震震区各类结构的震害特征分析和地震地质灾害描述，得到以下启示：

(1)土木结构抗震能力最差。从两次地震分析结果显示，土木结构100%发生破坏和毁坏，平均震害指数偏高，不只是震害特征分析中提到材料和结构措施的问题，也有历来地震震害叠加的原因。最近几年松原地区地震频繁，土木结构的使用逐渐减少，对于无人居住的土木结构房屋基本没有震后加固和日常维护，因此震害也被逐渐放大。

(2)房屋抗震能力在逐渐提升。在两次地震调查中农村使用单层砖混结构房屋占比已经超过55%，而它在5.7级地震Ⅶ度区内中等以上破坏比为23%，远低于砖木结构的43%，在两次地震Ⅵ度区只有轻微破坏，破坏比分别是11%和14%，低于砖木结构的32%和37%。单层砖混结构成为农村的主要结构房屋，而它的抗震性能明显优于砖木结构，说明震区农村的房屋整体的抗震性能在逐步提升。

(3)房屋结构选择很重要。多层砖混结构的破坏比最低，多层砖混结构在5.7级地震中占比达到53.6%，但它只有2.0%的轻微破坏，说明有施工设计、好的建筑材料等能有效提高房屋的抗震能力。

(4)场地的选择影响房屋的损失。5.7级地震中发生了大量的砂土液化点，虽然液化未对建筑造成大规模损坏，但易导致房屋的地基失稳，因此存在对房屋结构造成破坏的隐患。

5 结论

总结了松原市5.7级地震和5.1级地震的房屋的震害特征及成因分析、房屋破坏比例、平均震害指数等情况，主要给出以下结论：

(1)砖混结构在两次地震中的抗震性能良好，尤其是多层砖混结构，只造成了轻微破坏，说明多层结构在不超过设防烈度情况下，能保证人民生命财产安全。土木结构基本没有继续使用的价值，在房屋重建中，建议放弃土木结构房屋的使用。对于中等破坏以上的砖木结构房屋，由于松原地区地震的频繁性，已经没有加固的价值，建议重建为主。

(2)两次地震震中附近震感十分强烈，但没有造成人员伤亡，主要原因一是当地政府强化抗震设防要求的结果，当地抗震设防烈度为Ⅷ度； 二是近年来当地政府有计划开展危旧房改造工程和地震灾后重建工程，大大减少了危房数量，增加了具有较完备抗震措施的“抗震房”数量，震区建筑抗震能力有所提高。

(3)松原地区存在发生大规模砂土液化的可能，它不但影响农业，更存在对人民生命财产造成巨大损失的隐患。因此市区和乡村在新建房屋时，需要依据建筑抗震设计规范中提出的多种方法来判别场地是否存在液化问题，尽量避开易发生液化的场地，如果无法改变，需通过标准贯入实验确定液化土层，并根据建筑抗震设计规范提出的方法做好地基加固。

(4)目前多层砖混结构主要是集中在市区，而对于农村房屋新建，参考破坏特征分析、平均震害指数和当地房屋建造经费等情况，选择带有构造柱等抗震措施的单层砖混结构最为适合，并且应该尽量减少山尖墙这种非主体结构，合理设计门窗的尺寸，增强关键位置抗震措施，提高农村房屋的抗震能力。

致谢：文章中的照片和数据均来自5.7级地震和5.1级地震的现场的灾评工作，在此要感谢在5.7级地震和5.1级地震中的吉林省地震局、中国地震局工程力学研究所、中国地震局地质研究所、中国地震灾害防御中心、黑龙江省地震局的地震现场全体人员的辛勤工作。