基于窗上带与窗间墙关系评估芮城县砖混结构房屋抗震性能

韩晓飞,董 斌,薛晓东,史双双,王雷雷

(1.山西省地震局,山西 太原 030002;2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,山西 太原 030025)

0 引言

在地震作用下,窗上带结构优先出现损伤,再逐渐将损伤发展到墙体或窗间墙上,这样的破坏模式,窗上带能够消耗大量的地震能量,最大限度发挥结构的材料性能,增加房屋延性,是符合结构抗震概念设计的破坏模式[1-4]。对来自汶川地震、芦山地震和玉树地震共202片震害墙体和89个模型的有限元进行分析发现,无圈梁、构造柱的砖混砌体结构房屋窗间墙宽与窗上带高的比大于1.4,窗上带跨高比和窗间墙高宽比的比值大于1.4,窗间墙与窗上带刚度比大于1.6,窗上带优先出现损伤;对于有圈梁、构造柱的砖混砌体结构房屋,控制窗间墙宽与窗上带高比值大于1.3,窗上带跨高比与窗间墙高宽比的比值大于1.2,窗间墙与窗上带刚度比大于1.4,窗上带优先出现损伤[5-6]。汶川地震中房屋典型破坏情况及简要分析如图1、表1所示。

表1 震害简要分析Table 1 Brief analysis of the seismic damage

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

依托开展的山西省地震灾害风险普查工程,对芮城县房屋建筑的抗震性能进行分析研究。芮城县地处晋秦豫三省交界的黄河大拐弯处,是山西省的南大门。境内北依中条山,西和南临黄河,全县面积1 176 km2,辖7镇3乡(风陵渡镇、阳城镇、大王镇、永乐镇、学张乡、古魏镇、南卫乡、西陌镇、东垆乡、陌南镇)151个建制村、708个自然村。通过分析芮城县砖混房屋的窗间墙和窗上带尺寸(见图2)及砂浆、材料强度,分析砖混结构房屋的抗震能力。

图2 学张乡为民服务中心窗间墙和窗上带示意图Fig.2 Schematic diagram of walls between windows and lintels above windows in Xuezhang Township community service center

1 房屋调查及地质构造、基本设防烈度情况

芮城县房屋建筑结构形式有砖混结构、土木结构、多层钢筋混凝土结构、高层结构、空旷结构、工业厂房及砖木结构7种。砖混结构房屋主要分布在县城中心城区及乡镇中心地带;土木、砖木结构房屋主要分布在广大农村地区;多层钢筋混凝土框架结构房屋多分布于芮城县中心城区和乡镇中心地带街道两侧及部分公共建筑;工业厂房主要集中于工业产业聚集区和风陵渡经济开发区;高层结构房屋主要集中在中心城区,以行政办公、小区住宅和商业综合体为主;空旷结构房屋集中分布于中心城区,主要是车站、博物馆、体育场等大型公共建筑。

按照第一次全国自然灾害风险普查工作要求,抽样调查原则如下:按照不低于普查房屋面积1%的抽样率,同时满足超过8层以上的高层房屋建筑抽样详查的面积不高于抽样详查总数据量的30%;除高层以外,其他各种结构房屋建筑的抽样详查数量不低于5栋;各种结构房屋建筑抽样详查考虑地理因素,尽量做到均匀分布;城区收集到图纸信息的建筑物面积占比不少于总抽样面积的80%。

1.1 抽样调查情况

本次房屋抽样详查共完成78栋,抽样点分布如图3所示,面积为209 262.48 m2。其中,有完整建施图和结施图的40栋;有简易草图的38栋(1栋框架结构、17栋土木结构、10栋砖混结构及10栋砖木结构),面积为4 329.5 m2,占抽样总面积的2.1%。

本次调查砖混结构建筑30栋,占调查总栋数的42.25%(见图3),中心城区以行政办公楼、住宅楼、学校、医院为主,乡镇主要以民宅、政府办公楼、卫生院、乡镇学校为主,各乡镇抽样砖混结构房屋(以下简称砖混房屋)栋数占比情况如表2所示。从建设年代上看,基本涵盖20世纪70年代至今各个时期。地理上覆盖芮城县7镇3乡。现场调查显示,部分70年代和80年代建筑存在构造柱和圈梁缺失、墙体腐蚀掉皮、地基不均匀沉降等风险隐患。本文分析30栋砖混建筑窗间墙与窗上带之间的尺寸和刚度比,并评价其抗震性能。

表2 芮城县乡镇砖混结构房屋抽样统计Table 2 Sampling statistics of reinforced brick structure houses in Ruicheng County townships

1.2 地质构造和基本设防烈度

芮城县地处中条山隆起区南侧,新生代的始新世-渐新世,灵宝盆地作为汾渭断陷带的一部分断陷沉降,到晚第三纪的中新世时期由前期的断陷沉降转为抬升,直到上新世又开始转为断陷沉降。因此,盆地内缺失中新统地层,上新统不整合堆积于下第三系地层之上。上新世的断陷沉降一直延续到第四纪的早、中更新世,因而堆积上新统和下、中更新统的河湖相沉积,晚更新世以来以黄土堆积为主,其沉积特征基本不反映盆地的构造沉降状态,但全新世构造活动在汾渭断陷带造成地裂缝发育、河道变迁、古地震等多种现象[7-9],需重视构造活动引起的建筑物或构筑物损毁破坏。灵宝盆地第三纪断陷幅度3 500 m,第四纪断陷幅度约500 m,盆地内断陷最深部位在灵宝一带。

图4 芮城县抗震设防参数图Fig.4 Seismic design parameters for Ruicheng County

2 砖混房屋抗震性能判定

2.1 基于窗上带与窗间墙关系的砖混房屋抗震性能评估标准

对于有圈梁、构造柱的砖混砌体结构房屋,窗间墙宽与窗上带高的比值小于1.0时,主要出现窗间墙破坏;当比值大于1.3时,全部为窗上带体破坏。窗上带跨高比与窗间墙高宽比的比值在0.8～1.2时,协同破坏和窗上带破坏均有可能发生;比值大于1.2时,破坏位置主要在窗上带体上。窗间墙与窗上带刚度比在0.8～1.6时,三种破坏均有可能发生;比值大于1.6时,主要为窗上带体破坏[1]。

为便于评价,参考《房屋完损等级评定标准(试行)》的相关规定:房屋完损状况,根据各类房屋的结构、装修、设备等组成部分的完好、损坏程度,分成下列各类:完好房、基本完好房、一般损坏房、严重损坏房(分别对应本文总体评价的好、一般、较差、差)[10]。评判标准如表3所示。

表3 芮城县砖混结构房屋抗震性能评价标准[11]Table 3 Seismic performance evaluation criteria for reinforced brick structure houses in Ruicheng County

结合冯丽丽研究成果[1],设定判别标准为:有圈梁抗震柱的房屋窗间墙宽与窗上带高之比、窗上带跨高比与窗间墙高宽比、窗间墙与窗上带刚度比三项均符合要求,以窗上带发生破坏为主,保持房屋整体结构,判定为好;有两项符合要求,破坏形成以窗间墙、窗上带协同破坏为主,房屋整体结构保持较好,判定为较好,介于好和一般等级之间;有一项符合要求,破坏形成以部分窗间墙、窗上带协同破坏,部分窗间墙破坏,判定为一般;无符合要求项,房屋以窗间墙破坏为主,出现结构受损情况,判定为较差;无圈梁构造柱砖混房屋的抗震性能判定为差[12-13]。

2.2 城区砖混房屋窗间墙与窗上带尺寸和刚度比及抗震性能

从芮城县中心城区抽样的16栋砖混房屋来看,均设圈梁、构造柱,窗间墙宽与窗上带高之比符合要求的有4栋,窗上带跨高比与窗间墙高宽比符合要求的有5栋,同时符合这两项要求的有2栋。由于使用材料性能一致,窗间墙与窗上带刚度比均不符合要求(见表4)。

表4 城区砖混结构房屋窗间墙与窗上带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

综合判定得出,抗震性能较好的有2栋,一般的有5栋,较差的有9栋,表明建筑物虽有圈梁、构造柱,但窗间墙与窗上带尺寸近一半设计不合理,容易使承重墙或柱子发生损坏,影响房屋整体的抗震性能。

2.3 乡镇砖混房屋窗间墙与窗上带尺寸和刚度比及抗震性能

对于无圈梁、构造柱的结构,当窗间墙宽与窗上带高的比值小于0.8时,主要出现窗间墙破坏的情况;比值大于1.4时,主要出现窗上带破坏。窗上带跨高比与窗间墙高宽比的比值大于1.4时,主要出现窗上带破坏;在0.5～1.4时,三种破坏模式均有可能发生。窗间墙与窗上带刚度比大于1.6时,主要出现窗上带破坏;在0.8～1.6时,可能出现协同破坏和窗上带破坏,但以出现窗上带破坏为主[1]。

从芮城乡镇抽样的14栋砖混房屋来看,8栋有圈梁、构造柱,窗间墙宽与窗上带高之比符合要求的有1栋,窗上带跨高比与窗间墙高宽比符合要求的有1栋,同时符合这两项要求的有1栋。由于使用材料性能一致,窗间墙与窗上带刚度比均不符合要求(见表5)。

表5 乡镇砖混结构房屋窗间墙与窗上带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

芮城乡镇抽样房屋中有6栋无圈梁、构造柱的砖混房屋,根据表1,这6栋房屋的抗震性能差,容易发生窗间墙破坏、结构倒塌。

依据有圈梁、构造柱的结构判定标准,综合判定乡镇砖混房屋抗震性能较好的有1栋,较差为7栋,表明乡镇砖混房屋虽有圈梁、构造柱,但窗间墙与窗上带尺寸设计大多不合理,容易使承重墙或柱子发生损坏,影响房屋整体的抗震性能。

3 结论与讨论

汶川地震中,许多砖混房屋发生破坏甚至倒塌,通过震害总结、统计和有限元印证,认为砖混房屋符合窗间墙与窗上带墙尺寸和刚度比要求时,在地震作用下,窗上带结构优先出现损伤,次之为窗上带和窗间墙协同破坏,可最大限度地发挥结构的材料性能,增加房屋延性,减少房屋毁坏或倒塌。

对芮城县城区和乡镇抽样详查的30栋砖混房屋判断结果来看,城区16栋有圈梁、构造柱的,完全符合窗间墙与窗上带尺寸设计和刚度比例关系的有0栋,7栋部分符合,9栋均不符合,影响房屋的抗震性能。乡镇14栋砖混房屋中,8栋有圈梁、构造柱,仅有1栋部分符合要求,其余均不符合评判要求;还有6栋为无圈梁、构造柱,抗震性能差。总体来看,芮城县城区砖混房屋抗震性能判定为一般-较差级别,乡镇砖混房屋抗震性能判定为较差-差。因此,建议加强农村自建砖混房屋抗震设计指导,加强对中心城区房屋建筑的抗震设防管理,不断提升城乡房屋的抗震性能。

需要说明的是,由于抽样样本有限,评判结果与实际情况可能存在偏差,后续将开展更多工作进行数据更新,使分析结果更趋于真实情况。