泸定县6.8级地震村镇建筑震害调查与分析

陈 云, 董金爽, 张奉超

(1. 海南大学 土木建筑工程学院,海口 570228;2. 中铁一局集团建筑安装工程有限公司,西安 710054)

四川作为我国地震频发、震害最为严重的地区之一,历次震害均造成了不同程度的人员伤亡及财产损失。据四川省地震目录[1],公元前26年—2021年底,四川省共发生5级以上地震309次,其中6.0～6.9级60次,7.0～7.9级21次,8.0～8.9级1次,如图1示。四川省境内主要有三大主断裂带[2],包括龙门山主断裂带、鲜水河主断裂带及安宁河主断裂带,三大主断裂带交错成“Y”形分布,如图2示。由图2可知,四川5级及以上地震震中主要分布在三大主断裂带上。

图1 四川5级以上地震震中分布图(公元前26年—2021年)Fig.1 Distributions of earthquakes greater than MS 5.0 in Sichuan in 26 BC-2021

图2 四川三大主断裂带分布图Fig.2 Distribution of the three main fault zones in Sichuan

据四川省地震局统计,过去10年间(2011— 2021年),四川省共发生23 次5.0 级及以上地震。地震发生区域多为人口密集的地区,如汶川地震、芦山地震和长宁地震等,从而导致较大程度的人员伤亡及财产损失,而人员伤亡多因震害中建筑物破坏有关,如图3示。四川省的村镇建筑多为较分散的自建房,结构类型多样,建设年代分布较广,如砖木结构、砖砌体结构及砖混结构和框架结构[3-4]。整体上,这些村镇建筑多为自行设计,且建筑质量参差不齐,抗震措施采取不到位,存在不同程度的抗震安全隐患[5]。

图3 2011—2021年四川5.0级以上地震与人口分布Fig.3 Distributions of earthquakes greater than MS 5.0 and population of Sichuan in 2011—2021

为掌握村镇建筑的抗震性能,国内外学者进行了大量的震害调查。在2019年夏河5.7级地震中,袁宁等[6]通过地震现场走访调查发现,构造缺陷和日常维护不足是墙体产生较为严重破坏的最主要影响因素,并针对围护墙体类型和破坏特征,给出了震后房屋加固修复对策。在2019年应城4.9级地震中,谭杰等[7]通过对6个乡镇近百个村落的建筑物震害情况调查,总结常见村镇建筑类型的震害特点,并分析其破坏原因。在2019年长宁6.0级地震中,潘毅等[8-11]通过对村镇建筑的震害调查,分析不同形式结构的震害特征和破坏原因,并给出了与当地相适宜的灾害防治措施。缪小龙根据“5.12”汶川地震造成四川大量村镇建筑倒塌的调研结果,提出了一系列加强村镇建筑抗震能力的措施及建议。郭光玲等[12]基于对汉中村镇既有砖木结构现状的调查,给出了砖木结构房屋的震害规律、破坏原因和主要影响因素,并对其加固提出了建议。蒋欢军等[13]对通过静力弹塑性分析探讨楼梯对框架结构屈服破坏机制的影响,给出了钢筋混凝土框架结构中楼梯的改进设计建议。在2008年汶川8.0地震中,李钢等[14]、于文等[15]对灾区的村镇建筑进行了震害调查,并对地震中村镇房屋的常见破坏形式进行了分析,提出了村镇建筑抗震方面的建议。刘寅等[16]对村镇建筑中生土砌块墙体进行的地震失效机理研究表明典型尺寸的生土砌块墙体在地震作用下发生剪切破坏。

在2021年漾濞6.4 级地震中,戴必辉等[17]基于村镇建筑的构成特点,分析了其震害原因。在2014 年鲁甸6.5 级地震中,周铁钢等[18]对村镇建筑进行了震害调查,分析了灾区农房受损较重的主要原因。在2015年尼泊尔8.1 级地震中,Khadka等[19]通过震害分析,得出砌体结构及生土结构震害较严重的原因是其抗侧向刚度较弱的结论。

我国幅员辽阔,村镇建筑类型较多、建造年代跨度较广、震害特点差异性较大,虽有对村镇建筑震害的多次调查及分析,但总体上我国村镇建筑抗震性能及防御灾害的能力仍处于较低水平[20-22]。因此,对破坏性地震震害进行详细调查及分析,可为有效防灾、精准施政提供更多的基础数据,社会意义重大。

针对此次泸定县6.8 级地震,课题组开展的震灾调研主要为针对震中20 km内的区域,该区域内有磨西镇、得妥镇和燕子沟镇,人口密度大。调研的主要结构形式为村镇建筑中常见的砖木结构、砖混结构和框架结构。根据国家应急管理部发布的“泸定县6.8级地震烈度图”显示[23],此3个村镇为Ⅸ度(9度)区域。据统计,3类房屋的统计数量如表1示,震害矩阵如表2示。

表1 泸定县6.8级地震震中3类房屋统计数量

表2 泸定县6.8级地震震中三类房屋震害矩阵

此次震害调研主要是针对震害较为严重的震中附近村镇建筑展开,通过实地勘测震害,分析房屋破坏的情况和震害原因,并对震中附近Ⅸ度地区村镇房屋破坏等级进行破坏等级评估,以期为灾后重建及既有房屋抗震加固提供理论依据。

1 地震概况

2022年9月5日12时52分,在四川甘孜州泸定县(29.59°N,102.08°E)发生MS6.8级地震,震中位于海螺沟冰川森林公园,震源深度16 km,属于浅源地震,震源机制解显示为走滑型破裂。泸定县抗震设防烈度8度,设计基本地震加速度0.20g,地震分组为第二组,特征周期Tg为0.45 s。震中20 km内有磨西镇、得妥镇和燕子沟镇,根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》,这3个乡镇的地震动峰值加速度分别为0.4g、0.3g、0.3g。震中5 km范围内平均海拔约2 722 m。根据第七次人口普查显示泸定县人口总数为8.4万人,是全州国土面积最小、人口最稠密的山区多民族聚居县,人口密度为36.95 人/km2。

根据国家应急管理部发布的最新信息[24],泸定县6.8级地震造成四川省甘孜藏族自治州、雅安市等6市(州)24个县(市、区)54.8万人受灾,因灾死亡失踪117人,紧急转移安置8万人;灾区居民住房损毁严重,倒塌房屋1.2万间,不同程度损坏26.5万间。

2 典型震害特征与分析

震中调查区域主要为村镇地区,且部分区域为少数民族聚居地区,该区域居民自建房较少进行抗震设计,在设计和建造过程中多依据经验,抗震防灾能力较低,导致在地震时不同建筑的震害相差较大。调查区域建筑结构形式主要为砖木结构、砖混结构及框架结构,分别对此三类结构形式的震害特征进行分析。

2.1 砖木结构

砖木结构作为村镇建筑中较为常见和典型的建筑结构形式,其围护结构多就地取材,如砖墙、石墙、土坯墙、土筑墙、里坯外砖墙、砌块墙或用竹笆、荆条、板条抹灰等做成各种轻质墙,其中土坯墙、土筑墙应用最多。砖木结构承重体系多采用砖墙承重或木构件与砖墙共同承重。砖木结构在建造过程中多缺乏必要的抗震构造措施,导致整体性及抗震性能较差,在地震作用下易出现墙体开裂或倒塌、木屋架严重倾斜或倒塌、墙倒屋塌及屋盖破坏等破坏形式。

2.1.1 地基基础破坏

基础和地基是影响上部建筑结构寿命与安全的主要因素。调查中未发现严重的沉降现象,有个别房屋的柱子与础石出现了滑移或台阶与地面脱离的震害形式,如图4示。

图4 地基破坏形式Fig.4 Foundation failure form

据了解,大多数砖木民居有几十年的历史,地基沉降已完成,根据当地传统建造习惯,地基土都经夯实且做毛石基础,故而未发现较重震害。

2.1.2 结构整体倒塌

地震中,一些砖木结构发生较为严重的整体倒塌,如图5、图6示。这是由于这些结构建造年代较为久远,承重木构架由于腐蚀和虫蛀对木材的损伤,严重影响了其承载能力。此外,部分结构缺乏必要的抗震构造措施,屋盖与墙体、纵横墙间缺乏必要的拉结措施,导致地震作用下,结构连接部位易发生脱离,并形成运动相位差,从而引起梁檩对墙体的碰撞,从而导致结构在地震作用下发生坍塌或整体倾覆。

图5 房屋整体倒塌Fig.5 Overall collapse of the structure

图6 结构整体倾覆Fig.6 Overall overturning of structure

2.1.3 墙体破坏

调查发现该地区的围护墙体通常下重上轻,且后墙与山墙的土坯外围护墙相互勾搭成“L”形附着在木构架的外围,若墙体震坏时里侧有立柱、梁等木构件抵住,所以出现“墙倒屋不塌”,“倒墙倒外面”,这对抗震较为有利,如图7示。

图7 地震作用下基本完好的砖木结构Fig.7 Basically intact of masonry-timber structure under earthquake action

调查中发现某些砖木结构的围护墙体缺乏与其他结构构件的必要拉结措施,地震时木构架的晃动以及弯曲变形将引起墙体的“X”向开裂,严重时甚至倒塌;部分柱架由于根部腐朽下沉,导致墙体直接承重梁上的荷载,较大的应力集中导致墙体出现较大的裂缝;此外,木构架与墙体的抗侧刚度相差较大,地震作用下,两者变形不协调而导致墙体损坏或倒塌,特别是横向变形,木构架远大于墙体,易导致山墙倒塌。对于墙包柱的形式,由于不能协调变形,震害比较明显。此外,调查中发现有些墙体仅有一匹砖,整体竖向刚度及侧向刚度均不足,在地震作用下,极易发生倒塌,如图8示。

图8 墙体破坏Fig.8 Damage of walls

对一些砖-木-生土墙房屋,由于生土墙体抗外界侵蚀能力不强,不可避免地遭受到雨水、太阳辐射等自然气候的侵蚀或人为破坏(如在墙角堆放杂物),导致墙脚侵蚀、墙体剥落等墙体破坏,且生土墙与木构架缺乏必要的拉结措施,生土墙与木构件是完全分离的两个结构,导致地震时,生土墙极易倒塌,如图9所示。

图9 砖-木-生土结构墙体倒塌Fig.9 Overall collapse of masonry-timber-soil structure

2.1.4 屋盖破坏

对于屋面结构,多采用有檩屋盖,檩条采用木材,由于年久失修,且雨水较多,屋面杂草丛生、漏雨积水严重,加之屋面瓦片破坏,有些建筑的屋顶存在一定程度的渗漏现象,加剧了木构架的腐朽与性能退化。调查中发现,砖木结构的屋盖损坏较为普遍,这是由于木屋架与墙体拉结性能较差,甚至于无拉结措施,地震作用时,木屋架极易发生错动,或屋架与山墙变形不协调,导致屋脊被拉裂,如图10所示。

图10 屋盖破坏Fig.10 Damage of wood roof

此外,屋面瓦与椽条间无有效拉结,导致屋面溜瓦,如图10(c)所示,或屋面与周边建筑物缺乏必要的连接措施,导致屋架整体下沉,如图11所示。

图11 屋盖与其他建筑缺乏必要连接措施Fig.11 The roof lacks the necessary connection with other buildings

2.2 砖混结构

砖混结构作为抗震性能优于砖木结构的结构形式,且造价较低,在村镇建筑中被普遍采用,其竖向及水平荷载主要通过砖墙承担,楼面及屋面多采用预制的混凝土板。

调查中发现,高烈度区的砖混结构若未考虑抗震构造措施或抗震构造措施设置不合理,则破坏严重,没有考虑抗震措施的建筑,如纵横墙转角处未设置构造柱,甚至发生倒塌。某些采取抗震构造措施的砖混结构,措施不完备或不合理,在地震作用下同样易遭受破坏。究其原因是由于这些建筑多是由当地工匠根据经验建造,且有些建筑建造年代较久远,墙体多为强度较低的混合砂浆砌筑,砂浆因年代久远而性能大幅度退化,导致砖混结构在此次地震中破坏较为严重,其震害特征为地基基础破坏、结构整体倒塌、墙体破坏、楼(屋)面破坏及非结构构件破坏。

2.2.1 地基基础破坏

地基和基础的破坏会导致建筑物较为严重的损害,震中附近3镇的村镇建筑基坑多是开挖较浅的浅基础,基础类型多为条形基础,由于大部分砖混房屋建造年代久远,地基沉降已完成。调研中发现,部分砖混结构由于上部结构构造措施缺失或不完备,如构造柱、圈梁设置不合理或未考虑构造措施,导致在地震作用下,基础产生不均匀沉降,造成上部结构开裂或纵横墙转角处破坏严重,如图12所示。

图12 地基沉降导致结构破坏Fig.12 The settlement of the foundation leads to structural failure

2.2.2 结构整体倒塌

调查中发现,缺乏抗震构造措施的砖混结构,如构造柱、圈梁及楼梯间墙体灰缝中未埋置拉结钢筋等,易发生整体倒塌。此外,楼(屋)板多采用预制板铺设,缺乏与周围梁、墙体的连接措施,导致结构整体性较差,甚至发生地震时预制板整体掉落。墙体中砂浆因老化而导致强度衰减、黏结性降低,较大程度削弱了砌体抗压与抗剪强度。如图13所示,某砖混结构整体发生倒塌。

图13 结构整体倒塌Fig.13 Overall collapse of structure

2.2.3 墙体破坏

砖混结构中墙体作为主要的抗侧力构件,对结构抗震性能影响重大。调查中发现震中区域砖混结构的墙体多采用实心黏土砖砌筑,部分砖混结构的墙体之间或墙体与其他结构的拉结措施不完备或不合理;有些结构未设置构造柱和圈梁等构造措施,导致砖混结构墙体破坏较为严重,如图14所示。

图14 墙体开裂及墙体坍塌Fig.14 Wall cracking and wall collapse

墙体开裂作为砖混结构最为显著的震害特征,轴压比是影响其破坏形式的最主要因素。对于村镇常见砖混结构中的无筋砌体,其轴压比一般在0.047～0.492[25],且随着层数的增加,轴压比逐渐增大,总体上,外墙轴压比小于内墙。地震作用下,若轴压比较大,墙体易发生剪切破坏,墙体在重力及地震复合作用下,墙体内主拉应力超过砂浆抗拉强度,砂浆开裂,裂缝呈阶梯形斜向扩展,形成X形剪切裂缝,该类型破坏在历次地震中均有所体现,如图15(a)、图15(b)所示。

图15 墙体破坏Fig.15 Damage of walls

当墙体高宽比较小,加之建造年代久远,砌筑砂浆易产生老化,墙体的抗拉及抗剪强度降低。地震时,墙中间易形成一条水平裂缝如图15(c)所示。纵横墙转角处在地震作用下易产生应力集中,若未设置构造措施或设置不完备,易出现墙角裂缝,如图15(d)所示。

如图15(e)、图15(f)所示,窗间墙由于墙体缺乏拉结措施,地震时窗间墙易出现平面外或平面内失稳,导致墙体出现整体性的倾覆外闪;若纵横墙间缺乏必要的构造措施,则易造成墙体抗侧刚度不足,导致墙体出现贯通裂缝,或墙体两侧产生不协调的错位滑移。

墙体作为砖混结构的竖向承重构件,又是主要的抗侧力构件,若墙体设置不合理,纵横向刚度差别较大,则会导致墙体自身的稳定性与抗震能力差,加之屋面板与墙体缺乏连接措施,屋面板多是直接搭在墙体上,约束能力弱,易导致墙体在地震作用下发生倒塌,从而引起结构局部倒塌,甚至连续倒塌,如图16所示。

图16 结构局部倒塌Fig.16 Partial collapse of structure

2.2.4 楼(屋)面破坏

此次震中附近的砖混结构,楼屋面板多采用空心预制板,施工时将其直接支撑于两端的墙上,而很少采用必要的连接措施,预制板间也无拉结措施,整体性能较差,预制板间仅填充水泥砂浆,在地震作用下结构晃动时,水泥砂浆很快失去拉结作用,导致预制板易发生掉落,如图17所示。

图17 楼面破坏Fig.17 Damage of floor

2.2.5 非结构构件破坏

调查中发现,砖混结构非结构构件的震害主要表现为女儿墙开裂,如图18(a)、图18(b)所示,某砖混结构的女儿墙与下部结构产生错动,在女儿墙底部出现水平贯通裂缝。究其原因,主要是上部的女儿墙与下部结构缺乏连接措施,女儿墙平面外未设置有效的约束,且女儿墙及其在转角处通常不布置构造柱,导致在鞭梢效应作用下,女儿墙底部易出现贯通裂缝。

图18 非结构构件破坏Fig.18 Damage of non-structural components

女儿墙的破坏虽然不会对结构的整体性能产生较大影响,但若女儿墙掉落,则可能造成房屋的二次破坏和人员的伤害。此外,某些砖混结构室外装饰也出现了大面积的剥落,如图18(c)所示。

2.3 框架结构

框架结构抗震性能优良,其承载构件主要为梁、柱及楼板,填充墙多采用空心砌块。在此次调查中发现,震中附近框架结构主要是用于公共建筑,如学校、办公楼等,经正规设计施工的框架结构总体上在地震中震害较轻,震害多为结构与填充墙之间出现裂缝或非结构部件开裂、坠落等,此类破坏对结构的安全性影响较小,经加固后仍可继续使用。但调查中也发现,少量框架出现与其他框架明显差异,其结构及其非结构部件破坏均相对严重,呈现出丰富的结构破坏现象。

2.3.1 梁、柱及节点震害

梁、柱作为框架结构主要的承重构件,地震中震害发生的位置一般位于端部,如图19(a),图19(b)所示,某框架结构柱端发生压溃破坏,破坏范围延伸至梁-柱节点。该长柱破坏主要发生在柱端,先出现“弯剪”裂缝,后柱端混凝土压溃,竖向钢筋弯曲外凸,呈灯笼状。这是由于此处的弯矩、剪力和轴力均较大,柱箍筋配置不足或者锚固不好,在弯、剪和压共同作用箍筋对核心混凝土的约束作用不足,导致柱端压溃破坏。

图19 梁、柱及节点破坏Fig.19 Damaged of beams, columns and joints

某些框架结构梁端发生剪切破坏,混凝土剥落严重,钢筋外露,如图19(c)所示,某些框架结构梁端破坏虽未发生混凝土大量剥落、钢筋外露等严重破坏,但裂缝开展严重,需加固后方可使用,如图19(d)所示。此外,某些框架结构在梁-柱节点处产生沿着节点约45°方向的剪切破坏,致使整个节点破坏严重,结构失去承载能力,如图19(e)所示。

2.3.2 非结构构件震害

填充墙作为框架结构中非承重构件,主要用作隔断空间,工程中常采用空心砌块砌筑,因而受剪承载力较低,变形性能较差。调查中发现,震害较严重填充墙,多是采用填充墙与框架脱开砌筑方式,填充墙端部未设置构造柱,与周边柱拉结措施设置不足,最上部一匹砖与框架梁脱离而采用斜砌方式,如图20(a)所示,地震时,水平地震力将使嵌砌在框架和梁中间的填充墙砌体顶推框架梁柱,易造成节点处破坏,如图20(b)所示。

图20 填充墙破坏Fig.20 Damage of infill walls

调查中发现构造措施设置不足的填充墙易发生墙面斜裂缝,并沿柱周边开裂,产生“X”形裂缝,如图20(a)所示;部分砌体倒塌,如图20(c)所示;端墙、窗间墙和门窗洞口边角部位破坏更加严重,如图20(d)所示;烈度比较高时墙体会全部倒塌,如图20(e)所示;某些填充墙与框架结构的界面处出现水平裂缝,如图20(f)所示、图20(g)所示。图20(h)所示为震中附近某小区框架结构底部填充墙破坏。

除填充墙外,框架结构中其他非结构构件的破坏主要集中于女儿墙、雨棚、吊顶,楼面装饰、窗户等部位。磨西镇某六层框架结构外墙窗户及底层填充墙外装饰发生掉落,如图21(a)所示;某框架办公楼室外台阶发生错位,部分台阶踏板破碎,如图21(b)所示;某办公楼的吊顶未采用抗震支架或抗震夹等措施,部分吊顶板发生脱落,但整体震害较轻,如图21(c)所示;某会议室门口的汽车坡道出现严重的开裂,如图21(d)所示;某框架结构报告厅玻璃门窗发生严重倾斜,如图21(e)所示。

图21 非结构构件震害Fig.21 Seismic damage of non-structural components

3 地震破坏等级评估分析

由于施工工艺、建筑材料及结构形式的不同,导致村镇建筑的震害程度存在诸多差异,尤其是震中附近磨西镇的地震动峰值加速度为0.40g,烈度为Ⅸ度,场地条件差异导致村镇建筑震害程度差异性更显著。

依据GB/T 24335—2009《建(构)筑物地震破坏等级划分》[26]和GB/T 17742—2020《中国地震烈度表》[27],并结合现场震害调查的情况,将村镇建筑的震害等级划分5个等级,即基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌。考虑到基本完好、轻微破坏较难界定,将基本完好与轻微破坏合并为一类,称为基本未破坏,即将震害等级划分4个等级,分别为基本未破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌,与其对应的建筑物可修复程度分别对应为较易修复、可以修复、不可修复、不可修复。为方便现场震害调查和分类,给出了不同结构在不同破坏等级下的典型实例,如表3所示。

表3 地震作用下村镇建筑震害等级、可修复程度及典型实例Tab.3 Typical examples for damage grade of rural architecture and corresponding repairable degree

4 结 论

基于泸定县6.8级地震概况及震中附近村镇建筑实地调研,根据村镇建筑的建筑特点,重点分析了砖木结构、砖混结构、框架结构的震害特点,对此3类村镇建筑在地震作用下的地震破坏等级进行评估分析,并结合村镇建筑抗震加固措施,得出以下结论。

(1) 调研中发现,框架结构主要为公共建筑,大部分结构设计满足现行规范要求;设计合理的框架结构震害明显比砖木结构及砖混结构轻,整体上表现了较好的抗震性能。严重破坏的框架结构主要是在设计中构造措施设置不合理导致或非结构构件破坏,严重破坏的框架结构数量较少,约为7.2%,未见倒塌情况。填充墙严重破坏同时伴随着框架梁柱及节点的破坏。

(2) 砖木结构及砖混结构倒塌户数占比调查房屋最多,严重破坏的房屋占调查房屋的比例较高,未倒塌的房屋大部分需经过大的维修加固才可继续服役,且服役质量下降。这主要是由于此两类结构形式受当地建造及经济水平,多为自建房,建造主要是依靠匠人经验,设计和建造缺乏必要的管理和监督,导致该两类房屋在建筑、结构及构造上存在较大差别,房屋抗震能力参差不齐,且整体抗震水平较低。

(3) 地震过程中人员伤亡主要与房屋的破坏程度及破坏形式关系较大。地震时,人员逃离过程中,若房屋构件掉落或房屋倒塌,极易造成人员伤亡。因此,在加强村镇建筑抗震能力的基础上,结合村镇建筑的震害特点,制定相应的逃生避难方法及策略,加强防震避难知识宣传,强化应急疏散演练,以提升村镇地区人员在地震时的逃生能力,最大限度减少人员伤亡。

(4) 与以往震害相比,砖木结构及砖混结构构造措施缺失导致结构产生严重破坏甚至倒塌的现象与其他历次地震的典型震害区别较小;框架结构中的自建房由于构造措施不到位导致破坏程度大于公共建筑框架结构,与其他地区框架结构震害相比,无明显差别。