黄土地区生土建筑震害特征及防灾对策研究.doc

黄土地区生土建筑震害特征及防灾对策研究摘要:生土建筑在我国黄土地区广大农村仍占相当比例，历次地震，房屋破坏严重。因此，加强对黄土生土建筑抗震性能的研究具有重要意义。通过对陕、甘、宁、青、晋等省(区)黄土生土建筑民房的现场调查，将黄土地区生土建筑划分为5种类型，阐述了其结构特点。根据黄土地区地震中生土建筑的破坏情况，阐述了不同类型生土建筑的震害特征及致灾机理，并对其在不同地震烈度下的震害结果进行了统计分析，给出了各类生土建筑在地震烈度VI一X情况下的震害预测结果。在此基础上，针对当前民房建设中抗震设防存在的问题，提出了相应的预防对策。关健词:黄土;生土建筑;震害;预防对策中图分类号:TU435生土建筑具有就地取材、因地制宜、施工简便的优点，且经济实用，因此在我国西部广大村镇，尤其是经济尚不宽裕的地区仍在采用。生土建筑主要包括平房和窑洞两种型式。黄土地区的平房以黄土土坯墙或土筑墙承重的房屋占相当大的比例，这类房屋延性差，抗剪抗弯强度均较低，加之场址选择不当、地基处理不善、砌筑质量较差、规划布局存在缺陷以及农民建房受传统观念的影响等原因，在多数情况下，震害要比其它结构严重。因此，分析研究黄土地区生土建筑震害机理及特征，合理评估其震害程度并采取相应的预防措施，对于减少本地区地震灾害损失具有重要意义。作为生土建筑另一种型式的黄土窑洞在我国有悠久的历史，特别是在西北黄土高原，由于自然地理环境、地质地貌、气候条件及经济状况等原因，黄土窑洞成为一些地区农村民居的主要建筑形式之一。据粗略估计，我国目前尚有相当多的人口居住在黄土窑洞内，窑洞总建筑面积约2亿多扩。在窑洞分布区域中，有45%的地区的地震烈度在7度以上。近些年来，随着人口的不断增加和人们生活质量的迅速提高，对土地资源的过度利用已酿成性质和后果极其严重的灾害。窑洞作为节约耕地的一种特殊建筑，对其进行合理的开发与利用，在可耕地逐年减少、生存环境不断恶化的今天，尤其具有重要意义。因此窑洞抗震问题应予以重视。1黄土地区生土建筑类型为了了解黄土地区生土建筑的类型和抗震现状，我们考察了陕、甘、宁、青、晋等省(区)100多个村镇的民用建筑。可以看出，自然条件、生活习俗、特别是经济状况是导致各地区民用生土建筑类别存在差异的主要原因。生土建筑抗震性能主要取决于承重体系整体的强度和稳定性，基于此，以生土建筑的承重体系作为划分生土建筑类型的依据，将西北黄土地区常见的生土建筑划分为5种类型，即:木架承重房屋、墙体承重房屋、混合承重房屋、土坯拱房和黄土窑洞。1.1木架承重房屋该种类型房屋是西北黄土地区农村的主要民居类型。屋顶全部荷载均由木架承受，其墙体仅起间隔或围护作用，按其结构整体强度和稳定性，又可分为简单木架房和正规木架房两种。(l)简单木架房简单木架房屋架的整体由柱、梁、擦和横向拉捧构成，但拉捧多不齐全，或仅由柱、梁、擦构成屋架。节/点多为桦接，一般木料较细，材质较差。(2)正规木架房正规木架房也称“穿斗木架房屋”，木架结构完整，梁、擦、柱、捧齐全，且多为“双擦双捧”。结构各节点全为铆桦结合，桦头加木销铆固，整体性及柔性均好。一般用料粗大，材质好，施工工艺讲究，质量较高，是生土建筑中抗震性能最好的结构类型，该类型房屋在黄土地区分布较广，外型上有单面坡顶和两面坡顶之分，但多为两面坡顶。木架房的屋盖系统，由擦、椽及屋顶铺盖部分组成，墙体为黄土土坯或土夯墙。1.2墙体承重房屋该类型房屋的承重体系为墙体，即通称的“土搁梁”、“通擦房”。房屋的大梁或擦子直接搭放在承重夯土墙或土坯墙上，一般无固定措施，墙体承受屋盖系统全部荷载。作为承重墙体，有土墙、石墙、土石混筑墙和砖柱土坯墙几种类型。这种房屋用料少、成本低廉，在西北干旱的黄土地区分布较广。另外，砖柱土坯墙房屋的承重体系为砖柱，土坯砌筑围护墙和隔墙，个别有轻质隔墙。1.3混合承重房屋这种类型房屋的结构特点介于木架承重和墙体承重两种结构类型之间，即部分为墙体承重、部分为简单木架承重。外型多为单面坡顶，在甘肃东部称其为“挑檐房”。其特点是节省木料，但由于仅在房屋中部由梁柱或擦柱构成简单木架，如两间房中间一道排架或三间房仅中间两道排架，或仅在“通凛房”的脊擦下设柱支撑。因此房屋结构的整体性差，强度分布不均匀。前墙和隔墙多为土坯筑砌，山墙、后墙则多为夯土墙。1.4土坯拱房拱房实际是墙体承重类型房屋的一种特殊类型。屋顶由土坯砌成拱形，土坯拱窑的侧墙多为夯土墙，下部墙厚50一75em，顶部厚40一65cm;拱高多为2.5一3.3m，单拱进深2.6一6m不等，开间2.0一2.sm。窑体前后墙多为土坯砌筑，在砌筑拱顶时，多用支撑拱模，亦有在拱中央由楔型土坯填砌。这种类型房屋修建简单，不需木料，就地取材，造价低廉，抗震性能极差。在拱窑类型中，尚有石拱窑和砖拱窑。3期石玉成等:黄土地区生土建筑震害特征及防灾对策研究1.5黄土窑洞黄土窑洞是穴居的一种形式，也是生土建筑类型中最为简单、经济的纯生土建筑，在陕北、陇东、晋中、豫西、冀北、宁夏、青海均有分布。它不需木料、冬暖夏凉、更新周期长、抗震性能好。窑洞有两种类型，一种是开挖在黄土沟谷崖边或黄土坡坎上;另一种如陇东地区的地坑式崖窑。这种崖窑主要分布在地形平坦的黄土源上，根据需要先设计好庭院规模和窑洞间数及大小，再在平地上开挖地坑，沿其四壁开挖窑洞。窑洞的大小不一，主要看其用途，所以差异较大。窑顶一般是半圆形或楔形，高2.5一3.sm，开间2.5-3.om，进深3.0一16.Om不等。有的地方根据需要，在主窑的侧面再开挖形状及大小各异的多个侧窑室。2黄土地区生土建筑震害机理及特征影响生土建筑震害的主要因素有地震作用特性、场地和地基条件、结构类型、几何尺寸、材料特性、平面布置、构造措施和施工质量等，其中地震动特性、场地条件、结构类型对生土建筑震害的影响最大。不同结构类型，其破坏特征存在较大差异。对于黄土窑洞而言，除了上述因素外，窑洞的建筑尺寸、赋存地质条件和拱顶覆土等因素对窑洞的震害也有较大影响。2.1木架承重房屋从木架承重房屋的结构特点来看，梁、柱各结点的牢固程度和梁、柱、擦(捧)构架整体的稳定性和强度，是其抗震性能好坏的关键。在房屋震害中由于承重柱的破坏引发的震害较为少见。穿斗木架房由于有完整的横向拉结措施，抗竖向和抗水平地震力的强度均较大。而简单木架房由于横向拉结不完善，甚至/jszclw/没有横向拉结，抗御地震力的能力差。木架房比较常见的震害有因拔桦或桦头折断而引起的屋架塌落，柱脚移动而引发的屋架倾斜、倾倒，屋顶震害有梭瓦或屋檐砖掉落、脊砖或脊瓦闪落及屋盖滑落等。木架房围护墙、隔墙的局部破坏或塌落往往是造成伤亡和损失的主要原因。墙体破坏的主要原因之一是作为建筑材料的黄土，强度低。另一个主要原因是梁、柱与墙体的接合部位没有牢固的拉结措施。当受力以竖向地震力为主时，墙体易产生水平裂缝及断裂、酥裂，甚至墙体塌落。当受力以水平地震力为主时，则墙体产生“x”型或近45的斜裂缝，或产生墙角闪裂、塌落及隔墙闪动乃至闪落等震害。2.2墙体承重房屋墙体承重房屋屋盖系统的墙体与擦子或大梁的接触部位，承受着屋盖系统的全部重量，局部荷载集中，其抗震稳定性主要取决于墙体强度、墙体与屋盖系统搭接处的牢固程度和强度。由于西北黄土的成型料强度很低，承重墙体往往产生大量裂缝。同时由于地震力引起的梁擦与墙体搭接处的冲撞、冲砸作用，造成梁擦拔出，甚至落架等震害。墙体承重房屋中的砖柱土坯房，在竖向地震力作用时，由于砖柱强度较大，一般不会受到破坏。但在水平地震力作用下，由于砖柱与土坯墙之间没有拉结措施，而且多是砌好砖柱之后再砌土坯墙，所以一般多沿其接合处形成裂缝，或土坯墙倾斜、倾倒。当砖柱与梁擦固定不牢时，会因地震过程中运动的不同步而产生屋盖系统对砖柱乃至土坯墙体的撞击，而加剧砖柱的破坏。特别是在竖向与水平地震力共同作用下，破坏将更加严重。有的地方承重墙体为石墙或下部为碎石或砾石堆砌，但一般沟缝料的强度不够(多为泥或灰泥)，在地震力作用下极易变形或坍塌。2.3混合承重房屋混合承重房屋屋顶重量分别由木架和墙体两种不同承重类型体系共同承担。木架部分柔性较强，墙体部分刚性较强。因此地震过程中结构的受力状态比较复杂，尤其是两种结构类型的过渡部位，是受力最强、稳定性最差、破坏最重的部位。地震开始时，两种结构类型过渡处的墙体承受着主要的地震力，随着地震力的增强，梁擦与墙体接触部位由于两者运动相位差而引起梁擦对墙体的冲撞、冲砸，使墙体产生竖向裂缝、酥裂，或局部塌落、梁擦拔出，甚至屋架倾落。木架承重部分因受破坏的影响，使边跨部位梁擦产生一定扭动错位，甚至使混合承重部位整体落架。混合承重房屋其它部位的破坏特点与木架房、墙体承重房相似。自然灾害学报12卷2.4土坯拱房拱房顶部呈圆顶形，通常状态下拱顶荷载通过拱脚传至墙体，因此墙体既受垂直力作用，又受水平推力作用。水平推力的大小与拱脚处拱弧和水平线夹角的大小有关，夹角愈大，水平推力愈小，但作用于拱脚处的垂直力愈大。当拱顶厚度较大时，水平地震力所产生的水平推力随位移增大而增强，由此可引起墙体破坏而导致窑塌。当水平地震力主方向与窑体长轴近于垂直时，墙体在水平地震力及拱顶水平推力共同作用下产生水平位移，这时拱顶曲率变小，沿拱顶长轴方向产生的张应力是拱顶产生严重开裂甚至坍塌的主要原因。当地震力主方向与窑体长轴近于平行时，窑体以前后墙体破坏或倒塌为主。墙体是拱窑稳定的基础，当墙体强度不够而发生地震变形时，就会引发拱顶破坏、坍塌。2.5黄土窑洞黄土窑洞常/channel/见的震害类型有窑脸塌落、土体坍塌和滑坡引起窑洞破坏等。窑洞洞脸土体是一个临空自由面，抵御水平地震力的能力较差，地震时地震力的作用很容易引起窑洞洞脸塌落。当水平地震力进一步增大时，不仅窑洞洞脸可以全部塌落，而且从洞口底部产生裂缝，造成窑洞洞内前段土体坍塌。1920年海原地震中，在IX和X区内分别出现35%和70%左右的窑脸坍塌，窑洞前半段土体坍塌现象很多。位于山咀或孤立山包前的崖窑，其震害程度更为严重。地震作用时，亦可造成洞顶部位土体坍塌。一般情况下先是一侧拱肩塌落，蔓延到拱顶，随后另一侧拱肩由于失去支托也接着塌落。对于高直墙圆拱窑洞，也易产生洞壁土体塌落现象。一些窑洞常位于不稳定的边坡或陡崖上，地震诱发滑坡而引起窑洞土体塌毁或随滑坡体滑下而导致破坏。1989年大同6.1级地震中，一些倒塌的窑洞多为地震时黄土崖崩塌或陡坎边缘土体局部滑坡造成4。据调查，陕北宅基边坡的坡比一般为0.5一0.95，远小于天然黄土边坡的坡比L，这也是造成黄土崩塌灾害的一个重要因素。总体来说，黄土窑洞的抗震性能优于墙体承重房屋和土坯拱房，若能提高和改进窑体洞室布局和使用性能，提高和加强窑顶及窑脸抗震强度的总体设计，窑洞在黄土地区还是有发展前途的。3生土建筑震害统计及其预测结果民房现场调查表明，由于缺乏必要的技术指导，农房建设随意性很大，尚存在房屋选址不合理、地基基础未处理、结构方案不利于抗震、墙体抗震强度较差、房屋抗震薄弱部位较多、屋盖整体刚度很弱、维修与加固不及时等诸多问题。其主要病害表现为墙体产生裂缝，房屋地基下沉，木骨架陈旧老朽、倾斜，纵横墙联结处出现竖向裂缝等。黄土窑洞则表现为拱顶出现裂缝或酥裂，窑脸分布斜裂缝、崩塌等。兰州地震研究所曾对20世纪70年代以前发生于陕、甘、宁、青四省(区)21次强烈地震进行过详细的资料收集和整理分析(康哲民等，1976)。70年代以来，黄土地区先后发生过1976年内蒙古和林格尔6.3级地震、1982年宁夏海原5.7级地震、1990年青海省塘格木6.9级地震、1991年山西大同一阳高5.8级地震、1990年甘肃天祝、景泰6.2级地震、1994年青海共和一兴海6.0级地震、1995年甘肃永登5.8级地震、19%年甘肃天祝一古浪5.4级地震L6、2000年甘肃景泰5.9级地震等破坏性地震。我们将70年代前后的地震资料加以综合、统计分析，获得了各类生土建筑在不同地震烈度情况下的震害情况，如表1所示。同非黄土地区的同类建筑相比，v，黄土生土建筑震害较重。根据现场考察、测试结果，结合历史震害经验，同时选取典型房屋进行理论计算，对各类生土建筑在地震烈度VI一X情况下的震害进行了预测分析(见表2)。结果表明，正规木架房抗震性能最好，简单木架房和墙体承重房屋抗震性能较差，土坯拱房抗震性能最差，其它类型的黄土生土建筑抗震性能一般;在珊度及其以上烈度地区，黄土生土建筑破坏严重，简单木架房、土坯拱房和黄土窑洞不宜在仪度区修建。4生土建筑震灾预防对策生土建筑抗震能力差，除了农民建房受传统观念的影响以外，还有一个重要原因是农民不懂得怎样进行抗震设防。已有的实践经验证明，只要采取合理的对策和必要的抗震措施，就可/banzu/以有效减轻地震造成的损失。3期石玉成等:黄土地区生土建筑震害特征及防灾对策研究表1黄土地区生土建筑震害统计分析Table1StadstiealanalysisOfearthquakedamageOfraw5011buildingsinIOessareas烈度房屋震害情况VI(303个调查点)简单木架房:破坏20%，倒塌10%;正规木架房:破坏10%，倒塌3%;墙体承重房:破坏巧%-25%，倒塌5%;土坯拱房:破坏巧%一30%，倒塌3%一10%;黄土窑洞:破坏10%，倒塌5%姐(234个调查点)恤(145个调查点)仪(30个调查点)X(31个调查点)xI(6个调查点)xII(2个调查点)简单木架房:破坏35%，倒塌20%;正规木架房:破坏20%，倒塌ro%;墙体承重房:破坏20一50%，倒塌10%一20%;土枉拱房;破坏55%，倒塌30%一50%奋黄土窗洞;破坏15一20%倒塌50%，倒塌10%一20%;墙体承重房:破坏20%一35%，倒塌35%一60%;土坯拱房:破坏25%一35%，倒塌50%;黄土窑洞:破坏30%-40%，倒塌ro%一25%简单木架房:倒塌60%;正规木架房:倒塌50%;墙体承重房:倒塌85%一100%简单木架房:倒塌90%一100%;正规木架房:倒塌80%;墙体承重房:倒塌oo%一100%;土坯拱房:全部倒塌各类房屋全部倒塌各类房屋全部倒塌表2各类生土建筑在不同烈度下的展害预测Table2PredietionOfearthquakedama罗Ofvariousraw5011buildingsunderdifferentseismieintensities结构类型烈度木架承重房屋混合承重房屋墙体承重房屋土坯拱房黄土窑洞穿斗木架房屋简单木架房屋围护墙体:约10%损坏围护墙体:约10%损坏围护墙体:约20%损坏约20%损坏;破坏10%破坏30%一40%;严重破坏约10%;倒塌10%(旧窑)老旧窑体窑脸偶有局部滑落围护墙体:60%以上损坏;约10%破坏;个别倒塌构架:个别损坏围护墙体:60%以上损坏;约10%破坏;约10%倒塌。构架:10%的损坏围护墙体:破坏约20%;约10%严重破坏;10%的倒塌构架:ro%损坏约40%损坏;约30%破坏;约2D%严重破坏;ro%的倒塌约20%破坏;约30%严重破坏;约50%倒塌(旧窑)约20%窑脸局部滑落或窑顶局部掉块;约10%窑脸坍塌;围护墙体:60%以上破坏;约10%严重破坏或倒塌构架:约30%损坏;约ro%破坏，10%的严重破坏围护墙体:60%以上破坏;约20%严重破坏或倒塌。构架:约30%破坏;约10%严重破坏，10%的倒塌围护墙体:约40%破坏;约20%严重破坏;约20%倒塌构架:约30%损坏;约10%严重破坏;10%的倒塌约4D%破坏;约30%严重破坏，约30%倒塌20%一30%严重破坏;70%一80%倒塌约30%窑脸局部滑落或窑顶局部塌落;约加%窑脸坍塌围护墙体:60%以上严重破坏或倒塌构架:约30%破坏;约20%严重破坏;约10%倒塌围护墙体:70%以上严重破坏或倒塌。构架:约30%严重破坏;约30%倒塌围护墙体:约20%破坏;约30%严重破坏;40%一50%倒塌构架:约30%严重破坏;约30%倒塌30%一4D%严重破坏;几乎全部倒塌60%一70%倒塌约30%以上窑脸坍塌;个别土质较差或陈旧者塌实围护墙体:几乎全部倒塌构架:约20%严重破坏;约80%倒塌围护墙体:几乎全部倒塌构架:约10%严重破坏;约90%倒塌几乎全部倒塌几乎全部倒塌全部倒塌窑脸几乎全部坍塌;30%一40%塌实注:表2仅为“建议稿”，随着本地区震害资料的积累和工作范围的扩大，表中的数值将会得到进一步的更新。(l)科学选择居民宅基:历次震害经验表明，地震时建筑物的破坏与建筑场地的环境关系极大。为了提高房屋抗震性能，对群居及散居点在建房前均应对诸如地质、地形地貌、土质条件、地下水埋深，以及地震时可能引发次生灾害的场地环境如陡坡前、黄土边坡前缘及不稳定岩石与倒石堆前等地带，要进行严格的全面考察，尽量避开危险区或不利区。(2)重视地基处理:在西北黄土地区，农村在修建房屋时，一般不做和很少做地基处理，这对房屋抗震极为不利。如湿陷性黄土场地、后削坡前填充场地，特别是地下水位较浅、盐渍化严重的地区，一定要进行严格自然灾害学报12卷的处理，注意采取夯实或回填块石等方法8，以提高基础的强度。(3)在保持传统建筑风格的同时，注意采取有效的抗震设计措施:加强承重木架各接点的联结强度及牢固程度，改善承/EMMBAlw/重墙体受力条件，增强土坯墙以及土坯拱窑拱顶强度和稳定性;崖窑窑顶厚度不宜过厚或过薄，窑脸应修成加衬防坍塌。结构平立面设计时应尽量使承重系统各节点受力合理、均匀，外形匀称规则，尽量避免局部性突变;门窗位置及尺寸应合理，房屋进深和跨度不宜过大;横隔墙强度、分布要均匀合理，避免地震过程中局部地震力集中或强度降低过快而造成破坏。(4)改进和提高施工工艺、流程及方法和施工质量:地震过程中建筑物质量愈大，承受的地震惯性力亦愈大，造成的破坏愈重，因此要降低建筑物的重心和屋顶及墙体重量，提高建筑物抗震强度