李书进，毛羚

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430070)

0 引言

我国是世界上遭受地震灾害最为严重的国家之一，而广大农村又是我国地震灾害中最为深重的地区。长期以来，由于农村地区社会和经济发展水平较低，防灾减灾意识淡薄，国家又未将农村地区建房纳入规范管理，房屋一般未经正规设计和施工，自行建造，基本上处于不设防状态，地震发生时就会造成大量人员伤亡和财产损失。“小震致灾”、“大震大灾”是我国农村地区地震灾害的典型特征。2008年5月12日发生在四川汶川的8级大地震之所以造成极其惨重的人员伤亡和财产损失，除地震本身震级大、烈度高外，我国村镇地区房屋，特别是广大农村建筑抗震能力弱是造成此次灾害异常惨烈的重要原因。汶川地震让我们再次认识到将抗震设防的目光投向广大农村地区的重要性与紧迫性，像重视城市建筑那样重视农村房屋安全是这次地震带给我们的最深刻教训。

目前，我国正处于地震活跃期，湖北省也具备发生中等强度破坏性地震的条件和背景。长期以来，湖北省县市一级，特别是广大农村地区的抗震设防意识较差，房屋建筑抗震能力弱，加上人口密集，一旦发生中等强度以上的破坏性地震将会带来相当严重的人员伤亡和经济损失。因此，开展对湖北农村当今建筑物的抗震能力现状和潜在地震危险性程度的研究分析，对于提高农村民居抗震设防水平、制定农村防震减灾规划、实施地震应急方案以及政府对灾害综合防御的科学决策都具有十分重要的意义，并且十分必要。

根据当前我国新农村建设形势和超前做好农村防震减灾规划的需要，2008年我们成立了湖北农村民居抗震性能调查团队，深入到多个乡、村，对湖北农村民居的建筑结构、抗震性能以及村民抗震防灾意识进行了调查。并在此基础上，对湖北农村民居的震害进行了预测，给出了各结构类型的震害预测结果，为湖北省农村地震灾害的综合防御提供了科学依据。

1 湖北农村民居抗震性能调查

1.1 调查内容与方式

本次调查采取了实地调查和问卷调查两种方式。实地调查选择了湖北省枝江市、仙桃市、武汉市郊、咸宁市、崇阳县、通城县的农村地区(图1)。调查对象包括既有建筑和在建房屋两种。以自然村为单位，通过查、看、探、访的方式，对农村住宅的结构形式、建造方法、建造年代、连接构造、抗震性能等进行了调查。问卷调查则委托学院部分湖北农村学生，利用暑期在自己家乡进行，范围基本涵盖省内各县市，问卷调查表的内容见图2。调查在2008年的暑期完成。

图1 实地调查地点

图2 问卷调查表

1.2 调查结果

湖北农村民居房屋式样虽然较多，在不同的地域有不同的建筑方式和样式，但归纳起来主要有3种:土木结构、砖木结构和砖混结构。土木结构基本建于1980年代以前，该类房屋为木构架承重，土坯墙作围护，一般为平房，已为数不多(图3a)。砖木结构屋梁使用木料，墙体采用烧结砖，一般为平房(图3b)。由于该结构建造简单，材料准备容易，费用低，在既有房屋中占较大的比例。砖混结构是近来兴起的结构形式，特别是近几年中，农村新建的房屋基本采用砖混结构，几乎完全取代砖木结构，是农村将来占主导地位的结构类型，应是今后重点关注的对象。这种结构采用砖砌体承重，预制板作层面分隔，多为2层，极少数做到了3层或以上(图3c)。根据调查统计结果，既有房屋中各类结构形式所占比例如图4所示。

图3 湖北农村民居结构类型

图4 农村民居结构类型比例

湖北农村民居的平面形状以普通的横长方形为主，多为3开间，一明二暗，也称“三间过”，占地面积大多120 m2左右。房屋中间为明间，作为厅，两边为室，左右对称。室的进深与中间厅等齐或前部凸出，形成倒“凹”字形(图3b)。厨房、牲舍、厕所等一般傍房搭建或另建。土木结构和砖木结构的内部以穿斗式杉木列架为支撑，上承檩、梁、椽，下以锁脚连列架，构成房体框架。民居多就地取材，建筑材料以实心粘土砖、木、生土、石材、砂为主。

农村房屋的设计和施工大都由当地工匠完成，基本属于没有通过设计院正规设计过的房屋。施工中混凝土和砂浆的配比由经验确定，拌和用水量十分随意。房屋的建造规模与当地经济的发展状况关系密切。调查显示，湖北省农民建房数量呈逐年上升的趋势，近几年尤为突出，这与国家近几年经济的快速发展有关。在已调查的房屋中，不同年代房屋所占比例如图5所示。

图5 各年代民居比例

湖北省地质地貌有平原、丘陵和山地3种，本次调查基本涵盖了这3类地区。在实地调查的房屋中，56%位于丘陵，26%位于山地，18%在平原。实地调查显示，湖北民居宅基地一般较平整，地裂、地陷和滑坡隐患较少。场地条件多为中硬土，兼有少量硬土和软土(图6)。

图6 场地条件

湖北农村民居的基础差别不大，均为砖砌或石砌条形基础。基础埋深大多在0.6～1.2 m范围内，基底分层夯实并铺设砂垫层，很少设置地圈梁。

墙体方面，为节省造价，多数房屋采用了空斗墙。立柱则有砖柱、钢筋混凝土柱和木柱3种。木柱主要存在于早期建筑，新建房屋均为砖柱或混凝土柱。房屋楼盖和屋盖的结构形式主要有3种:木结构、预制板和现浇板。早期单层房屋主要采用木屋盖，而2层和以上的楼房则多采用预制板，是农村民居楼盖和屋盖的主要承力体系。

构造柱和圈梁能加强房屋结构的整体性，调节地基不均匀沉降，是砌体结构重要的抗震构造措施。调查发现，湖北农村设置了构造柱和圈梁的民居不多，特别是2000年以前的房屋。总体看，无任何抗震措施的房子占多数，抵御地震能力极弱(图7)。但值得欣慰的是，据观察，农村正在建设的房屋普遍设置了构造柱和圈梁，这与2008年发生的汶川大地震有较大关系。尽管许多设置方式不太规范，不尽如人意，但它显示了当地居民安全意识的提高。

图7 抗震措施设置

2 湖北农村民居震害预测

震害预测是指对某一个地区在遭受到可能发生的地震破坏情况下，建筑物、工程设施的震害程度以及由此所造成的经济损失和人员伤亡的预测。由于建筑物的破坏是地震灾害中最主要的形式，人员伤亡和经济损失主要是建筑破坏造成，因此建筑屋破坏程度及其分布情况是衡量某地地震灾害规模的重要指标。农村民居震害预测是农村地区抗震防灾基础工作的重要组成部分，也是编制农村抗震防灾规划的核心内容。其目的是分析农村建筑物在遭受不同地震烈度影响时，房屋所具有的抗震能力和可能产生的破坏。对于深入了解农村地震灾害规模及其分布情况，正确评价农村各类房屋的抗震能力、薄弱环节以及完成其预定功能的状况都具有重要的意义，同时为农村地区地震灾害的综合防御提供科学的依据。

2.1 震害预测方法

建筑物的震害预测方法有多种，本文将在此次湖北农村民居抗震性能调查资料基础上，采用建筑屋易损性分析方法对农村民居的震害进行预测和评估［1－3］。

与其他建筑一样，这里将农村民房震害破坏程度也划分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏5个等级，用符号J表示。震害等级与地震烈度和房屋抗震能力密切相关，通常用震害指数Ds对其进行量化表示，用0表示结构基本完好，1表示毁坏，中间等级就用0到1之间的数表征。震害等级的划分标准及其与震害指数的对应关系见表1［4］。

表1 震害等级与震害指数

建筑物的震害预测通常用震害矩阵描述。在地震烈度为I时发生J级震害的概率称为震害比，用p［DJ/I］表示。震害矩阵就是将地震烈度、震害等级和震害比列成的表格。进一步，根据各建筑物面积所占比例的权重，可计算出某一地区该类建筑群体的震害矩阵。

湖北农村房屋的结构类型主要分土木结构、砖木结构和砖混结构3类，土木结构和砖木结构基本是未经正规设计的传统农村房屋，其震害矩阵无法用分析方法给出，主要根据大量震害统计经验得出［3］。这里参考文献［3］中的C类、D类结构得到的砖木结构和土木结构震害矩阵如表2、表3所示。

表2 砖木结构的震害矩阵%

表3 土木结构的震害矩阵%

至于砖混结构房屋，首先通过对这类结构房屋进行抽样调查，求出抽样房屋的震害比，进而得到该类建筑的群体震害矩阵。抽样房屋的震害比将采用楼层平均抗剪强度法确定。

楼层平均抗剪强度法认为砖混结构主要由墙体抵抗地震力，墙体的破坏主要由剪力引起，因而采用楼层单位面积的平均抗剪强度作为砖结构抗震能力的标志，同时考虑结构质量等方面的影响进行修正，并根据震害经验，统计出平均抗剪强度与震害指数之间的关系，并依此来确定震害等级［5］。其计算过程如下:

(1)平均抗剪强度αcs的计算

砖混结构第i层单位面积的平均抗剪强度αi计算公式为:

式中:Fj为第i层第j片墙的断面积(cm2);Ai为第i层的建筑面积(m2);m为第i层墙的总片数;τ为墙体抗剪强度(kg/cm2)。

假定地震力沿结构高度按倒三角分布，在相同地震力作用下，第s楼层的折算楼层单位面积平均抗剪强度αcs按下式计算:

式中:n为楼层总数。

(2)震害指数Ds的确定

不同烈度下震害指数Ds(I)按下面统计关系得到［5］:

(3)震害指数Ds的修正

农村民居的施工质量和抗震构造措施普遍达不到规范要求，震害指数需根据建筑物的体型、构造措施、施工质量等因素进行修正。修正公式如下:

式中:Ci为修正系数，取值见表4。

表4 修正系数的取值

(4)抽样房屋震害比计算

根据计算得到的震害指数Dsm，对照表1可得到抽样房屋的震害等级和破坏预测，从而得到抽样房屋震害比:

式中:NJ(I)为地震烈度为I时抽样房屋中发生J级震害的楼层数。再根据调查地砖混结构房屋面积总数即可得到其群体震害矩阵。

2.2 震害预测

根据上面介绍的震害预测方法，对本次调查地——湖北枝江市刘家冲村在不同地震烈度下各类房屋的震害进行了预测。表5为刘家冲村房屋现状，当地位于Ⅵ度设防区;表6为计算得到的刘家冲村砖混类结构震害矩阵;表7至表9分别为刘家冲村土木结构、砖木结构和砖混结构在不同地震烈度下的震害预测结果。

表5 刘家冲村房屋现状

表6 刘家冲村砖混结构震害矩阵%

表7 刘家冲村土木结构房屋震害预测m2

表8 刘家冲村砖木结构房屋震害预测m2

表9 刘家冲村砖混结构房屋震害预测m2

分析结果可以看出，刘家冲村在基本设防烈度地震作用下土木结构和砖木结构房屋均有较大面积的破坏，破坏严重程度也较高，砖混结构表现相对较好。而当发生高于设防烈度的罕遇地震时，三类结构房屋均有较大程度的破坏，反应了当前农村防震减灾任务的艰巨。

根据上述计算结果，还可以得到各类建筑屋在地震烈度I下的平均抗震能力指数D(I)［6－8］，如图8所示，它反应了各类建筑屋的抗震能力。其计算公式如下:

式中:dJ为结构发生J级破坏的震害指数。

图8 各类结构民居平均抗震能力指数

从图8中可以看到，农村民居中砖混结构的抗震性能较好，其次是砖木结构，抗震能力最差的是土木结构。

3 结语

对湖北农村民居的抗震性能进行了调查与分析，在此基础上，对农村各类房屋在不同地震烈度下的震害进行了预测，给出了震害预测结果。研究表明，湖北农村民居的抗震性能十分脆弱，绝大多数房屋处于不安全的状态，加上缺乏管理，一旦发生中等强度以上地震，将会造成较大的人员伤害和财产损失。在湖北农村民居中，土木结构的房屋破坏最为严重，尽管这类房屋现存不多，在农村地震灾害防御中应予以高度重视。砖木结构房屋是湖北农村民居中最为典型和数量较多的一类结构形式，震害也较为严重，对这类房屋应加以普查并采取必要的抗震加固措施。砖混结构是近来兴起的结构形式，可以预见将逐步取代砖木结构。该结构抗震性能较好，但应加以施工指导和规范化管理，使其达到抗震设防的要求。

当前是我国社会经济发展的重要机遇期，农村经济也以较快速度增长，加上国家新农村建设的实施，伴之而来的必将是农村民房更新换代的高潮。应以此为契机，进行农村防震减灾工作机制和保障体系的探索和研究，全面提高农村民居抗御地震灾害的能力。

［1］李书进，毛羚，陶礼龙，等.湖北农村民居抗震性能调查报告［R］.武汉:武汉理工大学土木工程与建筑学院，2008.

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