2) 中国石家庄 050021 河北省地震局
2) Hebei Earthquake Agency, Shijiazhuang 050021, China
河北省地震多发,地震灾害损失较为严重。由地震引发的房屋损毁或倒塌是造成人员伤亡、经济损失的主要原因。农村地区房屋多为居民自建,缺乏专业设计与施工,多数建筑未达到抗震设防标准,震后房屋受损情况较为突出。受地形地貌、历史文化、经济能力及风俗习惯等因素的影响,农村居民在房址选取、房屋结构设计、建筑选材选择等方面,往往缺乏抗震意识与实践经验,导致农村地区房屋普遍存在抗震性能差的问题,并因此面临较高的地质灾害风险(李天等,2013)。
近年来,学者们对河北北部农村地区抗震能力做了大量研究。如:吕国军等(2016)、贾晓辉等(2016)、刘晓丹等(2019)针对张家口市农村房屋抗震性能进行系统调查,认为该地区房屋结构不合理,抗震性能普遍较差,其指出房屋自身抗震薄弱环节,并提出抗震措施建议;刘晓丹等(2018)、马旭东等(2018)的研究进一步聚焦于张家口市农村不同结构类型房屋的抗震薄弱环节,并指出房屋抗震性能受经济、居民意识及地形等因素影响。这些研究成果为提升河北北部农村地区房屋的抗震能力提供了宝贵的参考和借鉴。
地处河北南部的邯郸市西南部地区近年来小震活动频发,据统计,2015—2023年共发生地震18次,震级范围在0.4—2.5。该区地处太行山东麓,地质结构复杂,发育有太行山山前断裂、临漳断裂、磁县断裂等断裂带。该区历史地震记录丰富,其中5级以上中强地震6次,最大地震为1830年邯郸磁县7.5级地震,且震区于1831年发生2次6级强余震。以该区为调研区,通过调研农村房屋现状及抗震性能,对房屋结构特点及抗震性能进行分析与计算,有针对性地提出防震减灾措施和对策。
1 农村房屋结构类型调查 1.1 调研区概况调研区位于邯郸市西部和南部,地貌类型复杂多样,西部为山地丘陵地貌,南部为平原地貌。地势自西向东呈阶梯状下降(图 1)。调研范围内8个区县按地形可划分为2类:①山地丘陵地貌:涉县、武安市、峰峰矿区、磁县;②平原地貌:复兴区、邯山区、成安县、临漳县。
每个区县选取5个调研点,含1个区县城中村、2个乡镇驻地、2个普通村落,以调查问卷、入户考察形式逐户调查,调研内容涵盖当地人口数量、经济水平、交通情况、房屋建设年代、房屋结构类型等。在选择调研村庄时,兼顾地形地貌、交通便利性、村落规模等因素。本次调研共覆盖40个自然村2 960户家庭。调研点信息见表 1,调研区范围及调研点分布见图 1。
经调查,统计得到调研区农村房屋结构类型占比,结果见表 2、图 2,可知:调研区农村房屋结构以砖混结构和砖木结构为主,二者之和平均占比达95%;石木结构房屋数量较少,平均占比为5%。调查发现,县域间房屋结构类型分布与城市化率存在显著的相关性。其中:在城市化率较高的峰峰矿区、邯山区、复兴区,砖混结构房屋平均占比达85%以上,而砖木结构与石木结构房屋平均占比在15%以下;在城市化率较低的成安县,砖混结构房屋与砖木结构房屋比例相当;在西部山区的涉县、武安市、磁县,砖混结构房屋类型平均占比在70%以上,同时存在一定比例的石木结构房屋。以上数据表明,调研区农村房屋建筑类型主要与当地经济发展水平和本地建筑材料有关。
(1)地形、交通因素。调研区地形丰富,自西向东划分为西部山区和东部平原区。西部山区主要涵盖涉县全境及武安、磁县西部和峰峰矿区,地貌以低山丘陵为主,平均海拔在500—1 000 m。东部平原区主要涵盖邯山区、临漳县、成安县、复兴区、磁县东部,地势平缓,以冲洪积平原为主,沉积物交错分布,形成复杂多变的平原微地貌,其中缓岗、沙丘、冲沟、小型冲积锥及各类洼地遍布,地势呈大平小不平特征。结合表 2可知,山区农村自建房屋以石木结构居多。
调研区交通便利,涵盖G4、G22、S75高速公路,G309国道以及邯长铁路,各乡镇经由省道连通。受地形、道路交通状况影响,农村房屋结构类型分布不均。西部山区4县房屋多依山、依路而建,村内道路曲折、狭窄,通行不便,使得原材料运输成本加大,建房多就地取材,导致石木结构房屋占比较大,房屋整体抗震性能较差。平原地区农村道路平坦,建房原材料主要来自外地,多以粘土砖为墙体材料,抗震性能优于西部山区。
(2)经济、意识因素。调研发现,农村居民主要经济来源为农业种植、打工收入等。成安、临漳县经济结构单一,收入水平普遍偏低,具体表现为砖混结构房屋占比在65%以下,其他县域经济状况尚佳,砖混结构房屋占比均在70%以上。进一步调研发现,当地居民建造房屋主要考量经济成本、外部美观和保暖性能,抗震性能则不在考虑范畴。此外,随着城镇化进程的推进,居民向城市迁移趋势日益显著,农村地区新房建设需求下降。这一现象导致大量砖木结构房屋被遗留,由于缺乏维护或改造,抗震性能普遍较差,构成不容忽视的安全隐患。
3 农村房屋建筑结构特征基于调研结果,西部山区农村主要坐落于山间盆地及沟谷等地势平缓地带,当地居民就地取材,早期建筑多以石料为主要建材,而近期砖混结构房屋中融入少量石材与黏土砖2种建材。在东部平原区,村落密布,人口密度大,早期房屋以砖木结构为主,近期则逐渐转向砖混结构,多以条石为基础,黏土砖为墙体,预制板或混凝土现浇为房顶。值得注意的是,3类房屋普遍窗洞开间较大、窗间墙较窄,整体抗震性能较差。
(1)石木结构。调研区石木结构房屋主要分布在西部山区,居住者多为老年人。此类房屋多建于20世纪60—70年代,均为单层建筑,墙体材料为条石,通过咬砌法和泥浆砌筑技术构建;缺少圈梁结构,主要依靠墙体自身承重。屋顶结构包括平顶木屋架、人字坡形木屋架及少量硬山搁檩顶结构(图 3)。
调研区石木结构房屋墙体承重主要依赖咬砌法,由于泥浆黏性欠佳,加之墙体材料自重大,缺乏构造柱、圈梁支撑,抗剪能力和抗震设计不足,导致该类型房屋抗震性能较差。
(2)砖木结构。调研区砖木结构房屋多建于20世纪80—90年代,以单层建筑为主。墙体外墙砖厚37 cm,内墙砖厚24 cm。在20世纪80年代,多采用白石灰混合砂浆砌筑,而90年代则使用水泥砂浆砌筑。基础部分采用毛石结构,普遍埋深30—50 cm,部分房屋有轻微开裂现象[图 4(b)];无圈梁,无构造柱;屋顶多为人字坡形顶[图 4(c)]或平顶木屋架顶[图 4(d)],少量硬山搁檩顶。
调研区砖木结构房屋墙体黏性欠佳,砌筑工艺水平较低,墙体承重能力有限,无圈梁、无构造柱,缺乏抗震设计,抗剪能力较弱,整体抗震性能较差。
(3)砖混结构。调研区农村砖混结构房屋建造年代在20世纪90年代末及以后。在乡镇中心和城中村,此类建筑多为二层结构,其他区域多以单层为主。该类房屋广泛用于住宅、教育机构、医疗机构等。建筑基础多采用条石[图 5(b)],毛石基础较少见,普遍埋深60—100 cm;屋顶结构多为平顶或双坡顶,少有人字形顶[图 5(c)],其中平顶多采用预制板或现浇混凝土,双坡顶多采用木材或方钢龙骨架体系构建;普遍设有圈梁和构造柱[图 5(d)],承重体系为混合承重方式,墙体外墙厚24 cm,内墙厚12 cm;墙体采用普通粘土砖和水泥砂浆砌筑。
调研区农村砖混结构房屋地基基础较好、砌筑质量高、墙体刚度大;多数房屋由于无抗震设计、前墙窗洞开间较大、部分地区房屋圈梁不封闭、构造柱缺失等问题,抗震性能一般。
4 农村房屋抗震性能分析调研区农村房屋结构类型单一、建造年代各异,建筑材料具有时代性和地域性特征,且房屋存量庞大。基于此,以实地调研数据为基础,结合农村房屋抗震性能评估相关方法,对选定县域内农村房屋的抗震性能进行系统评价。评价单元设定为单一县域。采用1分制为评价标准,取0.0—1.0的分值,分别代表抗震性能的强弱程度。其中,0.0表示抗震性能最弱的评价单元,1.0表示抗震性能最强的评价单元。
4.1 抗震性能参数确定调研数据表明:调研区农村石木结构房屋修建于20世纪60—70年代,建筑材料多为当地石材,施工质量较差,无抗震设计,抗震能力差;砖木结构房屋修建于20世纪80—90年代,未设置圈梁和构造柱,无抗震设计,抗震能力较差;砖混结构房屋修建于20世纪90年代末及以后,建造质量较好,部分房屋有抗震设计,抗震能力一般。
农村房屋抗震性能与结构类型、修建时间、房屋建筑材料、建筑质量、抗震设计及所处地形条件等参数密切相关。基于相关文献资料,认为影响农村房屋抗震性能的主要参数为房屋所处地形条件、抗震设计和房屋结构类型。农村房屋选址无固定标准,多与地形条件有关,其中处于有利地形的房屋抗震性能最好,其次为一般地形、不利地形,最差为危险地形。随着经济水平、防震意识的提升,居民在房屋修建时逐渐采用抗震设计。其中有圈梁、构造柱等抗震设计的房屋,抗震性能较强。在房屋建筑结构中,砖混结构房屋抗震性能明显强于砖木结构房屋,石木结构房屋抗震性能最差。基于GB50011—2010《建筑抗震设计规范》(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2010)、中国大陆地震灾害损失评估资料(中国地震局监测预报司,2001;中国地震局震灾应急救援司, 2010, 2015),对调研区农村房屋所处地形、抗震设计、结构类型参数进行归一化处理,统计结果见表 3、表 4、表 5。
以县域为评价单元,房屋抗震性能参数计算公式(刘龙等,2021)如下
$ Y=\frac{\sum\nolimits_{i=1}^3 c_i \times\left(\sum\nolimits_{j=1}^4 d_j \times d_{j_s} / k_i\right) \times\left(\sum\nolimits_{g=1}^2 s_g \times d_{s_j} / k_i\right) \times k_i \times c_j}{\sum\nolimits_{i=1}^3 k_i \times c_j} $ | (1) |
式中:Y表示评价单元的房屋抗震性能指数;ci(i = 1, 2, 3)为表 4中不同房屋结构对应的参数值;dj(j = 1, 2, 3, 4)为表 2中的不同地形对应参数值;sg(g = 1, 2)为表 3中有无抗震设计对应参数值;djs(js = 1, 2, 3, 4)为1个评价单元内,1种结构类型房屋在不同地形条件下的房屋栋数;dsj(sj = 1, 2, 3, 4)为1个评价单元内,1种结构类型房屋有无抗震设计的房屋栋数;ki(i = 1, 2, 3)为不同结构房屋栋数;cj(j = 1, 2, 3, 4)为不同结构房屋的平均面积(经计算,调研区砖混结构房屋面积为140 m2,砖木结构房屋面积为110 m2,石木结构房屋面积为60 m2)。将调研数据代入式(1),得到调研区农村房屋抗震性能指数,结果见表 6。
由表 6所示计算结果可知,调研区农村房屋抗震性能指数在0.18—0.35,表明抗震性能普遍较差。其中:抗震设防能力最高县域为邯郸市主城区的邯山区和复兴区,县域抗震性能参数在0.3以上,分析认为,两区经济条件较好,农村房屋以砖混结构为主,建造年代较新,建筑质量较高,居民有防震意识,采用抗震设计,房屋地形条件较好,一般坐落在平原地区,无地质灾害隐患;抗震设防能力较差县域为磁县和涉县,县域抗震性能参数在0.2以下,分析认为,两县地处山区,居住人口多为留守人员,交通不便,存在一定数量的石木结构房屋,建造年代久远,地形条件差,房屋抗震设防能力偏低;成安县、临漳县地处平原,地形条件好,经济较差,砖混结构房屋比例较低,房屋建筑质量差,整体抗震能力差;武安市与峰峰矿区地形复杂,有利地形和不利地形均有分布,两县工业发达,经济条件较好,砖混结构房屋数量较多,部分房屋使用抗震设计,但县域农村房屋抗震性能整体较差。
通过以上分析,认为:调研区建筑结构不同的房屋抗震能力不同,砖混结构房屋抗震性能较强,砖木结构房屋抗震性能次之,石木结构房屋抗震性能最差;农村房屋抗震能力与当地地形、交通、经济和抗震意识相关,砖混结构房屋占比较高,则整体抗震能力较高。
5 结论与建议通过对调研区实地走访调研,根据房屋结构、地形条件、抗震设计等条件,结合农村地形、交通、经济、意识等参数,得出以下结论和建议。
(1)调研区农村房屋建筑结构主要有砖混、砖木、石木结构,其中:经济发达的邯山区、复兴区、峰峰矿区,砖混结构房屋占比在85%以上;经济较差的临漳县、成安县,砖混结构房屋占比在65%以下;武安市、涉县、磁县砖混结构房屋占比在70%—80%,有一定数量的石木结构房屋。调研区农村房屋修建时未考虑场地效应,多依地势而建,且缺少抗震设计。综上可知,调研区农村房屋抗震性能较差。
(2)调研区农村房屋均为居民自建,窗洞开间较大,窗间距较窄,较少考虑抗震能力,缺少抗震措施,普遍存在一定安全隐患,无法充分满足抗震设防标准。建议政府相关部门加强监管力度、加大抗震宣传力度,并结合规章制度进行规范化管理,在房屋新建或翻新时,选择框架结构、选择有利地形、增加抗震措施,从而其增强抗震性能。
(3)武安市、涉县、磁县西部山区村庄规模小,石木结构房屋数量多,抗震性能普遍较差,交通不便,居住人口少,多为留守人员,灾后自救能力差。建议在地形较好、交通便利地区选址重建,整体搬迁,合村并镇。
(4)邯山区、复兴区、峰峰矿区地形环境好、交通便利、经济条件较好,县域农村房屋抗震性能较高,因村民普遍缺乏抗震意识,房屋建造过程中缺少抗震措施,使得整体抗震性能一般。建议加强村民抗震设防意识教育,同时采取有力措施,切实提升农村房屋抗震性能,以全面保障人民群众的生命财产安全。
(5)成安县、临漳县地形条件尚佳,交通便利,但经济水平有待提升,房屋翻新资金短缺。县域内农村房屋修建年代久远,缺乏抗震措施,抗震性能一般。建议政府部门设立专项建房补贴政策(对钢筋、水泥等建筑材料予以经费补贴),旨在帮助有实际困难的居民建造符合现代抗震设防标准的房屋,从根本上提升居民居住安全性,促进县域经济的稳健发展。
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