引言

砖木结构是指砖墙承重、楼屋盖采用木制构件的房屋,具有取材方便、构造简单和造价低廉等优势,是我国村镇地区分布较广的住宅类型(王强,2009)。但村镇砖木结构在历次地震中却出现墙体倒塌、屋顶坍塌和局部构件塌落等震害,造成重大人员伤亡和巨大财产损失。汉中位于陕西省南部,近年来域内村镇房屋先后经历了汶川地震、雅安地震和岷县漳县地震等,震后村民出资自建或聘请当地建筑工匠改造或新建了砖木结构房屋,但这些砖木结构房屋在材料强度、结构构造和施工质量等方面存在缺陷。如何提高这些砖木结构房屋的抗震能力(王强,2009陈倩怡,2013),减轻村镇地区的地震灾害损失,在脱贫攻坚和乡村振兴战略中尤为关键。为此,笔者在对汉中村镇砖木结构房屋抗震现状调研和相关研究工作的基础上,提出提高汉中村镇砖木结构房屋抗震现状及处理方法,旨在为汉中农村民房的防震减灾工作提供技术支撑(王兰民等,2011)。

1 汉中村镇砖木结构房屋抗震现状

本次调研样本抽取为勉县(抗震设防烈度为7度、设计基本地震加速度值为0.10g、设计地震分组为第二组)和镇巴(抗震设防烈度为6度、设计基本地震加速度值为0.05g、设计地震分组为第一组)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2015)18个自然村的240栋砖木结构房屋,调研内容主要涉及房屋结构类型、设计建造方式、建造地域地段、结构基础形式、地基处理措施和抗震构造设防情况等。

1.1 结构类型

汉中村镇砖木结构为低层房屋,以3开间为主,如图 12所示。调研样本的房屋层数、建造费用、建造年代、墙体材料、屋盖瓦材等如表 12所示。


图 1 单层砖木结构房屋 Fig. 1 Single-story brick-wood structure houses

图 2 3层砖木结构房屋 Fig. 2 Three-story brick-wood structure houses
表 1 房屋建造时间与层数、费用和房屋数量的关系 Table 1 The relationship between housing construction time and layer cost and quantity
表 2 砖木结构房屋基本情况 Table 2 Basic situation of brick-wood structure houses

表 1可知,村镇砖木结构房屋层数、费用和建造年代有直接关系,即随着时间的推进、国家政策的调整和农村经济水平的逐渐好转,村镇房屋的面积呈上升趋势,且村民通过投资建房改善家庭居住条件。

表 2可知,村镇砖木结构承重体系的墙体材料仍以国家已明令禁止使用的高污染、高能耗的烧结实心粘土砖为主(占75%),但也有采用新型环保墙体材料的水泥免烧砖(占15%),说明在村镇地区有很多空间能推广新型建筑材料。围护体系的木屋盖结构采用双坡屋顶硬山搁檩结构体系,房屋中部不设木屋架,木檩条直接搁置在各道横墙和山墙上,在檩条直接上敷椽子挂瓦,瓦材采用机制瓦(占68%)或小青瓦(占32%)。调研抽取的2层或3层村镇砖木结构房屋的1层或1、2层楼板均采用混凝土空心预制板,且在施工时混凝土空心预制板直接搁置在横墙上,说明预制板与墙或圈梁、木屋盖结构的连接构造不符合《建筑抗震设计规范》(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2016)《农村民宅抗震构造详图》(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008)和《镇(乡)村建筑抗震技术规程》(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008)等的相关规定,同时从瓦材选用可以看出,在村镇区域推广标准化构件(机制瓦)具有前景。

1.2 设计建造方式

调研样本设计方式主要有自行设计、工匠设计、政府统一规划设计(占比分别为59%、20.5%、20.5%);建造方式有自建、请工匠自建、全部承包给工匠和统建(占比分别为15%、36%、35%和14%)。自行设计建造和工匠设计建造一般是依照房主经济条件和住房要求(开间、进深、层高、门窗洞口,风水、朝向和宅基地尺寸)凭经验或参照相邻房屋设计,这类房屋材料强度、结构构造和施工质量等存在缺陷,抗震能力无法保证。统建房为政府投资修建移民搬迁房,由政府统一招标规划、设计、施工、监理、验收,抗震能力较好。

1.3 建造地域地段、地基处理措施和基础形式

按照文献(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2016中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008a中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008b)的相关规定,选择建筑场地时宜因地制宜,选择对抗震有利地段、避开不利地段,禁止在危险地段建造,对调研样本按此标准分类,如表 3所示。

表 3 房屋建筑场地统计 Table 3 Construction site of houses statistics

表 3可知,67%的样本房屋处于危险地段(见图 3),只有19%的样本房屋处于抗震有利地段(见图 4),这是由于勉县和镇巴地处山区,村民建房受地理条件限制和地质灾害认知匮乏的影响,考虑生活、生产和出行方便,一般选择半山坡、山肩或相对开阔的地段建房,不考虑场地条件情况,导致大部分房屋的建造场地处于不利或危险地段,同时,村民在建房时房屋基础施工工序为:(简单)清理地层土—砌筑独立砖基础—碎石打底上敷三合土找平—砌筑砖地圈梁,然后在圈梁上砌筑墙体,地基无任何抗震加固措施,一旦发生地震,这些房屋必然受到滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等地质灾害的威胁,易倒塌伤人,存在安全隐患。


图 3 危险地段 Fig. 3 Danger site

图 4 有利地段 Fig. 4 Favourable site
1.4 村民抗震安全意识和房屋抗震构造设防情况

(1)当地村民的抗震安全意识

本次调研得到的村民抗震安全意识统计情况如表 4所示。

表 4 砖木结构抗震构造措施和村民抗震安全意识情况统计表 Table 4 Statistics of anti-seismic safety consciousness of residents and details of seismic design

表 4可知,调研区域村民缺少了解抗震知识的途径,抗震知识匮乏、抗震意识淡薄。但对于保证房屋质量安全而言,69%的村民认为国家应规定一些基本的强制性标准和要求,且可以接受相关保证房屋质量的规定;28%的村民则表示限于经济水平,可能无法接受相关保证房屋质量的规定;仅有3%的村民认为规定与否无关紧要,说明大多数村民较重视住房的安全问题(赵光超,2011)。村民的住房安全意识与村民的文化水平、经济条件和当地政府对抗震知识的宣传力度等息息有关。改善村镇房屋的抗震现状必须提高村民的文化水平和经济收入,并强化政府对抗震知识的普及力度和对村民抗震知识的精准辅导,使更多的村民了解、理解和掌握抗震知识,自发提高房屋抗震能力。

(2)既有砖木结构房屋抗震构造设防情况

砖木结构房屋由承重砖墙体、围护砖墙体、木(钢)门窗和木(楼)屋盖系统等组成。屋盖系统中木檩、椽、瓦片之间应可靠连接,调研样本中90%以上的房屋采用硬山搁檩,存在连接构造缺陷;墙体中纵横墙体交接处、门窗间墙体、门窗四角、木檩下墙体部位、墙体变截面部位等按文献(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008a中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008b)要求应设置构造柱和圈梁或过梁等抗震构造措施,但调研样本中只有14%的墙体抗震构造措施设置齐全。

2 砖木结构房屋的震害

查阅历史地震资料和相关文献(崔杉彬,2009刘兴才,2012王强,2009)研究表明,砖木结构房屋的震害呈现一定规律性,主要包括承重墙体震害、木屋盖结构围护结构震害和其它附属构件的震害。

2.1 墙体震害规律

砖木结构房屋墙体震害包括墙体倒塌、墙体开裂、纵横墙连接处破坏、墙角破坏和楼梯间墙体破坏等。墙面裂缝主要有水平裂缝、X形交叉裂缝、斜向裂缝(刘兴才,2012),如图 5—7所示。裂缝主要出现在纵横墙体交接处、门窗间墙体、门窗四角、梁檩下墙体部位、墙体变截面部位(王强,2009)等。


图 5 墙体水平裂缝 Fig. 5 Level to the cracks of wall

图 6 窗间墙X形交叉裂缝 Fig. 6 X-shaped cross cracks of the wall between windows

图 7 门窗间墙体斜裂缝 Fig. 7 Diagonal cracks between Windows and doors

墙体震害裂缝产生的原因包括:当墙体在受到与之方向垂直的水平地震剪力作用时,发生平面外受弯、受剪,产生水平裂缝;与水平地震作用方向平行的墙体受到平面内地震剪力作用,在地震剪力及竖向荷载共同作用下,当该墙体内的主拉应力超过砌体抗拉强度时,墙体产生X形交叉裂缝、斜裂缝(葛学礼等,2008)。墙体开裂始于墙体应力集中部位和墙体强度薄弱部位,往复地震作用下墙体开裂沿最大拉应力垂直方向(水平向成45°角)延伸,墙体裂缝扩展延伸耗能,当裂缝扩展发育到墙体失去承载力时,房屋失稳倒塌。

影响墙体震害的因素有墙体水平抗剪切强度(主要由砌块强度、砂浆强度、墙体水平截面面积和圈梁构造措施决定,同时受砌筑质量、房屋年代等因素影响)、房屋开间进深尺寸、门窗间墙体尺寸、门窗洞口尺寸、门窗过梁、墙体承重方式和纵横墙体间的连接措施等。

2.2 屋顶系统震害规律

屋顶系统震害主要为木屋顶梭瓦掉瓦、屋面严重变形、瓦片严重脱落、木屋顶滑脱和木屋顶坍塌等(王强,2009),如图 8—12所示。震害产生的原因主要是瓦片的稳定性差,木檩的腐蚀或木檩、木椽、砖墙体之间的连接构造措施不符合文献(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008)的要求等。


图 8 屋顶掉瓦 Fig. 8 Tiles fell from rooftop

图 9 屋面严重变形 Fig. 9 Roof seriously deformation

图 10 瓦片严重脱落 Fig. 10 Tiles seriously droppen

图 11 屋顶滑脱 Fig. 11 Roof slippage

图 12 屋顶塌陷 Fig. 12 Roof collapse

影响屋顶系统震害程度的因素包括木檩与墙体间的连接性能、木构件的完好性、木构件间的连接构造、铁构件的腐蚀程度、瓦片及檐口的稳定性、屋顶重量、屋面坡度等。

2.3 房屋附属构件震害规律

房屋附属构件主要包括附于墙体或屋面的烟囱、檐口的女儿墙、门窗雨搭、室内顶棚装饰等,震害主要包括烟囱倾倒、女儿墙外闪倒塌等。

产生震害的原因是房屋结构的附属构件与主体结构连接较弱,受竖向地震作用和“鞭梢效应”的影响,一般较下部主体结构破坏严重(王强,2009)。

3 提高汉中村镇砖木结构房屋抗震能力的处理方法

汉中既有砖木结构房屋的抗震现状、历史地震资料和砖木结构房屋震害相关研究结果表明,影响汉中村镇砖木房屋抗震能力的因素包括建房场地、墙体材料强度、墙体抗震构造措施、木屋盖的连接措施和木屋盖与墙体连接措施等(王强,2009)。

3.1 建筑场地的选择

文献(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2016中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008a中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008b)规定:“选择建筑场地时,应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料,对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价。对不利地段,应提出避开要求;当无法避开时,应采取有效的措施。对危险地段,严禁建造甲、乙类建筑,不应建造丙类建筑”,村镇房屋属于丙类建筑,应选择对建筑有利地段、避开不利地段。汉中有平坝、丘陵和山地3种地貌,在坪坝区域建房选址相对容易,但在丘陵和山地区域建房时,应选择有稳定基岩,坚硬土,开阔、平坦、密实的中等硬土的有利场地,避开山尖及地形变化剧烈的场地及地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷和地裂、泥石流和发震断裂带上可能发生地表错位的部位。近年来,移民搬迁工程能使部分丘陵和山区村民搬离危险区域,但对未搬迁村镇砖木结构房屋的地基基础应进行危险性鉴定(中华人民共和国住房和城乡建设部,2015中华人民共和国住房和城乡建设部,2016),D级地基基础应拆除或易地重建、C级地基基础应进行加固处理。

3.2 墙体抗震措施

(1)墙体材料

墙体材料宜优选烧结页岩砖、烧结煤矸石砖、烧结粉煤灰砖、蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖和烧结多孔砖等;砂浆宜选用水泥砂浆或水泥混合砂浆并严格控制配合比,以保证其和易性、保水性、强度、耐久性和耐水性满足要求;钢筋混凝土采用的混凝土强度等级不应低于C20,钢筋应为HPB300及以上。在砌筑墙体时,砂浆强度等级不应低于M5,砖强度等级不应低于MU7.5(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2016中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008a中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008b)。

(2)墙体连接

适当布置构造柱和圈梁。按文献(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2016中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008a中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008b)要求,抗震设防烈度为6、7度的房屋,宜在房屋四角和隔开间内外墙交接处设置钢筋混凝土构造柱,构造柱截面尺寸、配筋、与墙体的连接、与圈梁或楼板的连接均应符合相关构造要求,形成对墙体的约束作用;所有纵横墙的基础顶部,每层楼、屋盖(墙顶)标高处应设置配筋砖(钢筋混凝土)圈梁,且屋盖处内横墙方向上圈梁间距不应大于8m,有檩屋盖山墙时还应设置爬山圈梁;减小门窗洞口尺寸和房屋开间、进深和净高,增加墙体整体性和空间刚度,减少墙体开裂。

(3)墙体加固

通过在前纵墙加设钢筋混凝土窗框、在两面山墙和窗下墙喷射水泥砂浆面层、在前后纵墙檐口高度处增设钢筋网水泥砂浆圈梁(王满生等,2015)、采用配筋砂浆带圈梁、在前檐加设钢门窗框和房屋四角增设钢丝网砂浆(杨威等,2014)、采用喷射双面钢筋网水泥砂浆面层和混凝土圈梁-构造柱等加固方案(熊立红,2017),增加前纵墙抗侧刚度,提高墙体承载力、整体性和变形能力(王满生等,2015)。

3.3 屋顶系统的加强措施及推广新型屋顶体系

山墙应设置端屋架(木梁),不得采用硬山搁梁,搁置在砖墙上的木屋架或木梁下应设置垫块,适当增加屋架在承重墙上的搁置长度,在屋架与墙体搭接及檩条与墙体搭接位置适当涂刷沥青,防止屋架和檩条腐蚀。端屋架或屋架与墙体间连接可靠,椽子与檩条搭接处应满钉,以增强屋盖整体性(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2016中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008a中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008b)。抗震设防烈度为6、7度时,对于硬山搁檩的有檩木屋盖,木檩条应在内墙满搭,在山墙处伸出200mm,并用圆钉、扒钉与木垫板连接,木屋盖各构件间应采用圆钉、扒钉或铅丝等相互连接。

减轻屋顶系统的重量,文献(胡长明等,2010)中屋顶采用木材和钢筋组合成的轻型钢木桁架屋架结构(崔杉彬,2009),适合在汉中村镇建筑中推广应用。

4 对策与建议

砖木结构由于其自身优势,是目前已建和新建村镇房屋的主要结构类型,但由于村镇居民文化水平、经济条件和抗震意识的差异,既有砖木结构房屋的抗震现状不容乐观,为此,提出以下对策与建议:

(1)当地政府应通过各种渠道(宣传画册、手机短信、微信、科技下乡活动等)做好防震减灾知识的普及和宣传,提高广大村民的防震安全意识。

(2)政府应加大村镇抗震防震的财政投入,支持和鼓励村民聘请土建专业技术人员指导建房选址、选材、设计和施工等,大力推进村镇抗震样板房工程。

(3)政府应加大村镇抗震防震的科技投入,有序开展村镇既有房屋的抗震性能评价及抗震加固,逐步提高既有村镇房屋的抗震设防能力。

(4)加大土建专业技术人员对文献(中华人民共和国住房和城乡建设部等,2016中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008a中华人民共和国住房和城乡建设部等,2008b)中相关专业知识的培训,监管新建房屋的规划、设计、施工和使用,完善村镇房屋抗震建设技术标准,加强抗震技术推广应用(苏小妹等,2008),逐步实施村镇房屋抗震安居工程。

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