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福建地区石砌结构房屋抗震现状简介

石结构房屋以其造价低廉,取材方便,抗风耐湿,耐腐蚀性好等优点而受到沿海居民的青睐,是沿海地区普通人家所常采用的民居形式之一。我省从福鼎-福清-晋江-漳浦一带均有分布,其中,在闽南沿海所占比重较大。福建省地震局“九五”期间调查数据显示,我省农村石砌结构房屋面积约占农居总面积的18.4%,而在晋江、漳浦和福清等地高达40-50%。闽南地区约有2000多万平方米的石砌结构房屋,约有200多万人居住。

一、石砌结构房屋的突出特点

主要以石墙承重,不仅墙体、门窗用石材,屋顶、梁柱、楼梯等几乎所有的建筑构件都用石材制作,木、瓦、土等其它建筑材料相对较少,而且大多建筑石材皆为粗加工,平面布局也较为随意简单。传统的房屋类型主要分布在闽南的泉州、漳州地区,以惠安为中心,崇武古城是其杰出代表。

二、石砌结构房屋的分类

按墙体所采用的石材可分为料石和毛石房屋;按承重方式可分为横墙承重、纵墙承重和纵横墙混合承重;按楼屋盖可分为石木结构和石板楼屋盖结构,少量采用石混(钢筋混凝土楼屋盖)结构。

三、石砌结构房屋现状

从调查情况来看,现存农村石砌结构房屋基本上建于上世纪九十年代前,多为1-3层,一般无正规设计,无设防情况,基本无抗震构造措施,施工工艺不规范,存在着众多抗震不利的缺陷。在中强地震作用下容易发生石梁、石板断裂或石墙外闪等破坏,危及人身安全。

四、石砌结构房屋的震害特征主要有

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福建惠安境内典型石砌结构房屋

(1)墙体中部的“X”形或斜裂缝

水平地震作用使石砌体房屋中的墙体受剪、受弯。当与水平地震作用方向平行的墙肢截面高宽比接近1时,墙体以剪切变形为主;在剪力和竖向压力作用下,墙内主拉应力超出砌体强度时,墙体出现斜裂缝;由于地震的反复作用,两个方向的斜裂缝交叉呈“X”。

(2)纵横墙连接处的破坏

纵横墙的连接是石砌结构房屋中的一个薄弱环节。砌筑时以直槎或马牙槎连接墙体,地震时纵横墙相互作用,在交接处产生竖向裂缝。

(3)墙体内外层砌块脱离坠落

有些石砌结构房屋的墙体较厚,内外层石砌块不能咬槎砌筑,且粘结材料连接性能差,墙体内外层砌块相互脱离,形成两张皮,地震作用下其中一层砌块发生外倾坠落现象。

(4)整体倒塌

地震中,少量石砌结构房屋发生整体倒塌的主要原因是:石料级配不良,外形极不规则;纵横墙交接处无有效连接,整体性差;粘结材料强度不足,且接缝过厚;把大块的石头置于墙体顶部,造成墙体头重脚轻。

五、农村石砌结构房屋最常见、最普遍存在的抗震不利现象:

(1)石砌墙体整体性与稳定性差

现存石砌结构农居所用石材与砌筑方式五花八门。有用规整条石或料石垒砌、有用稍经加工的块石堆砌、也有用未经任何加工的乱毛石或河卵石浆砌的,条石墙体多数采用干砌垫片甩浆法砌筑,而不规整的块石、毛石或卵石墙体则多用座浆法。加上墙体开门窗洞口等原因,造成石砌墙体的整体性差。

此外,由于部分石砌墙体无设置圈梁,顶部与中部缺乏必要的横向连接,墙体高宽比偏大,稳定性差。

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毛石砌筑墙体稳定性差

(2)石砌结构房屋连接性能差

现有石砌结构房屋的楼板多数是采用条石板材铺设,石板跨度较大、其与墙体搭接长度有限、且无有效的固定措施;墙体与墙体之间也无有效的连接措施,甚至存在纵横墙采用不同的材料、分别砌筑的方式,因此石砌结构房屋的整体刚度较差。

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墙体材料不同且分别砌筑,墙体及楼板间连接差

(3)材料本身抗拉性能差

石材本身存在抗拉性能低的特点。我省现存石砌结构房屋中楼板、阳台挑梁、楼梯踏板等受拉或受弯构件多数仍然使用石材,而且跨度都较大,在突发荷载作用下有发生突然断裂的危险。

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石挑梁及石楼板

(4)上下结构类型不一致

我省部分农村民居在原有一层的石砌结构房屋上加建二、三层,加建的房屋结构类型采用局部带框架柱的现浇砖混结构、或是空斗墙体结构。而且加建的房屋直接在原有的石楼板和石梁上施工,二层混凝土柱体与底层石梁石板间未采取任何连接措施,其荷载也直接作用在底层石结构上,增加了石梁的荷载;此外加层的石砌结构房屋因上下结构类型不一致,上下刚度差别较大,其变形也不协调,在地震作用下,可能出现严重破坏。

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一层石砌结构,二、三层加建砖混结构

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一层石砌结构,二层加建砖混结构

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一层石砌结构,二层为空斗墙砌体结构

六、石砌结构农居墙体抗震性能研究:

(1)验算过程

对福建农村典型类型一、二层石砌结构农居墙体进行抗震验算,仅考虑水平地震作用,结合实际调查结果和《中国地震动参数区划图(GB 18306-2001)》,地震峰值加速度分别取0.05g、0.10g、0.15g、0.20g,墙体厚度分别取0.20m、0.24m、0.30m、0.35m、0.40m、0.45m,砌体砂浆强度等级分别取M0.4、M1、M2.5。计算过程参照《镇(乡)村建筑抗震技术规程(JGJ161-2008)》。

(2)计算结果分析

①、石砌结构房屋若达到抗震构造措施及施工要求的情况下,位于0.05g区(6度区)和0.10g区(7度区)的一、二层石砌结构农居墙体尚能满足抗震性能要求;

②、石砌结构房屋即使达到抗震构造措施及施工要求的情况下,位于0.15g区(7度区)和0.20g区(8度区)的一、二层石砌结构农居墙体仍不能满足抗震性能要求。

③、根据调查结果,农村石砌结构民居主要分布我省地震基本烈度Ⅶ度区(7度区),大多石砌结构房屋采用“无坐浆、加垫片、后勾缝”的砌筑方法建造的,达不到《镇(乡)村建筑抗震技术规程(JGJ161-2008)》施工要求,其砌筑砂浆强度可能低于M0.4级别;且房屋结构普遍存在没有抗震构造措施和抗震不利缺陷的情况下,认为目前多数农村石砌结构民居难以满足地震基本烈度Ⅶ度抗震设防要求。

七、提高石结构房屋的抗震能力,应当遵循以下基本原则:

(1)确保砂浆的强度,是石结构抗震能力最为关键的因素,同时正确的砌筑方法也是保证墙体抗震的主要因素之一。

(2)石房屋的地基应该夯实,砌筑石基础。

(3)房屋的层高和高度越低,结构的稳定性越好。多层石房屋的层高不宜超过3m,总高度和层数不宜超过表1中的规定。单层石房屋的屋檐高度不宜超过3.2m。

(4)多设横墙,以横墙承重为主。

(5)楼盖和屋盖宜采用现浇钢筋混凝土板或者装配整体式钢筋混凝土板。单层石房屋也可以采用木盖板。

(6)在多层石房屋外墙四角和内外墙交接处,应设置钢筋混凝土构造柱。

(7)纵横墙上均应设置钢筋混凝土圈梁。

(8)在抗震设防烈度9度和9度以上地区,不提倡建筑石房屋。
 
八、“九五”期间闽南石结构抗震实验研究及抗震示范房的建造

1991年,福建省建研所、泉州市抗震办公室与中国建筑科学研究院抗震研究所等科研单位针对福建沿海地区传统有垫片料石墙体建筑的石结构房屋抗震性能,通过二百多片石墙体抗震剪切静力试验、两个单层单开间足尺模型模拟地震的振动台动力试验和一幢三层三开间足尺模型拟静力抗震动力试验,系统地研究了石结构房屋在地震作用下的基本振型、周期;检验了砌石房屋震害特征、抗震能力和加固效果。分析了遭受地震时房屋所具有的变形能力和耗能能力;发现了有垫片料石墙体灰缝薄弱环境是石墙体抗震抗剪区别于其他材料砌体不可忽视的重要特征;总结建立起石墙体抗震剪切“两个阶段”的破坏机制;提出了相应五种加固技术措施,从而形成较为完整的石结构房屋墙体抗震抗剪强度与变形分析的力学性能指标与计算依据。

基于以上研究工作,福建省建设委员会于1993年颁布了福建省地方标准《石结构房屋抗震设计规范》(DBJ13211293) 和《石结构房屋抗震鉴定和加固规程》(DBJ13212293) 。同时,相关研究成果也被相继编入国家标准《建筑抗震设计规范》( GB5001122001)“石结构房屋”部分、《砌体结构设计规范》(GB5000322001)“石材的规格尺寸及其强度等级的确定方法”部分,建设部“土石房屋抗震设计与施工建议”等。上述研究成果为闽南地区多层砌石房屋的设计与加固提供了较为全面系统的技术方法。

1997 年,闽南地区综合防震减灾示范工程领导小组将“闽南示范区漳浦石结构抗震示范房建设”列入闽南地区综合防震减灾示范工程内。国家地震局将本项目列入“九五”攻关项目“大中城市防震示范研究”的组成部分,列为专题进行管理。该课题包括了现存石头房抗震能力的试验及抗御6级地震石结构示范房的建造两部分。现存石头房抗震能力的试验由国家地震局工程力学研究所承担,抗震示范房的建造由福建省地震局、漳州市地震局、漳浦县地震办公室承担,并由漳浦县地震办公室负责建设。

国家地震局工程力学研究所的试验工作分为两步:第一步为1997年底完成的现存石结构房屋破坏性试验,试验结果分析表明,闽南地区现有一、二层砌石结构房屋(墙体用无垫片干砌甩浆法砌筑,不设圈梁和构造柱)在6度地震作用下,可保持完好或基本完好状态,房屋个别部位可能产生短小、细微裂缝,但不影响使用功能。在7度地震作用下,房屋底层局部墙体砌缝将开裂,发生轻微到中等程度的损坏,房屋仍可维持使用,但震后应予以修复。在8度地震作用下,房屋一、二层墙体砌缝将大量开裂,裂缝贯通,料石移位,墙体近松散状,抗侧力能力大大下降,处于濒临倒塌的危险状态,已经不能居住,震后需拆除重建。也就是说,现有砌石房屋满足基本烈度7度区的三级抗震设防水准是十分勉强的,在基本烈度8度区是不符合抗震设防要求的,应采取适当可行的措施,改进现有砌石房屋的设计和施工方法。

为探索适用于一、二层砌石房屋经济有效、简易可行的抗震措施,根据前期破坏性试验中发现的问题和抗震薄弱环节,参考已有的抗震经验,将原有试验模型作了进一步改进,开展第二步试验。第二步建设性试验于1998年6月完成,基于改进后砌石房屋试验结果的分析表明:对于一、二层砌石房屋,通过改善墙体砌筑方法、提高砌筑砂浆强度等级、采用现浇钢筋混凝土楼板或预制钢筋混凝土楼板加圈梁,能够有效地提高其抗震能力。在采取以上措施后,即使不设构造柱,房屋亦可满足基本烈度6~8度一般民用建筑的抗震设防要求。

1998年底,全国唯一的一座石结构抗震示范房——闽南示范区漳浦石结构抗震示范房建成,并经实验鉴定和有关专家认可。众多专家学者通过研究这些典型结构的抗震性能和总结地震灾害的经验后认为,尽管石结构房屋相对于其他结构的房屋来说,结构延性和整体性较差,抗剪、抗弯强度较低,抗震防灾性能比较差,在多数情况下震害要比其他结构重,但如果能从场址的选择、结构设计、材料强度、施工质量等方面保证结构抗震的有关因素,则提高石结构的抗震能力,使其在地震中经受住考验或减少震灾损失也是可能的。如在基本烈度为7度的地震区严格地控制石结构高度、层数和砂浆强度等级,并采取相应合理的构造措施是提高多层石结构抗震设施能力的重要保证。利用抗震可靠度的分析方法对结构抗震能力进行合理评定,将是城乡减轻地震灾害工作中的一个十分重要的环节。

九、“十五”期间砖石结构房屋的抗震性能评定

“十五”期间,福建省地震局继续与中国地震局工程力学研究所合作,在总结“九五”经验成果的基础上,开展了“砖石房屋抗震性能评定”工作,又一次涉及石砌房屋的震害工程防御问题,对石砌房屋进行抗震性能评定。

“十五”期间,福建省在城市震害预测的基础上,将全省的乡村列入震害预测、震灾快速评估和辅助决策系统。采用“GDP/ 人口”回归分析法、地震危险性分析法、建筑物震害易损性模型分析法等多种研究手段,运用GPS技术和RS影像解译技术,对乡村房屋进行震害预测和震灾快速评估,并提出震害防御辅助决策建议。

十、结论

根据调查与分析结果,结合前人工作成果,得出结论:

(1)福建农村石砌结构农居建造时不考虑抗震设防,存在抗震不利缺陷;

福建农村石砌结构农居大部分位于7度区(0.10g区或0.15g区),这些房屋基本无抗震构造措施,且施工质量较差,不满足《镇(乡)村建筑抗震技术规程(JGJ 161-2008)》抗震要求,在中强地震作用下具有严重破坏或倒塌的可能;

(2)具有石楼板、石梁和石楼梯的石砌结构农居,不宜继续使用;

(3)采用现浇钢筋混凝土楼屋盖的石砌结构农居,建议针对抗震构造措施进行加固改造后仍可继续使用。