2013年木里、鹽源交界地震震中區(qū)建筑物抗震性能分析

褚孝遠，戴仕貴，劉玉法

(四川省地震局，四川 成都 610041)

2013年11月22日，木里、鹽源交界處先后發(fā)生了Ms3.4、Ms4.1及Ms3.7級3次地震，震中位于涼山州木里縣項腳蒙古族自治鄉(xiāng)境內(nèi)，地理位置為27.9°N，103.4°E，震源深度分別為8 km，13 km和9 km，屬于淺源地震。當?shù)卣鸶休^為強烈，有感范圍西達木里縣城(震中距13 km)，東至錦屏電站(震中距38 km)。眾所周知，房屋的抗震性能問題一直是地震易發(fā)區(qū)防災減災工作中房屋安全的主要問題?？v觀世界上眾多地震災害中，房屋破壞是造成人員傷亡及財產(chǎn)損失的主要方式［1-2］，因此，居住房屋的抗震性能問題再強調(diào)都不為過。本文在現(xiàn)場調(diào)查的基礎上，通過對震中區(qū)房屋破壞情況的詳細調(diào)查，給出了本次地震序列的地震烈度圖，并分析了震區(qū)內(nèi)主要建筑物的震害特點。

1 地震地質(zhì)背景

3次地震的震中位于木里弧形構造帶內(nèi)(參見圖1)，該區(qū)域中的斷裂帶包括博科斷裂、光頭山斷裂、后所斷裂及小金河斷裂，斷裂具逆沖性質(zhì)，斷裂活動性研究顯示其最新活動時代為中更新世。歷史上記錄的1955年4.7級地震及1980年5.8級破壞性地震發(fā)生在該斷裂帶的西段。震區(qū)地貌上表現(xiàn)為典型的高山峽谷地貌，谷底高程一般為2 100 m，山頂高程一般為3 700 m，相對高差超過1 000 m。小金河在震區(qū)以南自西向東展布，震區(qū)以東約38 km處為錦屏大壩壩址，目前處于蓄水狀態(tài)。

圖1 震區(qū)地震構造圖

2 建筑物類型

震中區(qū)位于四川省偏遠的山區(qū)，距離木里縣城約3個小時的車程。這一地區(qū)建筑結構較為單一，按照建筑材料的不同，震中區(qū)建筑可以分為夯土墻結構、木結構及土木結構，大部分建筑為夯土墻結構，約占80%，其次為土木結構，占18%左右，后為木結構，約占2%，各種結構所占比例如圖2所示。

2.1 土木結構

土木結構建筑形式(參見圖3a)與川西藏式建筑物類似，占調(diào)查總數(shù)的18%左右。基礎一般為經(jīng)過簡單壓實的碎石，墻體為夯土墻，夯土墻厚度一般30 cm。房屋的上部用經(jīng)過加工的木材拼接而成，木板厚度一般視采用的木材半徑而定，一般為5 cm，屋頂采用傳統(tǒng)的木桁架—小青瓦結構。

圖2 震中區(qū)建筑結構組成

2.2 夯土墻結構

夯土墻結構(參見圖3b)為震區(qū)的主要房屋結構形式，不論是彝族房屋還是蒙古族房屋，大多采用此類結構，約占調(diào)查總數(shù)的80%。該類房屋結構基礎一般經(jīng)過簡單夯實或者半填半挖。墻體一般就地取材，為第四系殘坡積物，碎石含量較大，墻體厚度一般為30 cm，這與當?shù)貧夂蛴嘘P，厚度大的墻體可以抵御極大的溫度差異，滿足保溫需求。該類建筑一般為一到二層高，一層房屋屋頂一般為厚重粘土層屋頂或者木桁架的小青瓦結構。粘土層屋頂與藏式建筑的薩嘎屋頂層類似。如果房屋為二層，屋頂一般為木桁架的小青瓦結構。顯著特點是建筑一般依據(jù)地形而建，底層為牲畜間，頂層住人，這種結構形式與云南地區(qū)的彝族房屋類似。

2.3 木結構

木結構房屋如圖3c所示，房屋整體均為木質(zhì)組成，木質(zhì)為樹木粗加工拼接而成，縱墻與橫墻為榫卯連接。這種結構類似于藏式建筑的木結構，其整體性好，延展性好，質(zhì)量輕。該類建筑占調(diào)查總數(shù)的2%左右，可能是由于保護植被的緣故，大量使用木材受到限制，此類房屋數(shù)量很少。

圖3 震區(qū)三種結構房屋

3 建筑物抗震性能分析

由于災區(qū)地處四川省偏遠高山峽谷區(qū)域，眾多建筑物依山而建，地基沉陷、施工工藝、結構布置不合理，裂縫繼承性發(fā)展等問題突出，故在此次地震中出現(xiàn)較重的破壞。

3.1 地基沉陷

如前所述，災區(qū)許多房屋地基為半挖半填基礎，在地震作用下，填土區(qū)向臨空面發(fā)生不均勻沉降，引起建筑物拉裂。如圖4所示，該點位于項腳組，二層的夯土墻結構房屋建立在山坡上，基礎填土區(qū)順斜坡走向發(fā)生沉降，將墻體貫通性拉裂。

3.2 施工工藝問題

在夯土墻墻體夯筑過程中，先夯筑層未形成臺階狀，而是形成垂直的施工縫，地震過程中沿垂直的施工縫形成裂縫，拉裂墻體(參見圖5a)。圖5b顯示，土木結構的承重木柱直接位于石頭上，一是基礎并未夯實，二是木柱與基石并未連接，這種結構對水平向的地震剪切力幾乎無抵御能力。圖5c顯示，檁木直接放置在夯土墻體內(nèi)，未設置橫向墊木，更易于造成應力集中而對墻體形成壓剪裂縫。

3.3 結構布置不合理

結構物水平向及垂直向的布置合理與否直接影響到結構的抗震性能。一般來講，在同樣的地震荷載下，平面及垂向布置規(guī)則的建筑物抗震性能優(yōu)于不規(guī)則建筑物。如圖4b所示，第二層的建筑物，頂層突出出來，一是容易形成邊稍效應，二是接觸面容易產(chǎn)生碰撞破壞。

3.4 震害疊加問題

震區(qū)主要的地層為砂質(zhì)板巖，是第四系殘坡積層，農(nóng)村自建夯土墻房屋材料就地取材，這種殘坡積層本身力學性質(zhì)差，況且角礫石含量高。由此而夯筑的墻體抗剪、抗拉性能較差。在第一次地震中，房屋易形成豎向裂縫，若再遭遇震群疊加，裂縫則明顯加寬和加長，從而對房屋形成破壞，甚至毀壞整棟房屋(參見圖6a)。

3.5 震區(qū)建筑物的抗震措施分析

(1)水平系桿。如圖6b、c所示，夯土墻體中在某一部位放置水平系桿，有效的增強了墻體的整體性，阻止了豎向裂縫的發(fā)展(參見圖6b)，提高了墻體的抗震性能。圖6c顯示裂縫沿拉結桿接縫處形成，充分顯示水平系桿在地震過程中起到了重要作用。此類方法在藏式建筑中較為常見，尤其在青藏高原腹地及巴基斯坦［3］等中東國家的建筑物中多見。(2)輕質(zhì)屋頂。災區(qū)大多數(shù)屋頂采用木質(zhì)桁架支撐的小青瓦屋頂(參見圖7)，這種屋頂質(zhì)量輕，減輕了房屋的整體質(zhì)量，有效的降低了房屋底層的剪切力，而且也易于與墻體連接，房屋整體性較好，是抗震的有利因素。唐山地震、汶川地震及蘆山地震中，大量的房屋震害表明，輕質(zhì)屋頂更易于抗震。

圖5 災區(qū)建筑施工工藝

圖6 (a)裂縫的繼承性發(fā)展，(b、c)墻體中的水平系桿

圖7 木桁架小青瓦屋頂

3.6 夯土墻結構

(1)豎向裂縫。這是該類建筑物中最為突出的破壞特征(參見圖8b)。該類裂縫形成的主要原因是因為墻體本身的力學性強度不足，加之地基不均勻沉降、施工因素等綜合作用，易于形成豎向裂縫;(2)墻體平面外破壞。在縱墻和橫墻的連接處，由于缺乏有效的連接，在水平地震動作用下，極易造成縱墻外閃(參見圖8a)。

3.7 土木結構和木結構

缺乏整體性。上部木結構未有效地與基礎連接(參見圖8c)，在遭遇更大地震動或者地震動持時時間長時極易形成基礎塌陷。該類建筑在地震中表現(xiàn)很好，未發(fā)現(xiàn)有破壞現(xiàn)象，在歷次地震中均表現(xiàn)令人滿意。如汶川地震和克什米爾地震等［4］。

圖8 災區(qū)結構破壞方式

4 討論和結論

本次調(diào)查點主要集中于木里縣項腳鄉(xiāng)項腳村、羊窩子村及甲一村，房屋的結構類型主要為土木結構、夯土墻結構及木結構，調(diào)查的100戶房屋中，約占80%的房屋產(chǎn)生了不同程度的破壞。調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、砂土液化等地質(zhì)災害現(xiàn)象，未有人員傷亡。按照中國地震烈度評定表，調(diào)查點的地震烈度均為Ⅵ度，如圖9所示，烈度圖呈橢圓形，長軸方向為45°，長軸約為5 km，短軸長度約為3.5 km，面積約為14 km2。值得注意的是本次地震的震中并未出現(xiàn)在我們?nèi)Χǖ牧叶热?nèi)，主要原因是由于災區(qū)村寨分布分散，震中區(qū)附近無建筑物分布，而烈度主要跟人類建(構)筑物有關。本次地震震中附近并無強震臺，使得我們無法獲得地震記錄而進行進一步分析，鑒于災區(qū)的地質(zhì)構造條件及對地震趨勢的進一步研究，建議增設強震臺。本次地震序列中，地震造成的房屋破壞超過了預期，其主要原因是災區(qū)的房屋抗震性能差，在建設過程中，幾乎未考慮抗震因素，而這些偏遠山區(qū)基本上都位于地震多發(fā)地區(qū)，房屋的抗震性能直接關系到人民的生命、財產(chǎn)安全，這無疑是潛在的隱患。加上連續(xù)的小地震發(fā)生，使得地震的疊加效應明顯。在第一次地震中，房屋產(chǎn)生細微裂縫，在第二次、第三次地震中，裂縫進一步繼承性發(fā)展，最終形成貫通墻體的裂縫。還有震區(qū)位于高山峽谷區(qū)，由于民族居住村寨一般都位于高山山坡，由于地貌效應的影響，山體上段的峰值加速度一般會大于山谷，使得震害加重。在歷次地震中，土木、夯土墻結構抗震性能均表現(xiàn)低劣，這種夯土墻結構的房屋一旦產(chǎn)生墻體貫通性裂縫，修復的難度較大，基本屬于毀壞?，F(xiàn)場調(diào)查中，雖然目前大部分房屋并沒有倒塌，但是隨著小震的進一步發(fā)展或者在強降雨等極端天氣下，無疑震害會進一步加重。而木結構顯示了較好的抗震性能，目前的研究顯示木結構可以抵御0.6 g的加速度而保持結構不壞，無疑木結構是一種良好的抗震類型。

通過對災區(qū)的詳細調(diào)查，可以初步得到以下結論:(1)災區(qū)最大烈度為Ⅵ度，面積約為17.5 km2;(2)災區(qū)建筑破壞主要集中于農(nóng)村，夯土墻及土木結構抗震性能差，顯示了極高的結構易損性，而木結構表現(xiàn)良好;(3)結構破壞主要表現(xiàn)為地基不均勻沉降、墻體豎向裂縫、縱墻外閃等，主要原因是由于地基處理不當、結構整體性差、結構布置不合理及施工工藝不規(guī)范等，農(nóng)村房屋的抗震問題仍然是防震減災工作中突出問題。

［1］清華大學，西南交通大學，重慶大學，等.汶川地震建筑震害分析及設計對策［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］Steven L.Kramer.Geotechnical earthquake engineering［M］.USA，prentice-Hall inc.Simon and Schuster/A Viacom Company.1996.

［3］Jitendra K Bothara1 and Kubilay M O Hi?y|lmaz，General observations of building behaviors during the 8thOctober 2005 Pakistan earthquake［J］.Bulletin of the New Zealand society for earthquake engineering.2008.

［4］J.Hans Rainer and Erol Karacabeyli.Performance of wood-frame construction in earthquakes.12WCEE，2000.