冯伟栋，曹均锋，彭刘亚，解惠婷 （安徽省地震局，安徽合肥230031）
1 引言
地处淮河以北的安徽宿州、淮北、蚌埠、亳州、阜阳、淮南等六市构成的皖北地区，总面积约3.92万km2，东靠江苏，西连河南，北望山东。地势以平原为主，是安徽省唯一的一带一路经过地区。皖北地区地震地质环境复杂，著名的郯庐断裂带呈北北东走向斜贯该地区，是安徽省最具地震危险性的地区之一，其地震活动震级和频次在全省属于中等偏上水平。该地区历史上共发生Ms6级地震2 次，Ms5～Ms6 级地震 5 次，Ms43/4级地震3次，区域最大地震为1831年安徽凤台东北Ms6级地震，全省最近的1次Ms5级以上地震为发生在1979年固镇连城的Ms5级地震（图1）。根据第五代《中国地震动参数区划图》[1]，皖北地区五河县、泗县地震动峰值加速度值为0.15g，部分乡镇达0.20g，为全省最高；其他区域地震动峰值加速度为0.05g～0.10g。
2015年3月14日，皖北地区阜阳市颍泉区发生Ms4.3级地震，震源深度10km，震中附近民居普遍出现屋顶落瓦、围墙倒塌，部分老旧房屋开裂，承重墙体出现X形剪切裂缝，相当数量砖混楼房装饰构件“罗马柱”被震落，地震造成2人死亡，十余人受伤，具有典型“小震大灾”的特点，图2为阜阳地震烈度分布。
图1 皖北主要行政区划范围
图2 阜阳地震烈度分布图
为深入了解皖北地区农村民居的抗震设防现状，安徽省地震局组织相关专业人员对皖北地区开展专项民居抗震设防调研，具体内容是选取皖北地区有代表性的自然村作为抽样点，对抽样点民居进行详细调查。重点通过实地勘察、现场仪器检测和抽样调查访谈等方式，对房屋抗震能力进行综合评估，并对主要建筑类型民居进行震害预测，以评价该皖北地区典型民居震害程度，预测该地区未来的建筑震害程度及分布。
2 抽样调查样本选取
根据现场震害的分布情况，抽样调查从宿州市泗县、萧县及埇桥区，亳州市蒙城县，淮北市濉溪县，阜阳市颍泉区，蚌埠市固镇县、五河县，按照20%～30%的比例，对民用房屋及公共建筑进行调查，具体抽样自然村调查点如图1所示。按照以往震害经验提取的震害影响因素，从民居的建设年代、结构类型、构造措施、建筑材料及抗震设防等方面，对房屋抗震能力进行细致实地考察，并汇总所调查建筑物抗震不利表现，填写现场调查表。
初步调查结果显示，皖北地区农村民居建筑物类型主要包括砖混结构、砖木结构及框架结构，其中，砖混结构房屋数量占绝大多数，比例大约为74%，而砖木结构和框架结构分别为22%和4%，所占比例较低。这与皖北地区多数是农村人口，经济基础相对薄弱等因素有着直接的关系。砖混结构民居以2～3层为主，多采用24cm砖墙砌筑，小部分房屋结构布置较为合理，有完整的圈梁和构造柱等构造措施，抗震能力较高，屋盖分预制板与现浇板两种形式。根据调查结果显示，砖木结构民居建设年代较早，多建于上世纪80～90年代，部分民居建造年代甚至更久，大部分采用条石地基，使用木结构作为承重梁，屋顶铺设木板、苇草或预制块加盖瓦，泥土砂浆作为胶结物，抗震性能较差；框架结构房屋大多为新建房屋，抗侧构件和设防体系较多，绝大多数都包含圈梁和构造柱这些抗震构造措施，因此抗震性能较好，但数量较少，另有少量土木结构房屋，抗震性能很差，基本已不作人员居住使用。
对大约800户样本进行统计分析可得，皖北抽样点民居各结构类型分布比例如表1和图3所示，统计数据显示砖混结构数量超过民居总量50%，最高达80%左右，其次为砖木结构，约占20%～40%，框架结构较少，大约占总数量4%。
民居结构类型分布比例 表1
图3 民居结构类型分布图
3 皖北农村民居抗震薄弱环节分析
调查显示，皖北农居建设缺乏统一规划和正规的抗震设计，大多凭经验或简单参照周边房屋建设，同时，受经济能力所限，圈梁构造柱等必要的抗震构造措施仍未普遍设置；皖北农居建设缺乏统一规划和正规的抗震设计，大多凭经验或简单参照周边房屋建设。同时，受地质条件所限，土层场地地震时，易发生软土震陷和砂土液化等地基失效问题；受经济能力所限，圈梁构造柱等必要的抗震构造措施仍未普遍设置，且房屋结构布置十分不合理，极容易发生倒塌现象；受施工工艺所限，建筑材料和施工质量水平低下。总体上看，皖北农居房屋抗侧构件少，设防体系单一，抗震能力薄弱，处于抗震高风险状态，民居抗震性能远远低于现行国家抗震的标准要求，存在各种安全隐患。
3.1 地基及基础
皖北地区绝大部分为平原，仅涉及少部分山地，同时又位于郯庐断裂带中南段附近，极为复杂的地质条件，使得皖北大部分地区属于VII度（0.10g）以上抗震设防区，如果遭受震级较大的地震时，坐落在郯庐断裂带上及其附近的建筑结构，往往会由于断层的错动而瞬间倒塌，造成难以估量的损失。此外，皖北地区大量民居建造时，未进行场地土层勘察，由于场地内淤泥软弱土、可液化土的存在，地震时易发生软土震陷和砂土液化等地基失效问题，从而导致房屋上部结构严重损坏。
基于天然地基上的浅基础造价低廉、施工方便、施工速度快等优点，皖北地区民居普遍采用天然浅基础，埋深多在0.6m～1.5m范围内。且砖混结构房屋基础绝大多数是砖砌墙下的条形基础，多采用土坯、黏土砖和毛石进行建造，基底一般仅铺夯实砂垫层。皖北地区很多年代较为久远的民居未设置地圈梁，且部分基础出现腐蚀、剥落等现象，房屋抗震承载力水平较低；而皖北地区2000年以后建造的民居，普遍都设置了地圈梁，极大地增强了建筑结构的整体性和抗震承载力。
图4 开通窗取消外纵墙
图5 承重墙竖向不连续
图6 房屋整体布局不合理造成破坏
3.2 结构布置
皖北地区农村房屋结构布置不合理情况非常普遍，结构不对称，平面和竖向布置不规则；纵横墙间连接薄弱，构造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封闭等，地震时地震力传力路径不明确。具体表现为：平面上承重墙体布置不对称，楼梯设置在房屋的转角和端部，导致房屋的刚心偏移，地震作用下极其容易造成结构扭转性破坏，严重者甚至导致整个结构的倒塌。其次，农居建筑为了追求通风、采光带而大面积开窗甚至取消纵墙与门窗洞口两侧的构造柱，极大地削弱了墙体的抗震承载力。农居为开通窗取消外纵墙，见图4所示，农居承重墙竖向不连续，见图5所示，为房屋整体布局不合理在地震中造成的破坏情况，见图6所示。
3.3 承重墙体
通过走访调查，皖北地区砖木和砖混结构房屋大多采用横墙承重结构体系，墙体内基本不设置拉结筋，门窗洞边窗间墙的宽度远小于设计规范的限值要求，窗间墙、窗端墙宽度过小，从而导致墙体的抗剪强度不足，结构圈梁、构造柱等措施缺失或不足，一系列因素都会造成地震作用下砖墙容易产生剪切破坏甚至倒塌。图7为阜阳4.3级地震造成墙体X形裂缝及水平裂缝。
皖北地区很多民居建筑仍存在空斗墙砌筑方式，且未按规范要求砌筑。历次震害经验表明[2]：空斗墙侧砌的“斗砖”和平砌的“眠砖”仅靠少许砂浆连接，墙体抗剪、抗弯能力极差，在地震作用下容易出现斜裂缝、X形裂缝和水平裂缝，且大多数空斗墙的纵横墙交接处，没有采用实心砌法或采取其他拉接措施，纵横墙交接处连接薄弱，墙体在纵横墙交接处开裂，导致墙体开裂甚至房屋倒塌。
图7 墙体裂缝
3.4 楼（屋）盖
皖北地区民居主要采用现浇板、预制空心板和木屋盖3种楼（屋）盖结构形式。砖木和砖混结构房屋常采用三角形木屋架、硬山搁檩形式屋盖，其和墙体之间缺乏有效的锚固措施，抗震能力不足，地震作用下容易造成山墙外闪和屋架塌落，图8所示为泗县泗城镇大吴村木屋架上铺预制板块盖瓦，存在较大安全隐患。
砖混结构民居还有一定比例采用预制空心楼板的无盖结构形式。2000年以后，皖北地区建设的砖混房屋预制楼板的屋盖结构比例降低，基本采用60mm～80mm厚现浇板。但是，为节省建筑成本，底层和中间层仍使用预制板的情况并不少见，预制板和墙体及预制板之间缺少可靠连接，一般直接搭在板端的墙或梁上，支承长度仅有80mm～90mm，且板端的钢筋无搭接，板间缝隙大多无混凝土连接，楼盖的整体性差，遭遇稍强地震作用，预制板极易出现开裂、瞬间垮塌等严重震害，造成人员伤亡，图9所示为阜阳地震中预制楼板出现裂缝。
图8 砖木房屋预制板屋盖
图9 阜阳地震造成预制楼板开裂
3.5 构造措施
大量研究表明[3]，在地震灾害中，房屋内的圈梁与构造柱往往发挥极大的作用，能够有效抵抗地震力。因此合理设置圈梁和构造柱，梁、柱的协同工作，可以有效改善房屋的变形性能，增强砌体结构房屋的整体性，并可提高侧向刚度，从而提高结构的抗震承载能力。因此，合理的圈梁和构造柱设置是减少砖混房屋地震破坏的最有效构造措施。调查显示，在皖北泗县、五河等高烈度区，70%以上的新建房屋均设置圈梁和构造柱，但在设置过程中还存在设置位置不规范的问题，例如仅设圈梁、无构造柱，或圈梁和构造柱不延伸到顶层，或屋盖处未设置圈梁和构造柱等，这些构造措施设置不足之处，都是将来地震作用下结构发生破坏，甚至倒塌的隐患。
3.6 附属结构
皖北农村砖混结构民居普遍存在在楼、屋顶安装预制瓷瓶护栏（“罗马柱”）的习惯，且与楼屋面缺乏有效连接，仅通过铺设一层砂浆简易安装，缺乏有效固结措施，即便该地区发生不到5级的中小地震，房屋主体结构基本完好，轻微地晃动也能造成此类装饰构件的跌落，在地震时极易造成坠落伤人，存在较大安全隐患，容易造成小震大灾。2015年3月14日阜阳4.3级地震造成2人死亡，十多人受伤，均由地震时屋顶装饰构件晃动跌落砸中造成，图10所示为该次地震时，震中伍明村民居附属结构破坏情况。
图10 屋顶装饰构建破坏
3.7 建筑材料及施工质量
调查结果显示，皖北地区民居建筑材料以旧砖、新旧砖混合为主，墙体抗压强度低；早期房屋采用粘土砂浆或石灰砂浆，粘结能力差，抗剪强度低。同时，农村建材市场劣质水泥、钢筋等建筑材料充斥，也直接影响房屋的安全性。此外，民居房屋大多施工质量差，农村施工匠人未经专业技术培训，很多施工人员凭经验施工，且施工技术水平参差不齐，直接影响房屋抗震性能。影响抗震性能的施工问题主要包括：墙体组砌方法不当，纵横墙交接处没有咬槎砌筑，灰缝砂浆饱满度不够，砌筑砂浆和混凝土的配合比不当，致使其粘结性和强度均较差，圈梁与构造柱设置方式不当，预制空心板和墙体连接性差等。这些施工质量问题都会导致房屋结构抗震承载力降低，地震来临时造成严重的安全隐患。
4 震害预测
结合皖北地区历史地震震害资料，尤其是近年来发生破坏性地震造成的震害现场调查成果，以及皖北地区民居结构类型及特点，对皖北地区分布较为普遍的砖混和砖木房屋，未来遭遇破坏性地震时，可能发生的震害进行分析预测，评估其可能的破坏方式及破坏程度，以及可能造成的地震损失，为针对性地开展房屋抗震加固及新建房屋时提供参考。
4.1 震害预测方法
目前，砖砌体房屋震害预测方法，主要包括震害经验判断法[4]，经验与理论结合的半经验判断法[5]，以及模糊类比法[6]等3类。
考虑到皖北地区民居基本为自建砖混和砖木房屋，本次震害预测主要采用尹之潜等[7]提出的砖混结构震害预测方法，该方法假设在地震作用下，砖混结构房屋主要由墙体承担地震荷载，利用楼层单位面积的平均折算抗剪强度获取砖结构房屋抗震能力指标，结合各种不利抗震因素，并用该方法提供的震害指数修正系数，考虑农村民居施工质量和抗震构造措施，普遍达不到规范要求的情况。其计算式如下：
式中Ri为第i楼层单位面积折算平均抗剪强度；Ki为第i层单位面积平均抗剪强度折算系数；Pi为第i楼层墙体抗剪强度；Fj为第i楼层第j片墙断面积；Si为第i楼层平面面积。
4.2 震害预测结果
皖北地区基本设防烈度为Ⅵ～Ⅷ度，根据调查结果，民居中大多数为砖混结构和砖木结构，本次根据泗县、萧县、蒙城、固镇四县调查得出的民居结构特征，对所调查砖混和砖木结构民居进行震害预测，分析其在Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ度烈度下的抗震性能，得到砖混和砖木民居的震害矩阵，如表2和表3所示。
砖混结构民居震害矩阵 表2
砖木结构民居震害矩阵 表3
震害矩阵结果表明，各抽样点民居破坏比例分布基本一致，在地震烈度为0.05g时，砖混和砖木结构民居大部分表现为基本完好和轻微破坏，少数中等破坏，个别出现严重破坏，无毁坏现象；在地震烈度为0.10g时，轻微破坏和中等破坏比例上升，砖木民居中等破坏比例稍高，个别出现毁坏现象；在地震烈度为0.20g时，中等破坏和严重破坏比例超50%，砖木民居破坏比例高于砖混民居，毁坏比例砖混民居约5%、砖木民居约10%。
5 对策及建议
皖北地区地震地质环境复杂，大量农村民居缺乏有效抗震措施，抗震防灾能力薄弱。本文基于皖北农居现场调查，开展了不同类型农居结构抗震能力分析，进而对皖北地区农村民居的抗震性能进行评估。具体针对皖北地区典型农村民居的建设年代、结构类型、构造措施、施工方式、建筑材料及抗震设防等各方面进行定性的分析，并指出了影响农村民居抗震能力的薄弱环节，并对该地区农村民居进行了震害预测，结果表明，皖北地区农村民居整体质量较差，房屋抗震承载力令人堪忧。
根据皖北地区农居抗震设防调查的现状，以及震害预测的相关结果，可以考虑从以下几个方面加强民居抗震设防工作[8]，以全面提高农村民居抗御地震灾害风险的能力。
①政府要加强农村房屋抗震知识的宣传和普及工作，引导其合理设置承重墙体、门窗等，尽量避免结构布置不对称，平面和竖向布置不规则；纵横墙间连接薄弱，构造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封闭等；进行合理的建筑场地选择，尽量抗震不利的危险场地。
②对农村建筑施工匠人进行建筑施工工艺科普，对农居抗震技术进行重点培训，并结合当地习惯和国家规范，给建筑工人提供简单易懂的标准图集，从而提高皖北地区农村建筑工人的施工技术和房屋质量。
③政府要加强农村建材市场规范与整顿。建设、工商、质检等多个部门应加强协同工作，共同监管，杜绝伪劣建材，尤其是水泥钢筋等流入市场。并加大农村房屋抗震设防资金的投入，这样才可以从根本上杜绝劣质建造材料的出现，提高房屋的建筑材料品质。
④政府应当加快推进皖北地区民居房屋抗震性能普查和鉴定，并对不合格的房屋建筑进行抗震加固和维修，抗震承载力较低的房屋建筑，应立即拆除，确保每户房屋建筑都有安全可靠地抗震构造措施。
⑤在皖北地区经济较为发达的农村建设抗震安全示范点，并建立抗震安全技术服务体系，通过示范点，促使广大群众自觉去建设抗震承载力高的安全农居。
⑥政府对农民建设抗震安全房要从政策和资金上给予扶持，给予农民施工建设上的技术指导，切实解决皖北地区农村房屋抗震承载力低的问题。
