基金项目:广西壮族自治区地震局科研合同制项目资助(2018003)
作者简介:杨钦杰(1982- ),男,硕士研究生,工程师,主要从事地震安全性评价和工程抗震研究。E-mail:738964085@qq.com
(Earthquake Agency of the Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530022,China)
Building;Seismic survey;Seismic performance;Statistical data;PKPM;Earthquake damage prediction
DOI: 10.13512/j.hndz.2021.02.12
通过对钦州市主城区建筑物开展抗震性能普查,摸清了钦州市主城区重要建筑、民用群体建筑和普通民居的抗震性能状况,对建筑物抗震性能进行了分级评定,找出了城市建筑抗震薄弱区。采用PKPM有限元结构分析软件对重要建筑中的砖混结构建筑进行了震害预测分析,最后总结了钦州市主城区建筑物抗震性能存在问题并给出了建议。
Through the seismic performance survey of the buildings in the main urban area of Qinzhou,the seismic performance status of the important buildings,the civil group buildings and the ordinary residential buildings in the main urban area of Qinzhou is found out,the seismic performance of buildings is graded and evaluated,and the weak seismic zone of urban buildings is found. The earthquake damage prediction and analysis of brick-concrete structures in important buildings are carried out by using PKPM finite element analysis software. Finally,the problems in the seismic performance of buildings in the main urban area of Qinzhou are summarized and the countermeasures are given.
钦州市为北部湾经济区重要城市,是全国地震重点监视防御区,境内有防城至灵山、百色至合浦、巴马至博白和北部湾断裂带通过,具备发生破坏性地震的地质构造背景。第五代《中国地震动参数区划图》实施后,钦州市部分地区的抗震设防烈度由6度提高到7度,抗震设防水平大幅提高。为提高钦州市防震减灾能力,保障经济社会稳定发展和人民群众生命财产安全,钦州市实施了建筑物抗震性能普查工作,并对部分建筑进行了震害预测分析。
本次普查工作从收集资料开始到现场工作结束共历时一年时间,工作范围为钦州市建筑密集的主城区:西起钦防铁路沿线,东至325国道,北到城北市场,南至金海湾大道沿线,大致呈三角形的区域(红线内),面积约80 km2,如图1所示:
根据《建筑抗震鉴定标准》等规范[1-3],本次普查的对象分为重要建筑和民用建筑。重要建筑包括防灾救灾建筑、医疗卫生建筑、教育设施建筑、基础设施建筑、文化体育建筑;民用建筑包括300户以上住宅小区、80 m以上高层建筑、厂房等群体性建筑和普通民居建筑等。普查期间共调查建筑物约3万栋,其中详细调查建筑物2614栋,基本做到了重要建筑和民用建筑全覆盖。进行详细调查的建筑物数量统计见表1。
重要建筑和民用群体建筑普查采用建筑抗震能力快速判定方法[4],分信息采集阶段、评价阶段开展。信息采集阶段识别出建筑基本属性信息(建筑年代、建筑结构类型、抗震设防烈度、建筑面积、高度、层数、建筑用途、建筑照片)和快速找出抗震薄弱环节,要完成建筑基本属性信息,填写登记表和拍摄建筑外观照片。评价阶段首先根据建筑基本属性信息给出建筑的抗震性能基本评级,然后根据识别出的抗震不利因素或有利因素,进行评级修正,并最终确定评定等级。对于量大面广的普通民居建筑,通过现场宏观调查判定其抗震性能。
建筑物按抗震性能现状,分类为A、B、C、D四个等级:“A”类为建造年代新(2000年以后)、房屋现状完好、结构形式利于抗震;“B”类为建造年代较新(上世纪90年代)、结构形式较利于抗震、抗震性能处于城区建筑中等水平;“C”类为建造年代较久(上世纪80年代)、结构形式不利于抗震、抗震性能差;“D”类为建造年代久(上世纪80年代以前)、结构形式不利于抗震、目前已处于危房阶段。
实地调查的重要建筑共488栋,总面积达2 208 754 m2。根据实际调查数据统计得出的各年代建筑的数量和相应的建筑面积及所占比例见表2和图2。由表2和图2可知,调查建筑年代越新,所占比例越大,1980年以前和80年代建筑所占比例极少,90年代比例有所增加,但依然不足10%,2010年以后建筑比例最大。
将不同建设年代的重要建筑从建筑层数、抗震设防烈度、结构类型、完好程度、薄弱环节、抗震性能分级等方面进行比较分析,不同方面的建筑面积及所占比例见表3~8。
由表3可知,在建筑层数方面,1980年以前建筑绝大多数不超过3层;80年代时建筑大部分为4~6层,所占比例达到68.7%;90年代时出现7层以上建筑,比例占到总面积的三分之一; 7层以上建筑在2000年代时达到最大,并超过4~6层建筑所占比例;2010年以后4~6层建筑占比持续降低。
由表4可知,在设防烈度方面,随年代增加,不设防比例逐步降低,到90年代时不设防情况已基本消失;6度设防在80年代开始出现,90年代时达到最大(98.6%);7度设防在2000年代开始出现,2010年以后所占比例达到三分之二。
由表5可知,在建筑结构方面,1980年以前,砖混结构所占比例约为三分之一,由于有大面积的文物建筑存在,其它结构(砖木结构)比例约占三分之二;80年代,砖混结构所占比例达到最大(56.4%),框架结构开始大量出现;从90年代起框架结构所占比例逐步提升,到2010年以后达到最大(99.4%),砖混结构基本消失。
由表6可知,在建筑完好度方面,从1980年以前开始,一直到2010年以后,完好的比例逐步提高,基本完好和局部破损的比例逐步降低。
由表7可知,在建筑薄弱环节方面,薄弱环节主要集中在顶部突出、平面不规则和底层开洞等方面,同一栋建筑这几个方面往往交叉出现;顶部突出现象随着年代的增加呈逐步增加的态势,主要是建筑开始追求形状的多样化所致。
由表8可知,在抗震性能分级方面,1980年以前,C类建筑占绝大部分,B类建筑很少;80年代的建筑全部为B类;90年代的建筑绝大部分是B类,A类开始出现;2000年代时,A类建筑占绝大部分,B类为少数;2010年以后,A类建筑占绝大部分。
总之,从整体上看,重要建筑年代较新,随着时代的发展,建筑物的各个方面都向着有利抗震的方向发展。
民用建筑普查期间共详细调查群体性民用建筑150处,2126栋建筑。各年代建筑的数量及所占比例见表9,建筑的设防烈度、结构类型、评价等级统计比例见表 10。
由表9可知,在建设年代方面,90年代及以前建筑所占比例极少,从80年代开始,调查建筑年代越新,所占比例越大,至2010年以后达到比例最大值(67.0%),建筑总体较新。
由表 10可知,在设防烈度方面,7度设防建筑的比例极低,6度设防比例最大,占绝大多数(93.9%),整体设防比例接近95%;在结构类型方面,框架结构比例最大,占大多数(77.5%),其次为砖混结构(22.1%),对抗震有利的框架结构占大多数;在抗震性能等级方面,A类建筑比例最大,占大多数(72.7%),其次为B类,C类占极少数(5.8%),无D类。从整体上看,群体性建筑年代较新,设防情况较好,建筑物的抗震性能总体较好。
对于量大面广的普通民居建筑,调查发现其抗震性能主要分布于B和C之间,B类约占总面积的70%,C和D类约占30%。C和D类建筑主要分布于城市老城区,这些建筑物普遍建设年代较早,结构形式大多是单层或多层的砖木结构和砖混结构,且无圈梁和构造柱等抗震措施,抗震性能较差,是城市抗震的薄弱区。
为了能够更为直观的研究钦州市建筑物的抗震性能状况,本文选取了对抗震救灾或维持城市功能有重要作用的重要建筑进行震害预测分析。在结构类型上选择了建设年代较旧、数量较多、抗震性能相对较弱的砖混结构进行震害预测分析。
国内外专家学者对建筑物震害预测方法进行了大量研究[5],形成了历史震害统计法、模糊类比法等方法。我国专家学者也对震害预测的应用进行了有益探索[6-8]。本文采用《建筑抗震鉴定标准(GB50023-2009)》规定的“两级鉴定,综合评定”的方法对多层砌体结构进行抗震能力评估,再利用结构理论计算法[9]对建筑物在不同烈度下的震害进行预测。
表 11 楼层综合抗震能力指数与震害等级的关系
Table 11 Relationship between comprehensive seismic capacity index of floors and earthquake damage grade
首先根据建筑物的竣工图纸资料,读取结构的实际详细设计信息,包括建筑物结构构件的布置情况、截面尺寸、材料强度、承重构件配筋情况、配筋信息、荷载分布情况等。其次进行一级鉴定,主要包括建筑总高度和层数层高,建筑结构体系平立面的规则性,体系抗震薄弱环节,承重构件截面尺寸,构件连接和支撑情况,非结构构件布置情况,材料强度,地基类型和基础形式等,根据核查的情况确定结构的体系影响系数和局部影响系数。再次进行二级鉴定,即采用PKPM有限元软件按照结构的实际设计方案建立三维计算模型,计算综合抗震能力指数。最后根据两级鉴定的结果确定结构可能发生的震害等级。
砖混砌体结构的楼层综合抗震能力指数与震害破坏等级之间的关系[10]见表 11。
钦州市某学校教学楼,如图3所示,本工程为地上三层,建设于1978年。层高:3 m,结构型式为砖混结构,现浇钢筋混凝土楼板,楼板厚为100 mm。地区抗震设防烈度为7度(0.10 g),设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。抗震设防类别为丙类,基本风压为0.3 kN/m2。墙厚240 mm,砂浆M10,普通砖MU10,混凝土强度等级为C20。
采用PKPM2010-V4.3系列程序中“鉴定加固”模块计算,以综合抗震能力指数为判断指标,结果计算见表 12:
计算模型如下:
重要建筑中的其它砖混结构建筑在不同烈度下震害矩阵如表 13所示,由表可知,砖混结构建筑在7度烈度时大部分达到中等破坏,在8度烈度时大部分达到严重破坏,而且建设年代越久,破坏越严重,建设年代对建筑物抗震性能的影响很大。
(1)重要建筑和民用群体建筑总体抗震性能较好。重要建筑中A类和B类建筑占比达98.4%,其中A类建筑占比高达85.5%;民用群体建筑中A类和B类建筑占比达94.2%。
(2)建设年代越近,设防情况越好。重要建筑中6度设防比例从80年代的37.5%提高到2000年代的95.7%,7度设防比例也从2000年代的4.2%提高到2010年以后的66.1%。
(3)城市老城区和城中村是建筑抗震薄弱区。调查中的C和D类建筑主要分布于城市老城区和城中村,这些建筑物普遍建设年代较早,结构形式大多是单层或多层的砌体结构和砖木结构,且无圈梁和构造柱等抗震措施,是城市建筑抗震薄弱区。
(1)对于重要建筑,应按照《中华人民共和国防震减灾法》有关规定对未采取抗震设防措施或者抗震设防措施未达到抗震设防要求的相关重要建筑进行抗震性能鉴定,并采取必要的抗震加固措施。对于使用年限已接近设计年限的,应优先考虑拆除重建;对教育设施、医疗卫生类建筑应特别重视,应按照重点设防类要求优先进行抗震鉴定和加固改造,提高其综合抗震能力。
(2)对于民用群体建筑,不符合抗震设防要求的民用建筑物的抗震鉴定及加固改造一般在重点建筑之后开展,可随城区改造计划一并实施,且宜结合民用建筑的修缮、改造进行,对于使用年限已接近设计年限、经济上无价值的建筑物应优先考虑拆除重建。建筑物加固时应充分考虑建筑物的抗震安全性,同时兼顾其使用性和经济性要求。
(3)对于普通民居,建议按照目前的“城中村”改造模式逐年对规划区内的城中村建筑进行全面改造。若属于建设年代较早的老旧房屋,建议全面拆除;对于优秀历史建筑,均应进行抗震鉴定,并按照不低于重点设防类的要求进行抗震加固,把保护和加固统一起来。
(4)对于新建建筑,抗震设防应严格执行《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50233-2008)及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(2016年版)对应设防要求的规定和有关技术标准、规程要求。重要建筑及生命线工程应按照《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50233-2008)要求,采取相应提高抗震能力的措施。特别重要的建设工程应按照《中华人民共和国防震减灾法》有关规定进行地震安全性评价。
(5)在抗震设防标准变动方面,虽然防震减灾法没有对未达到现行抗震设防要求的建设工程强制要求进行抗震加固,但随着我国经济实力的增强,国家地震安全能力的需求不断提升,对达到当时抗震设防要求但未达到现行抗震设防要求的建设工程可根据钦州市实际情况,在今后的一定时期内有计划地开展抗震加固工作,对重要建设工程应优先开展,对于其他建设工程也应逐步开展抗震加固工作。