调查采用普查和详查相结合的方法,调查技术流程如图2所示,通过普查摸清研究区建筑分布范围、建筑主要结构类型及其比例等基本信息; 通过详查抽取典型建筑实地调查其建构造特点和使用现状(张桂欣,孙柏涛,2010),了解结构抗震性能; 其中,详查区域尽可能覆盖城郊、城中村和新建城区,详查对象覆盖普查所系建筑结构类型。普查和详查各有侧重,其调查结果互为补充。

图2 本文调查方法技术流程图
Fig.2 Technical flow chart of survey method in the study

红塔城区各乡镇基础数据中人口、经济部分源于《红塔年鉴(2021)》(中共玉溪市红塔区党史研究和地方志编纂办公室,2021),各结构类型面积比例源于2021年住建部门城镇房屋统计数据和红塔区地震应急数据库房屋数据。由表1可知,红塔城区建筑结构类型以砖混结构、钢筋混凝土结构为主,砖混结构房屋占比为53.91%、钢筋混凝土结构房屋占比为41.83%、砖木结构房屋占比为3.23%、土木结构房屋占比为1.03%。钢筋混凝土结构房屋主要分布于凤凰街道和玉兴街道; 除前述2个街道外,砖混结构房屋广泛分布于其余6个街道; 北城街道、春和街道有部分土木和砖木房屋。

红塔城区开展实地详查建筑栋数为1 208栋,砖混结构700栋、钢筋混凝土结构254栋、砖木结构169栋、土木结构85栋,各结构类型栋数占比分别为58%、21%、14%和7%。

表1 研究区街道基础数据
Tab.1 Population,GDP and the ratio of building structures in the subdistricts of Hongta District

根据调查结果,红塔城区建筑总体抗震性能较好,但是自建房仍存在抗震加固不完善、结构设计不合理、施工方式不规范等缺陷,从而削弱了房屋的整体抗震性。

从建造年代分析,钢筋混凝土结构为2010年后建造较广的结构类型; 砖混结构为数量最大、建造面最广的结构类型,建造年代跨度最大,从1990年至今均有分布,其中2000年前后建造占比为72%、2010年前后建造占比为22%; 砖木、土木结构多建于20世纪70、80年代或更早。

从抗震设防情况分析,77%的钢筋混凝土结

构、60%的砖混结构房屋为正规设防。其余自建框架结构和砖混结构(图3a)房屋采取了抗震措施,其中自建框架结构多为筏基础,框架结构梁截面宽约为250～300 mm,柱截面为300～400 mm; 自建砖混结构多为条形基础,设有圈梁(截面高不小于120 mm),房屋四角、内外纵墙交接处和楼梯间四角设置构造柱(截面180 mm×240 mm)。土木结构、砖木结构房屋多数为穿斗式木结构(图3b),檩和椽以榫卯结构相连,穿坊将柱子“串联”,整体性好,少数为无任何抗震加固措施的老旧房屋(图3c)。

从结构特点分析,自建框架结构和砖混结构

图3 红塔城区典型结构建筑物图
Fig.3 Typical building structures of Hongta District

房屋多为2～6层,墙厚240 mm,墙面粉饰,开间小、进深深,外观呈瘦高型,楼顶出屋面无构造措施,阳台外挑,沿街建筑底层墙体少且纵墙大面积开窗。木结构房屋木柱浮放于石基上,层数为1～2层,以四榀三间为主,部分为“L”型二坊房或凹字型三坊房,厢房与正房用穿坊连接,多数厢房仅有前后两根落地柱。围护墙多为夯土墙,山尖墙用木板、实心砖或土坯砖砌筑,部分墙体用铁件加固,有墙体歪闪、楼屋盖构件变形的情况。土木、砖木结构房屋用毛石或片石做基础,开间较小,坡屋顶或石棉瓦顶,墙体开裂。

建筑结构易损性指一个区域内某类建筑结构在遭遇Ⅵ～Ⅹ度地震作用时发生某种破坏程度的概率。根据相同区域同类建筑建造方式、结构特征、历史地震震害特征及建筑抗震性能具有相似性的特点,笔者引用云南农居易损性矩阵分区中滇南地区钢筋混凝土框架结构、砖混结构、砖木结构和土木结构易损性矩阵(周洋等,2021)作为红塔城区对应结构类型的易损性矩阵,见表2～5。

表2 钢筋混凝土结构易损性矩阵
Tab.2 Earthquake fragility matrix of the reinforced concrete structure

表3 砖混结构易损性矩阵
Tab.3 Earthquake fragility matrix of the masonry structure

表4 砖木结构易损性矩阵
Tab.4 Earthquake fragility matrix of the brick-wood structure

表5 土木结构易损性矩阵
Tab.5 Earthquake fragility matrix of the mud-wood structure

借鉴《中国地震烈度表》(GB/T 17742—2020)用震害指数定量描述建筑破坏程度的思路,笔者引入建筑抗震能力指数(Seismic Capacity Inde,SCI)定量描述建筑抵御地震作用免遭破坏的能力(张风华等,2004),定义钢筋混凝土结构和砖混结构5个破坏等级(基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏)对应的抗震能力指数分别为1.0、0.8、0.6、0.4和0.2; 土木结构和砖木结构基本完好、破坏和毁坏3个破坏等级对应的抗震能力指数分别为1.0、0.7和0.3。

在遭遇一定地震作用时,某类建筑物的抗震能力是指该建筑物本身抵御其地震破坏的能力,计算公式为:

式中:j表示结构类型(包括土木结构,砖木结构,砖混结构,钢筋混凝土结构); i表示建筑破坏等级(i=1 基本完好,i=2 轻微破坏,i=3 中等破坏,i=4 严重破坏,i=5 毁坏); SC_j表示j类建筑的抗震能力; SCI_ji表示j类建筑发生破坏等级i对应的抗震能力指数; P(i/j,I)表示j类建筑在遭遇烈度为I的地震作用时,发生破坏等级i的概率,即建筑的易损性。

区域群体建筑综合抗震能力是区域各类建筑的抗震能力之和,表示为:

式中:SC表示综合抗震能力,建筑抗震能力是一个介于0～1之间的数值,数值越大,表明抗震能力越好; K_j表示j类建筑的比例。

基于各结构易损性和不同破坏等级对应的抗震能力指数,根据式(1)可计算出不同建筑结构类型遭遇不同烈度的抗震能力(表6),数值越大表明抗震能力越好。

基于表1数据,采用式(2)可计算出红塔城区遭遇不同烈度的综合抗震能力值分别为0.957、0.871、0.751、0.562、0.389,各街道建筑遭遇不同烈度的综合抗震能力值如图4所示。图4中红塔区各街道遭遇同一地震烈度时,研究区同色系颜色由浅到深代表区域建筑综合抗震能力由高到低; 红塔区各街道遭遇不同地震烈度时,颜色由绿到红代表区域综合抗震能力由高到低。

表6 红塔区各结构类型在不同烈度下的抗震能力
Tab.6 Seismic capacity of structures of Hongta District subjected to different seismic intensities

图4 红塔区各街道建筑遭遇Ⅵ～Ⅹ度的综合抗震能力值
Fig.4 Values of comprehensive seismic capacity of buildings in each subdistrict of Hongta District hit by intensity Ⅵ-Ⅹ

从图4可看出,凤凰街道建筑遭遇不同地震烈度下综合抗震能力数值均最高,分别为0.965、0.882、0.775、0.608、0.404,玉兴街道次之,玉带街道第三,北城街道综合抗震能力数值最低,分别为0.945、0.851、0.709、0.503、0.378。红塔区各街道相同结构类型其易损性相同,在遭遇相同烈度时其抗震能力值也相同(表6),各街道综合抗震能力指数的差异受结构类型比例影响。凤凰街道、玉兴街道以及玉带街道非简易房屋结构比例高达98%,尤其是凤凰街道和玉兴街道,钢筋混凝土结构比例高达66%以上,因此其综合抗震能力指数值均较高。而北城街道非简易房屋以砖混结构为主,比例约82%,其余12%的建筑以老旧土木结构为主,因此综合抗震能力指数值较小,以上计算结果与红塔城区抽样调查和城市发展情况相符。凤凰街道、玉兴街道和玉带街道为红塔区中心城区,经济水平和人均收入均较高、城市建设更新快,新建设防钢筋混凝土结构比例高; 北城街道仅部分地区被划入城区且乡村人口多,城市建设更新较慢,未设防老旧建筑存量较大。

结合建筑抗震能力评估标准(林世镔等,2011),研究区建筑遭遇Ⅵ度、Ⅶ度和Ⅷ度的地震烈度作用时,建筑综合抗震能力等级对应为较优、良好和中等,评估结果与详查的建筑抗震现状相符; 研究区建筑遭遇Ⅸ度或Ⅹ度地震烈度时,建筑综合抗震能力等级为较差,表明建筑遭遇超过其基本设防烈度的地震作用时,建筑抗震能力下降。

结合破坏状态和性态水平的对应关系(尹之潜,1990; 马玉宏,2000),研究区遭遇Ⅵ度地震烈度作用时,建筑综合抗震能力数值为0.945～0.965,老旧建筑可能少数破坏,建筑物功能受影响的可能性很小; 研究区遭遇Ⅶ度地震烈度时,综合抗震能力数值为0.851～0.882,老旧建筑可能个别毁坏、少数破坏,自建砖混结构和框架结构房屋少数可能发生轻微或中等破坏,少数建筑物功能受影响; 研究区遭遇Ⅷ度地震烈度时,区域内建筑建筑抗震能力数值为0.709～0.775,老旧建筑可能少数毁坏、大多数破坏,穿斗木结构、自建砖混结构和框架结构房屋可能少数发生严重破坏,多数发生轻微或中等破坏,设防建筑发生轻微破坏或中等破坏,建筑物主要功能受影响,可以通过修理恢复使用; 遭遇Ⅸ度或Ⅹ度地震烈度时,区域内建筑建筑抗震能力数值为0.376～0.608,老旧建筑大多数毁坏,穿斗木结构、砖混结构房屋可能多数严重破坏或毁坏,钢筋混凝土结构房屋少数毁坏,多数建筑物可能功能丧失,生命安全受到威胁。因此,建议加强对民房建设的规划和监管,例如提供建筑标准图集指导自建房建设,实施已有建筑围护墙体和承重结构抗震加固,拆除基本不具备抗震能力的老旧建筑。