Structural Characteristics and Seismic Capacity Analysis of Rural Buildings in the Southeast of Qinghai Province
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摘要: 我国农村民居的抗震能力具有显著的地域特点。本文基于现场调研结果总结了青海东南部黄河流域农村民居的结构特点，并对其抗震能力进行了评估。庄廓院是调研区内的典型农村民居，本文对调研区内庄廓院的木构架房屋进行研究，提出庄廓土墙围护木构架房屋的震害等级分类标准，根据实际震害资料和类比的方法确定了当地土墙围护木构架结构的震害矩阵和震害指数与峰值加速度的关系曲线。与云南鲁甸农村的土木结构房屋比较，青海庄廓院民居具有更高的抗震能力；与未设防的砖混结构比较，这种土墙围护的木构架结构在高烈度区造成人员伤亡的风险更低。Abstract: The anti-seismic capacity of rural buildings in China is of significant regional characteristics. Based on the investigation, this paper summarizes the structural characteristics and evaluates the seismic capacity of rural buildings in the Yellow River Basin in southeastern of Qinghai. Zhuangkuo folk house is a typical rural building in the research area. Through the investigation on the wooden frame structures in the rural buildings, we put forward to earthquake damage classification of the wooden frame structures with earth walls in Zhuangkuo folk house. According to the actual damage information, earthquake damage matrix of the wooden frame structures with earth walls in Zhuangkuo folk house by analogy and the relationship are determined between the earthquake damage index and the peak acceleration. Compared with the civil structure houses in the rural buildings of Ludian in Yunnan province, rural buildings have relative high anti-seismic capacity in Qinghai Province. The wooden frame structures with the earth wall are at a lower risk of casualties than the unfortified brick-concrete structures under the high-intensity condition.
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引言
地震前兆观测主要关注观测数据随时间的相对变化，装置系数误差不影响观测数据的相对变化，但不正确的装置系数可能导致地电阻率观测结果出现系统误差（王兰炜等，2014），因此，正确的装置系数有利于不同区域观测数据的对比和地震前兆数据的研究。自2009年起，河北大柏舍台，甘肃天水台、武都台、平凉台，陕西合阳台实施了井下地电阻率垂直观测试验，井孔深100—225m，供电极距60—120m，测量极距20—60m（刘君等，2015；王兰炜等，2015）。上述台站地电阻率垂向观测通常为1个钻孔，供电电极和测量电极均布设于1个钻孔中，部分垂向观测的供电电极A接近地表，如天水台、武都台、合阳台的供电电极A埋深仅4—5m；部分垂向观测的供电电极A埋深为40m左右，如大柏舍台。垂向地电阻率观测中的装置系数与电流的空间分布及电极位置有关，现有垂向观测装置系数计算方法依据地下点、地表点电流源产生的电场计算得出，忽略了供电电极A的埋深。江宁台深井垂向地电阻率观测装置为在2口深井进行垂向观测的试验装置，与传统垂向地电阻率观测装置不同。本文根据地下点电流源产生的电场讨论装置系数计算方法，并比较计算方法对江宁台垂向地电阻率观测的影响。
1. 台址概况
江宁台地处南京市江宁区禄口街道水荆墅村，地形开阔平坦，周围无大中型工矿企业，测区位于南京-湖熟断裂南西盘和方山-小丹阳断裂西盘的楔形地块上，东距茅山断裂带30km，西北距长江36km。测区内现有垂向地电阻率观测装置为在2口深井进行垂向观测的试验装置，井距5.17m，供电电极A、测量电极M分别布设在深275m的2号井内200m和275m处，供电电极B、测量电极N分别布设在深400m的1号井内400m和325m处（图 1）。该垂向观测系统采用ZD8BI型地电仪，根据《地震台站建设规范（地电台站第1部分）》（DB/T.18.1—2006）中关于地电阻率台站的技术要求，对新建垂向观测装置的场地进行高密度电法、电测深等测试。高密度电法探测和电测深报告中NW—SE和NS测线结果表明，观测区域电测深曲线具有K形特征，电性结构等效为3层（樊晓春等，2018），场地电性层参数见表 1。
表 1 江宁台场地电性层参数Table 1. The underground electrical structure of Jiangning geoelectric stationNW—SE测线 NS测线 层厚/m 电阻率/Ω·m 层厚/m 电阻率/Ω·m 29.40 39.29 24.56 18.71 220.94 143.06 203.42 274.52 ∞ 60.39 ∞ 54.79 2. 点电流源在非全空间产生的电场
点电流处于不完全全空间时，对点电流源位于地下和地表 2种情况进行讨论。地下点电流源产生的电场指点电流源的电流I在地下一定深度时流入地下介质中产生的电场，为不完全全空间。假设地下介质电性均匀，介质电阻率为ρ，电流I从地下A点流入（图 2），采用镜像法计算（刘昌谋等，1994；刘国兴，2005），见式（1）。地表点电流源产生的电场指地表点电流源电流I流入地下介质，从无限远处流出时在介质中产生的电场，为半无限空间。假设地下介质电性均匀，介质电阻率为ρ，电流I从地表A点流入地下，电流线的分布以A为中心向周围呈辐射状，该情况为图 2的特例（王兰炜等，2014），见式（2）。
图 2 地下点电源产生的电场示意图Figure 2. The schematic diagram of the electric field generated by underground point power supply（1）地下点电流源产生的电场（不完全全空间）
$$ {V_{{\rm{MN}}}} = \frac{{\rho I}}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}\left({\frac{1}{{\overline {AM} }} + \frac{1}{{\overline {{A_1}M} }} - \frac{1}{{\overline {{A_1}N} }} - \frac{1}{{\overline {AN} }}} \right) $$ (1) （2）地表点电流源产生的电场（半无限空间）
$$ {V_{{\rm{MN}}}} = \frac{{\rho I}}{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}\left({\frac{1}{{\overline {AM} }} - \frac{1}{{\overline {AN} }}} \right) $$ (2) 3. 装置系数计算方法
装置系数是地电阻率观测中特有的参数，通常用K表示，与观测装置中电极分布情况有关，表征地电阻率是视电阻率（王兰炜等，2014）。当测区区域介质电阻率均匀分布时，地电阻率ρs与介质真实的电阻率ρ数值相同。
根据奥斯定理和镜像原理（钱家栋等，1985），假设测区为均匀介质，垂向观测中的装置系数计算方法如下：
（1）方法Ⅰ：传统垂向观测装置系数计算方法（王兰炜等，2014）
传统方法井下垂向观测装置忽略电极A的埋深，在点电源B与地面对称的位置设镜像点B1，见图 3（a）。根据式（1）和式（2），则K为：
$$ K = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{\left({\frac{2}{{\overline {AM} }} - \frac{2}{{\overline {AN} }}} \right) - \left({\frac{1}{{\overline {BM} }} + \frac{1}{{\overline {{B_1}M} }} - \frac{1}{{\overline {{B_1}N} }} - \frac{1}{{\overline {BN} }}} \right)}} $$ (3) 不考虑江宁台垂向观测电极A埋深时，因江宁台垂向观测AM=BN，AN=BM，则：
$$ K = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{\frac{3}{{\overline {AM} }} - \frac{3}{{\overline {AN} }} - \frac{1}{{\overline {{B_1}M} }} + \frac{1}{{\overline {{B_1}N} }}}} $$ (4) （2）方法Ⅱ：采用全空间方式的装置系数计算方法（钱家栋等，1985；王兰炜等，2014）
当电极埋深h远大于供电极长度AB时，为全空间，则K为地表观测装置系数的2倍，即：
$$ K = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{\frac{1}{{\overline {AM} }} - \frac{1}{{\overline {AN} }} - \frac{1}{{\overline {BM} }} + \frac{1}{{\overline {BN} }}}} $$ (5) （3）方法Ⅲ：采用不完全全空间方式的装置系数计算方法
江宁台垂向观测的电极A、M、N、B分别位于埋深200m、275m、325m、400m处，应按地下点电源产生的电场模型计算（不完全全空间），如图 3（b）所示。在点电源A、B与地面对称的位置设镜像点A1、B1，忽略1号井和2号井的水平距离l，根据式（1），则供电电流I（+I和-I）在M、N间产生的电位差为：
$$ {V_{MN}} = \frac{{\rho I}}{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}\left[ {\left({\frac{1}{{\overline {AM} }} + \frac{1}{{\overline {{A_1}M} }} - \frac{1}{{\overline {{A_1}N} }} - \frac{1}{{\overline {AN} }}} \right) - \left({\frac{1}{{\overline {BM} }} + \frac{1}{{\overline {{B_1}M} }} - \frac{1}{{\overline {{B_1}N} }} - \frac{1}{{\overline {BN} }}} \right)} \right] $$ (6) 则K为：
$$ K = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{\left({\frac{1}{{\overline {AM} }} + \frac{1}{{\overline {{A_1}M} }} - \frac{1}{{\overline {AN} }} - \frac{1}{{\overline {{A_1}N} }}} \right) - \left({\frac{1}{{\overline {BM} }} + \frac{1}{{\overline {{B_1}M} }} - \frac{1}{{\overline {BN} }} - \frac{1}{{\overline {{B_1}N} }}} \right)}} $$ (7) 因江宁台垂向观测AM=BN，AN=BM，则：
$$ K = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{\frac{2}{{\overline {AM} }} - \frac{2}{{\overline {AN} }} + \frac{1}{{\overline {{A_1}M} }} - \frac{1}{{\overline {{A_1}N} }} - \frac{1}{{\overline {{B_1}M} }} + \frac{1}{{\overline {{B_1}N} }}}} $$ (8) （4）方法Ⅳ：采用不完全全空间方式（考虑井距l）的装置系数计算方法
按照地下点电源产生电场的模型计算（不完全全空间），在点电源A、B与地面对称的位置设镜像点A1、B1，h1、h2、h3表示供电电极A、B、M的电极埋深，井距l表示2口井孔水平距离（图 3（c）），则：
$$ \overline {AM} = {h_3} - {h_1} $$ (9) $$ \overline {AN} = \sqrt {{l^2} + {{({h_2} - {h_3})}^2}} $$ (10) $$ \overline {{A_1}M} = {h_1} + {h_3} $$ (11) $$ \overline {{A_1}N} = \sqrt {{l^2} + {{({h_2} + 2{h_1} - {h_3})}^2}} $$ (12) $$ \overline {{B_1}M} = \sqrt {{l^2} + {{({h_2} + {h_3})}^2}} $$ (13) $$ \overline {{B_1}N} = 2{h_2} - {h_3} + {h_1} $$ (14) 将式（9）至式（14）代入式（8），则K变为：
$$ K = \frac{{4\pi }}{{\frac{2}{{{h_3} - {h_1}}} - \frac{2}{{\sqrt {{l^2} + {{({h_2} - {h_3})}^2}} }} + \frac{1}{{{h_1} + {h_3}}} - \frac{1}{{\sqrt {{l^2} + {{({h_2} + 2{h_1} - {h_3})}^2}} }} - \frac{1}{{\sqrt {{l^2} + {{({h_2} + {h_3})}^2}} }} + \frac{1}{{2{h_2} - {h_3} + {h_1}}}}} $$ (15) 4. 江宁台垂向地电阻率观测装置系数计算
采用方法Ⅰ—Ⅳ分别计算江宁台垂向地电阻率观测的装置系数K，结果见表 2。考虑江宁台垂向地电阻率观测的电极布设不同于传统垂向观测装置，所有电极埋深均在200m以上，本文认为应以方法Ⅳ为参考值，采用式（16）计算不同装置系数计算方法的相对误差。方法Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相对误差分别为-32.01%、1.37%、0.43%，可知方法Ⅰ不适用于江宁台垂向地电阻率观测，该计算方法通常仅适用于供电电极A埋深小于5m的垂向观测，如天水台、合阳台。方法Ⅱ相对误差较小，江宁台垂向观测于2018年4月25日至2018年11月22日曾采用该方法。考虑仅当电极埋深远大于供电极距时称为全空间，而江宁台垂向装置最小电极埋深仅与供电极距相当，因此，方法Ⅱ同样不适用于江宁台垂向观测。除江宁台外，大部分台站观测装置电极埋深明显小于供电极距，均不宜采用方法Ⅱ。方法Ⅲ相对误差最小，江宁台垂向地电阻率观测于2018年11月23日至2019年10月30日曾采用该方法，2018年11月出现的台阶是由调整装置系数导致的（图 4）。由于江宁台垂向地电阻率观测为多孔观测，须考虑井距才能准确计算其装置系数，因而最终采用方法Ⅳ进行计算。
$$ \sigma = \frac{{k_{方法}} - {k_{方法Ⅳ}}}{{{k_{方法Ⅳ}}}} $$ (16) 表 2 江宁台垂向观测的装置系数Table 2. The configuration coefficient of vertical geo-resistivity observation in Jiangning earthquake station计算方法 AM/m AN/m B1M/m B1N/m A1M/m A1N/m 装置系数K Ⅰ 75.000 125.000 675.000 725.000 — — 790.000 Ⅱ 75.000 125.000 — — — — 1178.000 Ⅲ 75.000 125.000 675.000 725.000 475.000 525.000 1167.000 Ⅳ 75.000 125.374 675.020 725.000 475.000 525.292 1162.000 
图 4 江宁台垂向观测整点值曲线Figure 4. The hourly observational value curves of vertical geo-resistivity observation at Jiangning Seismic Station5. 结论
本文以江宁台垂向地电阻率观测为例，提出2种以不完全全空间方式计算的新方法，并与现有垂向观测装置计算方法进行比较。研究结果表明，方法Ⅳ最符合江宁台垂向地电阻率观测装置。考虑方法Ⅳ中部分参数存在小数部分，认为保留小数点后三位能满足装置系数精度要求。方法Ⅳ除适用于2口井垂向观测装置外，同样适用于忽略井距时供电电极A埋深超过5m的单口井垂向观测装置。
致谢: 衷心感谢中国地震局地壳应力研究所王兰炜研究员对本文提出的建议和意见。 -
图 1 青海尖扎县俄什加村的典型庄廓院（左为照片，右为布局示意图）
Figure 1. The typical Zhuangkuo folk house in the Oshi village, Jianzha county, Qinghai Province
图 2 砖墙和土墙围护的木构架结构（左图为前景，右图为内景）
Figure 2. The wooden frame structures with brick and earth wall
图 3 调研区未经抗震设防砖混房屋的典型照片
Figure 3. The typical unfortified brick-concrete structures in research area
图 4 调研区经抗震设防砖混房屋的典型照片
Figure 4. The typical fortified brick-concrete structures in research area
图 5 我国农村地区木构架结构的分类
Figure 5. Classification of the wooden frame structures in rural areas of China
图 6 3种结构的震害指数曲线比较图
Figure 6. Comparison of seismic damage index curves of three structure types
表 1 调研区及地区破坏性地震情况一览表
Table 1. List of destructive earthquakes in the research area and the whole region
地点 时间 震级 震中烈度 青海托索湖西 1937.01.07 7.5 Ⅹ 青海阿兰克湖 1963.04.19 7.0 Ⅷ+ 青海共和 1990.04.26 6.9 Ⅸ 青海玛沁 1999.11.26 5.0 Ⅵ 青海玉树 2010.04.14 7.1 Ⅺ+ 青海门源 2016.01.21 6.4 Ⅷ 青海杂多 2016.10.17 6.2 Ⅶ 
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表 2 庄廓土墙围护木构架结构震害等级分类
Table 2. Earthquake damage classification of the wooden frame structures with earth walls
震害等级 震害描述 基本完好 木构架结构完好，或庄廓院墙轻微开裂，不加修理可继续使用。 轻微破坏 木构架结构出现轻微移位，庄廓院墙有明显裂缝，土墙体局部有少量崩塌，不需要修理或稍加修理即可继续使用。 中等破坏 木构架出现可见移位，庄廓院墙酥裂，裂缝严重，屋顶局部出现滑塌等，需要一般修理后可使用。 严重破坏 木构架移位较严重，木构架出现歪斜、部分断裂，庄廓院夯土院墙局部倒塌，房屋的围护土墙体酥裂、修复困难。 毁坏 木构架严重倾斜折断，房屋濒于崩溃或已倒毁，庄廓院夯土围墙倒塌、已无修复可能。
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表 3 庄廓土墙围护木构架结构震害矩阵（%）
Table 3. Earthquake damage matrix of the wooden frame structures with earth walls
破坏等级 地震烈度 Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ 基本完好 60 41 10 0 0 轻微破坏 32 30 22 8 0 中等破坏 8 22 42 38 20 严重破坏 0 7 20 42 50 毁坏 0 0 6 12 30 震害指数 0.096 0.197 0.412 0.582 0.73
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表 4 未设防砖混结构的标准震害矩阵（%）
Table 4. Standard earthquake damage matrix of unfortified brick-concrete structures
破坏等级 地震烈度 Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ 基本完好 77 51 13 4 0 轻微破坏 22 29 25 9 0 中等破坏 1 16 36 20 9 严重破坏 0 4 20 52 40 毁坏 0 0 6 15 51 震害指数 0.048 0.15 0.394 0.612 0.826
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表 5 云南地区土木结构的震害矩阵（%）（1992—2008年模型）
Table 5. Earthquake damage matrix of civil structures in Yunnan province (the model in 1992—2008)
破坏等级 地震烈度 Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ 基本完好 68.96 38.59 6.91 0 中等破坏 29.8 53.61 65.41 40.9 毁坏 1.24 7.8 27.68 59.1 震害指数 0.132 0.292 0.538 0.755
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表 6 地震动峰值加速度与地震烈度对照表
Table 6. Comparison of earthquake peak acceleration and earthquake intensity
地震烈度 Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ 地震动峰值加速度/g 0.04≤amax≤0.09 0.09≤amax≤0.19 0.19≤amax≤0.38 0.38≤amax≤0.75 amax≥0.75 平均加速度/g 0.063 0.125 0.25 0.5 1
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崔文河, 王军, 2015.青海藏族庄廓民居及聚落研究—以巴麻堂村为例.华中建筑, (1):74-80. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_hzjz201501015.aspx 葛学礼, 朱立新, 于文等, 2010.村镇木构架土坯围护墙房屋1/2缩尺模型振动台试验研究.土木建筑与环境工程, 32(增刊2):508-510, 515. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-CQDX201012001065.htm 郭光玲, 2016.汉中农村既有砌体房屋抗震加固技术研究.震灾防御技术, 11(1):111-116. doi: 10.11899/zzfy20160112 侯建盛, 李洋, 宋立军等, 2015.2014年云南景谷6.6级地震与云南鲁甸6.5级地震致灾因素分析.灾害学, 30(2):100-101, 143. https://www.wenkuxiazai.com/doc/628c9081cf84b9d529ea7a5b.html 李方一, 高晓路, 王英杰, 2012.中国农村地区住房结构的区域差异及其影响因素.地理科学进展, 30(12):1555-1563. http://www.cqvip.com/QK/96015A/201112/40264686.html 梁琦, 2005.青海少数民族民居与环境.西宁:青海人民出版社. 邱舒睿, 高惠瑛, 2015.青海省农居地震灾害易损性研究.震灾防御技术, 10(4):969-978. doi: 10.11899/zzfy20150415 孙柏涛, 陈洪富, 闫培雷等, 2014.南北地震带房屋建筑抗震能力分区特征研究—以四川省为例.土木工程学报, 47(S1):6-10. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-TMGC2014S1002.htm 王强, 王兰民, 袁中夏等, 2008.陇南地区农村民房遭受汶川8.0级地震震害分析及启示.世界地震工程, 24(3):20-24. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=sjdzgc200803004 肖梅玲, 叶燎原, 刘本玉等, 2012.云南农村土木结构房屋有限元抗震分析.地震研究, 35(2):276-281. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dzyj201202018 杨钦杰, 刘华贵, 高鹏飞等, 2016.广西农村民居抗震性能调查研究.震灾防御技术, 11(1):100-110. doi: 10.11899/zzfy20160111 中国地震局, 2009.GB/T 17742-2008中国地震烈度表.北京:中国标准出版社. 中国地震局, 2015.GB 18306-2015中国地震动参数区划图.北京:中国标准出版社. -
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