引言

地震灾害具有突发性特征，中国大陆村镇地区的房屋类型普遍存在未设防以及设防不达标的情况，所以对于大陆地区来说，破坏性地震造成的灾害远比发达国家要严重。房屋建筑易损性是地震损失评估中的重要一环，对地区进行建筑易损性分析可以为震后评估、震害损失等提供有效的支撑。目前我国针对地震多发区的易损性研究较多，比如四川（黄文涛等，2022）、云南（陈波等，2018；周洋等，2021）等，孙柏涛等（2017）将我国大陆分成了12类地区，对全国分区分类建立易损性矩阵。目前关于河北省的易损性研究开展得较少。邢台市位于河北省中南部，太行山脉南段东麓，华北平原中部，可以作为河北省地形地貌以及人文经济的典型代表。1966年3月8日，河北省邢台地区发生了7.2级强烈地震，破坏范围较大，涉及邢台、石家庄、衡水、邯郸、保定、沧州6个地区，共计80个县市、1639个乡镇、17633个村庄。地震造成8064人死亡，38451人受伤，倒塌房屋508万余间（河北省地震局，1986）。张合等（2017）对邢台市重要建筑中的21栋砖混结构房屋进行了调查，计算并得到了震害预测结果，该研究主要针对邢台市内的建筑，并未对邢台市村镇地区进行房屋震害分析。

本文基于第一次全国自然灾害综合风险普查工作，在普查过程中对承灾体的实际情况和信息现状开展摸排，针对河北省邢台地区房屋的建筑类型、分布以及灾害属性特征进行建立数据库，计算本地区的易损性矩阵，为人口伤亡和经济损失评估建立模型基础。

随着社会的不断发展，公众对自然灾害造成的经济损失和人员伤亡关注度日益提高，对房屋的抗震设防能力的要求也逐渐增强。随着经济发展房屋质量有所提高，但村镇房屋多数仍处于20世纪90年代时期，农居房屋的抗震能力逐渐成为影响人员伤亡的主要原因。因此，研究邢台市村镇房屋的结构类型及其比例和数量，结合当地人文环境进行综合分析，对提升邢台地区的防震减灾能力以及未来的震害损失评估都有重要的指导意义。

1.   现场调查

1.1   调查概况

邢台市共计4个市辖区，12个县，代管2个县级市，调查点的选取考虑自然环境、房屋特点、人口经济等多种因素，保证调查点的地区代表性和空间分布上的均衡性，此次调查覆盖房屋抗震能力好、中、差地区，确保每个县的不同区域都有调查点。在中国地震局开展的预评估项目中，主要针对邢台地区的18个乡镇房屋情况进行基础调查，每个乡镇平均抽取3个自然村，共计82个调查点（图1），调查了46091户共计10425栋房屋。在每个调查点进行普查时，工作成员主要针对房屋结构、建筑年代、房屋面积、用途等进行填表登记并现场实地勘察测量。第一次全国自然灾害综合风险普查工作则主要针对城市房屋抽样详查，以图纸详查和入户调查相结合，详细调查了建筑结构的配筋、构造以及抗震设计，共计调查374栋房屋，累计调查面积为3468766.09 m²。

图 1  邢台市村镇调查点分布情况

Figure 1.  Distribution of village survey points in Xingtai city

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1.2   调查结果

通过实地调查并按照建筑规范进行分类发现，邢台市村镇主要存在以下4类房屋结构：砖混、砖木、土木、石木。由于地理和经济因素，村镇房屋多数未经过正规设计，且由当地村民组织施工队进行建造。调查显示，砖混结构未完全按照抗震规范建造，其中使用预制板的房顶多数抗震构造不全，使用现浇顶的砖混房屋抗震设施齐全（表1）。

表 1  邢台市村镇房屋结构比例

Table 1.  Results of the survey of various structural types of rural buildings in Xingtai city

县	乡镇	户籍人口数量/人	房屋结构类型/户
			砖混	砖木	土木	石木
南宫	垂杨镇	600	60	135	5	0
临西	大刘庄乡	1756	10	290	0	0
广宗	东召乡	2127	190	210	0	0
清河	连庄镇	520	70	30	0	0
威县	固献乡	280	40	60	0	0
柏乡	柏乡镇	2173	360	40	0	0
南和	郝桥镇	3030	385	15	0	0
内丘	大孟村镇	2204	666	27	0	107
任泽	大屯乡	3149	312	88	0	0
临城	东镇镇	2265	400	130	0	70
信都	西黄村镇	4734	894	120	0	476
宁晋	苏家庄镇	7904	537	143	20	0
新河	荆家庄乡	2337	110	290	0	0
巨鹿	观寨乡	1667	305	95	0	0
隆尧	隆尧镇	3796	395	105	0	0
平乡	寻召乡	2299	70	330	0	0
沙河	柴关乡	3982	440	60	0	0
襄都区（邢台县）	豫让桥街道	1268	187	13	0	0

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在对村镇实地普查的基础上，对全市房屋结构进行了详查，主要包括建筑面积、建筑年代、建筑高度、承重方式、内外墙厚度以及构造柱、圈梁情况。详查的主要结构类型包括砖混、砖木、多层钢筋混凝土、高层建筑、工业厂房、空旷结构以及石结构和土木结构等。详查过程中，有建筑图纸的结构类型均严格按照当年的抗震规范进行建造设计，符合抗规的要求。主要问题集中在村镇中的砖木、石木和土木结构中，这些问题在普查过程中的抽样调查中得以揭示。

通过对邢台市村镇房屋类型的抽样调查，我们对其结构类型进行了总结，结构类型占比如图2所示。随着防震减灾科普宣传的深入，2010年以后建造的砖混房屋基本上遵循了一定的抗震设计原则，施工人员的素质和施工工艺都有了显著的提高，基本设有构造柱、上下圈梁等抗震设施。然而，在开间和进深方面，这些房屋并未按照设计规范进行等比例设置，而是相对随意地按照地方习俗进行更改和施工，导致部分房间结构布置不合理，开间过深或窗户、门洞过大，属于地震易损环节。2010年以前的建筑遵循当地习俗，以土木、砖木结构居多，主要承重由木柱和砖墙或土坯共同承担。早期的木梁、木柱和墙体使用传统卯榫结构进行连接，而后期的建造则为了便利，普遍采用廉价钢筋进行铰接。近十年经济增长的背景下，部分房屋进行翻新，部分进行了结构性加固，或为了美观在土墙的外部加盖砖墙，导致房屋结构的多样化。

图 2  邢台各类建筑比例

Figure 2.  Proportions histogram of various buildings in Xingtai city

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信都区位于邢台市西部，横跨平原、丘陵和山区，所以因此邢台市存在的石木结构主要集中在这一地区，另一部分位于内丘县。总体来说，因邢台市地处华北平原，经济发展水平相对较高，所以砖混结构占比最高，相对于其他地区，土木结构的房屋较少，石木结构主要集中在西部山区。

1.3   邢台地区存在的地震灾害风险

根据现场调查结果，现阶段邢台市农村、城镇、城乡结合部还存在大量自主建造不规范的民房，除了砖混结构以外，村镇中还存在部分砖木结构、土木结构和石木结构房屋。这些房屋中普遍存在抗震设计缺陷、施工过程不当、开裂和裂缝问题，以及缺少有效抗震构造等安全隐患。在基本设防烈度下，村镇中大量土木和石木结构房屋容易遭受大面积破坏，而砖混结构和砖木结构的房屋则表现相对较好。然而，一旦发生超过设防烈度的罕遇地震，这些房屋均会遭受一定破坏。

2.   房屋结构特点

2.1   砖混结构

邢台地区的砖混结构房屋主要分为有抗震设防和无抗震设防2种（图3）。具有抗震设防的房屋主要集中在2010年以后的自建房中，尽管这些房屋在建造过程中没有标准化图纸和设计，但由于经济和防震减灾意识的增强，此类房屋基本满足了抗震设防要求。这些房屋配备了圈梁和构造柱，并对屋顶、屋面以及墙面进行了钢筋拉结。调查发现，与其他类型房屋相比，这类房屋的抗震性能相对较好，抗震薄弱环节主要存在于施工过程中，具体表现在开窗和开门尺寸过大，开间和进深比较随意，基本按照宅基地的面积进行建造，其中部分开间和进深超过7 m，存在一定的抗震隐患。2010年之前的砖混结构房屋虽然设有混凝土柱，但无圈梁，仅在窗户和门的部位设置了过梁，并且多数采用预制板。预制板与预制板之间，以及与墙体之间连接异常薄弱，存在较大的抗震隐患。

图 3  典型砖混结构

Figure 3.  Typical brick-concrete structure

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2.2   砖木结构

邢台地区的砖木结构具有地方特色（图4）。实地调查发现，这种建筑主要以一层为主，通常采用砖墙或砖柱作为竖向承重构件。其建造时间集中在1980—2000年，建筑竖向构造和当地砖混结构建造方式基本相同。屋盖结构主要由木制构件组成，多采用平屋顶，并采用硬山搁檩的建造方式。在木屋架上方铺设草垫并涂泥，使其厚度达到30～60 cm。然而，即使墙体能抵抗地震作用，重屋盖的存在仍可能会导致屋架或墙体倾斜，最终导致整体倒塌。抗震薄弱环节主要表现在檩条在山墙上的搭接较短或缺乏有效连接，在地震中檩条易从墙中脱落，从而引起屋顶坍塌。

图 4  典型砖木结构

Figure 4.  Typical brick-wood structure

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2.3   土木结构

在邢台地区，土木结构相对较少，尤其是与同属河北省的张家口相比（刘晓丹等，2018），其使用土坯和夯土进行房屋建造的情况不多，仅在极个别的村落存在少量土木结构（图5），如南宫市和宁晋县。这类土木结构主要由土坯建造而成，屋盖建造基本与砖木结构房屋屋盖一样，属于重屋顶。此类结构建造时间较早，调查发现的房屋基本在20世纪80年代之前建造，屋内面积较小，目前存在的房屋大都存在一定程度的破坏。主要包括：屋内纵横墙内有裂缝；支撑屋盖的木梁下方墙裂缝；墙体剥蚀。抗震薄弱环节主要是硬山搁檩上缺乏拉结措施，土坯本身的强度远低于设计值，且早期使用黏土堆砌，导致土坯之间的连接强度不足，抗剪能力低下，从而使其抗震性能极为薄弱。

图 5  典型土木结构

Figure 5.  Typical raw-soil structure

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2.4   石木结构

邢台地区的石木结构较河北省其他地区占比较大（图6），主要集中在西部山区。这一情况的主要原因是就地取材，便于建造。历史震害表明，多层石结构房屋地震破坏特征与砖砌体房屋大致相同。尽管单体石块的强度较高，但石块之间的连接方式较原始，且由于建造年代久远，多数使用黏土连接石灰勾缝，抗剪能力明显低于水泥砂浆和混合砂浆。此外，墙体和屋盖之间缺乏有效连接，整个结构体系自重较大，因而吸收更多的地震能量，导致抗震性能较差。

图 6  典型石木结构

Figure 6.  Typical stone-wood structure

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3.   邢台市易损性矩阵

结构的易损性分析是研究单一结构在确定强度地震作用下发生特定破坏程度的概率。目前，结构易损性分析有4种方法（贾晗曦等，2019）：震害调查法、解析法、混合法、实验法。本文主要针对邢台市村镇地区的砌体房屋进行易损性计算，并进行了大量现场调查，因此采用尹之潜等（1990）提出的抽样解析法。尹之潜等（1990）将建筑物的抗震性能根据建筑结构、建筑材料等因素分为4类，并将房屋破坏等级分为毁坏，严重破坏，中等破坏，轻微破坏，基本完好5个等级。

根据实地调查情况可以发现，邢台村镇地区的主要建筑类型与尹之潜等（1990）定义的建筑物分类存在一定差异。为了提高易损性分析的精度，可以更加细致地对房屋结构类型进行分类。因此，本文依据邢台地区实地调查分类进行易损性计算。砖混、砖木、土木、石木结构的主要抗剪能力构件是墙体，本文中将墙体的抗剪强度视为这4类结构的主要抗力标志。抗力的公式为：

式中，$ {F}_{k} $为第s层楼第k片墙的断面积；$ A_{s} $为第s层楼的建筑面积；α为楼层地震折算系数；$ {R}_{\tau} $为墙体抗剪强度；$ C_{{\mathrm{t}}} $为抗力修正系数。

墙体断面积和建筑面积按照实际调查中的房屋进行统计计算。各类结构的含墙率和砂浆强度等级以及面积均不同，在现场调查中，实际测量了砌体结构的开间尺寸和墙体厚度，并计算其单体概率密度分布函数。针对邢台地区结构布置参数不一致，以及建筑材料和施工工艺的不同，在抽样时考虑具有代表性的建筑，抽样数量占比达到此类房屋20%左右。邢台村镇地区的老旧房屋砂浆强度未按照标准强度进行建造，因此计算时只能采用手捻法进行判定老旧房屋的砂浆强度，抗剪强度值参考梁斌等（2020）试验中白灰砂浆和泥浆的抗剪强度值0.03 MPa和0.025 MPa，其他规范处理的砂浆按照GB 50003—2011《砌体结构设计规范》中的强度进行取值。通过式（1）计算得到调查点每栋建筑的抗力，再根据得到抗力值按照式（2）计算单体震害矩阵（尹之潜等，1991）。

式中，$ \bar{R}_{j} $为地震烈度为I时，对应破坏等级j的极限抗力均值； $ \Phi(\cdot) $为标准正态分布函数；$ \sigma_{j} $为发生j级破坏时R的方差；a、b为抗力R的区间。通过R和I的不同数值，可以计算出不同抗力的单体建筑发生不同破坏状态的概率。按照尹之潜等（1990）给出的破坏等级与抗力关系（式（3）），可计算得到j级破坏时不同结构的单体震害矩阵。

式（3）为7度地震作用下结构的破坏程度和抗力均值关系，尹之潜等（1990）同时还提出了8～10度地震作用下的关系式。通过式（3）可以计算得到建筑结构的震害等级，砖混结构破坏等级与抗力的关系如图7所示，进而可确定R区间范围，并计算单体建筑在发生j级破坏时的损坏概率。

图 7  砖混结构破坏等级与抗力的关系

Figure 7.  Relation between failure degree and resistance of brick-concrete structure

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群体结构的易损性分析是研究单个地区或城市的确定结构，在特定强度地震作用下发生某种破坏的概率（尹之潜，1996）。由邢台市不同单体结构的震害矩阵以及调查点的房屋结构抗力统计发现，结构抗力是服从对数正态分布，通过抗力概率密度分布和单体结构的震害矩阵可得到某一类型的震害性矩阵，即群体易损性矩阵：

式中，f（R）为抗力的概率密度分布函数；$ P[{D}_{j}\left|R\right.,I] $为单体结构的震害矩阵。

本文结合邢台村镇实地调查情况，按照调查分类的结构进行分类计算，从而得到邢台地区4类建筑群体易损性矩阵（表2～表5）。由表可知，集中在村镇的土木结构和石木结构在基本设防烈度地震作用下会遭受大面积破坏，砖混结构和砖木表现相对较好。然而，在发生高于设防烈度的罕遇地震时，这4类房屋都会遭受显著破坏，这反映了农村以及城乡结合部村镇的防震减灾任务十分艰巨。根据和嘉吉等（2015）对鲁甸和景谷地震灾区房屋抗震能力的分析，按照GB/T 18208.4—2011《地震现场工作第4部分：灾害直接损失评估》中规定，将土木结构和砖木结构归类为简易房屋，砖混结构和框架结构被认定为非简易房屋，这样统计后2个灾区的结构类型比例基本相同，但经济、人员伤亡有较大差异。因此，针对邢台市建立震害矩阵是非常有必要的。不同地区房屋的结构建造方式差异显著，通过房屋调查建立本地区的震害矩阵有助于该地区震害分析和震害预测。

表 2  砖混结构震害矩阵

Table 2.  Seismic damage matrix of masonry structure

破坏等级	占比/%
	Ⅶ度	Ⅷ度	Ⅸ度	Ⅹ度
毁坏	0.00	9.91	29.18	52.37
严重破坏	6.62	7.45	6.90	10.83
中等破坏	6.70	5.46	7.42	8.64
轻微破坏	11.76	5.46	9.83	10.79
基本完好	74.92	71.72	46.67	17.37

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表 3  砖木结构震害矩阵

Table 3.  Seismic damage matrix of brick-wood structure

破坏等级	占比/%
	Ⅶ度	Ⅷ度	Ⅸ度	Ⅹ度
毁坏	4.41	10.37	29.47	51.15
严重破坏	4.42	7.35	6.78	11.56
中等破坏	4.59	5.34	7.11	8.72
轻微破坏	11.22	5.34	9.98	11.11
基本完好	75.36	71.60	46.66	17.46

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表 4  土木结构震害矩阵

Table 4.  Seismic damage matrix of raw-soil structure

破坏等级	占比/%
	Ⅶ度	Ⅷ度	Ⅸ度	Ⅹ度
毁坏	4.38	24.50	61.30	52.37
严重破坏	4.39	7.23	10.21	10.83
中等破坏	4.57	5.25	28.49	8.64
轻微破坏	9.61	5.26	0.00	10.79
基本完好	77.05	57.76	0.00	17.37

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表 5  石木结构震害矩阵

Table 5.  Seismic damage matrix of stone-wood structure

破坏等级	占比/%
	Ⅶ度	Ⅷ度	Ⅸ度	Ⅹ度
毁坏	4.36	24.40	50.86	61.28
严重破坏	4.37	7.30	7.98	10.23
中等破坏	4.55	5.33	7.83	28.49
轻微破坏	9.58	5.34	0.00	0.00
基本完好	77.14	57.63	33.33	0.00

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4.   邢台市震害预测

本文利用实地调查数据进行了邢台地区易损性矩阵的计算，基于风险普查得到经济公里格网数据，结合实际情况进行分析调查，采用未来50年超越概率10%的地震危险性结果，按照孙柏涛等（2017）建立的地震灾害风险分布模型（式5）进行计算。

式中，s为不同结构类型；$ {P_s}\left[ {{D_j}\left| I \right.} \right] $为s类结构易损性矩阵；R_sj为s类结构在j破坏等级时的损失比；C_s为s类结构的重置单价；A_j为s类结构建筑面积。不同建筑面积通过风险普查的调查数据得到，损失比按照GB/T 18208.4—2011《地震现场工作 第4部分：灾害直接损失评估》中要求取值（表6），城镇平房、农村房屋选取不同破坏等级的中值，参考《中国建筑业统计年鉴》（国家统计局固定资产投资统计司，2022）中各地区建筑业企业房屋竣工价值与竣工面积，计算得到高层建筑、框架结构以及砖混结构重置单价，村镇中大量存在的砖木结构、土木结构、石木结构房屋重置单价则通过现场调查得到的造价进行选取（表7）。结合前文计算得到的易损性矩阵，通过式（5）计算得到邢台市公里格网的地震灾害经济损失情况，利用ArcGIS软件平台绘制地震灾害风险经济损失分布情况（图8）。可以看出，在基本地震动情况下经济损失总数为6.95亿，经济损失主要集中在市区、乡镇中，符合实际调查中的建筑结构情况。

表 6  房屋损失比

Table 6.  Housing loss ratio

房屋类型	房屋损失比/%
	基本完好	轻微破坏	中等破坏	严重破坏	毁坏
高层建筑	3	11	31	73	91
框架结构	3	11	31	73	91
砖混结构	3	11	28	71	86
砖木结构	2	8	40	50	90
土木结构	3	6	44	45	94
石木结构	3	6	44	45	98

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表 7  房屋重置单价

Table 7.  Rebuilding price for housing replacement

项目	高层建筑	框架结构	砖混结构	砖木结构	土木结构	石木结构
重置单价/元	2129	2291	630	520	440	370

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图 8  邢台市县区经济损失分布情况

Figure 8.  Statistical results of economic loss of Xingtai city

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结合实地调查中对当地村民及村干部的询问，我们发现房屋结构和经济状况之间存在一定的反比现象。这主要是由于随着当地经济技术的发展，村中居住的中青年人群都迁移至县城或城市，留在村里的大多是老年人，中青年因不在本地居住，导致房屋的翻修以及新建工作相对滞后，这一点在宁晋县尤为明显，宁晋县的经济和人口都相对较多，房屋类型种类反而比较齐全，相对其他县区存在较大比例的砖木结构和土木结构。相对而言，一些经济状况相对中等的村镇，房屋结构质量则较好较新。部分村庄地处优越的地理位置，位于县城边缘，如西关村和北甫村。然而，实地调查中发现，这些村庄自2005年以来几乎没有新建或翻新房屋，主要原因是大多数年轻人已迁往县城或城市买房，对老屋没有投资和居住需求。在同一县区内，交通因素也具有重要影响，离主干道较近的村镇经济发展较早，2000年左右新建和翻盖的砖混结构房屋较多，通常用于自住和商用，抗震能力较强。离主干道较远的地区随着经济发展，人员流动性较大，很多人选择直接前往城市或县城工作定居，从而未进行新建或翻盖加固，导致这些房屋结构抗震能力较差。

从计算得到的农村房屋震害矩阵可以看出，农居的震害性能普遍较差，如果发生基本烈度以上的地震，将会造成较大的经济损失和人员伤亡，尤其在砖木、土木以及石木结构房屋中更为明显。邢台市位于河北省以及华北平原典型地带，西有山区，东为平原，该地区房屋结构可以代表河北省的建筑特征，砖木、土木以及石木结构房屋在农村占比虽然不多，但具有较大的危险性，是农村地震灾害防御的薄弱环节。相比之下，砖混结构的比例最大，抗震性能相对较好，今后需要加强规范管理和抗震设计，以满足抗震设防的需求。

5.   结论

河北省邢台市村镇地区既有华北平原的统一性，也展现出当地的特色。调查结果表明，合理的抗震结构体系对于提升房屋整体抗震能力至关重要。通过建筑震害矩阵分析可以看出，砖混、砖木、石木、土木这4类房屋的抗震性能普遍较差。结合实地调查得到的矩阵，显示邢台村镇地区房屋结构的抗震能力确实存在薄弱环节，因此提出以下建议：

（1）在采用纵横墙承重的砌体结构中，邢台农村自建房普遍存在横墙开间较大的问题，纵墙的横向支撑仅由屋面构架的木梁承担，支撑能力较弱，极易发生平面外的弯曲破坏。建议加强屋面构架的刚度和稳定性，并考虑将邢台平原地区的木屋架更新为钢屋架，以适应冬季较温和的气候。

（2）西部山区的石木结构和石结构黏结强度较低，地震发生时极易发生破坏。建议农村自建房的砌体结构优先采用整体性和空间刚度较好的横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系。

（3）土木、石木、石结构房屋整体性较差，建议进行整体性结构加固，以增强墙面的抗剪能力，从而提升这类房屋的抗震能力。

（4）早期建造的房屋屋顶负荷较重，对房屋整体性影响很大，在地震作用下可能会造成更大的损害。建议去掉重屋顶，更换为轻钢屋顶，减轻此类房屋的负担。

（5）通过建立邢台市村镇地区的易损性矩阵，可以在进行地震灾害损失预评估以及地震经济损失计算时进行有针对性地选取和研究。

本文通过实地调查得到了邢台市村镇房屋不同建筑类型的震害矩阵，为之后对河北省整体震害风险的研究提供了依据。