震后火災環(huán)境下結構工程學科研究現(xiàn)狀分析

王典武 畢兆武 畢文萍

0 引言

地震火災是地震的次生災害之一。世界上多次大地震都發(fā)生了火災，火災雖是地震的次生災害，但有時卻比地震直接造成的危害和損失大得多。例如，舊金山8.3級地震后引起大火，火災造成的損失比地震造成的直接損失大10倍[1]。日本關東7.9級地震，地震時，整個災區(qū)都發(fā)生了火災[2]。福井7.3級地震，地震時各地發(fā)生火災，因此研究地震火災的危害程度和產(chǎn)生的原因具有重要意義。

1 地震火災的特征，產(chǎn)生的原因及其影響因素

1.1 地震火災的特征

1)地層常常引起多處同時起火，火災成因較多，火情復雜，人們猝不及防，顧此失彼;2)城市供水系統(tǒng)及消防設施受破壞，通訊中斷，交通受阻，消防人員傷亡，無法及時撲救;3)地層本身帶來極大的破壞，分散人員精力，大震后還有余震，震災和多種次生災害如水災、毒氣泄漏等交織在一起，增加火災的撲救難度。

1.2 地震火災產(chǎn)生的原因

1.2.1 化學藥品

這類火災也很引人注目，幾乎占地震火災的30%。關東大地震時發(fā)生的100多起火災中就有44起與化學藥品有關。1978年6月12日宮城縣近海地震中有6起[4]。1988年11月6日瀾滄一耿馬地震、1992年12月8日云南永勝5.4級地震時，都有因化學藥品爆炸起火的例子，損失達幾十萬元。

1.2.2 爐火

爐火包括民用爐火和工商業(yè)用爐火。由于地震震動，爐具傾倒、損壞，引起火災。目前，該類火災在我國占主要比例。例如:唐山地震時，寧河縣蘆臺鎮(zhèn)一居民戶，由于房屋倒塌，打翻爐火引起火災，三間房屋全部燒光，全家無一幸免。再如:天津北郊區(qū)某飯店，唐山地震時，飯店正炸果子，高溫油晃動溢出，遇到爐火引起燃燒，將油、面及天窗全部燒毀，由于撲救及時，未造成重大損失。

1.2.3 電氣設備

電氣設施損壞引起火災強烈地震時，電氣線路和設備都有可能損失或產(chǎn)生故障，有時還會發(fā)生電弧，引起易燃物質(zhì)的燃燒，產(chǎn)生火災。例如，寶坻縣某大隊副業(yè)廠，唐山地震時，廠房倒塌，電線被砸斷，火線落在易燃物質(zhì)上引起火災，將兩間廠房及部分機器燒毀。又如，唐山地震時，距震中40余千米的某變電所，一臺重達60 t的主變壓器從臺上滑下，外引線將套管拉裂，變壓器油當即噴出，由于蓄電池全部傾倒，繼電保護失去作用，引線受震強烈擺動，造成短路，打出弧光，引燃噴出的變壓器油，將變壓器燒毀。

1.3 地震火災的影響因素

1)建筑物結構。不言而喻，木結構建筑物的防火性能差，如果發(fā)生火災，極易蔓延。2)震級、烈度。一般震級在7.2～7.5的地震不常發(fā)生火災，7.2級以下的地震幾乎都不發(fā)生火災。因為起火處的數(shù)量和房屋倒塌成正比。地震越大，房屋倒塌越多，發(fā)生火災的幾率也就越高[4]。3)地基。在軟質(zhì)地基上興建的房屋，因地震時地基液化，房屋傾倒的多，造成火災的機會也就增多。在日本，隨著城市的發(fā)展，住宅幾乎都建在軟質(zhì)填土地基上。1978年仙臺東部海底地震，仙臺市烈度僅5度，建筑物本不應有破壞，但是破壞竟意想不到的嚴重，并引起了大火[4]。4)發(fā)震季節(jié)。在冬季或大風季節(jié)，易造成大火，且火勢容易蔓延，關東大地震時先是南風，后轉為向東移動的西風，最后轉成北風，夜間最大瞬間風速為21.8 m，火焰隨風呼嘯旋轉，襲擊了避難場所和空地，致使很多人燒死[4]。5)時間。若地震發(fā)生在居民做飯時也易造成火災。

2 地震火災發(fā)生率的推算方法研究

通過對一般情況下城市民事火災發(fā)生率的研究，曾得出結論[5]:由于多因素的綜合作用，火災發(fā)生率與人口數(shù)量和居住密度的關系并不十分密切，而其決定因素是建筑面積。通過對歷史地震火災案例的統(tǒng)計分析，結合地震災場的一般特點，可認為:地震火災的發(fā)生率也基本上遵循上述規(guī)律，且有一個顯著的特點，即:地震火災的發(fā)生率與建筑物的破壞程度有關。

3 地震次生火災計算機仿真研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

事實上，由于地震次生火災的發(fā)生與撲救過程至少涉及到城市消防系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及區(qū)域性建筑工程系統(tǒng)，要想建立系統(tǒng)分析的傳統(tǒng)數(shù)學模型是非常困難，甚至是不可想象的。因此，將離散事件系統(tǒng)數(shù)值仿真技術引入到地震工程研究中來，是一種適時的選擇。宋建學等[6]將離散事件系統(tǒng)仿真技術引入到地震次生火災的研究之中，通過對歷史震測的分析研究，確定了地震次生火災發(fā)生概率模型中的具體參數(shù)。在大量火災案例的統(tǒng)計分析基礎上，建立了火災撲救各階段的持續(xù)時間仿真模型。文獻[6]所建立的地震次生火災計算機仿真模型可概括如下:

1)取地震次生火災的發(fā)生時間段為震后5 d，用泊松分布構造次生火災的發(fā)生事件。為了保證次生火災發(fā)生事件滿足泊松過程的基本性質(zhì)，應將城市劃分為適當?shù)男^(qū)。2)按城市平時火災的案例統(tǒng)計結果，確定火災撲救各階段的持續(xù)時間概率模型。3)根據(jù)交通系統(tǒng)狀況，確立消防隊到各個消防小區(qū)的時間延遲，這一般處理為仿真。4)根據(jù)火災發(fā)生和撲救過程的概率模型，利用離散事件系統(tǒng)仿真技術，經(jīng)過適當?shù)臅r間歷程，得到穩(wěn)態(tài)的仿真結果，即有關城市系統(tǒng)次生火災控制的一些基本參數(shù)。這樣，就可以評價一個城市在次生火災控制方面的功能水平了。

文獻[7]提出了一個城市地震次生火災動態(tài)危險性分析與預估的一般模型，根據(jù)地震次生火災發(fā)生具有離散性和隨機性的特點，采用泊松過程模型作為地震次生火災發(fā)生的初始估計模型。國艷等[8]利用Visual Basic語言開發(fā)在突發(fā)地震情況下誘發(fā)次生火災蔓延的計算機定性仿真動態(tài)模擬，在MapX 4-63平臺上來實現(xiàn)可視化的火災蔓延的模擬，完成了由建筑物破壞而引發(fā)的地震次生火災蔓延從數(shù)學模型建立到軟件的編制和數(shù)據(jù)處理的整個過程。本次實踐為地震次生火災的研究提供了一個新的解決方案和技術思路。但是由于目前的研究工作在一定程度上受計算方法、計算工具及火災理論等方面的限制，已經(jīng)開發(fā)出來的這些計算機火災模型的準確性、靈活性和實用性仍然有待進一步提高。

4 結語

本文全面介紹了地震次生火災方面的研究進展，包括地震次生火災的歷史震害，地震次生火災的引發(fā)原因，地震火災發(fā)生率的推算方法研究及地震次生火災計算機仿真研究現(xiàn)狀。到目前為止，國內(nèi)外對于城市次生火災的研究較多并較系統(tǒng)，而對于建筑物的地震次生火災的研究還較少，這方面的研究將涉及到多個領域，如建筑、消防、結構、材料等，還有很多問題有待研究:

1)地震作用下，建筑防火保護系統(tǒng)的損傷研究;2)地震作用下，結構防火保護系統(tǒng)的損傷研究;3)建筑物地震次生火災的發(fā)生和蔓延;4)考慮建筑防火保護系統(tǒng)的損傷，次生火災荷載的模擬;5)結構防火保護受損時，結構的抗火性能研究;6)建筑物次生火災的危險性分析等。

[1] 陳素文，李國強.地震火災事例調(diào)查[J].自然工程學報，2007(3):55-56.

[2] 郭增建，陳鑫連.城市地私于策[M].北京:地震出版社，1991.

[3] 盧振恒.日本破壞地震概觀[M].北京:地震出版社，1991.

[4] 陳宏德.日本地震與火災[J].國際地震動態(tài)，1982(1):13-14.

[5] 李 杰，江建華.城市地震次生火災危險性分析[J].自然災害學報，2000，9(2):87-91.

[6] 宋建學，李 杰.地震次生火災計算機仿真研究[J].工程抗震，2003(2):33-34.

[7] 李 杰，江建華.地震次生火災動態(tài)危險性分析方法研究[J].自然災害學報，2001(3):43-44.

[8] 國 艷，韓紹欣.地震次生火災蔓延模型在Map上的實現(xiàn)[J].東北地震研究，2004(5):27-28.