建筑物震害預(yù)測(cè)在減輕城市地震災(zāi)害中的作用

陳小芳，吳華平

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

建筑物震害預(yù)測(cè)在減輕城市地震災(zāi)害中的作用

陳小芳，吳華平

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

在目前地震頻發(fā)、地震預(yù)報(bào)尚不成熟的情況下，人們?cè)絹碓角逍训卣J(rèn)識(shí)到震災(zāi)防御的緊迫性。通過案例分析，說明建筑物震害預(yù)測(cè)有助于發(fā)現(xiàn)城市抗震性能薄弱的建筑物，并為其加固改造提供依據(jù)，進(jìn)而為減輕城市地震災(zāi)害服務(wù)。

震害預(yù)測(cè)；地震；建筑物；抗震性能

引言

地震是破壞力最強(qiáng)的自然災(zāi)害，大地震導(dǎo)致災(zāi)害的最重要特征之一是嚴(yán)重破壞發(fā)生在極短的時(shí)間內(nèi)，極其容易造成人員的傷亡，其破壞程度是其它自然災(zāi)害不能比擬的。近年來全球范圍內(nèi)發(fā)生的大地震有明顯增強(qiáng)趨勢(shì)，并造成了極為嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。如發(fā)生在2008年5月12日的8.0級(jí)汶川特大地震，造成近10多萬人遇難，受災(zāi)范圍涉及四川、甘肅、陜西、云南、寧夏回族自治區(qū)等237個(gè)縣、市，倒塌房屋500多萬間，損壞房屋2 000多萬間，很多地方夷為平地，上千萬的災(zāi)民需要安置。還有如2010年1月12日發(fā)生在海地太子港的7.3級(jí)地震，死亡人數(shù)高達(dá)26萬之多，70%多的房屋倒塌，生命線系統(tǒng)全部癱瘓，200多萬居民無家可歸，其災(zāi)害超過2004年的印尼海嘯。

而緊接海地地震之后，2010年2月27日在智利圣地亞哥發(fā)生了8.8級(jí)特大地震，并由此引發(fā)海嘯，鄰近太平洋的許多國(guó)家和地區(qū)受到波及。該次地震所釋放的能量是海地地震的500倍，但從拍回的衛(wèi)星航片上看，智利圣地亞哥震后的房屋倒塌率很低，很多房屋完好無損，部分生命線系統(tǒng)在短暫中斷后，很快恢復(fù)了正常，死亡人數(shù)近500人。究其原因，是1960年智利9.5級(jí)大地震后，智利認(rèn)識(shí)到提高房屋抗震性能的重要性。自此以后，智利重新制定了建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，新建的建筑物均按新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工建設(shè)，從而使智利整體抗震能力有了較大提高。在以后的多次地震中，智利人又積累了豐富的應(yīng)急經(jīng)驗(yàn)，從而在每次地震時(shí)，智利百姓能夠從容應(yīng)對(duì)，并及時(shí)逃生。

從以上幾次震后災(zāi)害狀況的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在目前地震預(yù)報(bào)尚不能實(shí)現(xiàn)的情況下，建筑物抗震能力的高低對(duì)減輕地震災(zāi)害有著極其重要的作用。

1 目前我國(guó)地震形勢(shì)

本世紀(jì)初是我國(guó)大陸地震頻繁發(fā)生的活躍期[1]，通過對(duì)2005～2009年我國(guó)發(fā)生的5.0級(jí)以上中強(qiáng)地震的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)這5年中5.0級(jí)以上地震共發(fā)生302次之多，其中2008年的“5.12大地震”給人們留下許多痛苦的回憶。

我國(guó)2/3的大中城市位于地震活動(dòng)區(qū)，20世紀(jì)以來因地震死亡的人數(shù)占全球的55%［1］。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的騰飛、高科技產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，城鎮(zhèn)化步伐不斷加快，城市人口加速膨脹，出現(xiàn)了人口、財(cái)富集中和城市化程度的提高，從而增大城市的防災(zāi)難度，導(dǎo)致受災(zāi)損失額度的增加。我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，提高建筑物抗震性能對(duì)減輕地震災(zāi)害，尤其是對(duì)減少生命財(cái)產(chǎn)的損失有著舉足輕重的作用。如何提高城市現(xiàn)有建筑物的抗震能力，是目前各個(gè)城市所面臨的問題，建筑物震害預(yù)測(cè)為解決這一問題提供了捷徑。

2 建筑物震害預(yù)測(cè)工作內(nèi)容及技術(shù)要求

2.1 建 （構(gòu)）筑物易損性分析

根據(jù)建筑物的分布和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)15層 （含15層）以上高層建筑 （數(shù)量較少的城市）和重要建筑物，以及生命線工程中心設(shè)施，以單體分析為主逐棟進(jìn)行單體震害預(yù)測(cè)；15層（不含15層）以下建筑物按1/10～1/30比例抽樣，對(duì)于單體調(diào)查的建筑物，逐棟開展易損性分析，并根據(jù)設(shè)定地震影響場(chǎng)給出震害預(yù)測(cè)結(jié)果；對(duì)于群體調(diào)查的抽樣建筑進(jìn)行單體分析，確定群體易損性矩陣。建立城市各類建筑物震害預(yù)測(cè)矩陣，注意居住人口密集和對(duì)防震減災(zāi)起關(guān)鍵作用的地區(qū)。

重要建筑物包括政府指揮和管理機(jī)關(guān)、各大醫(yī)院、公安局、市屬金融機(jī)關(guān)、廣播電視臺(tái)、學(xué)校及通訊 （郵電）中心大樓、電力大樓、供水和供氣中心建筑、火車站、重要的汽車站等，公共建筑如大型影劇院 、體育館、大的百貨商場(chǎng)等。

重要建筑物按以下5類劃分：A.市委、區(qū)委等重要政府機(jī)構(gòu)所在地，B.銀行、保險(xiǎn)、海關(guān)、證卷市場(chǎng)等金融機(jī)構(gòu)所在地，C.與城市生命線樞紐有關(guān)的建筑物 （機(jī)場(chǎng)、車站、通訊大樓、電廠、變電站、供水、供氣等），D.其他商業(yè)與公共設(shè)施 （商場(chǎng)、大飯店、賓館、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和博物館等），E.一般辦公樓和寫字樓等。

2.2 高層建筑物易損性分析

對(duì)于高層建筑較多的城市，要列專項(xiàng)進(jìn)行研究，在分析高層建筑結(jié)構(gòu)和抗震能力特征的基礎(chǔ)上，對(duì)其受設(shè)定地震影響程度做出預(yù)測(cè)。

（1）調(diào)查了解城市內(nèi)高層 （15層及15層以上）建筑物的數(shù)量，基本概況和現(xiàn)狀等方面的資料。

（2）重點(diǎn)調(diào)查占5%左右的高層建筑，詳細(xì)收集每幢高層建筑的結(jié)構(gòu)、平面、立面設(shè)計(jì)等方面的資料。

（3）在重點(diǎn)抽查的基礎(chǔ)上，為每一幢高層建立結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行地震反應(yīng)分析計(jì)算。

（4）根據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果，結(jié)合相關(guān)方面的情況，做出震害預(yù)測(cè)。

（5）通過類比，推測(cè)其它高層建筑的抗震性能。

2.3 震害預(yù)測(cè)結(jié)果表述

（1）震害預(yù)測(cè)結(jié)果按烈度輸入五等級(jí)結(jié)構(gòu)破壞劃分，即基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞，在此基礎(chǔ)上確定各類建筑物結(jié)構(gòu)易損性矩陣。

（2）基于地震動(dòng)參數(shù) （加速度）的震害預(yù)測(cè)結(jié)果表述。

（3）給出建筑物單體和群體在不同烈度下的震害預(yù)測(cè)結(jié)果，并以圖件、表格、數(shù)據(jù)三種形式表達(dá)。

3 建筑物震害預(yù)測(cè)結(jié)果案例分析

按照以上工作內(nèi)容與技術(shù)要求，近年來，我們分別對(duì)深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)、東莞市城區(qū)、中山市城區(qū)進(jìn)行了震害預(yù)測(cè)，取得了較好的成果，并且基于ArcGIS建立了防震減災(zāi)信息管理和輔助決策系統(tǒng)，具體的建筑物在不同烈度地震作用的破壞明細(xì)可通過該系統(tǒng)快速地查詢。下面我們將對(duì)以上三區(qū)建筑物震害結(jié)果進(jìn)行分析，分析的依據(jù)基于 ① 《城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 50413－2007)之1.0.5第一條要求，城市一般建筑工程應(yīng)達(dá)到抗御當(dāng)?shù)鼗玖叶鹊乃?；?008年12月27日頒布的 《中華人民共和國(guó)防震減災(zāi)法》第三十五條的規(guī)定“新建、擴(kuò)建、改建建設(shè)工程，應(yīng)當(dāng)達(dá)到抗震設(shè)防要求……對(duì)學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場(chǎng)所的建設(shè)工程，應(yīng)當(dāng)按照高于當(dāng)?shù)胤课萁ㄖ目拐鹪O(shè)防要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，采取有效措施，增強(qiáng)抗震設(shè)防能力”。

根據(jù)深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)、東莞市城區(qū)、中山市城區(qū)三個(gè)城市的建筑物震害結(jié)果①?gòu)埩钚?，孫景江，唐玉江，等.東莞市市區(qū)建筑物震害預(yù)測(cè)技術(shù)報(bào)告，2006.②張令心，孫景江，唐玉江，等.中山市市區(qū)建筑物震害預(yù)測(cè)技術(shù)報(bào)告，2009.③張令心，孫景江，唐玉江，等.深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)建筑物震害預(yù)測(cè)技術(shù)報(bào)告，2009.④陳小芳，聶樹明.深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)抗震減災(zāi)規(guī)劃及防御對(duì)策特定技術(shù)報(bào)告，2009.⑤陳小芳，聶樹明.東莞市區(qū)抗震能力綜合評(píng)價(jià)及防御對(duì)策研究，2006.⑥陳小芳，聶樹明.中山市城區(qū)防震減災(zāi)規(guī)劃及防御對(duì)策制定技術(shù)報(bào)告，2009.～⑥，我們從高于當(dāng)?shù)鼗玖叶娶穸?（東莞為Ⅶ度，深圳、中山為Ⅷ度）的地震作用下的震害分布中篩選出發(fā)生中等以上破壞的醫(yī)院、學(xué)校、幼兒園、機(jī)場(chǎng)、車站、通訊大樓、商場(chǎng)、酒店、賓館、體育館等重要建筑，將其與在基本烈度 （東莞為Ⅵ度，深圳、中山為Ⅶ度）及低于基本烈度地震作用下的震害分布疊加，同時(shí)參照老舊房屋的分布，劃定各城市危舊房屋集中地段 （圖1、圖2、圖3）及統(tǒng)計(jì)破壞數(shù)量 （表1）。按照以下各圖危舊房屋的分布，結(jié)合三個(gè)城市的建筑物震害結(jié)果，以及防震減災(zāi)規(guī)劃及防御對(duì)策制定中的統(tǒng)計(jì)④～⑥，我們發(fā)現(xiàn)：

（1）在不考慮臨建和土坯房屋的情況下，在各類建筑物中，高層建筑和框架結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能較好，磚混、磚木、磚瓦結(jié)構(gòu)的抗震性能相對(duì)最差。

（2）危舊房屋分布呈現(xiàn)出規(guī)律性，即在老城區(qū)危舊房屋比較多而且較集中，如深圳主要分布在羅湖區(qū)及其與福田區(qū)的交界處，東莞主要分布在莞城區(qū)，中山主要分布在石岐區(qū)。這些地方當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，往往會(huì)成為重災(zāi)區(qū)。

（3）重要建筑物出現(xiàn)了較多中等以上的破壞 (高于當(dāng)?shù)鼗玖叶鹊那闆r下)。如深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)和中山市城區(qū)這樣的房屋分別有639棟和305棟之多，且大多為學(xué)校、幼兒園，個(gè)別為醫(yī)院、商場(chǎng)、酒店等，房屋結(jié)構(gòu)多為框架結(jié)構(gòu)，部分為磚混結(jié)構(gòu)。

（4）總體上看，受破壞的房屋主要集中在1978～1989年，其次是1964～1978年和1989～2001年。

通過開展三區(qū)的建筑物震害預(yù)測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致各類建筑物破壞的原因主要表現(xiàn)在以下幾方面：

表1 中等以上破壞的房屋統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of buildings destroyed moderately and even more

圖1 深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)危舊房屋分布Fig.1 Distribution of danger and old buildings in Shenzhen Special Economic Zone

（1）高層建筑存在的主要問題是：①一些高層框架－剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻為短肢墻，受力性能不好；②很大數(shù)量的高層框架和框架－剪力墻結(jié)構(gòu)中框架柱為異型柱，且多數(shù)異型柱布置不規(guī)則，傳力不連續(xù)。這些結(jié)構(gòu)類型的抗震性能相對(duì)純框架－剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)要差，特別是在大于當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度的大震情況下，其破壞比率較高。③東莞市城區(qū)高層建筑在烈度為Ⅶ度或Ⅷ度的作用下，破壞率較高，這是由于大部分高層建筑是按Ⅵ度抗震設(shè)防進(jìn)行設(shè)計(jì)的 (考慮到Ⅷ度的地震作用下，破壞房屋可達(dá)到160棟之多)。

圖2 東莞城區(qū)危舊房屋集中地段分布Fig.2 Distribution of danger and old buildings in Dongguan urban districts

圖3 中山市城區(qū)危舊房屋集中地區(qū)段分布Fig.3 Distribution of danger and old buildings in Zhongshan urban districts

（2）多層鋼筋混凝土房屋存在的問題主要是：①部分房屋設(shè)計(jì)成由兩排框架柱組成的單跨結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算分析表明這種結(jié)構(gòu)形式的橫向抗震能力差，在地震作用下易產(chǎn)生破壞，震害比由多排柱組成多跨的結(jié)構(gòu)形式相對(duì)要重，從抗震設(shè)計(jì)原則來看，這種結(jié)構(gòu)形式橫向不符合多道抗震防線原則，一旦一側(cè)柱遭受地震破壞，容易引起結(jié)構(gòu)坍塌；②一些框架房屋為了增加上部樓層的空間，從第二層樓板開始向外挑出1～2 m，再砌筑外墻，通過外墻上的構(gòu)造柱和主體框架連接。這種連接方式不能保證地震中墻體與整體結(jié)構(gòu)保持較好的協(xié)調(diào)變形，不符合 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB50011－2001）；③有些填充墻砌筑質(zhì)量及與周圍框架構(gòu)件連接較差。

（3）磚混結(jié)構(gòu)房屋的破壞率較高，抗震性能差，究其原因是：①資料調(diào)查顯示許多磚混結(jié)構(gòu)房屋的墻體厚度為120 mm或180 mm；②這類房屋一部分是解放前建造的，但大多數(shù)又是1989年前建造的，其中1978年以前建造的房屋未設(shè)防的較多，而上世紀(jì)80～90年代建造的層數(shù)較低的磚混結(jié)構(gòu)房屋是當(dāng)?shù)鼐用裎唇?jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)自行建造的，也未考慮抗震設(shè)防，這也是受破壞的房屋主要集中在1978～1989年，其次是1964～1978年的原因；③深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)有些磚混結(jié)構(gòu)房屋雖然做了設(shè)防，但是按低于基本烈度的Ⅵ度設(shè)防。

（4）其它類別房屋 （主要是磚木、磚瓦、土坯房等）存在的問題是：①這類房屋大多為解放前和上世紀(jì)六十、七十年代建造的，多數(shù)未設(shè)防；②部分房屋墻體厚度僅為120 mm和180 mm。

了解了三區(qū)的建筑物破壞特點(diǎn)和存在的問題后，即可對(duì)癥下藥，對(duì)抗震能力差的建筑物采取相應(yīng)的抗震措施，從而提高其抗震性能，以達(dá)到減輕地震災(zāi)害的目的。如：

（1）對(duì)存在問題的建筑物一般采取抗震加固的措施。在對(duì)建筑物的抗震薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固時(shí)，可進(jìn)行有效的抗震效益分析［2］，即在加固前，按照震害預(yù)測(cè)結(jié)果先進(jìn)行房屋排查，首先要確定該建筑是否值得加固，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)為臨建、磚木、磚瓦、土坯的建筑可拆除，磚混房屋以及其它結(jié)構(gòu)類型的建筑視具體情況進(jìn)行抗震效益分析，如年代久遠(yuǎn)，位于城中村，影響周圍環(huán)境及消防通道的磚混房屋等建議拆除。

（2）對(duì)于高層建筑、框架、部分磚混結(jié)構(gòu)房屋存在上述問題的地方進(jìn)行抗震固，加固后的房屋要達(dá)到抗御當(dāng)?shù)鼗玖叶鹊牡卣鹱饔玫哪芰Α?/p>

（3）對(duì)抗震能力差的學(xué)校、醫(yī)院、商場(chǎng)、酒店等人員集中場(chǎng)所建筑物要高度重視，逐一進(jìn)行抗震鑒定與加固，加固后的房屋要達(dá)到抗御高于當(dāng)?shù)鼗玖叶娶穸鹊牡卣鹱饔玫哪芰Α?/p>

（4）對(duì)危舊房屋集中地段可規(guī)劃進(jìn)行成片改造，可起到多快好省的作用。

（5）杜絕濫建、私建房屋；新建、改建、擴(kuò)建工程，要避免前述各類房屋存在的導(dǎo)致抗震性能降低的結(jié)構(gòu)問題，嚴(yán)格按照國(guó)家和省、市的有關(guān)技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)防。

4 結(jié)論

我國(guó)于2008年12月27日頒布的 《中華人民共和國(guó)防震減災(zāi)法》第十三條規(guī)定 “編制防震減災(zāi)規(guī)劃，應(yīng)當(dāng)遵循統(tǒng)籌安排、突出重點(diǎn)、合理布局、全面預(yù)防的原則，以震情和震害預(yù)測(cè)結(jié)果為依據(jù)……”。由此可見城市震害預(yù)測(cè)的重要性。通過以上案例分析，震害預(yù)測(cè)對(duì)間接提高城市建筑物抗震能力，減輕地震災(zāi)害所起的作用可概括為以下方面：

（1）建筑物震害預(yù)測(cè)是基于烈度和地震動(dòng)參數(shù) （加速度）開展的，其最終可給出城市內(nèi)建筑物單體逐棟震害預(yù)測(cè)結(jié)果，從而可獲取城市內(nèi)建筑物的整體抗震能力。

（2）汶川大震后，人們對(duì)學(xué)校、醫(yī)院等人員集中的建筑物的抗震性能力高度重視，許多城市在汶川地震后開展了對(duì)本城市學(xué)校、醫(yī)院的排查工作。震害預(yù)測(cè)可判斷這類重要建筑物的安全程度，給出具體的抗震能力較差的學(xué)校、醫(yī)院、商場(chǎng)、酒店等人員集中的建筑物明細(xì)，為政府方便、快捷、準(zhǔn)確地開展此項(xiàng)工作提供了有力依據(jù)。

（3）明確城市當(dāng)前存在的抗震薄弱環(huán)節(jié)，使政府對(duì)危舊建筑物開展抗震加固工作時(shí)能做到有的放矢。

（4）確定危舊建筑物集中地段分布，進(jìn)而可進(jìn)行成片改造加固。另外，近年來許多城市正在開展城中村 (舊村)改造工程，若結(jié)合震害預(yù)測(cè)的結(jié)果，這樣既經(jīng)濟(jì)又省時(shí)。

（5）可發(fā)現(xiàn)城市抗震薄弱環(huán)節(jié)的共同特性，使以后在新建、擴(kuò)建和改建工程中引起借鑒。

（6）建立了基于ArcGIS防震減災(zāi)信息管理和輔助決策系統(tǒng)，具體要加固的各類建筑物明細(xì)可通過該系統(tǒng)快速查詢，政府可根據(jù)各類建筑物破壞的總體信息與特點(diǎn)制定有效的加固與改造對(duì)策。

（7）為城市編制防震減災(zāi)規(guī)劃和制定城市防御對(duì)策提供可靠依據(jù)。

［1］林思誠(chéng)，陳金海，王孝銑，等.閩南地區(qū)綜合防震減災(zāi)示范工程研究 ［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［2］廖旭，吳明大，國(guó)艷.鞍山市抗震設(shè)防區(qū)劃與震害預(yù)測(cè)研究 ［M］.北京：地震出版社，2006.

Abstract：Currently,earthquakes happen frequently,but the earthquake prediction is immature. Then people realized the necessities of earthquake disaster prevention.By analyzing cases，the paper explained that seismic disaster evaluation was helpful to find the urban buildings with weak seismic beharior and provided the basis for buildings reinforcement and reconstruction,then provided service for urban earthquake disaster reduction.

Keywords：Seismic disaster forecast；Earthquake；Buildings；Seismic behavior

Effects of Seismic Disaster Evaluation of Buildings on Mitigating the Seismic Disasters in City

CHEN Xiaofang,WU Huaping
(Earthquake Administration of Guangdong Province，Guangzhou 510070,China)

P315.9

A

1001-8662（2010）04-0028-07

2010-07-05

陳小芳，女，1966年生，高級(jí)工程師.主要從事地震災(zāi)害預(yù)測(cè)研究. E-mail：chenxf1997@yahoo.com.