魯?shù)榈卣鸷暧^震中建筑群震害分析與抗震韌性評估

林旭川 劉雪艷 胡仁康 張令心

摘要：2014年的魯?shù)榈卣鹗蛊浜暧^震中龍頭山鎮(zhèn)遭受毀滅性破壞，整理龍頭山鎮(zhèn)城區(qū)（龍泉社區(qū)）192棟建筑信息，并識別每棟建筑損傷情況。從區(qū)域防災(zāi)角度，對龍頭山鎮(zhèn)建筑群的震害特點、致災(zāi)機(jī)理與減災(zāi)策略進(jìn)行分析，對該區(qū)域震后避難場所分布情況和恢復(fù)重建過程進(jìn)行分析與討論。基于提出的區(qū)域建筑群功能完整度指標(biāo)，對龍頭山鎮(zhèn)地震破壞與災(zāi)后重建各個階段的功能完整度與恢復(fù)程度進(jìn)行了量化分析。結(jié)果表明：魯?shù)榈卣鸨憩F(xiàn)出的“小震大災(zāi)”特征，主要與地震動局部異常以及房屋整體抗震能力有關(guān)，局部異常嚴(yán)重的震害也可能對全局震害產(chǎn)生決定性的影響;當(dāng)規(guī)則建筑具備必要的設(shè)防水準(zhǔn)后，往往可避免其在遠(yuǎn)超越設(shè)防水準(zhǔn)地震下倒塌;提出的結(jié)構(gòu)功能完整度可比較合理地描述區(qū)域建筑群恢復(fù)的過程，可為抗震韌性分析提供量化指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：建筑群;城鎮(zhèn)抗震韌性;魯?shù)榈卣?地震破壞;區(qū)域防災(zāi)

0 引言

近幾十年來，我國城鎮(zhèn)發(fā)生了翻天覆地的變化，人口與財富愈發(fā)集中，新舊建筑混雜，也因此面臨著日益嚴(yán)峻的地震災(zāi)害風(fēng)險。特別是，大部分新興城鎮(zhèn)尚未經(jīng)受過地震的考驗，缺乏對破壞性地震的深入理解和應(yīng)對經(jīng)驗。因此，深入分析與總結(jié)近年來發(fā)生在我國城鎮(zhèn)附近的破壞性地震，將為我國城鎮(zhèn)防災(zāi)減災(zāi)與應(yīng)急救援工作提供重要參考。

2014年8月3日，云南魯?shù)榘l(fā)生6.5級地震，震源深度12 km，地震造成了617人死亡、3 000余人受傷以及巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失（李永強(qiáng)，李兆隆，2016）。該地震的宏觀震中位于魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)，其強(qiáng)烈的地震作用造成了龍頭山鎮(zhèn)城區(qū)大部分建筑的嚴(yán)重破壞或倒塌。分析龍頭山鎮(zhèn)的破壞情況發(fā)現(xiàn)，位于同一個地區(qū)的緊緊靠近的兩個區(qū)域，震害程度卻差異明顯。在魯?shù)榈卣鸷?個月，云南再次發(fā)生了比魯?shù)榈卣鹫鸺壐?、震源更淺的6.6級景谷地震（震源深度5 km），但僅造成1人死亡、324人受傷，兩次地震的結(jié)果形成了巨大反差。因此，探析上述反?，F(xiàn)象，對深入理解區(qū)域地震成災(zāi)機(jī)理具有重要意義。同時，龍頭山鎮(zhèn)遭遇毀滅性地震破壞后，當(dāng)?shù)厥紫刃枰鎸Φ膯栴}是如何進(jìn)行避難和安置，其次是如何進(jìn)行災(zāi)后重建。從系統(tǒng)角度，對該城區(qū)的建筑群破壞、應(yīng)急避難與恢復(fù)重建等情況進(jìn)行分析，有利于提升城鎮(zhèn)抗震韌性的認(rèn)知水平與建設(shè)能力。

本文基于2014年龍頭山鎮(zhèn)城區(qū)（龍泉社區(qū)）震害調(diào)查資料以及不同時期（震前、震后以及重建期）的衛(wèi)星遙感資料，結(jié)合近年來該區(qū)域震害的相關(guān)研究，對龍頭山鎮(zhèn)的建筑進(jìn)行逐一分析整理，建立了各個建筑的結(jié)構(gòu)信息與損傷狀態(tài)數(shù)據(jù)，從建筑群的視角開展震害機(jī)理與區(qū)域抗震韌性分析。

1 建筑群震害整理與分析

圖1具體展示了龍頭山鎮(zhèn)的破壞情況，在紅虛線內(nèi)，房屋大部分倒塌或嚴(yán)重破壞，而在紅實線內(nèi)，建筑的破壞非常輕，二者產(chǎn)生了鮮明的對比（Lin et al，2015）。筆者對龍頭山鎮(zhèn)城區(qū)（龍泉社區(qū)）192棟建筑的震害資料進(jìn)行逐棟整理與分析，并結(jié)合地震前后遙感數(shù)據(jù)、新聞（木勝玉，2014a）等資料，給出了2014年魯?shù)榈卣鸢l(fā)生后建筑群地震破壞空間分布，如圖2所示。根據(jù)《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級劃分》（GB/T 24335—2009）規(guī)定，并參考《中國地震烈度表》（GB/T 17742—2008）對破壞等級的描述，將建筑的破壞等級分為5級，并分別定義為基本完好、輕微損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、毀壞或倒塌。上述標(biāo)準(zhǔn)均對建筑的損傷程度定義了5個等級，盡管描述方式與評估流程有差異，但其損傷等級的確定均綜合考慮了構(gòu)件的破壞、功能的損失與修復(fù)的難易程度等因素。

龍頭山鎮(zhèn)的建筑可分為5類：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（RC框架）、普通砌體結(jié)構(gòu)、約束砌體結(jié)構(gòu)和木架結(jié)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)。砌體結(jié)構(gòu)分為普通（無約束）砌體結(jié)構(gòu)和約束砌體結(jié)構(gòu)，二者的本質(zhì)差別在于結(jié)構(gòu)是否具有確保其整體性的抗震構(gòu)造措施。木架結(jié)構(gòu)的主體承重結(jié)構(gòu)為木框架，而土木結(jié)構(gòu)的承重部件以生土或夯土為主，木頭用于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。圖3給出了該區(qū)域典型結(jié)構(gòu)類型的破壞示例。圖3a為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，底層殘余層間位移角達(dá)1/18，大量梁柱端部嚴(yán)重破壞，底層填充墻嚴(yán)重破壞，破壞等級介于嚴(yán)重破壞與

倒塌之間;圖3b為約束砌體結(jié)構(gòu)，圖中左側(cè)建筑的首層墻體出現(xiàn)了嚴(yán)重的X型開裂，由于地震作用過大，墻體裂縫貫穿了構(gòu)造柱，而圖中右側(cè)建筑則整個底層徹底倒塌，破壞等級為倒塌;圖3c為當(dāng)?shù)氐哪炯芙Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，墻體幾乎徹底破壞，破壞等級為嚴(yán)重破壞;圖3d為土木結(jié)構(gòu)徹底坍塌，土木結(jié)構(gòu)整體性普遍較差，且墻體強(qiáng)度較低。

需要指出的是，即使將震害較輕的區(qū)域包含在內(nèi)，192棟建筑中，倒塌建筑數(shù)量仍多達(dá)122棟，建筑的倒塌率高達(dá)63.5%，而其中不乏經(jīng)過正規(guī)設(shè)計且具有良好抗震構(gòu)造措施的公共建筑。圖4給出了在建筑倒塌較集中區(qū)域記錄到的地震動的擬加速度反應(yīng)譜，當(dāng)結(jié)構(gòu)基本周期小于1.0 s時，實際地震動產(chǎn)生的水平作用力是規(guī)范規(guī)定的罕遇地震的4～5倍，該地震動的PGA將近1.0 g（冀昆等，2014），甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越規(guī)范規(guī)定的9度區(qū)的罕遇地震的PGA。中低層建筑的嚴(yán)重破壞和倒塌的主要原因是地震作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)防水準(zhǔn)（陸新征等，2014），由于地震作用太大，不少建筑的底層徹底垮塌（Lin et al，2015），如圖3c所示。雖然實際地震作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范設(shè)計要求，對于結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則、剛度分布均勻、填充墻分布均勻的結(jié)構(gòu)，多以嚴(yán)重破壞為主，并未造成徹底倒塌，如圖3b所示。

2 基于區(qū)域防災(zāi)視角的建筑群震害討論? 魯?shù)榈卣鸬恼鸷Ρ憩F(xiàn)出了“小震大災(zāi)”的特征。地震的破壞力受到諸多因素的影響，既和地震產(chǎn)生的地面運(yùn)動激烈程度有關(guān)，又和工程結(jié)構(gòu)的抗震能力有關(guān)。根據(jù)中國地震局發(fā)布的地震烈度圖（木勝玉，2014a），云南魯?shù)?.5級地震的Ⅵ度區(qū)的面積為8 390 km2，Ⅶ度區(qū)的面積為1 580 km2，Ⅷ度區(qū)的面積為290 km2，Ⅸ度區(qū)的面積為90 km2（圖5）。云南景谷6.6級地震的Ⅵ度區(qū)的面積為9 780 km2，Ⅶ度區(qū)的面積為1 750 km2，Ⅷ度區(qū)的面積為400 km2，Ⅸ度區(qū)的面積為零（木勝玉，2014b）。

圖6給出了這2個地震不同烈度區(qū)的比較，縱坐標(biāo)的烈度區(qū)面積比為各個烈度區(qū)域的面積與各自地震Ⅵ度及以上烈度區(qū)的總面積的比值。景谷地震Ⅵ度及以上區(qū)域總面積要比魯?shù)榈卣鸫?5%，但是震害卻輕很多。景谷地震人員傷亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于魯?shù)榈卣穑饕且驗槿藛T傷亡情況很大程度上與房屋建筑的破壞與倒塌情況相關(guān)。 從圖6可以發(fā)現(xiàn)，2個相當(dāng)震級地震不同烈度區(qū)面積占總面積的比例大致相當(dāng)，但魯?shù)榈卣鸲嗔艘粋€Ⅸ度區(qū)，有更多的能量集中在距離震源較近的區(qū)域，龍頭山鎮(zhèn)及其周邊村鎮(zhèn)正是位于該區(qū)內(nèi)。一方面，魯?shù)榈卣鹩绊憛^(qū)房屋抗震能力相對較差且人口相對較稠密，容易導(dǎo)致地震的影響加重（和嘉吉等，

2015）;另一方面，局部區(qū)域異常強(qiáng)烈的地震動及其產(chǎn)生的異常嚴(yán)重震害也可能對全局產(chǎn)生決定性的影響，龍頭山鎮(zhèn)部分區(qū)域（圖1中紅虛線包圍區(qū)域）建筑群的毀壞與倒塌整體上加重了此次地震的震害與傷亡。

為了從建筑群的角度進(jìn)一步分析龍頭山鎮(zhèn)地震致災(zāi)特點，比較不同參數(shù)與震害的相關(guān)性，對城區(qū)192棟建筑進(jìn)行了分類統(tǒng)計，給出了各類房屋中各種破壞程度的占比，如圖7所示。由圖7a可見，層數(shù)不同，建筑發(fā)生破壞的可能性差異很大，1～5層的建筑倒塌的比例分別達(dá)到了68.5%，61.1%，57.5%，30.8%與20.8%。1～3層建筑中倒塌的比例非常高，約，主要原因是低矮建筑里質(zhì)量相對較差的自建房屋有相當(dāng)比例;而5層完好或輕微破壞的建筑超過，其中倒塌的建筑主要位于圖1中紅虛線包圍的區(qū)域，完好或輕微損壞的建筑位于紅實線包圍的區(qū)域。由此可見，建筑的高度與可用的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)的周期緊密相關(guān)，這些結(jié)構(gòu)屬性與地震動特性相互結(jié)合，對結(jié)構(gòu)損傷破壞程度起著至關(guān)重要的影響。

結(jié)構(gòu)類型不同，建筑的抗震能力差異也很大，普通砌體結(jié)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)與木架結(jié)構(gòu)的倒塌率為74%～91%，而RC框架與約束砌體結(jié)構(gòu)的倒塌率在23%～25%（圖7b）。一方面，結(jié)構(gòu)類型對震害的嚴(yán)重程度起著決定性的影響;另一方面，7度設(shè)防的RC框架結(jié)構(gòu)和約束砌體結(jié)構(gòu)，即使在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越其設(shè)防水準(zhǔn)的地震動作用下，仍有相當(dāng)高的“不倒”概率。歷史上發(fā)生的破壞性地震，往往出現(xiàn)遠(yuǎn)高于設(shè)防水準(zhǔn)的地震作用，而結(jié)構(gòu)設(shè)計又無法將設(shè)計水準(zhǔn)提高到該水平。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計既需確保房屋的安全，又需充分考慮地震及其產(chǎn)生的地面運(yùn)動巨大的不確定性，而該問題一直沒有一個合適的解決方案。對于區(qū)域與城市的抗震防災(zāi)而言，雖然地震具有很大的不確定性，當(dāng)建筑比較規(guī)則且達(dá)到一定的抗震能力與構(gòu)造措施時（如達(dá)到7度區(qū)的設(shè)防水準(zhǔn)），仍能很大程度上確保在超預(yù)期地震作用下建筑不倒塌，這對減輕經(jīng)濟(jì)水平有限而地震頻發(fā)區(qū)域的震害具有重要參考價值。從抗震韌性的角度看，提高建筑的抗震能力，從整體上降低區(qū)域建筑群的地震損傷程度，將有利于區(qū)域的快速恢復(fù)，并直接對區(qū)域抗震韌性的提升發(fā)揮重要作用。

魯?shù)榈卣鹬幸韵乱蛩匾矊υ搮^(qū)域震害情況與震后救災(zāi)帶來影響：

（1）地形與場地。龍頭山鎮(zhèn)可分為截然不同

的2個區(qū)域，一個區(qū)域建筑破壞非常嚴(yán)重，建筑主要位于一個“小土坡”上，另一個區(qū)域震害輕微，建筑主要沿河布置（圖1）。這2個區(qū)域彼此相鄰，且均位于IX度區(qū)內(nèi)。震害非常嚴(yán)重區(qū)域記錄到的PGA約1 g，震害輕微區(qū)域雖無臺站，但根據(jù)數(shù)值模擬的試算結(jié)果，實際的PGA非常小，應(yīng)小于0.1 g。地震作用在小范圍內(nèi)的巨大差異主要因為該區(qū)域復(fù)雜的地形與場地條件（魏勇，2018）。

（2）地震發(fā)生時間和季節(jié)。魯?shù)榈卣鸢l(fā)生于8月3日白天，正好趕上學(xué)校放假，從而避免了學(xué)校建筑倒塌所致的人員傷亡。但地震后發(fā)生了大量滑坡，并引發(fā)了堰塞湖，更不幸的是該地區(qū)進(jìn)入雨季，白天時被打通的道路，又因為傍晚的降雨而阻塞，日復(fù)一日，不僅加重了震害，也對救災(zāi)造成了非常不利的影響。因此，地震發(fā)生的時間和季節(jié)對災(zāi)害的影響也不可忽略。

3 城鎮(zhèn)恢復(fù)重建與抗震韌性

區(qū)域的抗震能力，不僅體現(xiàn)在抵御地震破壞的能力，還體現(xiàn)在遭受地震破壞后的應(yīng)對處理能力與恢復(fù)重建能力。魯?shù)榈卣鹬?，龍頭山鎮(zhèn)遭到了嚴(yán)重的破壞，如何安排當(dāng)?shù)鼐用襁M(jìn)行有效的避難與臨時安置對防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義，也是震后恢復(fù)工作的第一步。圖8給出了該區(qū)域在地震后（主震發(fā)生后第17天）可設(shè)置帳篷與臨時住房區(qū)域，共有7處。這些區(qū)域由預(yù)留地、廣場、校園、院落等空地構(gòu)成，分散在龍頭山鎮(zhèn)各處，用于安置失去居住場所的民眾。其中，A位置的避難場所最大，地震前該處是一塊空地。由于大量建筑的

破壞與倒塌，導(dǎo)致村民需要中長期避難。截至2015年5月（9個月后），B處被去除但其周圍重新開辟了新的避難場所，其他6處保留，A處仍然是主要避難場所，C處附近增加了一塊空地?？梢姡诜罏?zāi)規(guī)劃中，預(yù)留充分的避難場所，對應(yīng)急救援、控制次生災(zāi)害、方便災(zāi)后重建具有重要意義。

為了對龍頭山鎮(zhèn)的抗震韌性進(jìn)行初步定量分析，本文基于現(xiàn)場震害調(diào)查建立的192棟建筑，結(jié)合不同時期遙感圖片及Google earth圖片，對不同時期該區(qū)域建筑群的功能完整性進(jìn)行評估。單體建筑的功能完整度與建筑破壞的狀態(tài)及其可修復(fù)性相關(guān)，針對不同的建筑破壞等級，粗略地給出建筑的結(jié)構(gòu)功能完整度，如表1所示。需要指出的是，本文討論的建筑功能僅包括房屋結(jié)構(gòu)的力學(xué)功能，而不包含建筑的使用功能。房屋結(jié)構(gòu)功能完好時，功能完整度取1.0，建筑倒塌時功能完整度取0.0?？紤]到嚴(yán)重破壞及倒塌，建筑的功能受到的影響極大且修復(fù)困難，因此，嚴(yán)重破壞及倒塌的功能完整度取值明顯低于其他等級。

式中：Rregion為建筑群的功能完整度;i為建筑編號;Ri為第個單體建筑的功能完整度;Ai為第個建筑的建筑面積。

根據(jù)功能完整度的定義，得到龍頭山鎮(zhèn)建筑群功能完整度隨時間變化曲線，如圖9所示，圖中a，b，c，d這4個點對應(yīng)的龍頭山衛(wèi)星遙感圖片，如圖10所示。地震發(fā)生前功能完整度為1.0，其狀態(tài)如圖10a所示，地震發(fā)生后整個城鎮(zhèn)的功能完整度降到41%，如圖10b所示;隨著重建的啟動，部分未倒塌但是不易修復(fù)的房屋也被拆除，功能完整度進(jìn)一步降低到33%，如圖10c所示。由于國家、地方政府與社會各界支持并重視龍頭山鎮(zhèn)的重建工作，龍頭山鎮(zhèn)在恢復(fù)過程中，社會、經(jīng)濟(jì)和工程資源基本上是充足的，地震發(fā)生后約3年零3個月，該區(qū)域重建完畢（薛濤，2017），此時功能完全恢復(fù)，功能完整度為1.0，之后功能完整度保持1.0不變，圖10d給出了2018年的狀態(tài)。龍頭山鎮(zhèn)在遭遇嚴(yán)重破壞后，以年均20%的速度對其功能完整性進(jìn)行恢復(fù)?？梢姡瑓^(qū)域功能完整度指標(biāo)，可以較好地描述區(qū)域地震破壞與恢復(fù)過程的狀態(tài)，與概念基本相符。

在重建過程中，龍頭山鎮(zhèn)除了保留部分嚴(yán)重破壞的建筑作為此次地震的紀(jì)念外，大部分嚴(yán)重破壞或倒塌的建筑均被徹底拆除，并在原先相對平坦的區(qū)域建立了抗震性能更好的民居與公共建筑，并環(huán)繞該城鎮(zhèn)建立了新的道路，使其交通網(wǎng)絡(luò)具有更高的冗余性。從這個意義上，該區(qū)域具備了比地震前更高的抗震能力和更完善的使用功能，功能的完整性應(yīng)高于原先的1.0，實際恢復(fù)曲線應(yīng)為圖9中的虛線所示。針對不同的分析需要，需要對絕對功能完整度與相對功能完整度進(jìn)行區(qū)分。

4 結(jié)論

本文整理了2014年魯?shù)榈卣鸷暧^震中龍頭山鎮(zhèn)城區(qū)的192棟建筑信息與損傷狀態(tài)，從區(qū)域防災(zāi)的角度，對該建筑群破壞機(jī)理進(jìn)行討論，并對區(qū)域的抗震韌性進(jìn)行了量化分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）魯?shù)榈卣鸨憩F(xiàn)出“小震大災(zāi)”特征，由于地形與場地的影響，龍頭山鎮(zhèn)建筑群的地震破壞呈現(xiàn)了非常嚴(yán)重與非常輕微兩塊震害程度截然不同的區(qū)域，總體上區(qū)域內(nèi)建筑的倒塌率高達(dá)63.5%，主要原因是由于地震動局部異常強(qiáng)烈。

（2）雖然遭受了異常強(qiáng)烈的地震動作用（PGA約1.0 g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Ⅸ度罕遇地震作用），但部分建筑仍可免于倒塌，可見當(dāng)規(guī)則建筑具備必要的設(shè)防水準(zhǔn)（Ⅶ度）后，可很大程度上避免其在遠(yuǎn)超越設(shè)防水準(zhǔn)地震下倒塌，該結(jié)論可為經(jīng)濟(jì)能力不足區(qū)域的抗震防災(zāi)工作提供參考。

（3）地形與場地、地震發(fā)生的時間與季度均對龍頭山鎮(zhèn)的震害與震后救災(zāi)產(chǎn)生了關(guān)鍵影響。

（4）龍頭山鎮(zhèn)重建的過程顯示，預(yù)留充分的避難場所，對應(yīng)急救援、控制次生災(zāi)害、方便災(zāi)后重建具有重要意義。

（5）建議了針對房屋結(jié)構(gòu)的功能完整度指標(biāo)，得到龍頭山鎮(zhèn)建筑群功能完整度隨時間變化曲線，龍頭山鎮(zhèn)在地震發(fā)生后功能完整度降到了41%，并以平均每年20%的速度進(jìn)行功能恢復(fù)。該建議指標(biāo)可比較合理地描述區(qū)域建筑群恢復(fù)的過程，為抗震韌性分析提供量化指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

和嘉吉，盧永坤，代博洋，等.2015.魯?shù)镸S6.5與景谷MS6.6地震災(zāi)區(qū)房屋抗震能力差異分析[J].地震研究，38（1）：137-142.

冀昆，溫瑞智，崔建文，等.2014.魯?shù)镸S6.5地震強(qiáng)震動記錄及震害分析[J].震害防御技術(shù)，9（3）：325-339.

李永強(qiáng)，李兆隆.2016.2014年云南魯?shù)?.5級地震致人死亡情況分析[J].中國地震，32（4）：787-800.

陸新征，林旭川，田源，等.2014.汶川、蘆山、魯?shù)榈卣饦O震區(qū)地面運(yùn)動破壞力對比及其思考[J].工程力學(xué)，31（10）：1-7.

木勝玉.2014a.中國地震局詳解魯?shù)?.5級地震烈度分布與震害（圖）[EB/OL].（2014-08-07）[2020-04-13].http：//yn.people.com.cn/news/yunnan/n/2014/0807/c228496-21913280-2.html.

木勝玉.2014b.云南公布景谷6.6級地震烈度圖[EB/OL].（2014-10-11）[2020-04-13].http：//yn.people.com.cn/news/yunnan/n/2014/1011/c228496-22569466.html.

魏勇.2018.基于強(qiáng)震動觀測的魯?shù)镸S6.5地震場地效應(yīng)分析研究[D].武漢：中國地震局地震研究所.

薛濤.2017.魯?shù)?.5級地震災(zāi)后恢復(fù)重建全面完成[EB/OL].（2017-11-30）[2020-04-13].http：//www.xinhuanet.com//local/2017-11/30/c_1122038595.htm.

L