震后火灾环境下结构工程学科研究现状分析

王典武 毕兆武 毕文萍

0 引言

地震火灾是地震的次生灾害之一。世界上多次大地震都发生了火灾，火灾虽是地震的次生灾害，但有时却比地震直接造成的危害和损失大得多。例如，旧金山8.3级地震后引起大火，火灾造成的损失比地震造成的直接损失大10倍[1]。日本关东7.9级地震，地震时，整个灾区都发生了火灾[2]。福井7.3级地震，地震时各地发生火灾，因此研究地震火灾的危害程度和产生的原因具有重要意义。

1 地震火灾的特征，产生的原因及其影响因素

1.1 地震火灾的特征

1)地层常常引起多处同时起火，火灾成因较多，火情复杂，人们猝不及防，顾此失彼;2)城市供水系统及消防设施受破坏，通讯中断，交通受阻，消防人员伤亡，无法及时扑救;3)地层本身带来极大的破坏，分散人员精力，大震后还有余震，震灾和多种次生灾害如水灾、毒气泄漏等交织在一起，增加火灾的扑救难度。

1.2 地震火灾产生的原因

1.2.1 化学药品

这类火灾也很引人注目，几乎占地震火灾的30%。关东大地震时发生的100多起火灾中就有44起与化学药品有关。1978年6月12日宫城县近海地震中有6起[4]。1988年11月6日澜沧一耿马地震、1992年12月8日云南永胜5.4级地震时，都有因化学药品爆炸起火的例子，损失达几十万元。

1.2.2 炉火

炉火包括民用炉火和工商业用炉火。由于地震震动，炉具倾倒、损坏，引起火灾。目前，该类火灾在我国占主要比例。例如:唐山地震时，宁河县芦台镇一居民户，由于房屋倒塌，打翻炉火引起火灾，三间房屋全部烧光，全家无一幸免。再如:天津北郊区某饭店，唐山地震时，饭店正炸果子，高温油晃动溢出，遇到炉火引起燃烧，将油、面及天窗全部烧毁，由于扑救及时，未造成重大损失。

1.2.3 电气设备

电气设施损坏引起火灾强烈地震时，电气线路和设备都有可能损失或产生故障，有时还会发生电弧，引起易燃物质的燃烧，产生火灾。例如，宝坻县某大队副业厂，唐山地震时，厂房倒塌，电线被砸断，火线落在易燃物质上引起火灾，将两间厂房及部分机器烧毁。又如，唐山地震时，距震中40余千米的某变电所，一台重达60 t的主变压器从台上滑下，外引线将套管拉裂，变压器油当即喷出，由于蓄电池全部倾倒，继电保护失去作用，引线受震强烈摆动，造成短路，打出弧光，引燃喷出的变压器油，将变压器烧毁。

1.3 地震火灾的影响因素

1)建筑物结构。不言而喻，木结构建筑物的防火性能差，如果发生火灾，极易蔓延。2)震级、烈度。一般震级在7.2～7.5的地震不常发生火灾，7.2级以下的地震几乎都不发生火灾。因为起火处的数量和房屋倒塌成正比。地震越大，房屋倒塌越多，发生火灾的几率也就越高[4]。3)地基。在软质地基上兴建的房屋，因地震时地基液化，房屋倾倒的多，造成火灾的机会也就增多。在日本，随着城市的发展，住宅几乎都建在软质填土地基上。1978年仙台东部海底地震，仙台市烈度仅5度，建筑物本不应有破坏，但是破坏竟意想不到的严重，并引起了大火[4]。4)发震季节。在冬季或大风季节，易造成大火，且火势容易蔓延，关东大地震时先是南风，后转为向东移动的西风，最后转成北风，夜间最大瞬间风速为21.8 m，火焰随风呼啸旋转，袭击了避难场所和空地，致使很多人烧死[4]。5)时间。若地震发生在居民做饭时也易造成火灾。

2 地震火灾发生率的推算方法研究

通过对一般情况下城市民事火灾发生率的研究，曾得出结论[5]:由于多因素的综合作用，火灾发生率与人口数量和居住密度的关系并不十分密切，而其决定因素是建筑面积。通过对历史地震火灾案例的统计分析，结合地震灾场的一般特点，可认为:地震火灾的发生率也基本上遵循上述规律，且有一个显著的特点，即:地震火灾的发生率与建筑物的破坏程度有关。

3 地震次生火灾计算机仿真研究现状及发展趋势

事实上，由于地震次生火灾的发生与扑救过程至少涉及到城市消防系统、供水系统、交通系统、通讯系统以及区域性建筑工程系统，要想建立系统分析的传统数学模型是非常困难，甚至是不可想象的。因此，将离散事件系统数值仿真技术引入到地震工程研究中来，是一种适时的选择。宋建学等[6]将离散事件系统仿真技术引入到地震次生火灾的研究之中，通过对历史震测的分析研究，确定了地震次生火灾发生概率模型中的具体参数。在大量火灾案例的统计分析基础上，建立了火灾扑救各阶段的持续时间仿真模型。文献[6]所建立的地震次生火灾计算机仿真模型可概括如下:

1)取地震次生火灾的发生时间段为震后5 d，用泊松分布构造次生火灾的发生事件。为了保证次生火灾发生事件满足泊松过程的基本性质，应将城市划分为适当的小区。2)按城市平时火灾的案例统计结果，确定火灾扑救各阶段的持续时间概率模型。3)根据交通系统状况，确立消防队到各个消防小区的时间延迟，这一般处理为仿真。4)根据火灾发生和扑救过程的概率模型，利用离散事件系统仿真技术，经过适当的时间历程，得到稳态的仿真结果，即有关城市系统次生火灾控制的一些基本参数。这样，就可以评价一个城市在次生火灾控制方面的功能水平了。

文献[7]提出了一个城市地震次生火灾动态危险性分析与预估的一般模型，根据地震次生火灾发生具有离散性和随机性的特点，采用泊松过程模型作为地震次生火灾发生的初始估计模型。国艳等[8]利用Visual Basic语言开发在突发地震情况下诱发次生火灾蔓延的计算机定性仿真动态模拟，在MapX 4-63平台上来实现可视化的火灾蔓延的模拟，完成了由建筑物破坏而引发的地震次生火灾蔓延从数学模型建立到软件的编制和数据处理的整个过程。本次实践为地震次生火灾的研究提供了一个新的解决方案和技术思路。但是由于目前的研究工作在一定程度上受计算方法、计算工具及火灾理论等方面的限制，已经开发出来的这些计算机火灾模型的准确性、灵活性和实用性仍然有待进一步提高。

4 结语

本文全面介绍了地震次生火灾方面的研究进展，包括地震次生火灾的历史震害，地震次生火灾的引发原因，地震火灾发生率的推算方法研究及地震次生火灾计算机仿真研究现状。到目前为止，国内外对于城市次生火灾的研究较多并较系统，而对于建筑物的地震次生火灾的研究还较少，这方面的研究将涉及到多个领域，如建筑、消防、结构、材料等，还有很多问题有待研究:

1)地震作用下，建筑防火保护系统的损伤研究;2)地震作用下，结构防火保护系统的损伤研究;3)建筑物地震次生火灾的发生和蔓延;4)考虑建筑防火保护系统的损伤，次生火灾荷载的模拟;5)结构防火保护受损时，结构的抗火性能研究;6)建筑物次生火灾的危险性分析等。

[1] 陈素文，李国强.地震火灾事例调查[J].自然工程学报，2007(3):55-56.

[2] 郭增建，陈鑫连.城市地私于策[M].北京:地震出版社，1991.

[3] 卢振恒.日本破坏地震概观[M].北京:地震出版社，1991.

[4] 陈宏德.日本地震与火灾[J].国际地震动态，1982(1):13-14.

[5] 李 杰，江建华.城市地震次生火灾危险性分析[J].自然灾害学报，2000，9(2):87-91.

[6] 宋建学，李 杰.地震次生火灾计算机仿真研究[J].工程抗震，2003(2):33-34.

[7] 李 杰，江建华.地震次生火灾动态危险性分析方法研究[J].自然灾害学报，2001(3):43-44.

[8] 国 艳，韩绍欣.地震次生火灾蔓延模型在Map上的实现[J].东北地震研究，2004(5):27-28.