建筑物震害预测在减轻城市地震灾害中的作用

陈小芳，吴华平

（广东省地震局，广东 广州 510070）

建筑物震害预测在减轻城市地震灾害中的作用

陈小芳，吴华平

（广东省地震局，广东 广州 510070）

在目前地震频发、地震预报尚不成熟的情况下，人们越来越清醒地认识到震灾防御的紧迫性。通过案例分析，说明建筑物震害预测有助于发现城市抗震性能薄弱的建筑物，并为其加固改造提供依据，进而为减轻城市地震灾害服务。

震害预测；地震；建筑物；抗震性能

引言

地震是破坏力最强的自然灾害，大地震导致灾害的最重要特征之一是严重破坏发生在极短的时间内，极其容易造成人员的伤亡，其破坏程度是其它自然灾害不能比拟的。近年来全球范围内发生的大地震有明显增强趋势，并造成了极为严重的人员伤亡和经济损失。如发生在2008年5月12日的8.0级汶川特大地震，造成近10多万人遇难，受灾范围涉及四川、甘肃、陕西、云南、宁夏回族自治区等237个县、市，倒塌房屋500多万间，损坏房屋2 000多万间，很多地方夷为平地，上千万的灾民需要安置。还有如2010年1月12日发生在海地太子港的7.3级地震，死亡人数高达26万之多，70%多的房屋倒塌，生命线系统全部瘫痪，200多万居民无家可归，其灾害超过2004年的印尼海啸。

而紧接海地地震之后，2010年2月27日在智利圣地亚哥发生了8.8级特大地震，并由此引发海啸，邻近太平洋的许多国家和地区受到波及。该次地震所释放的能量是海地地震的500倍，但从拍回的卫星航片上看，智利圣地亚哥震后的房屋倒塌率很低，很多房屋完好无损，部分生命线系统在短暂中断后，很快恢复了正常，死亡人数近500人。究其原因，是1960年智利9.5级大地震后，智利认识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设计规范，新建的建筑物均按新标准进行施工建设，从而使智利整体抗震能力有了较大提高。在以后的多次地震中，智利人又积累了丰富的应急经验，从而在每次地震时，智利百姓能够从容应对，并及时逃生。

从以上几次震后灾害状况的对比可以发现，在目前地震预报尚不能实现的情况下，建筑物抗震能力的高低对减轻地震灾害有着极其重要的作用。

1 目前我国地震形势

本世纪初是我国大陆地震频繁发生的活跃期[1]，通过对2005～2009年我国发生的5.0级以上中强地震的统计，发现这5年中5.0级以上地震共发生302次之多，其中2008年的“5.12大地震”给人们留下许多痛苦的回忆。

我国2/3的大中城市位于地震活动区，20世纪以来因地震死亡的人数占全球的55%［1］。进入21世纪，随着科学技术的进步、经济的腾飞、高科技产业的迅猛发展，城镇化步伐不断加快，城市人口加速膨胀，出现了人口、财富集中和城市化程度的提高，从而增大城市的防灾难度，导致受灾损失额度的增加。我们应该清醒地认识到，提高建筑物抗震性能对减轻地震灾害，尤其是对减少生命财产的损失有着举足轻重的作用。如何提高城市现有建筑物的抗震能力，是目前各个城市所面临的问题，建筑物震害预测为解决这一问题提供了捷径。

2 建筑物震害预测工作内容及技术要求

2.1 建 （构）筑物易损性分析

根据建筑物的分布和结构特点，对15层 （含15层）以上高层建筑 （数量较少的城市）和重要建筑物，以及生命线工程中心设施，以单体分析为主逐栋进行单体震害预测；15层（不含15层）以下建筑物按1/10～1/30比例抽样，对于单体调查的建筑物，逐栋开展易损性分析，并根据设定地震影响场给出震害预测结果；对于群体调查的抽样建筑进行单体分析，确定群体易损性矩阵。建立城市各类建筑物震害预测矩阵，注意居住人口密集和对防震减灾起关键作用的地区。

重要建筑物包括政府指挥和管理机关、各大医院、公安局、市属金融机关、广播电视台、学校及通讯 （邮电）中心大楼、电力大楼、供水和供气中心建筑、火车站、重要的汽车站等，公共建筑如大型影剧院 、体育馆、大的百货商场等。

重要建筑物按以下5类划分：A.市委、区委等重要政府机构所在地，B.银行、保险、海关、证卷市场等金融机构所在地，C.与城市生命线枢纽有关的建筑物 （机场、车站、通讯大楼、电厂、变电站、供水、供气等），D.其他商业与公共设施 （商场、大饭店、宾馆、运动场和博物馆等），E.一般办公楼和写字楼等。

2.2 高层建筑物易损性分析

对于高层建筑较多的城市，要列专项进行研究，在分析高层建筑结构和抗震能力特征的基础上，对其受设定地震影响程度做出预测。

（1）调查了解城市内高层 （15层及15层以上）建筑物的数量，基本概况和现状等方面的资料。

（2）重点调查占5%左右的高层建筑，详细收集每幢高层建筑的结构、平面、立面设计等方面的资料。

（3）在重点抽查的基础上，为每一幢高层建立结构模型，进行地震反应分析计算。

（4）根据应力分析的结果，结合相关方面的情况，做出震害预测。

（5）通过类比，推测其它高层建筑的抗震性能。

2.3 震害预测结果表述

（1）震害预测结果按烈度输入五等级结构破坏划分，即基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏，在此基础上确定各类建筑物结构易损性矩阵。

（2）基于地震动参数 （加速度）的震害预测结果表述。

（3）给出建筑物单体和群体在不同烈度下的震害预测结果，并以图件、表格、数据三种形式表达。

3 建筑物震害预测结果案例分析

按照以上工作内容与技术要求，近年来，我们分别对深圳经济特区、东莞市城区、中山市城区进行了震害预测，取得了较好的成果，并且基于ArcGIS建立了防震减灾信息管理和辅助决策系统，具体的建筑物在不同烈度地震作用的破坏明细可通过该系统快速地查询。下面我们将对以上三区建筑物震害结果进行分析，分析的依据基于 ① 《城市抗震防灾规划标准》 (GB 50413－2007)之1.0.5第一条要求，城市一般建筑工程应达到抗御当地基本烈度的水平；②2008年12月27日颁布的 《中华人民共和国防震减灾法》第三十五条的规定“新建、扩建、改建建设工程，应当达到抗震设防要求……对学校、医院等人员密集场所的建设工程，应当按照高于当地房屋建筑的抗震设防要求进行设计和施工，采取有效措施，增强抗震设防能力”。

根据深圳经济特区、东莞市城区、中山市城区三个城市的建筑物震害结果①张令心，孙景江，唐玉江，等.东莞市市区建筑物震害预测技术报告，2006.②张令心，孙景江，唐玉江，等.中山市市区建筑物震害预测技术报告，2009.③张令心，孙景江，唐玉江，等.深圳经济特区建筑物震害预测技术报告，2009.④陈小芳，聂树明.深圳经济特区抗震减灾规划及防御对策特定技术报告，2009.⑤陈小芳，聂树明.东莞市区抗震能力综合评价及防御对策研究，2006.⑥陈小芳，聂树明.中山市城区防震减灾规划及防御对策制定技术报告，2009.～⑥，我们从高于当地基本烈度Ⅰ度 （东莞为Ⅶ度，深圳、中山为Ⅷ度）的地震作用下的震害分布中筛选出发生中等以上破坏的医院、学校、幼儿园、机场、车站、通讯大楼、商场、酒店、宾馆、体育馆等重要建筑，将其与在基本烈度 （东莞为Ⅵ度，深圳、中山为Ⅶ度）及低于基本烈度地震作用下的震害分布叠加，同时参照老旧房屋的分布，划定各城市危旧房屋集中地段 （图1、图2、图3）及统计破坏数量 （表1）。按照以下各图危旧房屋的分布，结合三个城市的建筑物震害结果，以及防震减灾规划及防御对策制定中的统计④～⑥，我们发现：

（1）在不考虑临建和土坯房屋的情况下，在各类建筑物中，高层建筑和框架结构房屋的抗震性能较好，砖混、砖木、砖瓦结构的抗震性能相对最差。

（2）危旧房屋分布呈现出规律性，即在老城区危旧房屋比较多而且较集中，如深圳主要分布在罗湖区及其与福田区的交界处，东莞主要分布在莞城区，中山主要分布在石岐区。这些地方当地震来临时，往往会成为重灾区。

（3）重要建筑物出现了较多中等以上的破坏 (高于当地基本烈度的情况下)。如深圳经济特区和中山市城区这样的房屋分别有639栋和305栋之多，且大多为学校、幼儿园，个别为医院、商场、酒店等，房屋结构多为框架结构，部分为砖混结构。

（4）总体上看，受破坏的房屋主要集中在1978～1989年，其次是1964～1978年和1989～2001年。

通过开展三区的建筑物震害预测工作，发现了导致各类建筑物破坏的原因主要表现在以下几方面：

表1 中等以上破坏的房屋统计Table 1 Statistics of buildings destroyed moderately and even more

图1 深圳经济特区危旧房屋分布Fig.1 Distribution of danger and old buildings in Shenzhen Special Economic Zone

（1）高层建筑存在的主要问题是：①一些高层框架－剪力墙结构和剪力墙结构中剪力墙为短肢墙，受力性能不好；②很大数量的高层框架和框架－剪力墙结构中框架柱为异型柱，且多数异型柱布置不规则，传力不连续。这些结构类型的抗震性能相对纯框架－剪力墙结构和剪力墙结构要差，特别是在大于当地抗震设防烈度的大震情况下，其破坏比率较高。③东莞市城区高层建筑在烈度为Ⅶ度或Ⅷ度的作用下，破坏率较高，这是由于大部分高层建筑是按Ⅵ度抗震设防进行设计的 (考虑到Ⅷ度的地震作用下，破坏房屋可达到160栋之多)。

图2 东莞城区危旧房屋集中地段分布Fig.2 Distribution of danger and old buildings in Dongguan urban districts

图3 中山市城区危旧房屋集中地区段分布Fig.3 Distribution of danger and old buildings in Zhongshan urban districts

（2）多层钢筋混凝土房屋存在的问题主要是：①部分房屋设计成由两排框架柱组成的单跨结构形式，计算分析表明这种结构形式的横向抗震能力差，在地震作用下易产生破坏，震害比由多排柱组成多跨的结构形式相对要重，从抗震设计原则来看，这种结构形式横向不符合多道抗震防线原则，一旦一侧柱遭受地震破坏，容易引起结构坍塌；②一些框架房屋为了增加上部楼层的空间，从第二层楼板开始向外挑出1～2 m，再砌筑外墙，通过外墙上的构造柱和主体框架连接。这种连接方式不能保证地震中墙体与整体结构保持较好的协调变形，不符合 《建筑抗震设计规范》 （GB50011－2001）；③有些填充墙砌筑质量及与周围框架构件连接较差。

（3）砖混结构房屋的破坏率较高，抗震性能差，究其原因是：①资料调查显示许多砖混结构房屋的墙体厚度为120 mm或180 mm；②这类房屋一部分是解放前建造的，但大多数又是1989年前建造的，其中1978年以前建造的房屋未设防的较多，而上世纪80～90年代建造的层数较低的砖混结构房屋是当地居民未经正规设计自行建造的，也未考虑抗震设防，这也是受破坏的房屋主要集中在1978～1989年，其次是1964～1978年的原因；③深圳经济特区有些砖混结构房屋虽然做了设防，但是按低于基本烈度的Ⅵ度设防。

（4）其它类别房屋 （主要是砖木、砖瓦、土坯房等）存在的问题是：①这类房屋大多为解放前和上世纪六十、七十年代建造的，多数未设防；②部分房屋墙体厚度仅为120 mm和180 mm。

了解了三区的建筑物破坏特点和存在的问题后，即可对症下药，对抗震能力差的建筑物采取相应的抗震措施，从而提高其抗震性能，以达到减轻地震灾害的目的。如：

（1）对存在问题的建筑物一般采取抗震加固的措施。在对建筑物的抗震薄弱环节进行加固时，可进行有效的抗震效益分析［2］，即在加固前，按照震害预测结果先进行房屋排查，首先要确定该建筑是否值得加固，对于一些结构为临建、砖木、砖瓦、土坯的建筑可拆除，砖混房屋以及其它结构类型的建筑视具体情况进行抗震效益分析，如年代久远，位于城中村，影响周围环境及消防通道的砖混房屋等建议拆除。

（2）对于高层建筑、框架、部分砖混结构房屋存在上述问题的地方进行抗震固，加固后的房屋要达到抗御当地基本烈度的地震作用的能力。

（3）对抗震能力差的学校、医院、商场、酒店等人员集中场所建筑物要高度重视，逐一进行抗震鉴定与加固，加固后的房屋要达到抗御高于当地基本烈度Ⅰ度的地震作用的能力。

（4）对危旧房屋集中地段可规划进行成片改造，可起到多快好省的作用。

（5）杜绝滥建、私建房屋；新建、改建、扩建工程，要避免前述各类房屋存在的导致抗震性能降低的结构问题，严格按照国家和省、市的有关技术规范、标准进行抗震设防。

4 结论

我国于2008年12月27日颁布的 《中华人民共和国防震减灾法》第十三条规定 “编制防震减灾规划，应当遵循统筹安排、突出重点、合理布局、全面预防的原则，以震情和震害预测结果为依据……”。由此可见城市震害预测的重要性。通过以上案例分析，震害预测对间接提高城市建筑物抗震能力，减轻地震灾害所起的作用可概括为以下方面：

（1）建筑物震害预测是基于烈度和地震动参数 （加速度）开展的，其最终可给出城市内建筑物单体逐栋震害预测结果，从而可获取城市内建筑物的整体抗震能力。

（2）汶川大震后，人们对学校、医院等人员集中的建筑物的抗震性能力高度重视，许多城市在汶川地震后开展了对本城市学校、医院的排查工作。震害预测可判断这类重要建筑物的安全程度，给出具体的抗震能力较差的学校、医院、商场、酒店等人员集中的建筑物明细，为政府方便、快捷、准确地开展此项工作提供了有力依据。

（3）明确城市当前存在的抗震薄弱环节，使政府对危旧建筑物开展抗震加固工作时能做到有的放矢。

（4）确定危旧建筑物集中地段分布，进而可进行成片改造加固。另外，近年来许多城市正在开展城中村 (旧村)改造工程，若结合震害预测的结果，这样既经济又省时。

（5）可发现城市抗震薄弱环节的共同特性，使以后在新建、扩建和改建工程中引起借鉴。

（6）建立了基于ArcGIS防震减灾信息管理和辅助决策系统，具体要加固的各类建筑物明细可通过该系统快速查询，政府可根据各类建筑物破坏的总体信息与特点制定有效的加固与改造对策。

（7）为城市编制防震减灾规划和制定城市防御对策提供可靠依据。

［1］林思诚，陈金海，王孝铣，等.闽南地区综合防震减灾示范工程研究 ［M］.北京：中国科学技术出版社，2002.

［2］廖旭，吴明大，国艳.鞍山市抗震设防区划与震害预测研究 ［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

陈小芳，女，1966年生，高级工程师.主要从事地震灾害预测研究. E-mail：chenxf1997@yahoo.com.