区域建筑物抗震能力分区分级研究★

王 刚 陈相兆 孙柏涛

(1.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080;2.中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

通讯作者：陈相兆(1986- )，男，助理研究员

地震灾害从古至今一直是人类无法绕开的一道坎，地震中大量的人员伤亡是由于建筑物破坏和倒塌造成的[1]。其特有的瞬时发生性和巨大的破坏力使得地震难以避免，会造成人员的大量伤亡和经济的巨大损失[2]。时至今日，科技发达的今天以中国为例，地震造成的损失依旧无法避免，2008年汶川地震、2010年玉树地震、2017年九寨沟地震都造成了人员伤亡。全球各国都在致力于降低地震灾害损失，掌握某一地区的建筑物抗震能力，可有效提升震前防御和震后应急救援的工作效率。但是由于广袤的区域，不平衡的经济发展，不同的建筑风俗等诸多差异，各个地区的建筑物抗震性能也是多种多样千差万别的，导致难以给出一套统一的可以表征大范围区域的建筑物抗震能力分布体系。

尹之潜(1995)把我国目前现有的建筑结构按它们的抗震性能划分为31类，在实际工作中将建筑物划分为四大类，分析建筑物震害时，把震害分为5个等级[3]。建筑物抗震能力研究一个主要目的就是进行人员伤亡与财产损失评估，傅征祥等研究表明，约75%的人员伤亡是由各类建筑物倒塌造成的[4]。目前国内外估计人员伤亡的方法主要有两类，一类是将生命损失用货币单位来衡量，另一类是把生命损失与财产损失分开，单独估计地震人员伤亡数量[5]。

本文通过统计30个多震国家砌体结构及钢筋混凝土结构房屋在相同震级下的倒塌率，进而对全球不同区域的建筑物抗震能力进行分区，分为8个不同的区域。同时，以公里网格为单位分别统计分析每个区域内GDP数值、人口数量以及抗震能力分区影响，计算出每个公里网格的分级影响系数，最后将每个区域内建筑物抗震能力分级按照30″×30″弧度的网格划分为8级区域。

1 建筑物抗震能力影响因素分析

1.1 建筑结构类型的多样性

由于地理、经济、气候等因素的影响，尤其是农村建筑物建造大多是就地取材，导致了不同区域的建筑物结构类型与不同结构类型的分布比例存在很大差异，目前大部分区域主流结构按照建筑材料分类原则可分为木结构、土木结构、砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构、钢结构等[1]。不同区域的结构类型有着很大的区别，导致抗震能力有着很大的跨度。同时，不同区域相同结构类型的抗震能力也因为当地地震危险性导致的设防水平不同，居住习惯导致平立面规则程度不同，气候原因导致的墙体厚度不同使得相同结构的抗震能力差别很大。本文研究全球范围内不同区域建筑物抗震能力的分区分级模型，所以在数据排查选取之后，选择全球范围内大多数地区量大面广的砌体结构和钢筋混凝土结构作为分区指标元素。

1.2 建筑物抗震能力区域差别

不同区域之间的自然条件、地理环境、历史文化、经济水平、宗教民族等具有显著差异。例如，日本、美国等发达国家经济水平高，建筑物抗震能力远高于其他地区。但是，同样经济水平很高的欧洲国家由于存在大量的建造年代早于18世纪房屋，虽然很多房屋有一定的抗震设防考虑，但是抗震能力仍旧不如采用新的设防标准的房屋。发展中国家中不同区域建筑物抗震能力差距较大，例如印度尼西亚，首都雅加达房屋抗震能力较为有保障，但是其他城市除中心城区抗震能力较好外，城郊或农村地区的建筑物抗震能力就非常差，经济落后地区的建筑物几乎没有抗震设防措施。

2 房屋倒塌率分析及分区

2.1 房屋倒塌率

建筑物抗震研究数据采用世界房屋百科全书[6](World Housing Encyclopedia，WHE)给的研究成果，WHE是全球多震地区建筑物相关资源的集合，由地震工程研究院和国际地震工程协会(IAEE)主办。WHE的数据由来自世界各地的125名地震工程领域专家提供的经过审核的信息。WHE数据库包含43个地震多发国家的130余份关于建筑物构造特征的调查报告。每份报告包含五类信息：

1)建筑物结构特征；2)建筑材料和施工过程；3)社会经济描述；4)建筑物在历史地震中的表现、震害特征和易损性;5)加固改造情况[6]。

房屋倒塌率的数据来源于WHE Pager项目中的经验数据，该数据由30个地震多发区国家的专家提供，数据通过所在国家的地震工程专家在地震现场调查获得，包括阿尔及利亚、阿根廷、智利、中国等全球大部分地震多发国家或地区。综合分析数据全面性之后，本文选取了9度(0.65g～1.24g)和8度(0.34g～ 0.65g)地震动作用下的房屋倒塌率作为分区的数据。不同国家和地区的房屋倒塌率数据如表1所示。

表1 不同国家和地区的房屋倒塌率 %

2.2 倒塌率权重值计算

2.2.1权重的取值

为了能科学地确定四类倒塌率对抗震能力影响的权重值，本文采用主成分分析法，对上述4种倒塌率对区域建筑物的抗震能力的影响系数进行定量分析，并采用SPSS软件通过主成分分析方法得出权重值，各倒塌率权重值计算结果如表2所示。

表2 倒塌率权重系数表

2.2.2计算影响系数

影响系数通过将9级砌体、8级砌体、9级钢混、8级钢混四种情况下建筑物倒塌率加权平均得出，影响系数Hi公式见式(1)。

(1)

其中，H为影响系数；i为所对应国家；j为所对应国家四种情况倒塌率。

计算出分区影响系数后综合影响系数并参照Spence,Robin,Emily等脆弱性等级分区[7]，没有倒塌率数据的区域，采用相似类比法，参照与他相邻的经济水平相近且有数据的地区的数据进行分区。

将全球分为八类区域，一类区域包括北美、澳大利亚、新西兰、日本；二级区域包括：欧洲、智利等部分南美国家；三级区域包括中美洲、南美洲国家；四级区域包括中国、蒙古国；五级区域包括：俄罗斯、白俄罗斯等中亚国家；六级区域包括：中东、中南亚；七级区域包括：印度尼西亚等东南亚国家；八级区域包括：非洲国家。

3 建筑物抗震能力分级

3.1 相似地震记录选取

经统计调查研究，我们知道建筑物抗震能力与当地经济情况和人口密度成一定的相关关系，通过研究不同地区在相似地震下的人员伤亡率与GDP的关系，可间接得出GDP与建筑物抗震能力之间的关系。本文从全球历史震害数据库[8]中选取了8条相似地震(见表3)，历史地震记录选取按照如下原则进行：1)地震发生当地时间 8:00～18:00；2)地震震级 Mw5～Mw6；3)地震震源深度：10 km～30 km。

表3 地震信息表

3.2 相关性分析

相关性分析是研究两个或两个以上处于同等地位的随机变量间的相关关系的统计分析方法。为了验证地震伤亡率与人均GDP值存在一定关系，首先进行显著性检验，其次为了验证地震伤亡率随GDP变化规律，进行相关性分析。假设某地区发生地震之后人员受伤率与该地区经济存在相关关系，故通过SPSS软件进行相关性检验。

通过相关性分析计算，结果表明：

1)受伤率与人均GDP的t检验结果为地震受伤率与人均GDP在0.01水平上显著相关。

2)相关系数为r=0.573，|r|>0.3，表示人均GDP与受伤率具有弱线性相关性(负相关)。即忽略其他因素前提下，某地区人均GDP越高，一定等级地震引起人员受伤概率越低，即该地区建筑物抗震能力相对更高。

3.3 抗震能力公里网格分级

分级采用全球30″×30″弧度的网格为单元，以GDP产值分布、人口数量分布以及行政区划作为影响因素，通过分析不同地区的经济、人口以及上节全球不同区域抗震能力分区同该地区建筑物抗震能力的关系，建立该地区建筑物综合抗震能力的分级模型，式(2)为数学计算模型。

(2)

影响因素分别采用人口、GDP、全球不同区域抗震能力分区。

1)影响因子计算。

以GDP影响因子为例,首先要对研究区域GDP数值进行预处理，因为单个公里网格之内数据大于10万美元的数据离散程度较大，而且这部分数据所占比重很小，故而先对这部分数据进行调整，调整方式如式(3)：

Vn1=con(Vn≥100 000,100 000,Vn)

(3)

其次，对调整之后的公里网格数据归一化处理，采用模糊隶属度分类方法FuzzyMSLarge进行归一化处理，得出GDP影响因子Hdi。

2)行政区域所在区域抗震能力分区影响系数。

分区影响系数考虑上节中全球不同区域抗震能力8类分区，分别给出每一类分区所对应区域影响系数值。分区影响系数取值见表4。

表4 分区影响系数表

3)调整后某研究区域不同影响因素影响系数计算取值。

调整后分级影响因子系数为影响因子Hdi与影响因子相对应权重值。计算公式见式(4)。

(4)

ri取值见表5。

表5 影响因子权重取值表

4)抗震能力分级。

采用自然间断点分类法将调整后的影响因子分为8级。分级数据为30″×30″弧度的公里网格数据。

其中：北美、日本、澳洲等地区建筑物抗震能力基本处于6级，7级，8级区域；中国、前苏联范围内国家建筑物抗震能力基本处于2级～5级区域；欧洲大部分国家建筑物抗震等级处于4级，5级，6级区域；南美部分国家如智利、秘鲁、阿根廷等区域建筑物抗震能力等级处于5级，6级区域，而南美其他区域建筑物抗震能力等级基本处于3级，4级区域；东亚，东南亚地区建筑物抗震能力等级跨度较大，1级～6级区域均有分布；非洲区域建筑物抗震能力等级基本处于1级，2级区域，少数例如南非的部分区域建筑物抗震能力相对较好，处于4级以上区域。

4 结论

1)本文通过总结分析世界房屋百科全书中全球多震国家9级(0.65g～1.24g)、8级(0.34g～0.65g)地震动作用下的房屋倒塌率，结果表明北美、澳洲、日本、智利等国家的建筑物抗震能力较好，中东，南亚，东南亚，非洲等地区抗震能力较差，同时验证了经济水平与建筑物抗震能力关系，建筑物抗震能力与经济水平呈正相关关系。2)考虑房屋倒塌率将全球国家进行分区，将全球国家分为八类区域，其中一类区域为倒塌率最低区域，八类区域为建筑物倒塌率最高区域。3)综合考虑房屋倒塌率分区、经济、人口三方面因素的全球建筑物抗震能力影响因子，进行了公里网格为(30″×30″)弧度单元的区域建筑物抗震能力分级，可为地震直接经济损失评估和人员伤亡评估工作提供数据支撑。