运城市中心城区通信系统震害预测研究★

李奋勇 韩晓飞 薛晓东 曾金艳 李自红 董 斌

(1.山西省地震局，山西 太原 030002； 2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

20世纪70年代，UCLA(加利福尼亚大学洛杉矶分校)的C.M.Duke首次提出生命线工程系统的概念。生命线系统一般被认为包括：交通系统、给排水系统、能源系统和通信系统等[1-3]。

通信系统作为城市生命线工程的重要组成部分，对保证城市功能的正常运行具有重要意义，同时也是地震时信息通信的重要节点。通信系统是指由通信设备、线路和建筑结构组成的通信网络系统，其中设备和结构以点的形式分布，无线电波和线路连接节点形成通信网络系统。

本文拟利用主城区通信系统的基础数据，根据GB/T 19423—2014地震灾害预测与信息管理系统技术规范的要求，参照通信系统的相关规范和现有的研究理论[4-7]，对运城市区通信系统的地震易损性进行研究。

1 运城市通信系统总述

近年来，运城电信发展迅速，主要由移动、电信和中国联通三部分组成。目前，运城市已实现电话交换机程控化、数字化，完成了从单一电话、电报网向移动通信网、数字数据网、智能网等综合信息网的过渡。这些中继通信传输网络具有很高的安全性和稳定性。

2 通信系统震害预测

2.1 通信枢纽建筑震害预测

运城通信枢纽楼包括移动综合楼、电信综合楼、联通综合楼，它们均属于重要建筑的范畴。震害预测方法采用重要建筑物地震易损性分析方法，与地震烈度或是峰值地面加速度(PGA)相对应，在地震动衰减规律公式的基础上建立了地震反应谱，工程师们根据反应谱建立了不同地区的抗震设防水准。通过运用随机理论，对结构易损性函数作出修正，对钢框架进行地震易损性分析，选用谱加速度为地震动参数，层间侧移为损伤指标，以HAZUS中对应的破坏水平为准，对结构采用PpenSees软件进行时程分析，对结构进行破坏概率评估。通信枢纽建筑物易损性分析结果如表1所示。

表1 通信系统枢纽建筑地震易损性分析结果

2.2 通信设备震害预测

2.2.1 通信设备概况

通信系统的主要设备包括移动电话设备、程控电话设备以及数据交换设备，运城通信系统的主要设备列表见表2。

表2 通信系统主要设备统计表

运城通信系统大多以机柜的形式安装设备，机柜通过钢架或直接与地面固定，多个机柜通过螺栓连成一排。它通常以两种形式放置在地面上：装饰地面或地板。对于第一种地板，地板和装饰地板之间有间隙，一般情况下，机柜固定在型材焊接的钢架上，钢架用螺栓固定在地板上，各种电线穿过地板和装饰地面之间的缝隙，线架不穿过机柜，称为下走线。对于第二种接地方式，扩展柜直接将设备柜固定在地面上。在机柜顶部的引线框架上放置有与设备相连的各种线束。机柜立柱采用引线框架连接，固定在吊顶上，提高了集束线与机柜的连接刚度。这种固定形式称为上走线。从固定形式看这两个设备柜，第一种情况具有良好的通风效果，第二种情况具有良好的固定效果。目前，运城的通信系统大多为下走线。图1显示了联通集线器交换设备机柜、数据设备、电池、配线等的安装情况。

2.2.2 震害预测的通信设备受损情况

通过对国内外多台通信设备在地震中损坏情况的分析，认为造成损坏的主要原因是设备不固定或设备浮放，造成设备翻倒或滑倒。对于连接在机柜之间的一系列设备或顶部有杆状支撑的设备，其支撑可能因地震而不稳定，底部螺栓可能被拔下，设备可能发生倾覆或倾斜。因此，主要对通信设备在给定地震烈度下的抗倾覆和抗滑能力进行了评估，并对可能发生的震害进行了评估。

由于我国目前各大城市通信设备从设计到生产再到安装都基本相同，有相关的统一规范和标准要求，同时考虑到近年来我国很多城市(如福州、青岛、泉州、广州、潍坊等)都对通信系统做过震害预测，这些城市通信设备的名称、型号、生产厂家、质量、设备柜尺寸、固定方法等基本上都类似，因此，这些震害预测结果可以作为评估运城市通信设备地震易损性的参考。

通过收集以往通信设备震害预测结果和历史震害情况，总结后发现：6度～8度时，通信设备具有足够的抗震能力，基本上没有损坏或轻微损坏；9度以上，通信设备可能会滑动和倾斜。根据《通信设备安装抗震设计规范》规定，通信设备安装抗震设计也在8度设防，通过经验统计和比较，我们对运城主城区通信设备在地震作用下的易损性有了一定的认识：

6度、7度烈度下，通信设备基本完好；8度烈度下，可能有少量设备滑移，绝大部分通信设备基本完好；9度情况下，部分通信设备打滑、倾斜，影响严重；10度时，通信设备大多发生倾斜、移位，甚至翻覆，可能造成通信中断，甚至引发次生灾害。

通信设备的地震易损性评估结果见表3。

表3 通信设备地震易损性分析结果

2.2.3 通信枢纽的功能失效分析

通信枢纽的功能失效首先取决于设备所在的通信枢纽建筑或基站的震害程度。如果枢纽建筑或基站受到严重破坏或破坏，节点的通信功能基本丧失，可视为通信功能失效。如果枢纽建筑物或基站基本完好、轻微损坏、中度损坏，综合考虑通信设备本身的脆弱性，确定通信枢纽整体功能失效的程度。通信枢纽功能故障分类见表4。

表4 通信枢纽功能失效等级划分

功能失效指数：

R(I)=0.55Db(I)+0.45Ds(I)×C1×C2×C3。

式中：R(I)——在输入烈度为I时，通信枢纽的功能失效指数；

Ds(I)——在输入烈度为I时，通信设备的震害指数，Ds(I)=[Dp]×R;

Db(I)——在输入烈度为I时，通信枢纽建筑物的震害指数;

Dp——设备的平均震害指数，见表5，R为统计震害矩阵;

C1——机房影响系数，自建机房取0.9，租赁机房取1.1;

C2——设防烈度影响系数，取值见表6;

C3——设备安装锚固影响系数，加固、锚固措施完备取1.0，不完备取1.2。

通信设备的震害等级和震害指数范围的对应关系如表7所示。

表5 通信设备震害等级划分

表6 设防烈度影响系数表

表7 通信设备统计震害矩阵

利用上述方法计算得到的通信枢纽功能失效等级见表8。

表8 通信枢纽功能失效结果表

3 结语

根据运城中心城区通信系统重要建筑物、主要设施、系统功能故障的抗震可靠性分析结果，参考历史地震期间通信系统的损坏情况，结合现场调查，运城中心城区通信系统在不同地震烈度下的影响震害情况总结如下：

1)地震烈度6度和7度影响下，电信、移动和联通建筑物、设备基本完好，通信系统运行正常。

2)地震烈度8度影响下，电信、移动和联通枢纽建筑物轻微损坏，联通公司和电信大楼的动力设备发生轻微损坏，短时间内会影响通信系统功能，但维修后可恢复正常运行。

3)地震烈度9度影响下，电信、移动和联通建筑物几乎均为中度破坏，大部分通信设备为中度破坏，通信系统功能受到严重影响。移动通信功能严重故障。

4)地震烈度10度影响下，建筑物普遍中、重度受损，通信建筑物设备严重受损，移动通信建筑物瘫痪，通信综合楼功能严重失效，其中电信大楼受损尤为严重。