沧州市区地震断裂带周边建筑抗震性能调查

刘 龙，刘志辉

（1. 河北省地震局, 石家庄 050022；2. 河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室，廊坊 065201）

0 引言

华北平原盆地内地震活跃，历史上曾多次发生破坏性地震。沧州市坐落在河北省东南部，北接廊坊、天津，东望渤海，是华北地区重要的沿海城市。沧州地区发育的主要断裂有沧东断裂、沧西断裂、大城东断裂以及河间断裂，这些断裂的走向均为NE，同华北地区最大剪应力方向相一致[1]。其中沧东断裂作为一条华北地区规模较大的隐伏断裂，其北部横穿沧州市主城区，断裂周边居民区、工厂、学校、公共设施、商业建筑集中，人口密集，具有一定的地震安全隐患[2]。

近年来，随着沧州市城镇化建设水平的提高，所面临的地震灾害风险日益严重。河北省内建筑物抗震性能调查研究起步较晚，多数相关研究集中于张家口地区。学者们先后对张家口农村地区房屋进行了抗震性能分析，认为该地区房屋抗震性能较差，并给出了张家口农村房屋抗震薄弱环节及抗震设防建议[3-6]，并采用专家-层次分析法，建立了张家口地区精细化地震灾害风险评估模型，对地震灾害风险指数与建筑物抗震性能之间的相关性进行了研究[7]。因河北省内其他地区相关研究较少，且研究对象主要针对于农村房屋，所调查房屋结构类型单一，代表性不强。为补充河北省内不同地区建筑物调查样本，探查沧东断裂对沧州市区及周边房屋的影响，本文根据沧州市地震灾害风险普查项目中通过现场调查收集到的房屋建筑物数据，建立了断裂带东西延伸2.5 km 缓冲区内建筑物抗震性能模型，完成了建筑物抗震性能参数的计算，并根据实际情况提出抗震设防建议。

1 调查范围、方式的确定

以沧东断裂南北向跨过沧州市区的20 km 长断裂带为中心，东西方向各延伸2.5 km 为缓冲区域所覆盖的所有建（构）筑物为调查对象。该区域主要包括沧州市运河区和高新区以及沧县部分地区，断裂带分布及调查范围（图1）。

图1 研究区域及断裂分布图Fig. 1 Map of investigation area and fault distribution

本文基于沧州市地震灾害风险普查项目，现场调查工作主要由沧州市应急管理局组织实施。对于高层建筑、住宅小区、工业厂房等建筑采取现场逐一走访调查核实的方式进行调查，内容包括建筑物的结构类型、建筑年代、常住人口、建筑面积等因素。对于单个行政村，由于建筑物结构类型多样且数量巨大，不方便逐一开展单体房屋调查，所以在充分收集房屋总数量、结构占比等信息的基础上，把所调查的行政村按每类房屋结构类型分别进行抽样现场调查，再通过综合分析法给出该村建筑物抗震性能的总体评价。

2 调查区建（构）筑物现场调查情况

研究调查范围主要在沧州市运河区。调查发现，该范围内建（构）筑物结构类型主要为框架结构、砖混结构、砖木结构以及钢结构；建（构）筑物主要包括住宅小区、商业建筑、公共建筑、政府机关、学校、行政村、企业及工厂车间等（图2）。按建筑物结构及抗震设防等级来看，调查区域内住宅小区、商业建筑、公共建筑、政府机关、学校以框架结构、砖混结构为主，施工时均具有一定的抗震设防设计，满足该地区的抗震设防要求；工厂及车间大部分以钢结构为主，也满足抗震设防需要；行政村的房屋以砖混、砖木结构为主，由于在房屋建造时没有统一的设计要求且缺乏监管，大量住宅房屋及部分工厂车间未充分考虑抗震设防措施，此为抗震薄弱环节。按占地总面积与人口密集程度来看，区域内住宅小区占地总面积最大、人口最为密集，行政村次之。

图2 调查区各类建筑照片Fig. 2 Photos of various building in the survey area

调查范围内住宅小区多数为2000年以后建造。从建筑楼层方面看，绝大多数是高层和多层住宅楼，其中多层住宅楼数量要多于高层。从建筑结构方面看，主要为框架结构及砖混结构。其中，高层住宅楼以框架、框剪结构为主，多层住宅楼主要为砖混结构，绝大多数具有较好的抗震措施，抗震性能较强，且居住人口较为密集。调查区内商业建筑如大型商场、写字楼等以高层建筑居多，多为框架结构；其他诸如商贸城、市场等以多层或单层居多，多为砖混及钢结构。所调查评估单元均具有一定的抗震设计，抗震性能良好，满足抗震设防要求。调查区内公共建筑包括沧州市体育馆、沧州市博物馆、西客站等建筑，建筑结构主要框架结构、钢结构，抗震性能较强；所调查政府机关包括沧州海关、沧州市公安局、沧州市场监管局、沧州市消防支队等，建筑结构多为多层框架结构，抗震性能较强；调查区内学校的结构形式主要为多层框架和多层砖混，均具备一定的抗震设防措施，抗震性能较强；所调查企业办公楼多以框架结构、砖混结构为主，具有较好的抗震能力，工厂厂房及车间以钢结构、砖混结构为主，具备一定的抗震设防措施，抗震性能良好。

相比之下，在调查区域内存在大量城中村，建筑年代多数为2000年之前。调查发现，受当地风俗及民族习惯影响，城中村民居绝大多数为砖木结构，该结构类型在近几年新建房屋中仍占有较大比例，与建筑年代无关。在沧州市存在许多承重结构为砖墙，一部分是有抗震设防设施的砖木结构房屋，大多数无构造柱和圈梁，但由于地方特色，屋架都是木屋架。因木屋架对于农村地区来说冬暖夏凉，一般在进行主屋的搭建的时候都采用此类结构。绝大多数由木屋架直接搭建在横墙上，无木柱支撑；外墙为370 mm 厚砖墙，内墙为240 mm 厚砖墙。在结构分类上，因墙体承重和屋面承重都属于结构的一部分，所以把这类建造的房屋归为砖木结构。调查还发现存在少部分建筑，为了美观在外层包裹一层砖墙，墙内填充石头或者土坯的墙体，以及墙体一部分是土坯，一部分是砖体，俗称“穿靴戴帽”，无任何抗震构造。这类结构因建筑材料不同，在地震作用下会因自振频率的不同造成更大损失。这种混合型房屋抗震性能更差，多数会遭到地震破坏。此类房屋的屋面承重结构主要是木结构，横梁直接放置于横墙上，无任何其他支撑系统且缺乏有效连接方式，抗震性能极差。由于沧州地区历史上极少发生破坏性地震，且近50年来几乎未发生过地震，民众对于抗震设防重视度不高，所以大部分房屋未经过抗震加固。该类型房屋有以下地震安全隐患：①地震时极易发生墙体外闪坍塌；②屋盖太重发生整体塌落；③建筑材料不同、自振周期不同在地震作用下会相互作用。

调查发现，部分城中村存在私自加盖简易铁皮房屋现象（图3）。该简易房加盖位置为平房顶部，一般由钢管经铁丝缠绕搭建框架，表面铺设0.8 mm左右厚度铁皮，外置门窗，一般无人居住，用于堆放闲置物品、旧家具等。整体结构强度极差，曾有被大风吹倒案例，为本不坚固的房屋增加额外负载，震后极易倒塌造成人员伤亡，且严重阻碍采光，使居民正常生活受到影响。经询问得知，大量简易房搭建的原因是为了在以后的拆迁中争取更多的补助，建议相关部门对此类现象加大整顿力度，予以坚决杜绝。

图3 抗震薄弱环节Fig. 3 Weak links in earthquake resistance

3 抗震能力评估及重大隐患点识别

3.1 调查区评价单元划分

调查区域内建筑物结构类型多样、数量巨大，且覆盖了大量城中村，不便逐个开展单体建筑的抗震性能鉴定，也无法规范明确的鉴定流程，只能给出一定区域内建筑物抗震性能的总体评价。根据已有建筑物震害经验，结合他人建筑物抗震性能研究方法，对沧州市调查范围内建筑群及城中村房屋的抗震性能进行评价。根据建筑结构相同或相似的居民小区、商业建筑群、政府机关、学校、公共建筑、行政村、企业及工厂等为基本评价单元，在调查范围内共划分为309 个评价单元（图4），包括住宅小区110 个、政府机关4 所、学校16 所、商业建筑（群）40 个、企业及工厂车间63 个、行政村61 个、公共建筑7 个，其他类型建筑群8 个。本文列举了部分评价单元基本情况调查表（表1）以及部分行政村基本情况调查表（表2）。调查显示，对于除行政村外的评价单元，建筑结构数量占比最多的为框架结构，共计123 个评价单元，占39.8%；其次为砖混结构，共计92 个评价单元，占29.8%；再次为钢结构，共32 个评价单元，占比10.4%；最低是砖木结构，仅有1 个评价单元，占0.3%。对于行政村，占比最高的为砖木结构，占54%；其次为框架结构，占23.1%；再次为砖混结构，占21%；最低为土木结构，占1.9%。对每个评价单元的房屋抗震性能好坏用抗震性能参数表示，取0.0～1.0 之间数值，1.0 代该地区抗震性能最好的单元，而0 则代表该地区抗震性能最差的单元，其他单元的抗震性能参数为0～1.0 之间的小数值。由于每个评价单元都有钢结构、砖混结构、砖木结构等各种结构类型的房屋，将不同结构的房屋赋予不同的参数值，最后统一加权得到整个评价单元的抗震性能参数值。根据选取的评价单元的抗震性能参数值，采用插值、综合分析和经验判断等方法绘制该地区抗震性能分布图，给出该地区房屋抗震性能的好坏。

表1 评价单元基本情况调查表Table 1 Table of basic information of evaluation units

表2 行政村基本情况调查表Table 2 Table of basic information of administrative villages

3.2 抗震性能参数的确定

研究表明，建筑物抗震性能的高低主要与以下5 个因素密切相关，分别是场地条件、建筑物结构种类、有无抗震措施、建造年代的长短及施工质量[8-9]。结合已有震害经验，认为该地区的场地条件、建筑结构种类和有无抗震措施3 项因素是造成房屋抗震性能参数高低的最主要因素。所以，所调查区域抗震性能参数的确定只选取以上3 个因素。从建筑结构种类方面来看，钢结构建筑的抗震性能最好，框架结构建筑次之，砖混结构建筑再次之，砖木结构建筑的抗震性能最差；从场地条件来看，位于有利地段场地条件的建筑抗震性能最好；从有无抗震措施方面来看，有抗震措施的房屋其抗震性能会明显得到加强。

通过对中国大陆地震震例进行对比研究[10-12]，认为所调查区域不同结构种类建筑的抗震性能参数值、场地条件抗震性能参数值、有无抗震措施抗震性能参数值取表3～5 所示数值，参数值介于0～1.0 之间，最高为1.0，最低为0，最终乘以评价单元的建筑面积，通过加权求和得到每个评价单元的抗震性能参数值。

3.3 抗震性能参数计算

根据前面所述，评价单元的抗震性能参数的计算公式：

式中：P为评价单元的抗震性能参数值；gi(i=1,2,3,4,5)分别代表表3 中钢结构、框架结构、砖混结构、砖木结构和土木结构对应的参数值；dj(j=1,2,3,4)分别代表表4 中有利地段、一般地段、 不利地段和危险地段对应的参数值；sk(k=1,2)分别代表表5 中有措施和无措施对应的参数值；sj(j=1,2,3,4)分别代表一个评价单元内一种结构类型房屋处于有利地段、一般地段、不利地段和危险地段的房屋栋数；dk(k=1,2)分别代表一个评价单元内一种结构类型房屋有抗震措施和无抗震措施的栋数；bi(i=1,2,3,4)分别代表一个评价单元内钢结构、砖混结构、砖木结构和土木结构房屋各自的栋数；si(i=1,2,3,4)分别代表一个评价单元内钢结构、砖混结构、砖木结构和土木结构房屋每栋的平均面积[13-14]。以上数据均由调查统计获得。

表5 沧州市房屋有无抗震措施抗震性能参数表Table 5 Seismic performance parameters table of Cangzhou houses with or without seismic measures

根据以上计算公式，结合抽样调查结果辅助卫星影像判断，计算得到了整个调查区域各评价单元的抗震性能参数值并绘制了该地区各评价单元抗震性能分布图（图5）。

3.4 房屋抗震能力评价

根据实地调研结果，调查区场地条件统一按一般地段计算。根据该地区不同结构类型的建筑房屋抗震性能参数，分别将调查区建筑物抗震能力划分为好、中、差、极差4 类，其对应的抗震性能参数如表6 所示。

将计算得到的区域建筑物抗震性能参数，按照表4 的评估分类对各评价单元设防水准下的抗震能力进行评定得到评定结果（图6）。

图6 调查区抗震能力分布图Fig. 6 Distribution of seismic capacity in the survey area

4 结论与建议

经实地调查，给出了调查区各评价单元的抗震性能值与抗震能力分布图。通过调查计算可知，调查区域内抗震能力好的评价单元一般为2010年后新建的高层住宅小区、商业建筑、企业厂房和公共建筑，此类建筑一般为框架、框架剪力墙结构以及钢结构；抗震能力为中的评价单元一般为多层住宅楼、政府机关、学校以及企业办公楼，该类建筑以框架、砖混结构为主；抗震能力差的评价单元一般为远离市中心的行政村、村庄周边企业以及部分住户平房改造的商业建筑，此类建筑以砖混、砖木结构为主，大多无抗震设防措施；抗震能力极差的房屋一般为靠近市中心的城中村，大多数为年代久远的砖木结构类型，因涉及日后拆迁，已无翻盖必要，甚至发现有相当数量的房屋为争取拆迁补偿款而加盖铁皮板房的现象。此类房屋地震时极易受损甚至倒塌，为抗震薄弱环节，因此，此类房屋应作为重点防范对象。

针对本项工作调查获得的目标区建筑物抗震设防现状，提出了以下防震减灾对策的建议。

1）加大城中村老旧房屋改造、改建力度，拆除城中村中私自加盖的简易铁皮房，杜绝私搭乱建现象，重点加固未抗震设防的建筑，达到抗震设防要求；全面排查学校、医院等人员密集场所及其周边的建筑，尤其要重点关注这些地方的房屋租赁场所，对存在重大安全隐患的房屋建筑进行改造或加固，增强其抗震设防能力。

2）针对城中村房屋抗震性能较差的问题，一方面可以在全面推进乡村振兴的战略过程中，加大力度扩大危房改造补贴面，加强对农村民宅抗震设防的管理，加强减隔震等实用抗震技术的研发和应用，做到因地制宜、经济适用，对当地建筑设计、施工从业人员开展抗震设防专业技术培训，逐步提高农村民宅和公共设施的抗震设防水平；另一方面，在各方面条件允许的情况下，建议对这些城中村进行全面改造，加速沧州市城市化进程。

3）通过调查走访发现，由于该地区历史破坏性地震较少，导致群众疏于防范，抗震设防意识普遍偏低；同时，该地区回族民众较多，受本地风俗和民族习惯影响，城中村自建房屋大多未考虑抗震设防措施。相关部门要在充分尊重民族习俗的前提下加强防震减灾知识的宣传普及，加强对学生、教师、家长等群体的地震安全教育、开展多形式多渠道的地震知识宣传活动、组织定期定点的地震应急演练活动、编制科学合理的地震安全教材和手册，通过公益广告、微博、微信公众号及其他自媒体宣传防震减灾知识，有效提升群众防震减灾意识。

4）应急管理部门应利用最新的地震灾害风险普查成果制定科学的地震应急预案，相关科研机构可通过大数据、云计算、物联网等技术进行地震灾害风险评估，利用人工智能、机器学习等技术进行震害模拟。开发基于虚拟现实、增强现实等技术的应用软件用于增强群众对地震灾害的防范和应对能力。在各方面条件允许的条件下，提高新建学校建筑、体育场馆等设施的抗震设防水准，改善地震应急避难及疏散条件，切实贯彻“以人为本”和“生命至上”的思想理念。