區域建筑物抗震能力分區分級研究★

王 剛 陳相兆 孫柏濤

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080;2.中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

通訊作者：陳相兆(1986- )，男，助理研究員

地震災害從古至今一直是人類無法繞開的一道坎，地震中大量的人員傷亡是由于建筑物破壞和倒塌造成的[1]。其特有的瞬時發生性和巨大的破壞力使得地震難以避免，會造成人員的大量傷亡和經濟的巨大損失[2]。時至今日，科技發達的今天以中國為例，地震造成的損失依舊無法避免，2008年汶川地震、2010年玉樹地震、2017年九寨溝地震都造成了人員傷亡。全球各國都在致力于降低地震災害損失，掌握某一地區的建筑物抗震能力，可有效提升震前防御和震后應急救援的工作效率。但是由于廣袤的區域，不平衡的經濟發展，不同的建筑風俗等諸多差異，各個地區的建筑物抗震性能也是多種多樣千差萬別的，導致難以給出一套統一的可以表征大范圍區域的建筑物抗震能力分布體系。

尹之潛(1995)把我國目前現有的建筑結構按它們的抗震性能劃分為31類，在實際工作中將建筑物劃分為四大類，分析建筑物震害時，把震害分為5個等級[3]。建筑物抗震能力研究一個主要目的就是進行人員傷亡與財產損失評估，傅征祥等研究表明，約75%的人員傷亡是由各類建筑物倒塌造成的[4]。目前國內外估計人員傷亡的方法主要有兩類，一類是將生命損失用貨幣單位來衡量，另一類是把生命損失與財產損失分開，單獨估計地震人員傷亡數量[5]。

本文通過統計30個多震國家砌體結構及鋼筋混凝土結構房屋在相同震級下的倒塌率，進而對全球不同區域的建筑物抗震能力進行分區，分為8個不同的區域。同時，以公里網格為單位分別統計分析每個區域內GDP數值、人口數量以及抗震能力分區影響，計算出每個公里網格的分級影響系數，最后將每個區域內建筑物抗震能力分級按照30″×30″弧度的網格劃分為8級區域。

1 建筑物抗震能力影響因素分析

1.1 建筑結構類型的多樣性

由于地理、經濟、氣候等因素的影響，尤其是農村建筑物建造大多是就地取材，導致了不同區域的建筑物結構類型與不同結構類型的分布比例存在很大差異，目前大部分區域主流結構按照建筑材料分類原則可分為木結構、土木結構、磚木結構、磚混結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構等[1]。不同區域的結構類型有著很大的區別，導致抗震能力有著很大的跨度。同時，不同區域相同結構類型的抗震能力也因為當地地震危險性導致的設防水平不同，居住習慣導致平立面規則程度不同，氣候原因導致的墻體厚度不同使得相同結構的抗震能力差別很大。本文研究全球范圍內不同區域建筑物抗震能力的分區分級模型，所以在數據排查選取之后，選擇全球范圍內大多數地區量大面廣的砌體結構和鋼筋混凝土結構作為分區指標元素。

1.2 建筑物抗震能力區域差別

不同區域之間的自然條件、地理環境、歷史文化、經濟水平、宗教民族等具有顯著差異。例如，日本、美國等發達國家經濟水平高，建筑物抗震能力遠高于其他地區。但是，同樣經濟水平很高的歐洲國家由于存在大量的建造年代早于18世紀房屋，雖然很多房屋有一定的抗震設防考慮，但是抗震能力仍舊不如采用新的設防標準的房屋。發展中國家中不同區域建筑物抗震能力差距較大，例如印度尼西亞，首都雅加達房屋抗震能力較為有保障，但是其他城市除中心城區抗震能力較好外，城郊或農村地區的建筑物抗震能力就非常差，經濟落后地區的建筑物幾乎沒有抗震設防措施。

2 房屋倒塌率分析及分區

2.1 房屋倒塌率

建筑物抗震研究數據采用世界房屋百科全書[6](World Housing Encyclopedia，WHE)給的研究成果，WHE是全球多震地區建筑物相關資源的集合，由地震工程研究院和國際地震工程協會(IAEE)主辦。WHE的數據由來自世界各地的125名地震工程領域專家提供的經過審核的信息。WHE數據庫包含43個地震多發國家的130余份關于建筑物構造特征的調查報告。每份報告包含五類信息：

1)建筑物結構特征；2)建筑材料和施工過程；3)社會經濟描述；4)建筑物在歷史地震中的表現、震害特征和易損性;5)加固改造情況[6]。

房屋倒塌率的數據來源于WHE Pager項目中的經驗數據，該數據由30個地震多發區國家的專家提供，數據通過所在國家的地震工程專家在地震現場調查獲得，包括阿爾及利亞、阿根廷、智利、中國等全球大部分地震多發國家或地區。綜合分析數據全面性之后，本文選取了9度(0.65g～1.24g)和8度(0.34g～ 0.65g)地震動作用下的房屋倒塌率作為分區的數據。不同國家和地區的房屋倒塌率數據如表1所示。

表1 不同國家和地區的房屋倒塌率 %

2.2 倒塌率權重值計算

2.2.1權重的取值

為了能科學地確定四類倒塌率對抗震能力影響的權重值，本文采用主成分分析法，對上述4種倒塌率對區域建筑物的抗震能力的影響系數進行定量分析，并采用SPSS軟件通過主成分分析方法得出權重值，各倒塌率權重值計算結果如表2所示。

表2 倒塌率權重系數表

2.2.2計算影響系數

影響系數通過將9級砌體、8級砌體、9級鋼混、8級鋼混四種情況下建筑物倒塌率加權平均得出，影響系數Hi公式見式(1)。

(1)

其中，H為影響系數；i為所對應國家；j為所對應國家四種情況倒塌率。

計算出分區影響系數后綜合影響系數并參照Spence,Robin,Emily等脆弱性等級分區[7]，沒有倒塌率數據的區域，采用相似類比法，參照與他相鄰的經濟水平相近且有數據的地區的數據進行分區。

將全球分為八類區域，一類區域包括北美、澳大利亞、新西蘭、日本；二級區域包括：歐洲、智利等部分南美國家；三級區域包括中美洲、南美洲國家；四級區域包括中國、蒙古國；五級區域包括：俄羅斯、白俄羅斯等中亞國家；六級區域包括：中東、中南亞；七級區域包括：印度尼西亞等東南亞國家；八級區域包括：非洲國家。

3 建筑物抗震能力分級

3.1 相似地震記錄選取

經統計調查研究，我們知道建筑物抗震能力與當地經濟情況和人口密度成一定的相關關系，通過研究不同地區在相似地震下的人員傷亡率與GDP的關系，可間接得出GDP與建筑物抗震能力之間的關系。本文從全球歷史震害數據庫[8]中選取了8條相似地震(見表3)，歷史地震記錄選取按照如下原則進行：1)地震發生當地時間 8:00～18:00；2)地震震級 Mw5～Mw6；3)地震震源深度：10 km～30 km。

表3 地震信息表

3.2 相關性分析

相關性分析是研究兩個或兩個以上處于同等地位的隨機變量間的相關關系的統計分析方法。為了驗證地震傷亡率與人均GDP值存在一定關系，首先進行顯著性檢驗，其次為了驗證地震傷亡率隨GDP變化規律，進行相關性分析。假設某地區發生地震之后人員受傷率與該地區經濟存在相關關系，故通過SPSS軟件進行相關性檢驗。

通過相關性分析計算，結果表明：

1)受傷率與人均GDP的t檢驗結果為地震受傷率與人均GDP在0.01水平上顯著相關。

2)相關系數為r=0.573，|r|>0.3，表示人均GDP與受傷率具有弱線性相關性(負相關)。即忽略其他因素前提下，某地區人均GDP越高，一定等級地震引起人員受傷概率越低，即該地區建筑物抗震能力相對更高。

3.3 抗震能力公里網格分級

分級采用全球30″×30″弧度的網格為單元，以GDP產值分布、人口數量分布以及行政區劃作為影響因素，通過分析不同地區的經濟、人口以及上節全球不同區域抗震能力分區同該地區建筑物抗震能力的關系，建立該地區建筑物綜合抗震能力的分級模型，式(2)為數學計算模型。

(2)

影響因素分別采用人口、GDP、全球不同區域抗震能力分區。

1)影響因子計算。

以GDP影響因子為例,首先要對研究區域GDP數值進行預處理，因為單個公里網格之內數據大于10萬美元的數據離散程度較大，而且這部分數據所占比重很小，故而先對這部分數據進行調整，調整方式如式(3)：

Vn1=con(Vn≥100 000,100 000,Vn)

(3)

其次，對調整之后的公里網格數據歸一化處理，采用模糊隸屬度分類方法FuzzyMSLarge進行歸一化處理，得出GDP影響因子Hdi。

2)行政區域所在區域抗震能力分區影響系數。

分區影響系數考慮上節中全球不同區域抗震能力8類分區，分別給出每一類分區所對應區域影響系數值。分區影響系數取值見表4。

表4 分區影響系數表

3)調整后某研究區域不同影響因素影響系數計算取值。

調整后分級影響因子系數為影響因子Hdi與影響因子相對應權重值。計算公式見式(4)。

(4)

ri取值見表5。

表5 影響因子權重取值表

4)抗震能力分級。

采用自然間斷點分類法將調整后的影響因子分為8級。分級數據為30″×30″弧度的公里網格數據。

其中：北美、日本、澳洲等地區建筑物抗震能力基本處于6級，7級，8級區域；中國、前蘇聯范圍內國家建筑物抗震能力基本處于2級～5級區域；歐洲大部分國家建筑物抗震等級處于4級，5級，6級區域；南美部分國家如智利、秘魯、阿根廷等區域建筑物抗震能力等級處于5級，6級區域，而南美其他區域建筑物抗震能力等級基本處于3級，4級區域；東亞，東南亞地區建筑物抗震能力等級跨度較大，1級～6級區域均有分布；非洲區域建筑物抗震能力等級基本處于1級，2級區域，少數例如南非的部分區域建筑物抗震能力相對較好，處于4級以上區域。

4 結論

1)本文通過總結分析世界房屋百科全書中全球多震國家9級(0.65g～1.24g)、8級(0.34g～0.65g)地震動作用下的房屋倒塌率，結果表明北美、澳洲、日本、智利等國家的建筑物抗震能力較好，中東，南亞，東南亞，非洲等地區抗震能力較差，同時驗證了經濟水平與建筑物抗震能力關系，建筑物抗震能力與經濟水平呈正相關關系。2)考慮房屋倒塌率將全球國家進行分區，將全球國家分為八類區域，其中一類區域為倒塌率最低區域，八類區域為建筑物倒塌率最高區域。3)綜合考慮房屋倒塌率分區、經濟、人口三方面因素的全球建筑物抗震能力影響因子，進行了公里網格為(30″×30″)弧度單元的區域建筑物抗震能力分級，可為地震直接經濟損失評估和人員傷亡評估工作提供數據支撐。