運城市中心城區通信系統震害預測研究★

李奮勇 韓曉飛 薛曉東 曾金艷 李自紅 董 斌

(1.山西省地震局，山西 太原 030002； 2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

20世紀70年代，UCLA(加利福尼亞大學洛杉磯分校)的C.M.Duke首次提出生命線工程系統的概念。生命線系統一般被認為包括：交通系統、給排水系統、能源系統和通信系統等[1-3]。

通信系統作為城市生命線工程的重要組成部分，對保證城市功能的正常運行具有重要意義，同時也是地震時信息通信的重要節點。通信系統是指由通信設備、線路和建筑結構組成的通信網絡系統，其中設備和結構以點的形式分布，無線電波和線路連接節點形成通信網絡系統。

本文擬利用主城區通信系統的基礎數據，根據GB/T 19423—2014地震災害預測與信息管理系統技術規范的要求，參照通信系統的相關規范和現有的研究理論[4-7]，對運城市區通信系統的地震易損性進行研究。

1 運城市通信系統總述

近年來，運城電信發展迅速，主要由移動、電信和中國聯通三部分組成。目前，運城市已實現電話交換機程控化、數字化，完成了從單一電話、電報網向移動通信網、數字數據網、智能網等綜合信息網的過渡。這些中繼通信傳輸網絡具有很高的安全性和穩定性。

2 通信系統震害預測

2.1 通信樞紐建筑震害預測

運城通信樞紐樓包括移動綜合樓、電信綜合樓、聯通綜合樓，它們均屬于重要建筑的范疇。震害預測方法采用重要建筑物地震易損性分析方法，與地震烈度或是峰值地面加速度(PGA)相對應，在地震動衰減規律公式的基礎上建立了地震反應譜，工程師們根據反應譜建立了不同地區的抗震設防水準。通過運用隨機理論，對結構易損性函數作出修正，對鋼框架進行地震易損性分析，選用譜加速度為地震動參數，層間側移為損傷指標，以HAZUS中對應的破壞水平為準，對結構采用PpenSees軟件進行時程分析，對結構進行破壞概率評估。通信樞紐建筑物易損性分析結果如表1所示。

表1 通信系統樞紐建筑地震易損性分析結果

2.2 通信設備震害預測

2.2.1 通信設備概況

通信系統的主要設備包括移動電話設備、程控電話設備以及數據交換設備，運城通信系統的主要設備列表見表2。

表2 通信系統主要設備統計表

運城通信系統大多以機柜的形式安裝設備，機柜通過鋼架或直接與地面固定，多個機柜通過螺栓連成一排。它通常以兩種形式放置在地面上：裝飾地面或地板。對于第一種地板，地板和裝飾地板之間有間隙，一般情況下，機柜固定在型材焊接的鋼架上，鋼架用螺栓固定在地板上，各種電線穿過地板和裝飾地面之間的縫隙，線架不穿過機柜，稱為下走線。對于第二種接地方式，擴展柜直接將設備柜固定在地面上。在機柜頂部的引線框架上放置有與設備相連的各種線束。機柜立柱采用引線框架連接，固定在吊頂上，提高了集束線與機柜的連接剛度。這種固定形式稱為上走線。從固定形式看這兩個設備柜，第一種情況具有良好的通風效果，第二種情況具有良好的固定效果。目前，運城的通信系統大多為下走線。圖1顯示了聯通集線器交換設備機柜、數據設備、電池、配線等的安裝情況。

2.2.2 震害預測的通信設備受損情況

通過對國內外多臺通信設備在地震中損壞情況的分析，認為造成損壞的主要原因是設備不固定或設備浮放，造成設備翻倒或滑倒。對于連接在機柜之間的一系列設備或頂部有桿狀支撐的設備，其支撐可能因地震而不穩定，底部螺栓可能被拔下，設備可能發生傾覆或傾斜。因此，主要對通信設備在給定地震烈度下的抗傾覆和抗滑能力進行了評估，并對可能發生的震害進行了評估。

由于我國目前各大城市通信設備從設計到生產再到安裝都基本相同，有相關的統一規范和標準要求，同時考慮到近年來我國很多城市(如福州、青島、泉州、廣州、濰坊等)都對通信系統做過震害預測，這些城市通信設備的名稱、型號、生產廠家、質量、設備柜尺寸、固定方法等基本上都類似，因此，這些震害預測結果可以作為評估運城市通信設備地震易損性的參考。

通過收集以往通信設備震害預測結果和歷史震害情況，總結后發現：6度～8度時，通信設備具有足夠的抗震能力，基本上沒有損壞或輕微損壞；9度以上，通信設備可能會滑動和傾斜。根據《通信設備安裝抗震設計規范》規定，通信設備安裝抗震設計也在8度設防，通過經驗統計和比較，我們對運城主城區通信設備在地震作用下的易損性有了一定的認識：

6度、7度烈度下，通信設備基本完好；8度烈度下，可能有少量設備滑移，絕大部分通信設備基本完好；9度情況下，部分通信設備打滑、傾斜，影響嚴重；10度時，通信設備大多發生傾斜、移位，甚至翻覆，可能造成通信中斷，甚至引發次生災害。

通信設備的地震易損性評估結果見表3。

表3 通信設備地震易損性分析結果

2.2.3 通信樞紐的功能失效分析

通信樞紐的功能失效首先取決于設備所在的通信樞紐建筑或基站的震害程度。如果樞紐建筑或基站受到嚴重破壞或破壞，節點的通信功能基本喪失，可視為通信功能失效。如果樞紐建筑物或基站基本完好、輕微損壞、中度損壞，綜合考慮通信設備本身的脆弱性，確定通信樞紐整體功能失效的程度。通信樞紐功能故障分類見表4。

表4 通信樞紐功能失效等級劃分

功能失效指數：

R(I)=0.55Db(I)+0.45Ds(I)×C1×C2×C3。

式中：R(I)——在輸入烈度為I時，通信樞紐的功能失效指數；

Ds(I)——在輸入烈度為I時，通信設備的震害指數，Ds(I)=[Dp]×R;

Db(I)——在輸入烈度為I時，通信樞紐建筑物的震害指數;

Dp——設備的平均震害指數，見表5，R為統計震害矩陣;

C1——機房影響系數，自建機房取0.9，租賃機房取1.1;

C2——設防烈度影響系數，取值見表6;

C3——設備安裝錨固影響系數，加固、錨固措施完備取1.0，不完備取1.2。

通信設備的震害等級和震害指數范圍的對應關系如表7所示。

表5 通信設備震害等級劃分

表6 設防烈度影響系數表

表7 通信設備統計震害矩陣

利用上述方法計算得到的通信樞紐功能失效等級見表8。

表8 通信樞紐功能失效結果表

3 結語

根據運城中心城區通信系統重要建筑物、主要設施、系統功能故障的抗震可靠性分析結果，參考歷史地震期間通信系統的損壞情況，結合現場調查，運城中心城區通信系統在不同地震烈度下的影響震害情況總結如下：

1)地震烈度6度和7度影響下，電信、移動和聯通建筑物、設備基本完好，通信系統運行正常。

2)地震烈度8度影響下，電信、移動和聯通樞紐建筑物輕微損壞，聯通公司和電信大樓的動力設備發生輕微損壞，短時間內會影響通信系統功能，但維修后可恢復正常運行。

3)地震烈度9度影響下，電信、移動和聯通建筑物幾乎均為中度破壞，大部分通信設備為中度破壞，通信系統功能受到嚴重影響。移動通信功能嚴重故障。

4)地震烈度10度影響下，建筑物普遍中、重度受損，通信建筑物設備嚴重受損，移動通信建筑物癱瘓，通信綜合樓功能嚴重失效，其中電信大樓受損尤為嚴重。