

















摘 要:建筑是城市的組成部分,研究城市抗震韌性必然涉及建筑或結構的抗震韌性問題?;诖?,以張家口市為例,從震害發生后的建筑破壞面積、直接經濟損失和死亡受傷人數等方面出發,采用類比預測法和易損性評價方法對張家口市既有住宅進行震害預測,并對其進行抗震韌性評價分析。研究結果表明,張家口地區現有住宅抗震韌性較差,震后帶來的修復費用較高,地震災害風險較大。因此,從安全韌性方面提出對張家口市既有住宅進行震前抗震加固改造,改造后的住宅損壞面積、直接經濟損失和死亡受傷人數將大量降低,抗震韌性提升效果顯著。同時提出規劃與工程相結合完善張家口市系統工程建設,提升張家口現有住宅的抗震韌性。
關鍵詞:住宅抗震韌性;張家口市;震害預測;抗震加固
中圖分類號:TU352.11
文獻標識碼:A DOI:10.7535/j.issn.1671-1653.2023.01.010
收稿日期:20220420
基金項目:河北省高等學??茖W技術研究項目(QN2021223);2022年大中學生科技創新能力培育專項項目(202151001010544)
作者簡介:劉迅(1998-),男,山東青島人,河北科技大學建筑工程學院2021級土木水利專業碩士研究生;趙媛媛(1982-),女,河北石家莊人,河北科技大學建筑工程學院副教授,博士,碩士生導師,主要從事防災減災及防護工程、綠色裝配式建筑研究;路炫騰(1996-),男,河北邯鄲人,河北科技大學建筑工程學院2021級土木水利專業碩士研究生;劉智穎(2001-),女,河北承德人,河北科技大學建筑工程學院2020級工程管理專業本科生。
Evaluation and Improvement Strategy of Seismic Toughness of Existing Urban Residential Buildings
——A Case Study of Zhangjiakou City
LIU Xun, ZHAO Yuan-yuan, LU Xuan-teng, LIU Zhi-ying
(School of Civil Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China)
Abstract:Building is an integral part of a city, so the study of seismic toughness of a city inevitably involves the seismic toughness of buildings or structures." Taking Zhangjiakou as an example, from the aspects of building damage area, direct economic loss and the number of deaths and injuries after the earthquake disaster, the analogy prediction method and vulnerability assessment method were used to predict the earthquake damage of existing residential buildings in Zhangjiakou, and the seismic toughness evaluation analysis was carried out. The analysis results show the poor seismic toughness, high repair cost and great risk of earthquake disaster of the existing residential buildings in Zhangjiakou area. Therefore, from the aspect of safety toughness, it is proposed to carry out seismic strengthening and reconstruction of existing houses in Zhangjiakou before earthquake, after which the damaged area, direct economic loss and the number of deaths and injuries will be greatly reduced, and the seismic toughness improvement effect is significant. At the same time, it is proposed to improve the system construction of Zhangjiakou from the aspects of planning and engineering, and improve the seismic toughness of the existing residential buildings in Zhangjiakou.
Keywords:seismic toughness of buildings;Zhangjiakou City;earthquake damage prediction;seismic strengthening
一、引言
在國際社會中,使用“韌性”和“韌性城市”兩個概念來定義防災減災能力是最為普遍的。
“韌性”被認為是可持續性的一個重要表達或內核,是系統面對擾動時的變化、躍遷等一系列綜合狀態。
具有抵抗災害的能力或受災害破壞后的恢復能力的城市可稱為“韌性城市”。2021年3月,《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確提出:順應城市發展新理念新趨勢,開展城市現代化試點示范,建設宜居、創新、智慧、綠色、人文、韌性城市。在現存的各類自然災害中,地震災害是人類社會所面臨的最大的自然災害,被稱為“全球災害之冠”。據中國地震臺網中心的地震統計數據顯示,自2001年5月21日以來,全球共發生不同等級地震災害高達11 496次。2011年至2022年中國國內發生五級及以上地震395次,主要集中于我國西部地區,如甘肅河西走廊、青海、寧夏、新疆天山南北麓以及西南地區(包括西藏、四川中西部和云南中西部)[1]。
近年來,“韌性”這一概念受到國內外學者的廣泛關注。在城市抗震韌性提升中,如何評估既有建筑物抗震韌性并采取有效措施是迫在眉睫的問題[2](P1-9)[3]。Mahsa Moghadas[4](P21-30)從社會、經濟、體制、基礎設施、社區資本和環境6個層面構建德黑蘭城市洪澇災害的安全韌性框架,通過跟蹤社區在一段時間內的安全韌性框架中各層面表現,從而為城市決策者建立以安全韌性為導向的城市規劃提供參考。Rina Suryani Oktari等[5](P15-41)從政府、社會經濟、資源管理、基礎設施和災害適應策略等方面衡量沿海城市對災害的安全韌性水平。Mohammad Atrachali等[6](P12-31)從城市結構與環境韌性、工程韌性、社會韌性、經濟韌性和管理制度韌性5個不同維度出發,評估城市應對地震災害的安全韌性,并指出將城市系統安全韌性水平定量化是城市綜合災害風險管理中十分重要的一步。相較于國外,國內對城市安全韌性的研究起步較晚,且國內的大多數城市安全韌性研究多基于國外的理論研究成果。薛榮剛等[7](P60-65)對小學教學樓進行了抗震及其修復時間與費用方面的評估。鄭山鎖等[8](P6-13)建立了砌體結構建筑加固費用估算模型。王元棟等[9](P65-68,79)、呂西林等[10](P175-182)先后研究了建筑加固前后結構韌性變化。綜上,國內學者對抗震韌性的研究大多集中于一類結構類型或工程類別上,而對城市的住宅群體缺乏整體研究。
隨著華北地區城市化快速發展,房屋住宅越來越多,但現有建筑抗震能力普遍偏低[11](P22-27,41),滿足新的抗震設防標準的建筑較少
[12](P21)。同時,現階段對于城市抗震韌性評價及其對策研究成果較少,一定程度上影響了當地地震易發區房屋抗震加固工程的進度和積極性。位于華北地震區的張家口—渤海地震帶在地質時期經歷了多次高烈度地震,對華北地區可持續發展影響較大。因此,為掌握華北地區城市住宅建筑抗震韌性水平,提升抗震韌性,本文以地震易發區城市張家口市現存住宅為例進行抗震韌性評價,并提出基于地震災害的城市安全韌性提升建議。
二、研究對象概況
(一)河北省張家口市地震易發區概況
河北省主要分布有兩大地震帶,北西向的張家口—渤海地震帶和北東向的華北平原地震帶。河北省地震烈度8度區中的96.1%和7度區中的59.1%位于這兩大地震帶上。根據本課題組與河北省應急指揮中心聯合調查統計,河北省14個市區(包含雄安新區、定州、辛集)、180個縣、1 707個鄉鎮位于地震易發區內(見表1)。
運用KCV值[13](P101-110)預測內晉冀蒙交界地區(張家口地區)的地震概率增益值和概率值較高,可以作為重點監視區繼續跟蹤,因此選擇對張家口地區進行抗震韌性評估分析。
張家口位于河北省西北部,地質構造復雜,NNE-NE向的山西地震構造帶、NWW-NW向的張家口—蓬萊地震構造帶和NE向的華北平原地震構造帶在此交匯。該地區歷史上有記載的5級以上破壞性地震共18次,其中最大震級地震為1720年河北沙城6.75級地震,最近的一次為1998年河北張北6.2級地震,次年該地又發生了5.6級強余震。近年來該地區地震活躍,先后發生2002年懷來4.4級地震[14](P13-17),2014年涿鹿4.3級地震[15](P36-40,47)。張家口轄區范圍內交通線路密集,有京滬高鐵、京廣高鐵、津秦高鐵、石太客專等12條高速鐵路,京哈線、京滬線、京廣線、京九線等12條干線鐵路穿越7度及以上高烈度區,同時張家口地震易發區人口密集,常住人口約409.9萬人,區域內產業密集,有豐富的煤、鐵礦產資源,聚集了鋼鐵、醫藥、化工、機械、建材、紡織、食品等產業。
(二)不同抗震設防烈度區(7度、8度)既有住宅現狀
建筑物受地震破壞主要是由于受到不同地震波的影響,而抗震設防烈度就是抵抗不同地震波對建筑物的破壞程度,一個地區的地震烈度與抗震設防烈度是成正比的。設防烈度取值的標準是基本烈度,即一個地區在今后50年期限內,在一般場地條件下超越概率為10%的地震烈度。其具體的取值是主管部門根據地理、地質和歷史資料,經科學勘查和驗證,對中國主要城市和地區進行的抗震設防與地震分組的經驗數值,是地域概念。
住宅主要分為農村民居與城鎮住宅兩大類。本課題組通過實地調查與專家訪問,對張家口市不同設防烈度現存的農村民居、城鎮住宅等信息進行了調研統計(見表2)。相比于農村民居來說,張家口的城鎮住宅面積全省占比相對較高(見表3)。
當地震發生時對張家口地區影響度最大的地震帶為張家口斷裂帶,此斷裂帶長約40千米,西端起始于萬全鎮以西,向南東延伸經萬全鎮北部、蘇家橋北部,穿過張家口市區北部后繼續向南東延伸經人頭山村北,止于青邊口村以東。
三、現存住宅震害預測分析
(一)類比預測法簡介
在對張家口現存住宅進行震害類比預測的過程中,若對不同使用性質的建筑物進行比較,可能會導致類比結果的錯誤。因此,只對結構類型相同的建筑進行類比預測,即將現存住宅分為農村民居、城鎮住宅兩種類型,同時假設同類建筑的結構形式也相同。將所有規劃區建筑按上述類型進行劃分。然后,在每個易損性單元格內按不同結構類型利用加權海明距離公式(1)類比出各建筑的震害指數,根據震害指數進行震害預測。
用X,Y分別表示待預測建筑物與知識樣本庫中的兩幢建筑物,它們的高度分別用x1和y1表示,建設年代分別用x2和y2表示,現狀質量分別用x3和y3表示,用途分別用x4和y4表示,計算加權海明距離,比較兩幢建筑物的相似程度[16](P166-171)。
其中,ωi(i=1,2,3,4)為權重,表示每個因素對這一問題貢獻的大小。x、y代表的編碼采取同趨向原則確定,具體取值見表4[17](P842-847)。
具體預測流程是根據表4的建設年代、質量、高度、用途等因素得出取值及權重,將權重帶入海明距離公式,得出海明距離,再由震害指數與海明距離的擬合公式推出各建筑物的震害指數,并根據震害指數進行震害損失預測。
(二)現存住宅損壞面積
由前文對張家口地震易發區內現存住宅的統計數據可以看出,目前張家口現存住宅數量基數較大,現存住宅中有大量房屋建筑沒有達到“大震不倒,中震可修,小震不壞”的設防要求,采用王毅恒[18](P37)對寧德市城市建筑物基于SAP分析軟件的簡化震害預測方法,結合類比預測法對群體建筑物震害進行評價。從建筑中選取具有典型破壞特征的建筑物作為樣本,將建筑物高度、年代、質量等作為震害類比影響因子進行抗震易損性評價,計算河北省內建筑物在高烈度下的易損性矩
陣破損比例(見表5)。依據《災害直接損失評價》把建筑物受損等級劃分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、毀壞等5個等級(GB/T18208.4—2011),由表5與圖1可知,張家口轄內既有住宅建筑受損總面積達到485.3萬平方米,其中毀壞、嚴重、中等、輕微破壞面積分別為14.54,35,157.52,274.67萬平方米。
通過上述張家口市現存住宅易損性矩陣分析可得:在高烈度地震作用下,區域內主要以輕微破壞和中等破壞為主,整體抗震能力基本上可以達到抗震設防標準要求。在8度地震烈度作用下房屋設施嚴重破壞的比例較7度作用時比例增幅較大,主要原因是張家口境內農村民居基數較大,且絕大多數為磚混結構或木結構,抗震能力較框架、框架-剪力墻差。
(三)地震直接經濟損失
地震會對人民的生命財產安全產生直接影響,因此地震對人們造成的經濟損失是不容忽視的指標。經濟損失不止包括建造建筑物本身時所花費的成本,建筑物內存在的固定資產和隱形資產也需要考慮。引用李樹楨等[19](P74-85)提出的公式對建筑物自身損失進行估算。
其中,LZ為建筑物自身破壞的經濟損失,Ai為建筑物在破壞等級為i時的總面積,B為建筑物單位面積價格,η(i)為建筑物在破壞等級為i時的破壞損失比例。
室內財產損失計算公式為
其中,L為室內財產破壞經濟損失,T為建筑物受損總面積,λ(i)為建筑物在破壞等級為i時的破壞損失比例,w(i)為建筑物在破壞等級為i時的單位面積室內財產損失。室內財產損失計算根據國家減災委員會-科學技術部抗震救災專家組[20](P157-174)對汶川地震災害綜合分析與評估中提出的室內財產損失比與建筑物同等比例來計算,計算結果見表6、圖2。結合全國自然災害風險普查中張家口市近年經濟情況,并通過當地實地調查獲得各類財產單價,包括裝修裝潢、室內資產,平均1 482元/m2。
(四)人員傷亡
震區室內人口密度不僅與地域有關,而且隨地震發生時間不同而不同,所以震區室內人口密度和地震發生時間對人員傷亡的影響不容忽視。采用地震人員傷亡預測模型[21](P59-64)估算研究區傷亡人數,其中白天定為7點到19點,該時間段人員分布比較疏散且均勻;夜間定為19點到次日7點,該時間段人員分布集中在住宅區,死亡和受傷人數分別采用公式(4)和公式(5)來估算。
其中,ni為時間調整系數(白天為1,夜間為1.4),η為人員密度,A1為建筑物毀壞面積(m2),A2為建筑物嚴重破壞面積(m2),A3為建筑物中等破壞與輕微破壞面積的和(m2)。該模型假設白天人員均勻分布在建筑物內,而夜間集中在住宅建筑物內,白天人員密度=總人口數/建筑總面積=0.009 45(人/m2),夜間人員密度=總人口數/住宅總面積=0.028 857(人/m2)。
計算結果如圖3所示,研究區白天發生地震時死亡人數為195人、受傷人數為828人,傷亡人數合計1 023人,夜晚地震發生時死亡人數為598人,受傷人數為2 531人,傷亡人數合計3 129人。夜晚發生地震時傷亡人數遠高于白天發生同級地震的傷亡人數。結果表明,地震發生時間的不同導致的人員傷亡程度存在差異,一般白天傷亡人數較夜晚傷亡人數少,夜晚傷亡嚴重。
(五)建筑物修復費用
建筑修復費用指的是將被破壞的建筑物進行一般化的功能性修復所需要的費用。建筑物修復費用是用受損建筑面積、單位面積造價[22]和建筑物破損比來計算,見公式(6)[20](P157-174)。
R=TkB , """(6)
其中,R為建筑修復費用,T為建筑物受損總面積,k為建筑破損比,B為單位面積建筑造價。地震破壞程度分為毀壞、嚴重、中等、輕微四類,根據公式(6)計算出破壞程度為毀壞、嚴重、中等、輕微受損建筑的修復費用分別為4.76億元、17.88億元、44.96億元和0.98億元,總修復費用為68.58億元。圖4表明,當張家口發生地震時,中等受損的建筑修復費用最高。
(六)韌性評價分析
奧雅納工程顧問公司(ARUP)聯合有關部門[23](P13-21)共同開發了建筑抗震韌性評級框架體系,并將建筑的抗震韌性劃分為白金級、金級和銀級3個等級,評價標準見表7。
通過地震破壞面積、經濟損失以及人員傷亡情況可以看出,張家口市既有住宅抗震韌性較差,在震害后造成的經濟損失遠遠超出建筑本身造價的10%,且人員傷亡量較高,雖然已有建筑大體滿足抗震設防標準,但建筑本身抗震韌性沒有達到銀級水平,主要原因是張家口現有住宅中,農村民居基數遠遠大于城鎮住宅數量,且農村民居多為土木、磚木結構,抗震能力差[24](P158-165,305),即使地震不發生,在達到一定使用年限后,這些農村民居也會出現裂縫、傾斜甚至倒塌,而城鎮住宅多為混凝土框架結構,抗震能力較強,但因建筑使用年限原因,抗震能力遠不及建造初期。
四、地震災害下的城市住宅安全韌性提升建議
(一)抗震加固改造
由前文可知,地震發生時對建筑物的破壞面積巨大,且人員傷亡和經濟損失情況嚴重。若在震后對已破壞建筑物進行修復費時費力,在地震未發生前對已有住宅進行抗震加固改造是提升城市住宅建筑韌性、保障人民生命財產安全的切實可行措施?;诖?,本課題組與河北省應急管理廳對張家口現存住宅進行抗震加固任務調查,從表8可以看出張家口現存住宅中有大量農村民居、城鎮住宅不滿足抗震設防要求,對不滿足抗震設防要求的農村民居和城鎮住宅分別按單價515元/m2、800元/m2進行抗震加固,則張家口區域所需加固費用如圖6所示,張家口區域輕微、中等、嚴重、毀壞建筑所需加固費用分別為1.87億元、6.99億元、17.48億元、0.38億元,中等破壞所需加固費用占總費用的65%。
本文實際加固案例中新設防烈度比原設防烈度按1烈度或2烈度提高的案例[8](P6-13)和《新時代防震減災事業現代綱要》的低成本導向[3],計算假設受損建筑物全部從原設防烈度提高到新設防烈度時的加固效益。假設加固對象建筑物設防烈度1度后的受損程度與降低地震烈度1度的受損程度同等,所以以地震烈度為7度和8度時建筑的建筑易損性作為建筑加固后建筑易損性,計算加固前后的易損性建筑物受損面積、經濟損失和傷亡人數減少效益,結果如圖7所示。該區建筑加固后抗震韌性有明顯提升,從建筑損壞面積看,毀壞、嚴重、中等、輕微破壞面積減少100%,100%,86%,56%,基本完好建筑面積大量增加,同樣經濟損失減少100%,100%,80%,56%。同時,修復費用也大量減少。從以上結果可以看出,易損性建筑的抗震加固除傷亡人數、破壞面積大量減少以外,經濟損失減少約152.52億元,考慮加固需要26.9億元,也產生了126億左右的經濟效益。
綜合數據分析,對既有住宅進行震前抗震加固能大幅提升張家口既有住宅的抗震韌性,震后恢復也可達到震前的85%左右,且綜合效益高,由此能判斷在地震易發區推進房屋抗震加固工程是當地市民生活安全和社會經濟可持續發展的重要保障任務之一。
(二)完善城市系統工程建設
完善城市系統工程建設是提高地震災害下城市安全韌性的基礎保障,針對地震災害張家口市的安全韌性工程建設可以從以下三點著手:一是結合自然災害總體風險水平和當地實際防災抗災能力,測算不同風險水平下災后安置規模,規劃、新建、改造成臨時避險、短期安置或長期過渡性安置的各類應急避難場所。建設避難場所時需考慮高風險下,可異地安置本地受災群眾和接收異地受災群眾安置的情況。各地應按照相關標準,既要建設可以滿足長期過渡性安置需求的高標準應急避難場所,也要建設安全適用、經濟合理,適用于短期安置和臨時避險的應急避難場所,同時也要規劃出一批災后可快速改建的室內和室外應急避難場所。建設、改造應急避難場所要重點建設完善場所內的生活設施,根據不同場所應急避難功能的需要,至少配置帳篷、供水、供電、通信、醫療、防疫、廁所、排污等設施,還可以配置消防、物資儲備、應急指揮等設施,有條件的地方還可以配置洗浴、通風、停車場、直升機停機坪等設施。二是開展隱患排查與防震空間改造,強化城市抗震薄弱環節建設。排查未設防、設防標準過低等抗震能力嚴重不足的既有建筑,進行抗震能力提升與優化,降低城市基礎設施及防震空間的易損性。三是調整基礎設施拓撲結構,增設自我修復和自我適應基礎設施響應機制,形成多道防線,設置城市內各個系統以及其他組成部分可替換的備用系統,如應急供水系統、備用電源等。在倡導深入研究城市各系統在地震災害中的相關性、依賴性、影響性和恢復性的同時,要調整好城市生命線等工程基本設施的安全韌性特征拓撲結構。
五、結語
為了宏觀評價張家口地區現有住宅抗震韌性,以張家口地區農村民居和城鎮住宅為研究對象,從震害發生后的建筑破壞面積、直接經濟損失和死亡受傷人數等方面出發,采用類比預測法和易損性評價方法對張家口市進行震害特征預測,并對其抗震韌性評價分析,研究結果表明:張家口地區現有住宅抗震韌性較差,住宅受損后帶來的修復費用較高,地震災害風險很大。為提升張家口地區現有住宅抗震能力,以震后修復效益為指標分析得出實施震前抗震加固改造對提升張家口住宅韌性效果顯著。因此,建議實施抗震加固改造,完善系統工程建設,切實提升張家口地區住宅的防震減災能力。
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