烈度及设防结构烈度评定的讨论

陶正如,黄雨微,郑兴群,陶志国,李家耀

(中国地震局工程力学研究所 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

现在所知道的最早的地震烈度出现在1564年,意大利人Jacopo Gastaldi[1-3]用不同颜色标注滨海阿尔卑斯地震中地震影响和破坏程度。迄今为止,这个概念在防震减灾规划、震害预测、应急救援、恢复重建等地震工程领域仍有着广泛的应用。由于其描述的是不需要专业仪器、可直接观察到的地震引起的人的感觉、器物的反应、建筑物的破坏和地表的变化等互不相关的宏观震害现象,不同学者有不同的理解和解释,一直作为矛盾统一体存在。李善邦[1]认为,烈度是指一个地方受了地的震动影响所表现出来的强弱程度;刘恢先[4]认为,地震烈度是地震时一定地点的地面震动强弱程度的尺度,是指该地点范围内的平均水平而;胡聿贤[5]认为,地震烈度是地震时包括震害在内的多种宏观地震现象的总合,它是地震后果的描述,并通过它来表示地震动的强弱;田启文[6]认为,地震烈度是表征地震时一定地点地面震动强弱程度的概念;谢毓寿[7]认为,以地震烈度表为尺度,所定某一地震在具体地点所引起振动影响的强度称为地震烈度;时振梁[8]等认为,地震烈度作为地震破坏程度的量度只是宏观的概念;卢荣俭[9]认为,烈度是地震的“剧烈程度”或“破坏程度”;郝敏等[10]认为,地震烈度从其定义上讲是描述地震破坏后果的物理概念;张敏政[2]认为,烈度概念的建立之初,它就被赋予震害大小和地震动强弱的双重内涵。此类讨论不胜枚举,综合来看,主要是讨论烈度表达的是地震造成的后果,还是地震作用,还是两者都能表达。

本文从我国地震工程学的发展,说明烈度应用范围的变化及其必要性,尝试从半个多世纪的历史地震和最近几次大地震的震害厘清烈度含义,并对不同设防等级结构的烈度评定工作提出建议。

1 从地震工程学的发展看烈度含义

新中国建国之初,百废待兴,需要进行大规模建设。“在第一个五年计划开始之前,己有许多建设部门要求查明将来作为工矿建设基地的地区,有无遭受地震破坏的危险。在这方面,我们毫无准备。第一个五年计划一开始,各方面要求对建设基地有无地震危险提供依据的日多,必须参考其全部以往活动历史,才可能比较正确地提出意见”[11]。1957年,我国第一张地震烈度表《新的中国地震烈度表》问世,这张12度的烈度表以新式砖石结构房屋为中苏两国建筑物间的共同标准,只采用未加设防措施的建筑物作为指标[12]。可见,在开展地震烈度评定工作之初,就已经明确研究对象为我国量大面广的建筑,说明随着社会发展、主要建筑类型变化,工作对象也将随之变化。

其时,对烈度的需求,主要在抗震设防和烈度鉴定(地震危险性分析)两个方面,当时鉴定地震烈度的主要依据是丰富的历史资料和一些近代的宏观调查资料。仪器观测是解决其中问题的准确手段,“然为期不过几十年,在中国尤其稀罕。不过我们已有好的条件,有几千年的历史,其中记录地震者,粗计不下万条,去其重复,确切数目至少当有数千起,自殷帝乙三祀始,即有记载”[13]。在地震观测台网不足够密集,或足够密集而没有获得足够记录,即需要借助历史地震资料的情况下,烈度是不能被摒弃的地震动参数。

二十世纪六七十年代发生的一系列破坏性地震推动了地震工程学的发展,地震烈度这个概念在推测震源机制、抗震设防和地震预报等方面广泛应用[14]。与此同时,随着抗震设计精细化,需要地面运动的各种参数,相对粗略的烈度不能满足设计要求,由此提出摒弃烈度这一概念[5,9]。对此,文献[4]中单辟一节讨论,指出抛弃烈度这个概念存在6个问题。

地震工程学发展到今天,地震观测台网建设的步伐加快,截止到2016年12月31日,已经建成了由 1个国家地震台网和32个区域地震台网组成的地震监测台网,已经建成了由1 390个自由地表固定台站、310个烈度速报台站、12个专业台阵和200台流动观测台站组成的国家数字强震动观测台网;截至2015年底,国家强震动台网强震动数据库中大于10 gal的强震动记录有12 005条[15-16]。目前的抗震设计已经不会将烈度作为地震动参数输入,但仍用于确定抗震等级和抗震构造措施。除此之外,烈度在防震减灾规划、震害预测、应急救援、损失评估和恢复重建等地震工程领域仍有着广泛应用。

既然目前烈度仍被广泛应用,就有必要厘清其含义。事实上,在我国第一次较详细震害科学考察的报告[17]中,即将烈度定义为“地震动力之强弱”,由于缺少仪器观测,需通过“调查地面上仪器物质所受地震之影响,与夫人类对于它震之感觉,引得比较其动力之强弱”。报告中的烈度,“系就调查各处所受状况而推测者。夫损失之大小,固与动力强弱有关,惟地基之坚松,山坡之缓急,建筑物之稳否,各处不同。以同一烈度之动力,加于此情形各异之物质上,其所受影响,当然大异”,通过绘制首张等震线图,推测震中、震源位置和大概形状。

刘恢先等认为烈度可以从两种不同角度定义:一种是反映地震后果的,一种是反映地震作用的。前一种适宜于救灾工作,后一种适宜于震害防御工作。需要什么样的烈度,要看它用在什么场合。无论从地震学或地震工程的观点出发,我们所需要的都是反映地震作用或地震破坏力大小的烈度,而不是反映地震造成的后果轻重的烈度[18]。由此,他给出了上述烈度的概念,并被《中国地震烈度表(1980)》采纳[19]。在其基础上制定的国家标准《中国地震烈度表(GB/T 17742—1999)》、《中国地震烈度表(GB/T 17742—2008)》和《中国地震烈度表(GB/T 17742—2020)》中将地震烈度定义为“地震引起的地面震动及其影响的强弱程度”,认为烈度既表达了地震作用,也反映了地震后果。

由于当时缺少大量震害检验,刘恢先教授从总结震害经验和抗震设计需求的角度,解释了地震工程学所需要的是表达地震作用的烈度。正是基于此,在我国一直沿用了30余年的建立地震动衰减关系的映射法[20-23]中,才能够借助烈度和地震动参数的换算关系求得所需的地震动衰减规律。

时至今日,从唐山、海城地震到汶川、九寨沟地震,我们已经积累了不同建筑类型、不同设防标准的大量工程结构震害数据。既然烈度是根据震害评定的,下面从震害角度,分析烈度的含义。

2 从历史震害数据看烈度含义

为了减少主观影响,收集震害数据时,选取了文献[24-28]中有明确工程结构破坏比数据的震例,汶川地震工程结构破坏比来自文献[29],其中,Ⅸ度数据为Ⅸ度以上地区统计数据,Ⅵ度数据统计时还包括一部分有轻微破坏Ⅴ度区,土木和砖木两类结构只采用了基本完好和毁坏两个震害等级的破坏比。

评估烈度为Ⅴ～Ⅸ度的土木结构各个震害等级破坏比及趋势线如图1所示。在Ⅴ度～Ⅵ度时,基本完好的比例呈上升趋势,轻微破坏、严重破坏和毁坏比例下降,中等破坏比例变化不明显;Ⅶ度～Ⅷ度时,基本完好、中等破坏和毁坏的比例上升,轻微破坏和严重破坏比例下降;Ⅸ度时,毁坏比例增加。

图1 土木结构破坏比和趋势线Fig.1 Damage ratios and trend lines of civil structures

砖木结构各个震害等级破坏比及趋势线如图2所示。在Ⅴ度～Ⅵ度时,基本完好的比例呈上升趋势,严重破坏和毁坏比例低;Ⅶ度～Ⅷ度时,基本完好、轻微破坏和严重破坏的比例下降,中等破坏和毁坏比例上升;Ⅸ度时,中等破坏、严重破坏和毁坏比例均增加。

图2 砖木结构破坏比和趋势线Fig.2 Damage ratios and trend lines of brick-wood structures

砖混结构各个震害等级破坏比及趋势线如图3所示。在Ⅴ度～Ⅶ度时,基本完好的比例呈上升趋势,其他震害等级的比例稍有下降或基本持平;Ⅷ度～Ⅸ度时,基本完好比例下降,毁坏比例均增加。

图3 砖混结构破坏比和趋势线Fig.3 Damage ratios and trend lines of brick-concrete structures

框架结构各个震害等级破坏比及趋势线如图4所示。在Ⅴ度～Ⅷ度时,基本完好的比例呈上升趋势,Ⅷ度轻微破坏比例下降,其他震害等级的比例稍有下降或基本持平;Ⅸ度只有两组数据,基本完好、严重破坏和毁坏比例均增加。

图4 框架结构破坏比和趋势线Fig.4 Damage ratios and trend lines of frame structures

整体上看,在大部分结构尚未失效的同一烈度下,随着发震时间趋近,低烈度区的同类结构基本完好比例增加,其他破坏等级的比例下降,高烈度区同类结构的毁坏比例增加。从一个侧面说明,随着建筑质量和设防标准的提高,结构抗震性能增加。如果烈度表达的是地震后果,则当同类结构破坏比不同时,据此确定的烈度应不同。

3 从近期大震震害看烈度含义

上一节使用的数据中没有结构建造年代和设防信息,只能宏观上说明这样一个趋势。最近的几次破坏性地震的震害调查中,工程结构设防情况越来越受到重视,本节借助收集到的2008年汶川地震、2013年芦山地震和2014年鲁甸地震震害数据,分析未设防和已设防、不同设防烈度工程结构震害的差异。地震现场烈度评定的主要流程、方法、用于评定烈度各类房屋的破坏等级划分的依据和震害现象在相应标准[30-32]中有详细描述,本文不再重复。

文献[33]根据建筑抗震设计规范的实施年份,按建造年代统计建筑震害情况[见图5(a)];统计了按照不同烈度进行抗震设计的结构实际遭遇烈度下的破坏比[见图5(b)]。其中,实际遭遇烈度来自中国地震局公布的《汶川8.0级地震烈度分布图》。绵阳设防烈度Ⅵ度,实际遭遇烈度Ⅶ～Ⅺ度;梓潼设防烈度Ⅵ度,实际遭遇烈度Ⅶ～Ⅷ度;江油设防烈度Ⅶ度,实际遭遇烈度Ⅷ～Ⅹ度;都江堰、安县和平武设防烈度Ⅶ度,实际遭遇烈度Ⅶ～Ⅺ度;绵竹设防烈度Ⅶ度,实际遭遇烈度Ⅷ～Ⅺ度。

图5 不同设防水平的结构在汶川地震中的破坏比Fig.5 Damage ratios of structures with different fortification levels during Wenchuan earthquake

图5(a)可见,随着抗震设防水平的变化,基本完好比例增加,破坏比例随之降低;图5(b)可见,绵阳和梓潼Ⅵ度设防,绵阳遭遇烈度部分高于梓潼,但基本完好比例却超过50%,都江堰和安县Ⅶ度设防,但基本完好比例明显高于其他Ⅶ度设防地区。文献[33]的解释是由于都江堰和绵阳的经济水平相对较好,建筑以框架结构或框架-剪力墙结构为主,抗震能力较强。

文献[34-36]给出了汶川地震、芦山地震和鲁甸地震中设防和未设防砌体/砖混结构在各个震害等级的破坏比,如图6。

整体上看,经过设防的砌体结构基本完好和轻微破坏的比例高于未设防的,严重破坏和毁坏的比例低于未设防的。从图6(a)中设防结构各震害等级的破坏比看,Ⅵ度区基本完好和轻微破坏的比例小于Ⅶ度区的,Ⅷ度区和/或Ⅸ度区基本完好和轻微破坏的比例小于Ⅹ度区的,说明虽然都是设防结构,但由于设防等级不同,震害差别较大,在统计设防结构震害时,应体现出设防等级;在烈度评定时,也需要考虑不同设防等级。

图6 设防和未设防砌体/砖混结构的破坏比Fig.6 Damage ratios of masonry/brick-concrete structures with and without fortification

如果烈度表达的是地震后果,在相同或近似地震动作用下,基于设防结构破坏比判定的烈度与未设防结构判定的结果会不同,不同设防等级结构的判定结果会不同,城市和农村的结果也会不同。这就会使得抗震能力较强的城市或抗震能力较差的乡村出现烈度异常。而事实上,基于同一地区不同结构判定的宏观烈度是相同的,说明烈度表达的是地震作用,是通过不同结构震害反映出来的。

4 结语

地震工程学在我国发展之初,即将烈度定义为表达地面振动强弱程度的物理量。随着地震工程学的发展,烈度的应用范围发生了变化。本文多个角度讨论烈度的含义并对设防结构的烈度评定提出建议,主要包括:

(1) 搜集、整理五十余年的历史地震震害数据,整体上看,低烈度区中同类结构基本完好比例增加,其他破坏等级的比例下降;高烈度区同类结构的毁坏比例增加,主要是汶川地震震害数据的影响。

(2) 从汶川地震、芦山地震和鲁甸地震的震害来看,同一烈度区,设防和未设防的、不同设防等级的结构震害差别较大。由此说明,烈度实际上是通过不同结构震害反映出来的地震作用,根据不同类型和设防等级的结构判定烈度时,也应有相对协调、统一的标准。尤其在《中国地震动参数区划图(GB18306—2015)》颁布实施后,我国不再有未设防地区,即新建、改建、扩建一般建设工程需按照不同等级进行抗震设防;全国2 860个县级以上城镇中,872个城镇的设防水平有不同程度提高[37],设防结构在今后的烈度评定工作中占比越来越大。正如刘恢先教授早在1970年指出的,“建筑技术在不断发展,建筑物抗震性在加强,总有一天,目前用以鉴别烈度的建筑物会被淘汰或者减至很少,到那时,现行烈度表便将失去作用。……我们认为,变革的方向应当是从定性过渡到定量,从反映地震的后果过渡到反映地震破坏作用”[38]。

(3) 根据《中国地震烈度表(GB/T 17742—2020)》[32]第3.3条规定,用于评定烈度的房屋包括未经抗震设防的土木、砖木、石木等房屋;穿斗木构架房屋;未经抗震设防的砖混结构房屋;按照Ⅶ度抗震设防的砖混结构房屋和按照Ⅶ度抗震设防的钢筋混凝土框架结构房屋。4.2条规定,宏观调查评定地震烈度时,Ⅵ度～Ⅹ度应以房屋震害为主要评定依据;当采用低于或高于Ⅶ度抗震设计房屋的震害程度和平均震害指数评定地震烈度时,适当降低或提高评定值。由此看来,除Ⅶ度抗震设防的砖混结构房屋和钢筋混凝土框架结构房屋,目前我国的烈度评定对其他设防等级或其他类型的结构震害需依照经验适当调整,并没有具体规定。这样,就需要将不同类型、不同设防标准结构的震害统一到一个水平上,为未来地震中据设防结构评定烈度提供依据。由于我国丰富的震害资料来源于未设防结构,建议通过某个烈度下的不同设防标准、各类结构在各震害等级下的平均震害指数和(或)破坏比与未设防同类结构的平均震害指数和(或)破坏比的统计关系,建立对未设防结构、各震害等级的平均震害指数和(或)破坏比的调整系数,可以根据设防结构震害判定烈度。