既有鋼混結(jié)構(gòu)建筑群抗震韌性評估及其提升效益分析

程楨鈺 那仁滿都拉 布仁吉日嘎拉 郭恩亮 孫志芬 王世亮

摘 要：為了掌握內(nèi)蒙古地區(qū)城市建筑群抗震韌性水平和抗震韌性提升效益，本文以呼和浩特市區(qū)的鋼筋混凝土建筑群為例，從建筑物受損面積、經(jīng)濟(jì)損失、修復(fù)時間與費用和人員傷亡等方面進(jìn)行抗震韌性評估，并分析易損性建筑加固所需要的加固費用及其加固前后的抗震韌性提升效益。結(jié)果表明：在研究區(qū)地震引起建筑群受損面積為1621萬m2、直接經(jīng)濟(jì)損失為185.05億元、修復(fù)時間為0.59年、修復(fù)費用為112.83億元，傷亡人數(shù)在0.5至2.6萬人之間;研究區(qū)中等以上受損建筑群所需要加固費用為36.2億元，其中中等破壞建筑加固所需費用約占總費用的74%。如果預(yù)測的受損建筑在地震前得到加固，毀壞和嚴(yán)重?fù)p壞建筑全部減少，中等和輕微破壞面積減少86%和47%，同樣修復(fù)費用與修復(fù)時間也大量降低，死亡和傷亡人數(shù)降低75%和82%，總經(jīng)濟(jì)效益能達(dá)到100億元左右。由此能判斷在地震易發(fā)區(qū)推進(jìn)房屋抗震加固工程是當(dāng)?shù)厥忻裆畎踩蜕鐣?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障任務(wù)之一。

關(guān)鍵詞：抗震韌性;韌性提升效益;混凝土結(jié)構(gòu);呼和浩特市

中圖分類號：TU318;TU375? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）02-0022-06

1 引言

我國是世界上地震活動強(qiáng)烈且地震災(zāi)情最嚴(yán)重的國家之一[1]。2011年2月22日新西蘭Christchurch地震的慘痛教訓(xùn)提醒我們“城市抗震韌性”的重要性[2]。該問題引起了我國城鄉(xiāng)規(guī)劃、建筑和地震等相關(guān)部門廣泛重視，但現(xiàn)有的地震工程技術(shù)手段和政策經(jīng)濟(jì)措施尚不能滿足抗震韌性城市建設(shè)的需求[3-5]，2017年在《國家地震科技創(chuàng)新工程》中專設(shè)了“韌性城鄉(xiāng)”內(nèi)容[6]，并在“十四五”規(guī)劃中提出建設(shè)“韌性城市”[7]。

在城市抗震韌性提升當(dāng)中，如何評估既有建筑物抗震韌性性能及采取有效措施是迫在眉睫的問題[8，9]。薛榮剛[10]等對小學(xué)教學(xué)樓進(jìn)行了抗震及其修復(fù)時間與費用方面評估，鄭山鎖[11]等建立砌體結(jié)構(gòu)建筑加固費用估算模型，王元棟、呂西林等先后研究了加固前后結(jié)構(gòu)韌性變化[12，13]。目前，針對既有建筑抗震韌性評價與提升對策研究多集中于教育建筑[14，15]、醫(yī)療建筑[16-18]、博物館[19]等單個重要建筑為主，特別是一般建筑群為對象的抗震韌性提升研究成果較少。但隨著我國全面展開地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固工程[20]和抗震韌性提升的社會與經(jīng)濟(jì)效益評價的需求[11]，建筑群為研究對象的研究逐漸增多，林旭川等對建筑群抗震韌性分析提供量化指標(biāo)[21]，方東平等以典型社區(qū)為研究對象進(jìn)行了抗震韌性評估，并提出了提升方案[22]。

隨著內(nèi)蒙古地區(qū)城市化快速發(fā)展，建筑群越來越多。但現(xiàn)有建筑抗震能力普遍偏低[23]，滿足新的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)建筑較少[24]。同時，現(xiàn)階段對于建筑群抗震韌性評價及其對策效益研究成果較少，影響當(dāng)?shù)氐卣鹨装l(fā)區(qū)房屋抗震加固工程的進(jìn)度和積極性。位于華北地震區(qū)的大青山山前斷裂烏素圖—奎素段在地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷了多次7級以上地震，而烏素圖—奎素段在內(nèi)蒙古地區(qū)地震發(fā)生概率偏高地段，距上次事件發(fā)生到目前已超過復(fù)發(fā)周期[25]。可見大青山山前斷裂烏素圖—奎素斷裂地震對呼和浩特市區(qū)可持續(xù)發(fā)展的影響較大。因此，為掌握內(nèi)蒙古地區(qū)城市建筑群抗震韌性水平，提升抗震韌性，本文以地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固城市呼和浩特市區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物（以下簡稱鋼混建筑）為例進(jìn)行抗震韌性評價與抗震加固效益分析。首先，在研究區(qū)地震危險性分析結(jié)果基礎(chǔ)上，利用研究區(qū)建筑與人口數(shù)據(jù)和易損性矩陣[26]，推測建筑物受損程度與面積和傷亡人數(shù)。并結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虄r格和施工團(tuán)隊規(guī)模，計算出受損建筑物的修復(fù)時間及其相關(guān)費用。最后，參考加固案例參數(shù)，計算研究區(qū)易損性建筑所需要加固費用，并分析對象建筑物加固前后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)與社會預(yù)期效益，以期為我區(qū)地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固工程的實施和自然災(zāi)害防治能力提高工作提供科學(xué)依據(jù)與參考價值。

2 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

呼和浩特市位于東經(jīng)110°46′至112°10′，北緯39°35′至40°51′，市區(qū)共有賽罕、新城、回民和玉泉等四個市轄區(qū)，建成區(qū)面積260Km2，總常住人口約221萬人，生產(chǎn)總值達(dá)3000億元左右[27]，也是呼包鄂城市群的中心城市。該地區(qū)位于華北地震區(qū)河套斷裂帶東段呼—包斷陷盆地東北部，有大青山山前斷裂烏素圖—奎素段穿過。圖1顯示呼和浩特市政府所在地和大青山山前斷裂烏素圖—奎素段地理位置。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源：（1）建筑數(shù)據(jù)采用中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的《2020年城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》及當(dāng)?shù)卣y(tǒng)計數(shù)據(jù);（2）建筑造價數(shù)據(jù)來源于公布2020年下半年省會城市住宅建安工程造價[28];（3）通過網(wǎng)絡(luò)問卷方式獲取的呼和浩特市區(qū)居民室內(nèi)財產(chǎn)（包括室內(nèi)裝潢、家電、家具、其他生活物品、汽車）調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.3 地震危險性評價

本文推測對研究區(qū)影響度最大的大青山山前斷裂烏素圖—奎素斷裂引起地震的地震烈度，該斷裂的長度約46Km[29]。

在工程安全性評估等防震減災(zāi)工作中，常常需要對活動斷裂未來可能發(fā)生的地震震級進(jìn)行評估，本文采用阿那爾等[25]對大青山山前斷裂烏素圖—奎素斷裂對研究區(qū)地震危險性的評估結(jié)果：未來呼和浩特市區(qū)可能發(fā)生地震規(guī)模為7.2級，利用與研究區(qū)距離最近的華北地區(qū)地震烈度衰減公式計算，得出研究區(qū)政府所在地地震烈度為8度。此結(jié)果與其它研究成果結(jié)論一致[30]。

3 建筑物震害預(yù)測

3.1 建筑物損壞面積

本文假定大青山山前斷裂烏素圖-奎素段地震對研究區(qū)地震烈度為8度時，采用西部地區(qū)石河子市易損性矩陣[26]（表1），計算鋼混建筑物受損面積。依據(jù)《災(zāi)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(yán)重破壞、毀壞等5個等級（GB/T 18208.4-2011）[31]。由圖2可知研究區(qū)鋼混建筑物受損總面積達(dá)到1620.99萬m2，其中毀壞、嚴(yán)重、中等、輕微破壞面積分別為31.78、127.14、444.98、1017.09萬m2。對象建筑受到地震烈度8度強(qiáng)震時以輕微和中等受損為主，出現(xiàn)少量嚴(yán)重和毀壞受損建筑。

3.2 地震直接經(jīng)濟(jì)損失

地震災(zāi)害的一般特征是損毀大量抗震設(shè)防未達(dá)標(biāo)易損性建筑物，導(dǎo)致造成重大經(jīng)濟(jì)損失。本文所述的直接經(jīng)濟(jì)損失包括建筑本身經(jīng)濟(jì)損失和室內(nèi)生活物資的經(jīng)濟(jì)損失。預(yù)估建筑物經(jīng)濟(jì)損失時采用尹之潛、鄭山鎖等[32，33]提出的建筑物自身破壞損失計算公式，公式如下：

Lz=Ai×B×η（i）? （1）

其中：Lz—建筑物自身破壞經(jīng)濟(jì)損失，Ai—建筑物在破壞等級為i時的總面積（萬m2），B—建筑物單位面積價格，η（i）—建筑物在破壞等級為i時的破壞損失比例。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高，室內(nèi)財產(chǎn)逐年上升。室內(nèi)財產(chǎn)損失計算公式如下：

L=T×λ（i）×w（i）? （2）

式中：L—室內(nèi)財產(chǎn)破壞經(jīng)濟(jì)損失，T—建筑物受損總面積（萬m2），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(nèi)財產(chǎn)損失。

室內(nèi)財產(chǎn)損失比與建筑物同等比例[34]來計算如表2所示，其中財產(chǎn)單位單價是通過當(dāng)?shù)貙嵉卣{(diào)查獲得，包括室內(nèi)裝潢、室內(nèi)財產(chǎn)和日常生活物品等內(nèi)容，平均1600元/m2[35]。對地震引起的直接經(jīng)濟(jì)損失計算得到如圖3所示的結(jié)果，可知研究區(qū)鋼混建筑直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)185.05億元，其中建筑自身損失達(dá)112.83億元，占總經(jīng)濟(jì)損失的61%;室內(nèi)財產(chǎn)損失達(dá)72.21億元，占總經(jīng)濟(jì)損失的39%。其中中等受損建筑損失最多，毀壞損失最少。表明，當(dāng)發(fā)生地震時對鋼混建筑產(chǎn)生破壞，從而引發(fā)的經(jīng)濟(jì)損失最大;室內(nèi)財產(chǎn)的損失主要是因建筑物的破壞引起的。

3.3 人員傷亡

各種自然災(zāi)害中地震災(zāi)害的傷亡人數(shù)最多，而地震引起的傷亡人數(shù)在白天和夜晚地震發(fā)生時有所不同。本文采用張潔等[36]提出的地震人員傷亡預(yù)測模型估算研究區(qū)傷亡人數(shù)，其中白天定為7點到19點，該時間段人員分布比較疏散而均勻;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(qū)，死亡和受傷人數(shù)各自采用公式3和公式4來估算：

死亡人數(shù)：

Md=niη（0.0372A1+0.0149A2+0.00234A3）? （3）

受傷人數(shù)：

Mh=niη（0.121A1+0.0344A2+0.01344A3）? （4）

式中：ni—時間調(diào)整系數(shù)（白天為1，夜間為1.4），η—人員密度，A1—建筑物毀壞面積（m2），A2—建筑物嚴(yán)重破壞面積（m2），A3—建筑物中等破壞與輕微破壞面積的和（m2）。該模型假設(shè)白天人員均勻分布在建筑物內(nèi)，而夜間集中在住宅建筑物內(nèi)，其不同時段人員密度為：

計算結(jié)果如圖3所示，研究區(qū)白天發(fā)生地震時死亡人數(shù)為991人、受傷人數(shù)為4252人，傷亡人數(shù)合計5244人，夜晚地震發(fā)生時死亡人數(shù)為4830人，受傷人數(shù)為20716人，傷亡人數(shù)合計25547人。夜晚發(fā)生地震時傷亡人數(shù)遠(yuǎn)高于白天發(fā)生同級地震的傷亡人數(shù)。表明，地震發(fā)生時間的不同導(dǎo)致的人員傷亡程度存在差異，一般白天傷亡人數(shù)較夜晚傷亡人數(shù)少，夜晚傷亡嚴(yán)重。

3.4 建筑物修復(fù)時間與修復(fù)費用

建筑修復(fù)時間與費用是一般指建筑功能性修復(fù)所需時間與相關(guān)費用。由于不同工程隊修復(fù)建筑所需時間不同，本文采用呼和浩特市區(qū)每年新施工建筑面積來換算受損建筑所需修復(fù)時間，公式5顯示計算方法。建筑物修復(fù)費用是受損建筑面積、單位面積造價[28]和建筑物損失比[34]來計算，公式6顯示具體計算方法。

其中，Q—建筑修復(fù)時間，k—建筑破損比，T—建筑物受損總面積，T1—呼和浩特市建筑年施工面積。

其中，R—建筑修復(fù)費用，T—建筑物受損總面積，k—建筑破損比，B—單位面積鋼混建筑造價。

計算的建筑物修復(fù)時間與修復(fù)費用結(jié)果如圖5所示，從圖中看出研究區(qū)毀壞、嚴(yán)重、中等、輕微受損建筑修復(fù)時間為0.04年（約半個月）、0.12年（約1個月）、0.23年（約3個月），0.20年（不到2個半月），合計修復(fù)時間為0.59年。同樣毀壞、嚴(yán)重、中等、輕微受損建筑修復(fù)費用為7.95億元、22.25億元、44.5億元和38.14億元，總修復(fù)費用為112.83億元。表明，當(dāng)呼和浩特市區(qū)發(fā)生地震時，中等受損的建筑修復(fù)費用最高，修復(fù)時間最長。針對總受損情況，工程團(tuán)隊需要花費大量的經(jīng)費，并且長達(dá)6個月時間才能修復(fù)完受損鋼混建筑。

4 建筑抗震韌性提升方法及其效益分析

上述結(jié)果表明研究區(qū)遇到烈度8地震時傷亡人數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失慘重，有必要提升建筑物抗震韌性水平。本文參考具體建筑韌性提升案例和國家相關(guān)加固規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（GB55201-2021）[37]，分析研究區(qū)易損性建筑加固所需要的加固費用及其加固前后的建筑受損面積、傷亡人數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失和修復(fù)時間等加固效益。

4.1 建筑物加固費用

在地震災(zāi)害中90%以上人員傷亡是由房屋倒塌造成的[38]，易損性建筑的抗震加固才能最大限度地減少財產(chǎn)損失與人員傷亡。一般輕微破壞沒必要專門加固，所以本文中等以上受損建筑物抗震加固方式計算韌性提升所需要的費用。因為不同年代、不同加固方法的加固費用不同。本文參考華北地區(qū)的各類既有建筑抗震加固均價，單位面積加固單價定為600元/m2[24]，研究區(qū)易損性建筑所需加固費用如圖6所示，研究區(qū)毀壞、嚴(yán)重破壞、中等破壞建筑所需要加固費用為1.9億元、7.6億元和26.7億元，總合計36.2億元，其中中等破壞建筑所需費用最多，約占總費用的74%。

4.2 抗震韌性提升效益

《既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范》GB 55021-2021中指出既有建筑需要加固時，依據(jù)鑒定結(jié)果和委托方的需求進(jìn)行設(shè)計和施工。因此，委托方的經(jīng)濟(jì)條件和房屋后續(xù)工作年限的長短，很難確定抗震韌性提升最高值。本文實際加固案例中新設(shè)防烈度比原設(shè)防烈度1烈度或2烈度提高的案例[11]和《新時代防震減災(zāi)事業(yè)現(xiàn)代綱要》的低成本導(dǎo)向[9]，計算假設(shè)受損建筑物全部加固到提高設(shè)防烈度1度前后的加固效益。假設(shè)加固對象建筑物設(shè)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（烈度8降到7烈度）時對象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(jīng)濟(jì)損失和傷亡人數(shù)減少效益。結(jié)果如圖7所示，該區(qū)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(yán)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(jīng)濟(jì)損失減少100%、100%、83%、47%。且人員死亡率減少82%、受傷率減少75%的同時，修復(fù)費用與時間也大量減少。從以上結(jié)果能看出，易損性建筑的抗震加固是傷亡人數(shù)、修復(fù)時間大量減少以外，經(jīng)濟(jì)損失減少約138.96億元，考慮加固需要36.2億元也產(chǎn)生100億左右的經(jīng)濟(jì)效益。由此能判斷在地震易發(fā)區(qū)推進(jìn)房屋抗震加固工程是當(dāng)?shù)厥忻裆畎踩蜕鐣?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障任務(wù)之一。

5 結(jié)論與展望

為掌握城市建筑群抗震韌性水平和抗震韌性提升效益分析，本文以地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固城市呼和浩特市區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑群為例，進(jìn)行了抗震韌性評價及其抗震加固效益分析，得到以下結(jié)論。

（1）在研究區(qū)地震烈度8的地震時，受損鋼混結(jié)構(gòu)建筑物面積為1621萬m2，造成經(jīng)濟(jì)損失約166.7億元;地震白天發(fā)生時死亡人數(shù)約991人、受傷人數(shù)約4525人，合計5244人，夜間發(fā)生時死亡約4830人，受傷約27016人，合計25547人，夜間發(fā)生地震的傷亡人數(shù)遠(yuǎn)高于白天發(fā)生同級地震的傷亡人數(shù);受損建筑的修復(fù)時間0.59年，修復(fù)費用為112.83億元。

（2）研究區(qū)中等以上受損建筑所需要加固費用為36.2億元，其中中等破壞建筑所需費用最多，約占總費用的74%左右。

（3）研究區(qū)受損建筑物全部加固時，毀壞和嚴(yán)重?fù)p壞建筑全部減少，中等和輕微破壞面積減少86%和47%，同樣隨著修復(fù)費用與修復(fù)時間也大量減少。并死亡和傷亡人數(shù)降低75%和82%，總經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到100億元左右。

本文在當(dāng)?shù)貙嶋H數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，推測了鋼混結(jié)構(gòu)建筑群抗震韌性和加固效益，以期對我區(qū)地震易發(fā)區(qū)房屋抗震加固工程的執(zhí)行起到推動作用。但是今后仍需進(jìn)一步完善磚混、木結(jié)構(gòu)等其它建筑物的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和評估方法，并考慮抗震能力特低或過早老舊建筑不適宜加固而重建更合理等實際問題的余地。

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收稿日期：2021-09-29

通訊作者：那仁滿都拉（1974-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古通遼人，博士，副教授，研究方向：城市災(zāi)害監(jiān)測與評估。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（41967056）;內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目（2020GG0047）;內(nèi)蒙古自治區(qū)科技成果轉(zhuǎn)化專項項目（2019GG015）

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