滄州市區地震斷裂帶周邊建筑抗震性能調查

劉 龍，劉志輝

（1. 河北省地震局, 石家莊 050022；2. 河北省地震災害防御與風險評價重點實驗室，廊坊 065201）

0 引言

華北平原盆地內地震活躍，歷史上曾多次發生破壞性地震。滄州市坐落在河北省東南部，北接廊坊、天津，東望渤海，是華北地區重要的沿海城市。滄州地區發育的主要斷裂有滄東斷裂、滄西斷裂、大城東斷裂以及河間斷裂，這些斷裂的走向均為NE，同華北地區最大剪應力方向相一致[1]。其中滄東斷裂作為一條華北地區規模較大的隱伏斷裂，其北部橫穿滄州市主城區，斷裂周邊居民區、工廠、學校、公共設施、商業建筑集中，人口密集，具有一定的地震安全隱患[2]。

近年來，隨著滄州市城鎮化建設水平的提高，所面臨的地震災害風險日益嚴重。河北省內建筑物抗震性能調查研究起步較晚，多數相關研究集中于張家口地區。學者們先后對張家口農村地區房屋進行了抗震性能分析，認為該地區房屋抗震性能較差，并給出了張家口農村房屋抗震薄弱環節及抗震設防建議[3-6]，并采用專家-層次分析法，建立了張家口地區精細化地震災害風險評估模型，對地震災害風險指數與建筑物抗震性能之間的相關性進行了研究[7]。因河北省內其他地區相關研究較少，且研究對象主要針對于農村房屋，所調查房屋結構類型單一，代表性不強。為補充河北省內不同地區建筑物調查樣本，探查滄東斷裂對滄州市區及周邊房屋的影響，本文根據滄州市地震災害風險普查項目中通過現場調查收集到的房屋建筑物數據，建立了斷裂帶東西延伸2.5 km 緩沖區內建筑物抗震性能模型，完成了建筑物抗震性能參數的計算，并根據實際情況提出抗震設防建議。

1 調查范圍、方式的確定

以滄東斷裂南北向跨過滄州市區的20 km 長斷裂帶為中心，東西方向各延伸2.5 km 為緩沖區域所覆蓋的所有建（構）筑物為調查對象。該區域主要包括滄州市運河區和高新區以及滄縣部分地區，斷裂帶分布及調查范圍（圖1）。

圖1 研究區域及斷裂分布圖Fig. 1 Map of investigation area and fault distribution

本文基于滄州市地震災害風險普查項目，現場調查工作主要由滄州市應急管理局組織實施。對于高層建筑、住宅小區、工業廠房等建筑采取現場逐一走訪調查核實的方式進行調查，內容包括建筑物的結構類型、建筑年代、常住人口、建筑面積等因素。對于單個行政村，由于建筑物結構類型多樣且數量巨大，不方便逐一開展單體房屋調查，所以在充分收集房屋總數量、結構占比等信息的基礎上，把所調查的行政村按每類房屋結構類型分別進行抽樣現場調查，再通過綜合分析法給出該村建筑物抗震性能的總體評價。

2 調查區建（構）筑物現場調查情況

研究調查范圍主要在滄州市運河區。調查發現，該范圍內建（構）筑物結構類型主要為框架結構、磚混結構、磚木結構以及鋼結構；建（構）筑物主要包括住宅小區、商業建筑、公共建筑、政府機關、學校、行政村、企業及工廠車間等（圖2）。按建筑物結構及抗震設防等級來看，調查區域內住宅小區、商業建筑、公共建筑、政府機關、學校以框架結構、磚混結構為主，施工時均具有一定的抗震設防設計，滿足該地區的抗震設防要求；工廠及車間大部分以鋼結構為主，也滿足抗震設防需要；行政村的房屋以磚混、磚木結構為主，由于在房屋建造時沒有統一的設計要求且缺乏監管，大量住宅房屋及部分工廠車間未充分考慮抗震設防措施，此為抗震薄弱環節。按占地總面積與人口密集程度來看，區域內住宅小區占地總面積最大、人口最為密集，行政村次之。

圖2 調查區各類建筑照片Fig. 2 Photos of various building in the survey area

調查范圍內住宅小區多數為2000年以后建造。從建筑樓層方面看，絕大多數是高層和多層住宅樓，其中多層住宅樓數量要多于高層。從建筑結構方面看，主要為框架結構及磚混結構。其中，高層住宅樓以框架、框剪結構為主，多層住宅樓主要為磚混結構，絕大多數具有較好的抗震措施，抗震性能較強，且居住人口較為密集。調查區內商業建筑如大型商場、寫字樓等以高層建筑居多，多為框架結構；其他諸如商貿城、市場等以多層或單層居多，多為磚混及鋼結構。所調查評估單元均具有一定的抗震設計，抗震性能良好，滿足抗震設防要求。調查區內公共建筑包括滄州市體育館、滄州市博物館、西客站等建筑，建筑結構主要框架結構、鋼結構，抗震性能較強；所調查政府機關包括滄州海關、滄州市公安局、滄州市場監管局、滄州市消防支隊等，建筑結構多為多層框架結構，抗震性能較強；調查區內學校的結構形式主要為多層框架和多層磚混，均具備一定的抗震設防措施，抗震性能較強；所調查企業辦公樓多以框架結構、磚混結構為主，具有較好的抗震能力，工廠廠房及車間以鋼結構、磚混結構為主，具備一定的抗震設防措施，抗震性能良好。

相比之下，在調查區域內存在大量城中村，建筑年代多數為2000年之前。調查發現，受當地風俗及民族習慣影響，城中村民居絕大多數為磚木結構，該結構類型在近幾年新建房屋中仍占有較大比例，與建筑年代無關。在滄州市存在許多承重結構為磚墻，一部分是有抗震設防設施的磚木結構房屋，大多數無構造柱和圈梁，但由于地方特色，屋架都是木屋架。因木屋架對于農村地區來說冬暖夏涼，一般在進行主屋的搭建的時候都采用此類結構。絕大多數由木屋架直接搭建在橫墻上，無木柱支撐；外墻為370 mm 厚磚墻，內墻為240 mm 厚磚墻。在結構分類上，因墻體承重和屋面承重都屬于結構的一部分，所以把這類建造的房屋歸為磚木結構。調查還發現存在少部分建筑，為了美觀在外層包裹一層磚墻，墻內填充石頭或者土坯的墻體，以及墻體一部分是土坯，一部分是磚體，俗稱“穿靴戴帽”，無任何抗震構造。這類結構因建筑材料不同，在地震作用下會因自振頻率的不同造成更大損失。這種混合型房屋抗震性能更差，多數會遭到地震破壞。此類房屋的屋面承重結構主要是木結構，橫梁直接放置于橫墻上，無任何其他支撐系統且缺乏有效連接方式，抗震性能極差。由于滄州地區歷史上極少發生破壞性地震，且近50年來幾乎未發生過地震，民眾對于抗震設防重視度不高，所以大部分房屋未經過抗震加固。該類型房屋有以下地震安全隱患：①地震時極易發生墻體外閃坍塌；②屋蓋太重發生整體塌落；③建筑材料不同、自振周期不同在地震作用下會相互作用。

調查發現，部分城中村存在私自加蓋簡易鐵皮房屋現象（圖3）。該簡易房加蓋位置為平房頂部，一般由鋼管經鐵絲纏繞搭建框架，表面鋪設0.8 mm左右厚度鐵皮，外置門窗，一般無人居住，用于堆放閑置物品、舊家具等。整體結構強度極差，曾有被大風吹倒案例，為本不堅固的房屋增加額外負載，震后極易倒塌造成人員傷亡，且嚴重阻礙采光，使居民正常生活受到影響。經詢問得知，大量簡易房搭建的原因是為了在以后的拆遷中爭取更多的補助，建議相關部門對此類現象加大整頓力度，予以堅決杜絕。

圖3 抗震薄弱環節Fig. 3 Weak links in earthquake resistance

3 抗震能力評估及重大隱患點識別

3.1 調查區評價單元劃分

調查區域內建筑物結構類型多樣、數量巨大，且覆蓋了大量城中村，不便逐個開展單體建筑的抗震性能鑒定，也無法規范明確的鑒定流程，只能給出一定區域內建筑物抗震性能的總體評價。根據已有建筑物震害經驗，結合他人建筑物抗震性能研究方法，對滄州市調查范圍內建筑群及城中村房屋的抗震性能進行評價。根據建筑結構相同或相似的居民小區、商業建筑群、政府機關、學校、公共建筑、行政村、企業及工廠等為基本評價單元，在調查范圍內共劃分為309 個評價單元（圖4），包括住宅小區110 個、政府機關4 所、學校16 所、商業建筑（群）40 個、企業及工廠車間63 個、行政村61 個、公共建筑7 個，其他類型建筑群8 個。本文列舉了部分評價單元基本情況調查表（表1）以及部分行政村基本情況調查表（表2）。調查顯示，對于除行政村外的評價單元，建筑結構數量占比最多的為框架結構，共計123 個評價單元，占39.8%；其次為磚混結構，共計92 個評價單元，占29.8%；再次為鋼結構，共32 個評價單元，占比10.4%；最低是磚木結構，僅有1 個評價單元，占0.3%。對于行政村，占比最高的為磚木結構，占54%；其次為框架結構，占23.1%；再次為磚混結構，占21%；最低為土木結構，占1.9%。對每個評價單元的房屋抗震性能好壞用抗震性能參數表示，取0.0～1.0 之間數值，1.0 代該地區抗震性能最好的單元，而0 則代表該地區抗震性能最差的單元，其他單元的抗震性能參數為0～1.0 之間的小數值。由于每個評價單元都有鋼結構、磚混結構、磚木結構等各種結構類型的房屋，將不同結構的房屋賦予不同的參數值，最后統一加權得到整個評價單元的抗震性能參數值。根據選取的評價單元的抗震性能參數值，采用插值、綜合分析和經驗判斷等方法繪制該地區抗震性能分布圖，給出該地區房屋抗震性能的好壞。

表1 評價單元基本情況調查表Table 1 Table of basic information of evaluation units

表2 行政村基本情況調查表Table 2 Table of basic information of administrative villages

3.2 抗震性能參數的確定

研究表明，建筑物抗震性能的高低主要與以下5 個因素密切相關，分別是場地條件、建筑物結構種類、有無抗震措施、建造年代的長短及施工質量[8-9]。結合已有震害經驗，認為該地區的場地條件、建筑結構種類和有無抗震措施3 項因素是造成房屋抗震性能參數高低的最主要因素。所以，所調查區域抗震性能參數的確定只選取以上3 個因素。從建筑結構種類方面來看，鋼結構建筑的抗震性能最好，框架結構建筑次之，磚混結構建筑再次之，磚木結構建筑的抗震性能最差；從場地條件來看，位于有利地段場地條件的建筑抗震性能最好；從有無抗震措施方面來看，有抗震措施的房屋其抗震性能會明顯得到加強。

通過對中國大陸地震震例進行對比研究[10-12]，認為所調查區域不同結構種類建筑的抗震性能參數值、場地條件抗震性能參數值、有無抗震措施抗震性能參數值取表3～5 所示數值，參數值介于0～1.0 之間，最高為1.0，最低為0，最終乘以評價單元的建筑面積，通過加權求和得到每個評價單元的抗震性能參數值。

3.3 抗震性能參數計算

根據前面所述，評價單元的抗震性能參數的計算公式：

式中：P為評價單元的抗震性能參數值；gi(i=1,2,3,4,5)分別代表表3 中鋼結構、框架結構、磚混結構、磚木結構和土木結構對應的參數值；dj(j=1,2,3,4)分別代表表4 中有利地段、一般地段、 不利地段和危險地段對應的參數值；sk(k=1,2)分別代表表5 中有措施和無措施對應的參數值；sj(j=1,2,3,4)分別代表一個評價單元內一種結構類型房屋處于有利地段、一般地段、不利地段和危險地段的房屋棟數；dk(k=1,2)分別代表一個評價單元內一種結構類型房屋有抗震措施和無抗震措施的棟數；bi(i=1,2,3,4)分別代表一個評價單元內鋼結構、磚混結構、磚木結構和土木結構房屋各自的棟數；si(i=1,2,3,4)分別代表一個評價單元內鋼結構、磚混結構、磚木結構和土木結構房屋每棟的平均面積[13-14]。以上數據均由調查統計獲得。

表5 滄州市房屋有無抗震措施抗震性能參數表Table 5 Seismic performance parameters table of Cangzhou houses with or without seismic measures

根據以上計算公式，結合抽樣調查結果輔助衛星影像判斷，計算得到了整個調查區域各評價單元的抗震性能參數值并繪制了該地區各評價單元抗震性能分布圖（圖5）。

3.4 房屋抗震能力評價

根據實地調研結果，調查區場地條件統一按一般地段計算。根據該地區不同結構類型的建筑房屋抗震性能參數，分別將調查區建筑物抗震能力劃分為好、中、差、極差4 類，其對應的抗震性能參數如表6 所示。

將計算得到的區域建筑物抗震性能參數，按照表4 的評估分類對各評價單元設防水準下的抗震能力進行評定得到評定結果（圖6）。

圖6 調查區抗震能力分布圖Fig. 6 Distribution of seismic capacity in the survey area

4 結論與建議

經實地調查，給出了調查區各評價單元的抗震性能值與抗震能力分布圖。通過調查計算可知，調查區域內抗震能力好的評價單元一般為2010年后新建的高層住宅小區、商業建筑、企業廠房和公共建筑，此類建筑一般為框架、框架剪力墻結構以及鋼結構；抗震能力為中的評價單元一般為多層住宅樓、政府機關、學校以及企業辦公樓，該類建筑以框架、磚混結構為主；抗震能力差的評價單元一般為遠離市中心的行政村、村莊周邊企業以及部分住戶平房改造的商業建筑，此類建筑以磚混、磚木結構為主，大多無抗震設防措施；抗震能力極差的房屋一般為靠近市中心的城中村，大多數為年代久遠的磚木結構類型，因涉及日后拆遷，已無翻蓋必要，甚至發現有相當數量的房屋為爭取拆遷補償款而加蓋鐵皮板房的現象。此類房屋地震時極易受損甚至倒塌，為抗震薄弱環節，因此，此類房屋應作為重點防范對象。

針對本項工作調查獲得的目標區建筑物抗震設防現狀，提出了以下防震減災對策的建議。

1）加大城中村老舊房屋改造、改建力度，拆除城中村中私自加蓋的簡易鐵皮房，杜絕私搭亂建現象，重點加固未抗震設防的建筑，達到抗震設防要求；全面排查學校、醫院等人員密集場所及其周邊的建筑，尤其要重點關注這些地方的房屋租賃場所，對存在重大安全隱患的房屋建筑進行改造或加固，增強其抗震設防能力。

2）針對城中村房屋抗震性能較差的問題，一方面可以在全面推進鄉村振興的戰略過程中，加大力度擴大危房改造補貼面，加強對農村民宅抗震設防的管理，加強減隔震等實用抗震技術的研發和應用，做到因地制宜、經濟適用，對當地建筑設計、施工從業人員開展抗震設防專業技術培訓，逐步提高農村民宅和公共設施的抗震設防水平；另一方面，在各方面條件允許的情況下，建議對這些城中村進行全面改造，加速滄州市城市化進程。

3）通過調查走訪發現，由于該地區歷史破壞性地震較少，導致群眾疏于防范，抗震設防意識普遍偏低；同時，該地區回族民眾較多，受本地風俗和民族習慣影響，城中村自建房屋大多未考慮抗震設防措施。相關部門要在充分尊重民族習俗的前提下加強防震減災知識的宣傳普及，加強對學生、教師、家長等群體的地震安全教育、開展多形式多渠道的地震知識宣傳活動、組織定期定點的地震應急演練活動、編制科學合理的地震安全教材和手冊，通過公益廣告、微博、微信公眾號及其他自媒體宣傳防震減災知識，有效提升群眾防震減災意識。

4）應急管理部門應利用最新的地震災害風險普查成果制定科學的地震應急預案，相關科研機構可通過大數據、云計算、物聯網等技術進行地震災害風險評估，利用人工智能、機器學習等技術進行震害模擬。開發基于虛擬現實、增強現實等技術的應用軟件用于增強群眾對地震災害的防范和應對能力。在各方面條件允許的條件下，提高新建學校建筑、體育場館等設施的抗震設防水準，改善地震應急避難及疏散條件，切實貫徹“以人為本”和“生命至上”的思想理念。