陶正如,黃雨微,鄭興群,陶志國,李家耀

(中國地震局工程力學(xué)研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

現(xiàn)在所知道的最早的地震烈度出現(xiàn)在1564年,意大利人Jacopo Gastaldi[1-3]用不同顏色標(biāo)注濱海阿爾卑斯地震中地震影響和破壞程度。迄今為止,這個概念在防震減災(zāi)規(guī)劃、震害預(yù)測、應(yīng)急救援、恢復(fù)重建等地震工程領(lǐng)域仍有著廣泛的應(yīng)用。由于其描述的是不需要專業(yè)儀器、可直接觀察到的地震引起的人的感覺、器物的反應(yīng)、建筑物的破壞和地表的變化等互不相關(guān)的宏觀震害現(xiàn)象,不同學(xué)者有不同的理解和解釋,一直作為矛盾統(tǒng)一體存在。李善邦[1]認(rèn)為,烈度是指一個地方受了地的震動影響所表現(xiàn)出來的強弱程度;劉恢先[4]認(rèn)為,地震烈度是地震時一定地點的地面震動強弱程度的尺度,是指該地點范圍內(nèi)的平均水平而;胡聿賢[5]認(rèn)為,地震烈度是地震時包括震害在內(nèi)的多種宏觀地震現(xiàn)象的總合,它是地震后果的描述,并通過它來表示地震動的強弱;田啟文[6]認(rèn)為,地震烈度是表征地震時一定地點地面震動強弱程度的概念;謝毓壽[7]認(rèn)為,以地震烈度表為尺度,所定某一地震在具體地點所引起振動影響的強度稱為地震烈度;時振梁[8]等認(rèn)為,地震烈度作為地震破壞程度的量度只是宏觀的概念;盧榮儉[9]認(rèn)為,烈度是地震的“劇烈程度”或“破壞程度”;郝敏等[10]認(rèn)為,地震烈度從其定義上講是描述地震破壞后果的物理概念;張敏政[2]認(rèn)為,烈度概念的建立之初,它就被賦予震害大小和地震動強弱的雙重內(nèi)涵。此類討論不勝枚舉,綜合來看,主要是討論烈度表達的是地震造成的后果,還是地震作用,還是兩者都能表達。

本文從我國地震工程學(xué)的發(fā)展,說明烈度應(yīng)用范圍的變化及其必要性,嘗試從半個多世紀(jì)的歷史地震和最近幾次大地震的震害厘清烈度含義,并對不同設(shè)防等級結(jié)構(gòu)的烈度評定工作提出建議。

1 從地震工程學(xué)的發(fā)展看烈度含義

新中國建國之初,百廢待興,需要進行大規(guī)模建設(shè)。“在第一個五年計劃開始之前,己有許多建設(shè)部門要求查明將來作為工礦建設(shè)基地的地區(qū),有無遭受地震破壞的危險。在這方面,我們毫無準(zhǔn)備。第一個五年計劃一開始,各方面要求對建設(shè)基地有無地震危險提供依據(jù)的日多,必須參考其全部以往活動歷史,才可能比較正確地提出意見”[11]。1957年,我國第一張地震烈度表《新的中國地震烈度表》問世,這張12度的烈度表以新式磚石結(jié)構(gòu)房屋為中蘇兩國建筑物間的共同標(biāo)準(zhǔn),只采用未加設(shè)防措施的建筑物作為指標(biāo)[12]?？梢?在開展地震烈度評定工作之初,就已經(jīng)明確研究對象為我國量大面廣的建筑,說明隨著社會發(fā)展、主要建筑類型變化,工作對象也將隨之變化。

其時,對烈度的需求,主要在抗震設(shè)防和烈度鑒定(地震危險性分析)兩個方面,當(dāng)時鑒定地震烈度的主要依據(jù)是豐富的歷史資料和一些近代的宏觀調(diào)查資料。儀器觀測是解決其中問題的準(zhǔn)確手段,“然為期不過幾十年,在中國尤其稀罕。不過我們已有好的條件,有幾千年的歷史,其中記錄地震者,粗計不下萬條,去其重復(fù),確切數(shù)目至少當(dāng)有數(shù)千起,自殷帝乙三祀始,即有記載”[13]。在地震觀測臺網(wǎng)不足夠密集,或足夠密集而沒有獲得足夠記錄,即需要借助歷史地震資料的情況下,烈度是不能被摒棄的地震動參數(shù)。

二十世紀(jì)六七十年代發(fā)生的一系列破壞性地震推動了地震工程學(xué)的發(fā)展,地震烈度這個概念在推測震源機制、抗震設(shè)防和地震預(yù)報等方面廣泛應(yīng)用[14]。與此同時,隨著抗震設(shè)計精細化,需要地面運動的各種參數(shù),相對粗略的烈度不能滿足設(shè)計要求,由此提出摒棄烈度這一概念[5,9]。對此,文獻[4]中單辟一節(jié)討論,指出拋棄烈度這個概念存在6個問題。

地震工程學(xué)發(fā)展到今天,地震觀測臺網(wǎng)建設(shè)的步伐加快,截止到2016年12月31日,已經(jīng)建成了由 1個國家地震臺網(wǎng)和32個區(qū)域地震臺網(wǎng)組成的地震監(jiān)測臺網(wǎng),已經(jīng)建成了由1 390個自由地表固定臺站、310個烈度速報臺站、12個專業(yè)臺陣和200臺流動觀測臺站組成的國家數(shù)字強震動觀測臺網(wǎng);截至2015年底,國家強震動臺網(wǎng)強震動數(shù)據(jù)庫中大于10 gal的強震動記錄有12 005條[15-16]。目前的抗震設(shè)計已經(jīng)不會將烈度作為地震動參數(shù)輸入,但仍用于確定抗震等級和抗震構(gòu)造措施。除此之外,烈度在防震減災(zāi)規(guī)劃、震害預(yù)測、應(yīng)急救援、損失評估和恢復(fù)重建等地震工程領(lǐng)域仍有著廣泛應(yīng)用。

既然目前烈度仍被廣泛應(yīng)用,就有必要厘清其含義。事實上,在我國第一次較詳細震害科學(xué)考察的報告[17]中,即將烈度定義為“地震動力之強弱”,由于缺少儀器觀測,需通過“調(diào)查地面上儀器物質(zhì)所受地震之影響,與夫人類對于它震之感覺,引得比較其動力之強弱”。報告中的烈度,“系就調(diào)查各處所受狀況而推測者。夫損失之大小,固與動力強弱有關(guān),惟地基之堅松,山坡之緩急,建筑物之穩(wěn)否,各處不同。以同一烈度之動力,加于此情形各異之物質(zhì)上,其所受影響,當(dāng)然大異”,通過繪制首張等震線圖,推測震中、震源位置和大概形狀。

劉恢先等認(rèn)為烈度可以從兩種不同角度定義:一種是反映地震后果的,一種是反映地震作用的。前一種適宜于救災(zāi)工作,后一種適宜于震害防御工作。需要什么樣的烈度,要看它用在什么場合。無論從地震學(xué)或地震工程的觀點出發(fā),我們所需要的都是反映地震作用或地震破壞力大小的烈度,而不是反映地震造成的后果輕重的烈度[18]。由此,他給出了上述烈度的概念,并被《中國地震烈度表(1980)》采納[19]。在其基礎(chǔ)上制定的國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震烈度表(GB/T 17742—1999)》、《中國地震烈度表(GB/T 17742—2008)》和《中國地震烈度表(GB/T 17742—2020)》中將地震烈度定義為“地震引起的地面震動及其影響的強弱程度”,認(rèn)為烈度既表達了地震作用,也反映了地震后果。

由于當(dāng)時缺少大量震害檢驗,劉恢先教授從總結(jié)震害經(jīng)驗和抗震設(shè)計需求的角度,解釋了地震工程學(xué)所需要的是表達地震作用的烈度。正是基于此,在我國一直沿用了30余年的建立地震動衰減關(guān)系的映射法[20-23]中,才能夠借助烈度和地震動參數(shù)的換算關(guān)系求得所需的地震動衰減規(guī)律。

時至今日,從唐山、海城地震到汶川、九寨溝地震,我們已經(jīng)積累了不同建筑類型、不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的大量工程結(jié)構(gòu)震害數(shù)據(jù)。既然烈度是根據(jù)震害評定的,下面從震害角度,分析烈度的含義。

2 從歷史震害數(shù)據(jù)看烈度含義

為了減少主觀影響,收集震害數(shù)據(jù)時,選取了文獻[24-28]中有明確工程結(jié)構(gòu)破壞比數(shù)據(jù)的震例,汶川地震工程結(jié)構(gòu)破壞比來自文獻[29],其中,Ⅸ度數(shù)據(jù)為Ⅸ度以上地區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù),Ⅵ度數(shù)據(jù)統(tǒng)計時還包括一部分有輕微破壞Ⅴ度區(qū),土木和磚木兩類結(jié)構(gòu)只采用了基本完好和毀壞兩個震害等級的破壞比。

評估烈度為Ⅴ～Ⅸ度的土木結(jié)構(gòu)各個震害等級破壞比及趨勢線如圖1所示。在Ⅴ度～Ⅵ度時,基本完好的比例呈上升趨勢,輕微破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞比例下降,中等破壞比例變化不明顯;Ⅶ度～Ⅷ度時,基本完好、中等破壞和毀壞的比例上升,輕微破壞和嚴(yán)重破壞比例下降;Ⅸ度時,毀壞比例增加。

圖1 土木結(jié)構(gòu)破壞比和趨勢線Fig.1 Damage ratios and trend lines of civil structures

磚木結(jié)構(gòu)各個震害等級破壞比及趨勢線如圖2所示。在Ⅴ度～Ⅵ度時,基本完好的比例呈上升趨勢,嚴(yán)重破壞和毀壞比例低;Ⅶ度～Ⅷ度時,基本完好、輕微破壞和嚴(yán)重破壞的比例下降,中等破壞和毀壞比例上升;Ⅸ度時,中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞比例均增加。

圖2 磚木結(jié)構(gòu)破壞比和趨勢線Fig.2 Damage ratios and trend lines of brick-wood structures

磚混結(jié)構(gòu)各個震害等級破壞比及趨勢線如圖3所示。在Ⅴ度～Ⅶ度時,基本完好的比例呈上升趨勢,其他震害等級的比例稍有下降或基本持平;Ⅷ度～Ⅸ度時,基本完好比例下降,毀壞比例均增加。

圖3 磚混結(jié)構(gòu)破壞比和趨勢線Fig.3 Damage ratios and trend lines of brick-concrete structures

框架結(jié)構(gòu)各個震害等級破壞比及趨勢線如圖4所示。在Ⅴ度～Ⅷ度時,基本完好的比例呈上升趨勢,Ⅷ度輕微破壞比例下降,其他震害等級的比例稍有下降或基本持平;Ⅸ度只有兩組數(shù)據(jù),基本完好、嚴(yán)重破壞和毀壞比例均增加。

圖4 框架結(jié)構(gòu)破壞比和趨勢線Fig.4 Damage ratios and trend lines of frame structures

整體上看,在大部分結(jié)構(gòu)尚未失效的同一烈度下,隨著發(fā)震時間趨近,低烈度區(qū)的同類結(jié)構(gòu)基本完好比例增加,其他破壞等級的比例下降,高烈度區(qū)同類結(jié)構(gòu)的毀壞比例增加。從一個側(cè)面說明,隨著建筑質(zhì)量和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的提高,結(jié)構(gòu)抗震性能增加。如果烈度表達的是地震后果,則當(dāng)同類結(jié)構(gòu)破壞比不同時,據(jù)此確定的烈度應(yīng)不同。

3 從近期大震震害看烈度含義

上一節(jié)使用的數(shù)據(jù)中沒有結(jié)構(gòu)建造年代和設(shè)防信息,只能宏觀上說明這樣一個趨勢。最近的幾次破壞性地震的震害調(diào)查中,工程結(jié)構(gòu)設(shè)防情況越來越受到重視,本節(jié)借助收集到的2008年汶川地震、2013年蘆山地震和2014年魯?shù)榈卣鹫鸷?shù)據(jù),分析未設(shè)防和已設(shè)防、不同設(shè)防烈度工程結(jié)構(gòu)震害的差異。地震現(xiàn)場烈度評定的主要流程、方法、用于評定烈度各類房屋的破壞等級劃分的依據(jù)和震害現(xiàn)象在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[30-32]中有詳細描述,本文不再重復(fù)。

文獻[33]根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范的實施年份,按建造年代統(tǒng)計建筑震害情況[見圖5(a)];統(tǒng)計了按照不同烈度進行抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)實際遭遇烈度下的破壞比[見圖5(b)]。其中,實際遭遇烈度來自中國地震局公布的《汶川8.0級地震烈度分布圖》。綿陽設(shè)防烈度Ⅵ度,實際遭遇烈度Ⅶ～Ⅺ度;梓潼設(shè)防烈度Ⅵ度,實際遭遇烈度Ⅶ～Ⅷ度;江油設(shè)防烈度Ⅶ度,實際遭遇烈度Ⅷ～Ⅹ度;都江堰、安縣和平武設(shè)防烈度Ⅶ度,實際遭遇烈度Ⅶ～Ⅺ度;綿竹設(shè)防烈度Ⅶ度,實際遭遇烈度Ⅷ～Ⅺ度。

圖5 不同設(shè)防水平的結(jié)構(gòu)在汶川地震中的破壞比Fig.5 Damage ratios of structures with different fortification levels during Wenchuan earthquake

圖5(a)可見,隨著抗震設(shè)防水平的變化,基本完好比例增加,破壞比例隨之降低;圖5(b)可見,綿陽和梓潼Ⅵ度設(shè)防,綿陽遭遇烈度部分高于梓潼,但基本完好比例卻超過50%,都江堰和安縣Ⅶ度設(shè)防,但基本完好比例明顯高于其他Ⅶ度設(shè)防地區(qū)。文獻[33]的解釋是由于都江堰和綿陽的經(jīng)濟水平相對較好,建筑以框架結(jié)構(gòu)或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為主,抗震能力較強。

文獻[34-36]給出了汶川地震、蘆山地震和魯?shù)榈卣鹬性O(shè)防和未設(shè)防砌體/磚混結(jié)構(gòu)在各個震害等級的破壞比,如圖6。

整體上看,經(jīng)過設(shè)防的砌體結(jié)構(gòu)基本完好和輕微破壞的比例高于未設(shè)防的,嚴(yán)重破壞和毀壞的比例低于未設(shè)防的。從圖6(a)中設(shè)防結(jié)構(gòu)各震害等級的破壞比看,Ⅵ度區(qū)基本完好和輕微破壞的比例小于Ⅶ度區(qū)的,Ⅷ度區(qū)和/或Ⅸ度區(qū)基本完好和輕微破壞的比例小于Ⅹ度區(qū)的,說明雖然都是設(shè)防結(jié)構(gòu),但由于設(shè)防等級不同,震害差別較大,在統(tǒng)計設(shè)防結(jié)構(gòu)震害時,應(yīng)體現(xiàn)出設(shè)防等級;在烈度評定時,也需要考慮不同設(shè)防等級。

圖6 設(shè)防和未設(shè)防砌體/磚混結(jié)構(gòu)的破壞比Fig.6 Damage ratios of masonry/brick-concrete structures with and without fortification

如果烈度表達的是地震后果,在相同或近似地震動作用下,基于設(shè)防結(jié)構(gòu)破壞比判定的烈度與未設(shè)防結(jié)構(gòu)判定的結(jié)果會不同,不同設(shè)防等級結(jié)構(gòu)的判定結(jié)果會不同,城市和農(nóng)村的結(jié)果也會不同。這就會使得抗震能力較強的城市或抗震能力較差的鄉(xiāng)村出現(xiàn)烈度異常。而事實上,基于同一地區(qū)不同結(jié)構(gòu)判定的宏觀烈度是相同的,說明烈度表達的是地震作用,是通過不同結(jié)構(gòu)震害反映出來的。

4 結(jié)語

地震工程學(xué)在我國發(fā)展之初,即將烈度定義為表達地面振動強弱程度的物理量。隨著地震工程學(xué)的發(fā)展,烈度的應(yīng)用范圍發(fā)生了變化。本文多個角度討論烈度的含義并對設(shè)防結(jié)構(gòu)的烈度評定提出建議,主要包括:

(1) 搜集、整理五十余年的歷史地震震害數(shù)據(jù),整體上看,低烈度區(qū)中同類結(jié)構(gòu)基本完好比例增加,其他破壞等級的比例下降;高烈度區(qū)同類結(jié)構(gòu)的毀壞比例增加,主要是汶川地震震害數(shù)據(jù)的影響。

(2) 從汶川地震、蘆山地震和魯?shù)榈卣鸬恼鸷砜?同一烈度區(qū),設(shè)防和未設(shè)防的、不同設(shè)防等級的結(jié)構(gòu)震害差別較大。由此說明,烈度實際上是通過不同結(jié)構(gòu)震害反映出來的地震作用,根據(jù)不同類型和設(shè)防等級的結(jié)構(gòu)判定烈度時,也應(yīng)有相對協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。尤其在《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(GB18306—2015)》頒布實施后,我國不再有未設(shè)防地區(qū),即新建、改建、擴建一般建設(shè)工程需按照不同等級進行抗震設(shè)防;全國2 860個縣級以上城鎮(zhèn)中,872個城鎮(zhèn)的設(shè)防水平有不同程度提高[37],設(shè)防結(jié)構(gòu)在今后的烈度評定工作中占比越來越大。正如劉恢先教授早在1970年指出的,“建筑技術(shù)在不斷發(fā)展,建筑物抗震性在加強,總有一天,目前用以鑒別烈度的建筑物會被淘汰或者減至很少,到那時,現(xiàn)行烈度表便將失去作用。……我們認(rèn)為,變革的方向應(yīng)當(dāng)是從定性過渡到定量,從反映地震的后果過渡到反映地震破壞作用”[38]。

(3) 根據(jù)《中國地震烈度表(GB/T 17742—2020)》[32]第3.3條規(guī)定,用于評定烈度的房屋包括未經(jīng)抗震設(shè)防的土木、磚木、石木等房屋;穿斗木構(gòu)架房屋;未經(jīng)抗震設(shè)防的磚混結(jié)構(gòu)房屋;按照Ⅶ度抗震設(shè)防的磚混結(jié)構(gòu)房屋和按照Ⅶ度抗震設(shè)防的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋。4.2條規(guī)定,宏觀調(diào)查評定地震烈度時,Ⅵ度～Ⅹ度應(yīng)以房屋震害為主要評定依據(jù);當(dāng)采用低于或高于Ⅶ度抗震設(shè)計房屋的震害程度和平均震害指數(shù)評定地震烈度時,適當(dāng)降低或提高評定值。由此看來,除Ⅶ度抗震設(shè)防的磚混結(jié)構(gòu)房屋和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋,目前我國的烈度評定對其他設(shè)防等級或其他類型的結(jié)構(gòu)震害需依照經(jīng)驗適當(dāng)調(diào)整,并沒有具體規(guī)定。這樣,就需要將不同類型、不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的震害統(tǒng)一到一個水平上,為未來地震中據(jù)設(shè)防結(jié)構(gòu)評定烈度提供依據(jù)。由于我國豐富的震害資料來源于未設(shè)防結(jié)構(gòu),建議通過某個烈度下的不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、各類結(jié)構(gòu)在各震害等級下的平均震害指數(shù)和(或)破壞比與未設(shè)防同類結(jié)構(gòu)的平均震害指數(shù)和(或)破壞比的統(tǒng)計關(guān)系,建立對未設(shè)防結(jié)構(gòu)、各震害等級的平均震害指數(shù)和(或)破壞比的調(diào)整系數(shù),可以根據(jù)設(shè)防結(jié)構(gòu)震害判定烈度。