魯甸地震宏觀震中建筑群震害分析與抗震韌性評估

林旭川 劉雪艷 胡仁康 張令心

摘要：2014年的魯甸地震使其宏觀震中龍頭山鎮遭受毀滅性破壞，整理龍頭山鎮城區（龍泉社區）192棟建筑信息，并識別每棟建筑損傷情況。從區域防災角度，對龍頭山鎮建筑群的震害特點、致災機理與減災策略進行分析，對該區域震后避難場所分布情況和恢復重建過程進行分析與討論?；谔岢龅膮^域建筑群功能完整度指標，對龍頭山鎮地震破壞與災后重建各個階段的功能完整度與恢復程度進行了量化分析。結果表明：魯甸地震表現出的“小震大災”特征，主要與地震動局部異常以及房屋整體抗震能力有關，局部異常嚴重的震害也可能對全局震害產生決定性的影響;當規則建筑具備必要的設防水準后，往往可避免其在遠超越設防水準地震下倒塌;提出的結構功能完整度可比較合理地描述區域建筑群恢復的過程，可為抗震韌性分析提供量化指標。

關鍵詞：建筑群;城鎮抗震韌性;魯甸地震;地震破壞;區域防災

0 引言

近幾十年來，我國城鎮發生了翻天覆地的變化，人口與財富愈發集中，新舊建筑混雜，也因此面臨著日益嚴峻的地震災害風險。特別是，大部分新興城鎮尚未經受過地震的考驗，缺乏對破壞性地震的深入理解和應對經驗。因此，深入分析與總結近年來發生在我國城鎮附近的破壞性地震，將為我國城鎮防災減災與應急救援工作提供重要參考。

2014年8月3日，云南魯甸發生6.5級地震，震源深度12 km，地震造成了617人死亡、3 000余人受傷以及巨大的直接經濟損失（李永強，李兆隆，2016）。該地震的宏觀震中位于魯甸縣龍頭山鎮，其強烈的地震作用造成了龍頭山鎮城區大部分建筑的嚴重破壞或倒塌。分析龍頭山鎮的破壞情況發現，位于同一個地區的緊緊靠近的兩個區域，震害程度卻差異明顯。在魯甸地震后2個月，云南再次發生了比魯甸地震震級更高、震源更淺的6.6級景谷地震（震源深度5 km），但僅造成1人死亡、324人受傷，兩次地震的結果形成了巨大反差。因此，探析上述反?，F象，對深入理解區域地震成災機理具有重要意義。同時，龍頭山鎮遭遇毀滅性地震破壞后，當地首先需要面對的問題是如何進行避難和安置，其次是如何進行災后重建。從系統角度，對該城區的建筑群破壞、應急避難與恢復重建等情況進行分析，有利于提升城鎮抗震韌性的認知水平與建設能力。

本文基于2014年龍頭山鎮城區（龍泉社區）震害調查資料以及不同時期（震前、震后以及重建期）的衛星遙感資料，結合近年來該區域震害的相關研究，對龍頭山鎮的建筑進行逐一分析整理，建立了各個建筑的結構信息與損傷狀態數據，從建筑群的視角開展震害機理與區域抗震韌性分析。

1 建筑群震害整理與分析

圖1具體展示了龍頭山鎮的破壞情況，在紅虛線內，房屋大部分倒塌或嚴重破壞，而在紅實線內，建筑的破壞非常輕，二者產生了鮮明的對比（Lin et al，2015）。筆者對龍頭山鎮城區（龍泉社區）192棟建筑的震害資料進行逐棟整理與分析，并結合地震前后遙感數據、新聞（木勝玉，2014a）等資料，給出了2014年魯甸地震發生后建筑群地震破壞空間分布，如圖2所示。根據《建（構）筑物地震破壞等級劃分》（GB/T 24335—2009）規定，并參考《中國地震烈度表》（GB/T 17742—2008）對破壞等級的描述，將建筑的破壞等級分為5級，并分別定義為基本完好、輕微損壞、中等破壞、嚴重破壞、毀壞或倒塌。上述標準均對建筑的損傷程度定義了5個等級，盡管描述方式與評估流程有差異，但其損傷等級的確定均綜合考慮了構件的破壞、功能的損失與修復的難易程度等因素。

龍頭山鎮的建筑可分為5類：鋼筋混凝土框架結構（RC框架）、普通砌體結構、約束砌體結構和木架結構、土木結構。砌體結構分為普通（無約束）砌體結構和約束砌體結構，二者的本質差別在于結構是否具有確保其整體性的抗震構造措施。木架結構的主體承重結構為木框架，而土木結構的承重部件以生土或夯土為主，木頭用于加強結構的整體性。圖3給出了該區域典型結構類型的破壞示例。圖3a為鋼筋混凝土框架結構，底層殘余層間位移角達1/18，大量梁柱端部嚴重破壞，底層填充墻嚴重破壞，破壞等級介于嚴重破壞與

倒塌之間;圖3b為約束砌體結構，圖中左側建筑的首層墻體出現了嚴重的X型開裂，由于地震作用過大，墻體裂縫貫穿了構造柱，而圖中右側建筑則整個底層徹底倒塌，破壞等級為倒塌;圖3c為當地的木架結構，結構嚴重受損，墻體幾乎徹底破壞，破壞等級為嚴重破壞;圖3d為土木結構徹底坍塌，土木結構整體性普遍較差，且墻體強度較低。

需要指出的是，即使將震害較輕的區域包含在內，192棟建筑中，倒塌建筑數量仍多達122棟，建筑的倒塌率高達63.5%，而其中不乏經過正規設計且具有良好抗震構造措施的公共建筑。圖4給出了在建筑倒塌較集中區域記錄到的地震動的擬加速度反應譜，當結構基本周期小于1.0 s時，實際地震動產生的水平作用力是規范規定的罕遇地震的4～5倍，該地震動的PGA將近1.0 g（冀昆等，2014），甚至遠遠超越規范規定的9度區的罕遇地震的PGA。中低層建筑的嚴重破壞和倒塌的主要原因是地震作用遠遠超出了設防水準（陸新征等，2014），由于地震作用太大，不少建筑的底層徹底垮塌（Lin et al，2015），如圖3c所示。雖然實際地震作用遠遠超出規范設計要求，對于結構形狀規則、剛度分布均勻、填充墻分布均勻的結構，多以嚴重破壞為主，并未造成徹底倒塌，如圖3b所示。

2 基于區域防災視角的建筑群震害討論? 魯甸地震的震害表現出了“小震大災”的特征。地震的破壞力受到諸多因素的影響，既和地震產生的地面運動激烈程度有關，又和工程結構的抗震能力有關。根據中國地震局發布的地震烈度圖（木勝玉，2014a），云南魯甸6.5級地震的Ⅵ度區的面積為8 390 km2，Ⅶ度區的面積為1 580 km2，Ⅷ度區的面積為290 km2，Ⅸ度區的面積為90 km2（圖5）。云南景谷6.6級地震的Ⅵ度區的面積為9 780 km2，Ⅶ度區的面積為1 750 km2，Ⅷ度區的面積為400 km2，Ⅸ度區的面積為零（木勝玉，2014b）。

圖6給出了這2個地震不同烈度區的比較，縱坐標的烈度區面積比為各個烈度區域的面積與各自地震Ⅵ度及以上烈度區的總面積的比值。景谷地震Ⅵ度及以上區域總面積要比魯甸地震大15%，但是震害卻輕很多。景谷地震人員傷亡人數遠遠小于魯甸地震，主要是因為人員傷亡情況很大程度上與房屋建筑的破壞與倒塌情況相關。 從圖6可以發現，2個相當震級地震不同烈度區面積占總面積的比例大致相當，但魯甸地震多了一個Ⅸ度區，有更多的能量集中在距離震源較近的區域，龍頭山鎮及其周邊村鎮正是位于該區內。一方面，魯甸地震影響區房屋抗震能力相對較差且人口相對較稠密，容易導致地震的影響加重（和嘉吉等，

2015）;另一方面，局部區域異常強烈的地震動及其產生的異常嚴重震害也可能對全局產生決定性的影響，龍頭山鎮部分區域（圖1中紅虛線包圍區域）建筑群的毀壞與倒塌整體上加重了此次地震的震害與傷亡。

為了從建筑群的角度進一步分析龍頭山鎮地震致災特點，比較不同參數與震害的相關性，對城區192棟建筑進行了分類統計，給出了各類房屋中各種破壞程度的占比，如圖7所示。由圖7a可見，層數不同，建筑發生破壞的可能性差異很大，1～5層的建筑倒塌的比例分別達到了68.5%，61.1%，57.5%，30.8%與20.8%。1～3層建筑中倒塌的比例非常高，約，主要原因是低矮建筑里質量相對較差的自建房屋有相當比例;而5層完好或輕微破壞的建筑超過，其中倒塌的建筑主要位于圖1中紅虛線包圍的區域，完好或輕微損壞的建筑位于紅實線包圍的區域。由此可見，建筑的高度與可用的結構形式、結構的周期緊密相關，這些結構屬性與地震動特性相互結合，對結構損傷破壞程度起著至關重要的影響。

結構類型不同，建筑的抗震能力差異也很大，普通砌體結構、土木結構與木架結構的倒塌率為74%～91%，而RC框架與約束砌體結構的倒塌率在23%～25%（圖7b）。一方面，結構類型對震害的嚴重程度起著決定性的影響;另一方面，7度設防的RC框架結構和約束砌體結構，即使在遠遠超越其設防水準的地震動作用下，仍有相當高的“不倒”概率。歷史上發生的破壞性地震，往往出現遠高于設防水準的地震作用，而結構設計又無法將設計水準提高到該水平。結構抗震設計既需確保房屋的安全，又需充分考慮地震及其產生的地面運動巨大的不確定性，而該問題一直沒有一個合適的解決方案。對于區域與城市的抗震防災而言，雖然地震具有很大的不確定性，當建筑比較規則且達到一定的抗震能力與構造措施時（如達到7度區的設防水準），仍能很大程度上確保在超預期地震作用下建筑不倒塌，這對減輕經濟水平有限而地震頻發區域的震害具有重要參考價值。從抗震韌性的角度看，提高建筑的抗震能力，從整體上降低區域建筑群的地震損傷程度，將有利于區域的快速恢復，并直接對區域抗震韌性的提升發揮重要作用。

魯甸地震中以下因素也對該區域震害情況與震后救災帶來影響：

（1）地形與場地。龍頭山鎮可分為截然不同

的2個區域，一個區域建筑破壞非常嚴重，建筑主要位于一個“小土坡”上，另一個區域震害輕微，建筑主要沿河布置（圖1）。這2個區域彼此相鄰，且均位于IX度區內。震害非常嚴重區域記錄到的PGA約1 g，震害輕微區域雖無臺站，但根據數值模擬的試算結果，實際的PGA非常小，應小于0.1 g。地震作用在小范圍內的巨大差異主要因為該區域復雜的地形與場地條件（魏勇，2018）。

（2）地震發生時間和季節。魯甸地震發生于8月3日白天，正好趕上學校放假，從而避免了學校建筑倒塌所致的人員傷亡。但地震后發生了大量滑坡，并引發了堰塞湖，更不幸的是該地區進入雨季，白天時被打通的道路，又因為傍晚的降雨而阻塞，日復一日，不僅加重了震害，也對救災造成了非常不利的影響。因此，地震發生的時間和季節對災害的影響也不可忽略。

3 城鎮恢復重建與抗震韌性

區域的抗震能力，不僅體現在抵御地震破壞的能力，還體現在遭受地震破壞后的應對處理能力與恢復重建能力。魯甸地震中，龍頭山鎮遭到了嚴重的破壞，如何安排當地居民進行有效的避難與臨時安置對防災減災具有重要意義，也是震后恢復工作的第一步。圖8給出了該區域在地震后（主震發生后第17天）可設置帳篷與臨時住房區域，共有7處。這些區域由預留地、廣場、校園、院落等空地構成，分散在龍頭山鎮各處，用于安置失去居住場所的民眾。其中，A位置的避難場所最大，地震前該處是一塊空地。由于大量建筑的

破壞與倒塌，導致村民需要中長期避難。截至2015年5月（9個月后），B處被去除但其周圍重新開辟了新的避難場所，其他6處保留，A處仍然是主要避難場所，C處附近增加了一塊空地?？梢姡诜罏囊巹澲?，預留充分的避難場所，對應急救援、控制次生災害、方便災后重建具有重要意義。

為了對龍頭山鎮的抗震韌性進行初步定量分析，本文基于現場震害調查建立的192棟建筑，結合不同時期遙感圖片及Google earth圖片，對不同時期該區域建筑群的功能完整性進行評估。單體建筑的功能完整度與建筑破壞的狀態及其可修復性相關，針對不同的建筑破壞等級，粗略地給出建筑的結構功能完整度，如表1所示。需要指出的是，本文討論的建筑功能僅包括房屋結構的力學功能，而不包含建筑的使用功能。房屋結構功能完好時，功能完整度取1.0，建筑倒塌時功能完整度取0.0。考慮到嚴重破壞及倒塌，建筑的功能受到的影響極大且修復困難，因此，嚴重破壞及倒塌的功能完整度取值明顯低于其他等級。

式中：Rregion為建筑群的功能完整度;i為建筑編號;Ri為第個單體建筑的功能完整度;Ai為第個建筑的建筑面積。

根據功能完整度的定義，得到龍頭山鎮建筑群功能完整度隨時間變化曲線，如圖9所示，圖中a，b，c，d這4個點對應的龍頭山衛星遙感圖片，如圖10所示。地震發生前功能完整度為1.0，其狀態如圖10a所示，地震發生后整個城鎮的功能完整度降到41%，如圖10b所示;隨著重建的啟動，部分未倒塌但是不易修復的房屋也被拆除，功能完整度進一步降低到33%，如圖10c所示。由于國家、地方政府與社會各界支持并重視龍頭山鎮的重建工作，龍頭山鎮在恢復過程中，社會、經濟和工程資源基本上是充足的，地震發生后約3年零3個月，該區域重建完畢（薛濤，2017），此時功能完全恢復，功能完整度為1.0，之后功能完整度保持1.0不變，圖10d給出了2018年的狀態。龍頭山鎮在遭遇嚴重破壞后，以年均20%的速度對其功能完整性進行恢復。可見，區域功能完整度指標，可以較好地描述區域地震破壞與恢復過程的狀態，與概念基本相符。

在重建過程中，龍頭山鎮除了保留部分嚴重破壞的建筑作為此次地震的紀念外，大部分嚴重破壞或倒塌的建筑均被徹底拆除，并在原先相對平坦的區域建立了抗震性能更好的民居與公共建筑，并環繞該城鎮建立了新的道路，使其交通網絡具有更高的冗余性。從這個意義上，該區域具備了比地震前更高的抗震能力和更完善的使用功能，功能的完整性應高于原先的1.0，實際恢復曲線應為圖9中的虛線所示。針對不同的分析需要，需要對絕對功能完整度與相對功能完整度進行區分。

4 結論

本文整理了2014年魯甸地震宏觀震中龍頭山鎮城區的192棟建筑信息與損傷狀態，從區域防災的角度，對該建筑群破壞機理進行討論，并對區域的抗震韌性進行了量化分析，得出主要結論如下：

（1）魯甸地震表現出“小震大災”特征，由于地形與場地的影響，龍頭山鎮建筑群的地震破壞呈現了非常嚴重與非常輕微兩塊震害程度截然不同的區域，總體上區域內建筑的倒塌率高達63.5%，主要原因是由于地震動局部異常強烈。

（2）雖然遭受了異常強烈的地震動作用（PGA約1.0 g，遠遠超過了Ⅸ度罕遇地震作用），但部分建筑仍可免于倒塌，可見當規則建筑具備必要的設防水準（Ⅶ度）后，可很大程度上避免其在遠超越設防水準地震下倒塌，該結論可為經濟能力不足區域的抗震防災工作提供參考。

（3）地形與場地、地震發生的時間與季度均對龍頭山鎮的震害與震后救災產生了關鍵影響。

（4）龍頭山鎮重建的過程顯示，預留充分的避難場所，對應急救援、控制次生災害、方便災后重建具有重要意義。

（5）建議了針對房屋結構的功能完整度指標，得到龍頭山鎮建筑群功能完整度隨時間變化曲線，龍頭山鎮在地震發生后功能完整度降到了41%，并以平均每年20%的速度進行功能恢復。該建議指標可比較合理地描述區域建筑群恢復的過程，為抗震韌性分析提供量化指標。

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