運城市中心城區(qū)通信系統(tǒng)震害預(yù)測研究★

李奮勇 韓曉飛 薛曉東 曾金艷 李自紅 董 斌

(1.山西省地震局，山西 太原 030002； 2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

20世紀(jì)70年代，UCLA(加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校)的C.M.Duke首次提出生命線工程系統(tǒng)的概念。生命線系統(tǒng)一般被認(rèn)為包括：交通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等[1-3]。

通信系統(tǒng)作為城市生命線工程的重要組成部分，對保證城市功能的正常運行具有重要意義，同時也是地震時信息通信的重要節(jié)點。通信系統(tǒng)是指由通信設(shè)備、線路和建筑結(jié)構(gòu)組成的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中設(shè)備和結(jié)構(gòu)以點的形式分布，無線電波和線路連接節(jié)點形成通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

本文擬利用主城區(qū)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)GB/T 19423—2014地震災(zāi)害預(yù)測與信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范的要求，參照通信系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范和現(xiàn)有的研究理論[4-7]，對運城市區(qū)通信系統(tǒng)的地震易損性進(jìn)行研究。

1 運城市通信系統(tǒng)總述

近年來，運城電信發(fā)展迅速，主要由移動、電信和中國聯(lián)通三部分組成。目前，運城市已實現(xiàn)電話交換機程控化、數(shù)字化，完成了從單一電話、電報網(wǎng)向移動通信網(wǎng)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)、智能網(wǎng)等綜合信息網(wǎng)的過渡。這些中繼通信傳輸網(wǎng)絡(luò)具有很高的安全性和穩(wěn)定性。

2 通信系統(tǒng)震害預(yù)測

2.1 通信樞紐建筑震害預(yù)測

運城通信樞紐樓包括移動綜合樓、電信綜合樓、聯(lián)通綜合樓，它們均屬于重要建筑的范疇。震害預(yù)測方法采用重要建筑物地震易損性分析方法，與地震烈度或是峰值地面加速度(PGA)相對應(yīng)，在地震動衰減規(guī)律公式的基礎(chǔ)上建立了地震反應(yīng)譜，工程師們根據(jù)反應(yīng)譜建立了不同地區(qū)的抗震設(shè)防水準(zhǔn)。通過運用隨機理論，對結(jié)構(gòu)易損性函數(shù)作出修正，對鋼框架進(jìn)行地震易損性分析，選用譜加速度為地震動參數(shù)，層間側(cè)移為損傷指標(biāo)，以HAZUS中對應(yīng)的破壞水平為準(zhǔn)，對結(jié)構(gòu)采用PpenSees軟件進(jìn)行時程分析，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞概率評估。通信樞紐建筑物易損性分析結(jié)果如表1所示。

表1 通信系統(tǒng)樞紐建筑地震易損性分析結(jié)果

2.2 通信設(shè)備震害預(yù)測

2.2.1 通信設(shè)備概況

通信系統(tǒng)的主要設(shè)備包括移動電話設(shè)備、程控電話設(shè)備以及數(shù)據(jù)交換設(shè)備，運城通信系統(tǒng)的主要設(shè)備列表見表2。

表2 通信系統(tǒng)主要設(shè)備統(tǒng)計表

運城通信系統(tǒng)大多以機柜的形式安裝設(shè)備，機柜通過鋼架或直接與地面固定，多個機柜通過螺栓連成一排。它通常以兩種形式放置在地面上：裝飾地面或地板。對于第一種地板，地板和裝飾地板之間有間隙，一般情況下，機柜固定在型材焊接的鋼架上，鋼架用螺栓固定在地板上，各種電線穿過地板和裝飾地面之間的縫隙，線架不穿過機柜，稱為下走線。對于第二種接地方式，擴展柜直接將設(shè)備柜固定在地面上。在機柜頂部的引線框架上放置有與設(shè)備相連的各種線束。機柜立柱采用引線框架連接，固定在吊頂上，提高了集束線與機柜的連接剛度。這種固定形式稱為上走線。從固定形式看這兩個設(shè)備柜，第一種情況具有良好的通風(fēng)效果，第二種情況具有良好的固定效果。目前，運城的通信系統(tǒng)大多為下走線。圖1顯示了聯(lián)通集線器交換設(shè)備機柜、數(shù)據(jù)設(shè)備、電池、配線等的安裝情況。

2.2.2 震害預(yù)測的通信設(shè)備受損情況

通過對國內(nèi)外多臺通信設(shè)備在地震中損壞情況的分析，認(rèn)為造成損壞的主要原因是設(shè)備不固定或設(shè)備浮放，造成設(shè)備翻倒或滑倒。對于連接在機柜之間的一系列設(shè)備或頂部有桿狀支撐的設(shè)備，其支撐可能因地震而不穩(wěn)定，底部螺栓可能被拔下，設(shè)備可能發(fā)生傾覆或傾斜。因此，主要對通信設(shè)備在給定地震烈度下的抗傾覆和抗滑能力進(jìn)行了評估，并對可能發(fā)生的震害進(jìn)行了評估。

由于我國目前各大城市通信設(shè)備從設(shè)計到生產(chǎn)再到安裝都基本相同，有相關(guān)的統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，同時考慮到近年來我國很多城市(如福州、青島、泉州、廣州、濰坊等)都對通信系統(tǒng)做過震害預(yù)測，這些城市通信設(shè)備的名稱、型號、生產(chǎn)廠家、質(zhì)量、設(shè)備柜尺寸、固定方法等基本上都類似，因此，這些震害預(yù)測結(jié)果可以作為評估運城市通信設(shè)備地震易損性的參考。

通過收集以往通信設(shè)備震害預(yù)測結(jié)果和歷史震害情況，總結(jié)后發(fā)現(xiàn)：6度～8度時，通信設(shè)備具有足夠的抗震能力，基本上沒有損壞或輕微損壞；9度以上，通信設(shè)備可能會滑動和傾斜。根據(jù)《通信設(shè)備安裝抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，通信設(shè)備安裝抗震設(shè)計也在8度設(shè)防，通過經(jīng)驗統(tǒng)計和比較，我們對運城主城區(qū)通信設(shè)備在地震作用下的易損性有了一定的認(rèn)識：

6度、7度烈度下，通信設(shè)備基本完好；8度烈度下，可能有少量設(shè)備滑移，絕大部分通信設(shè)備基本完好；9度情況下，部分通信設(shè)備打滑、傾斜，影響嚴(yán)重；10度時，通信設(shè)備大多發(fā)生傾斜、移位，甚至翻覆，可能造成通信中斷，甚至引發(fā)次生災(zāi)害。

通信設(shè)備的地震易損性評估結(jié)果見表3。

表3 通信設(shè)備地震易損性分析結(jié)果

2.2.3 通信樞紐的功能失效分析

通信樞紐的功能失效首先取決于設(shè)備所在的通信樞紐建筑或基站的震害程度。如果樞紐建筑或基站受到嚴(yán)重破壞或破壞，節(jié)點的通信功能基本喪失，可視為通信功能失效。如果樞紐建筑物或基站基本完好、輕微損壞、中度損壞，綜合考慮通信設(shè)備本身的脆弱性，確定通信樞紐整體功能失效的程度。通信樞紐功能故障分類見表4。

表4 通信樞紐功能失效等級劃分

功能失效指數(shù)：

R(I)=0.55Db(I)+0.45Ds(I)×C1×C2×C3。

式中：R(I)——在輸入烈度為I時，通信樞紐的功能失效指數(shù)；

Ds(I)——在輸入烈度為I時，通信設(shè)備的震害指數(shù)，Ds(I)=[Dp]×R;

Db(I)——在輸入烈度為I時，通信樞紐建筑物的震害指數(shù);

Dp——設(shè)備的平均震害指數(shù)，見表5，R為統(tǒng)計震害矩陣;

C1——機房影響系數(shù)，自建機房取0.9，租賃機房取1.1;

C2——設(shè)防烈度影響系數(shù)，取值見表6;

C3——設(shè)備安裝錨固影響系數(shù)，加固、錨固措施完備取1.0，不完備取1.2。

通信設(shè)備的震害等級和震害指數(shù)范圍的對應(yīng)關(guān)系如表7所示。

表5 通信設(shè)備震害等級劃分

表6 設(shè)防烈度影響系數(shù)表

表7 通信設(shè)備統(tǒng)計震害矩陣

利用上述方法計算得到的通信樞紐功能失效等級見表8。

表8 通信樞紐功能失效結(jié)果表

3 結(jié)語

根據(jù)運城中心城區(qū)通信系統(tǒng)重要建筑物、主要設(shè)施、系統(tǒng)功能故障的抗震可靠性分析結(jié)果，參考?xì)v史地震期間通信系統(tǒng)的損壞情況，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，運城中心城區(qū)通信系統(tǒng)在不同地震烈度下的影響震害情況總結(jié)如下：

1)地震烈度6度和7度影響下，電信、移動和聯(lián)通建筑物、設(shè)備基本完好，通信系統(tǒng)運行正常。

2)地震烈度8度影響下，電信、移動和聯(lián)通樞紐建筑物輕微損壞，聯(lián)通公司和電信大樓的動力設(shè)備發(fā)生輕微損壞，短時間內(nèi)會影響通信系統(tǒng)功能，但維修后可恢復(fù)正常運行。

3)地震烈度9度影響下，電信、移動和聯(lián)通建筑物幾乎均為中度破壞，大部分通信設(shè)備為中度破壞，通信系統(tǒng)功能受到嚴(yán)重影響。移動通信功能嚴(yán)重故障。

4)地震烈度10度影響下，建筑物普遍中、重度受損，通信建筑物設(shè)備嚴(yán)重受損，移動通信建筑物癱瘓，通信綜合樓功能嚴(yán)重失效，其中電信大樓受損尤為嚴(yán)重。