摘　要：為了定量評估燃氣系統在地震中的脆弱性水平，基于能力——需求譜方法建立了燃氣系統地震脆弱性評估方法。評估方法從地震潛在危險性分析、結構抗震能力、需求譜與脆弱性曲線建立以及破壞狀態預測等四方面著手研究。基于上述模型與方法，研究了地震動作用下燃氣系統最大承載能力、破壞等級及概率。最后以某天然氣壓縮站主體建筑為例，建立了反映場地地震潛在危險性的地震反應譜，構建了用于確定性能點的抗震能力——需求譜，并基于FEMA 273繪制了不同破壞等級的脆弱性曲線，定量分析了該壓縮站遭受破壞等級

和概率。

關鍵詞：天然氣系統；地震；脆弱性；能力曲線；需求譜；評估方法

0 引言

燃氣系統是確保城市正常運行的生命線，在破壞性地震中不但其自身建筑、設施及管道會遭受嚴重的破壞，而且容易導致泄漏、火災、爆炸等次生災害事故，造成的損失可能要比地震造成的直接損失更加嚴重^[1]。建立燃氣系統地震脆弱性評估方法，對有效開展城市生命線工程地震風險性分析、進行有針對性的災害事件應急處置決策具有重要的參考價值。

燃氣系統可能遭受破壞的對象主要包括設備設施及管線。根據已有的研究成果^[2－3]，燃氣系統主要破壞的部位包括中壓配氣管道、管間和支管連接部件、閥門以及高壓設施。其中加氣站中高壓儲氣罐閘門和管線焊接處在地震中斷裂極易導致燃氣泄漏，地下燃氣輸送管線雖然在地震過程中發生扭曲但并不一定產生嚴重的損壞。地面的燃氣設施或管線卻由于建構筑物的局部墜落或整體倒塌而受損。目前針對燃氣系統在地震中的損壞主要通過理論分析和經驗統計方法進行研究。理論分析方法主要是通過計算管道變形值用以確定管道破壞狀態的概率^[4]。基于經驗統計方法包括建立地震烈度與管道震害率之間經驗公式^[5]。

一直以來，尤其是在國內的地震風險評估中均將地震烈度等同于地震動參數加以應用。但人們逐漸發現，地震烈度與地震動參數之間并不存在明確的對應關系，有研究表明兩者之間存在較大的離散性，因此將烈度值代替地震動參數用以地震風險評估及損失預測是不適合的^[6－7]，而以地震動參數為基礎的地震損失預測分析方法逐漸被國內外廣大研究人員所關注^[8－11]。

本文將基于靜力彈塑性分析(Pushover分析)原理建立用于燃氣系統震害脆弱性的評估方法。將從地震潛在危險性分析著手，找到確定抗震能力極限(性能點)的基本思路，最終確定衡量燃氣系統脆弱性的評估方法。

1 評估方法及模型

本文所建立的燃氣系統地震災害脆弱性評估方法是一種將脆弱性曲線與能力——需求譜相結合，用于描述承災體破壞程度概率的定量分析方法。首先基于我國《建筑抗震設計規范》中所給出的地震設計反應譜確定地震潛在危險性，將其轉換為表征場地地震強度的需求譜。參照FEMA 273中有關能力曲線的設置，建立燃氣系統主體建筑抗震能力曲線。最后，結合能力曲線與需求譜確定性能點，并將性能點對應的反應峰值作為脆弱性曲線輸入，得到燃氣系統不同破壞等級的概率。方法中涉及到的模型如下。

1.1 地震反應譜

地震危險性一般通過地震反應譜加以描述。地震反應譜代表了單自由度彈性系統在不同地震固有周期下的反應最大值(包括峰值地面加速度、峰值地面速度等)。其橫坐標對應不同地震周期，縱坐標為各結構自振周期對應體系的反應最大值。在我國《建筑抗震設計規范》中以地震影響系數作為抗震設計的依據，給出的地震設計反應譜(地震影響系數曲線)^[12](圖1)。圖1中α為地震影響系數，α=S_a/g(無量綱)；S_a為單質點體系在地震作用下的最大反應加速度(g)；g為重力加速度(m/s²)；α_max為地震影響系數最大值(無量綱)；η₁為直線下降段的斜率調整系數(無量綱)；γ為衰減指數(無量綱)；T_g為特征周期(s)；η₂為阻尼調整系數(無量綱)；T為結構自振周期(s)。

1.2 抗震能力曲線與需求譜

能力——需求譜分析方法的理論基礎為目前在抗震設計中廣泛采用的靜力彈塑性分析方法，即Push-over分析方法。建構筑物在地震中的反應由能力曲線代表，該曲線反映了結構受到地震橫向載荷與頂點位移關系曲線(能力譜)。再將地震波到達建構筑物場地的反應譜轉化為需求譜，兩曲線的交點即性能點，作為建筑物在地震作用下的峰值位移或加速度。

1.2.1 能力曲線

依據Push-over分析方法，給結構施加水平荷載進行靜力推覆，隨著水平推覆力不斷增加建筑物進入塑性形變階段，最終達到建筑物損壞。在此過程中記錄建筑物受到基底剪力與頂點位移，得到反映建筑物抗震能力的荷載——位移曲線。然后再將建筑物考慮成等效單自由度體系，轉化得到表征譜加速度與譜位移關系的能力曲線。FEMA 273報告中推薦的能力曲線形式如圖2所示^[13]，同時給出了屈服承載能力與極限承載能力的參數設置參考。

一般認為，當結構受力到達屈服點以前曲線呈線性變化特征，因此可通過屈服承載能力與極限承載能力兩個控制點確定能力曲線的形狀。已知A_y=C_sγ/α，D_y=9.8A_yT²_e，A_u=λA_y，D_u=λμD_y，式中C_s為設計強度系數(無量綱)；T_e為結構處于彈性狀態時間(s)；α為結構處于靜力彈塑性模式自重系數(無量綱)；γ為屈服承載能力相對于設計承載能力的結構強度超過系數(無量綱);λ為極限承載能力相對于屈服承載能力的結構強度超過系數(無量綱)；μ為延性系數(無量綱)。各變量取值可參考HAZUS-MH相關說明^[14]。

1.2.2 需求譜建立

在建立以周期為橫坐標的加速度反應譜的基礎上，將其轉換為加速度與位移關系的需求譜，S_a與S_d之間的轉換關系為^[14]：

1.3 脆弱性曲線

對于燃氣設施以脆弱性曲線代表其易損性。脆弱性曲線以對數正態分布函數的形式給出了一定地面震動強度或地基失效程度下承災體達到或超過特定破壞等級的累積概率分布。以峰值地面位移S_d為例，承災體達到或超過特定破壞等級的概率分布函數有如下形式^[14]：

1.4 損失狀態預測

將需求譜與能力曲線畫于同一坐標內，兩者的交點即為性能點，反映了建筑物在地震荷載的作用下所能承受極限承載能力。再將性能點對應的地震強度(譜位移S_d或譜加速度S_a)作為脆弱性曲線的輸入參數，便可得到不同破壞等級的累積概率值^[15]。

2 燃氣設施脆弱性評估步驟

本文所述燃氣系統震害脆弱性評估框架是基于FEMA 273和ATC-40中提供的基本方法，其步驟如下：

(1)將設施所在場地的S_a-T形式的地震加速度反應譜轉化成S_a-S_d形式的需求譜；

(2)將設施的水平荷載——位移曲線轉化成S_a-S_d形式的能力曲線；

(3)將折減后需求譜與能力曲線置于同一個坐標內，其交點即為設施最大承受極限值(譜加速度或位移)；

(4)在反映不同破壞等級的建構筑物或設施脆弱性曲線上，查找對應上述譜加速度(位移)的概率值，即為該燃氣系統可能遭受特定破壞等級的可能性大小。

3 應用

以8級地震所在震中區域的天然氣壓縮站為例說明脆弱性評估基本步驟。研究場地及天然氣壓縮站設置條件為：場地類別為Ⅱ類，設計地震分組第一組；天然氣壓縮站結構形式：預制混凝土框架內填混凝土剪力墻結構，層數2層。

3.1 加速度反應譜選取

根據規范要求，采用如圖1形式的設計反應譜。反應譜相關參數設置如下：水平地震影響系數最大值為0.9，特征周期值為0.4s，建筑結構的阻尼比取0.05，地震影響系數曲線的阻尼調整系數為1.0，曲線下降段自特征周期至5倍特征周期區段的衰減指數取0.9。直線下降段自5倍特征周期至6s區段下降斜率調整系數取0.02。通過計算，得到天然氣壓縮站所在場地地震設計譜如圖3所示。以該反應譜作為該天然氣壓縮站所在場地的地震潛在危險。

3.2 能力與需求譜參數設定

根據公式1可將上述反應譜轉化為以譜位移S_d為橫坐標、經加速度譜折減系數RA折減后的需求譜，如圖4所示。其中折減后的需求譜代表了該站所在場地的地震強度。得到需求譜后，下一步是確定性能點所處的位置，首先是得到反應該壓縮站建筑結構的抗震能力曲線。

為了進一步得到該站抗震能力曲線。以圖2所示能力曲線為基本形狀，并依據HAZUS-MH對相關能力曲線參數進行設置。本例中屈服承載能力與極限承載能力兩個控制點相關參數設置如下：C_s為0.05，Te為0.35，α為0.75，γ為1.5，λ為2，μ為5。將以上參數代入能力譜控制點公式，得到該天然氣壓縮站抗震能力曲線如圖5所示。

3.3 性能點及破壞概率

將天然氣壓縮站抗震能力曲線與需求譜繪制在同一坐標內，得到性能點，如圖6所示。可以看出，性能點對應的地面峰值加速度約為0.2g，地面峰值加速度約為0.07m。該性能點反映了天然氣壓縮站在本次地震中所能承受的極限值。

由于我國缺少燃氣壓縮站脆弱性曲線相關數據，這里依據HAZUS中建議采用相關參數，如表1所示，擬合出的天然氣壓縮站的脆弱性曲線，如圖7所示。

圖7所示脆弱性曲線，反映了該天然氣壓縮站四種破壞程度的概率值。由圖中任一條脆弱性曲線趨勢可以看出，隨著地震所導致的地面峰值加速度的加大，特定破壞程度的概率也在不斷的提高。并且當地面峰值加速度值相同時，壓縮站較低破壞程度的概率相對較高。最后，根據圖6中確定的性能點，可以得到當峰值地面加速度為0.2g時，對應的輕微破壞的概率約為0.65，而對應中等破壞的概率為0.2。至此，完成了在特定地震強度下該天然氣壓縮的脆弱性評估工作。

4 結論

基于能力需求譜分析方法，以燃氣設施地震脆弱性評估方法為研究主線，建立了脆弱性評估模型。通過研究，得到以下結論：

(1)由于地面烈度與反映地震強度的動參數之間存在較大的不確定性，因此選取地震動參數為基礎進行建構筑物脆弱性評估更為合理。

(2)對于同一類承災體，隨著地震動參數強度的不斷加大，該承災體遭受特定破壞等級的概率也隨之提高，脆弱性曲線呈現對數正態分布特征。

(3)對于相同強度地震動參數，破壞等級提高對應的破壞概率相對降低。算例中8級地震中燃氣系統遭受中等破壞的概率要比遭受輕微破壞的概率低約45%。

(4)將push-over方法用于確定承災體抗震能力極限，并應用于定量分析脆弱性水平，適合工程實踐要求，同時能夠滿足結構抗震性能設計基本理論。

(5)基于能力需求譜的脆弱性評估方法具有直觀、參數物理意義明確等特點，符合當代基于性能的抗震設計理念，代表了承災體脆弱性評估的發展方向，已被各國廣泛的重視。

參考文獻：

[1]葉耀先．地震災害比較學[M]．北京：中國建筑工業出版社，2008．

[2]高乃輝，趙鳴，李素貞，等．汶川8.0級地震都江堰市天然氣系統震害分析及救災過程[J]．災害學，2010，25(3)：71－76．

[3]周成．化工儲罐區事故多米諾效應概率分析[J]．石油化工設備，2010，39(3)：31－34．

[4]金康錫，任愛珠．煤氣管道的震害率分析[J]．自然災害學報，2007，16(3)：148－153．

[5]李杰．生命線工程抗震——基礎理論與應用[M]．北京：科學出版社，2005．

[6]胡聿賢．地震工程學(第二版)[M]．北京：地震出版社，2006．

[7]呂紅山．基于地震動參數的災害風險分析[D]．北京：中國地震局地球物理研究所，2005．

[8]溫增平．建筑物地震易損性分析研究[D]．北京：中國地震局地球物理研究所，2009．

[9]Federal Emergency Management Agency．Multi-hazard loss estimation methodology earthquake model HAZUS-MH MR3 technical manual[R]．Washington，D．C：FEMA，2003．

[10]楊杰，劉茂，徐寧．基于能力譜的建筑物震害評估及城市抗震規劃[J]．中國安全科學學報，2010，20(11)：18－24．

[11]陳長坤，李建，孫云鳳，等．基于粗糙集的城市燃氣管道破壞災害演化誘發機制分析[J]．災害學，2011，26(3)：92－96．

[12]中華人民共和國國家標準．GB50011－2010建筑抗震設計規范[S]．北京：中國標準出版社，2010．

[13]Federal Emergency Management Agency (FEMA)．NEHRP Guidelines for the seismic rehabilitation of buildings[R]．FEMA 273. Washington，D.C.，1996．

[14]Federal Emergency Management Agency．Multi－hazard loss estimation methodology earthquake model HAZUS-MH MR3 technical manual[R]．Washington，D.C.，2003．

[15]N M Newmark，W J Hall．Earthquake spectra and design[M]．Earthquake Engineering Research Institute Monograph，1982．

(本文作者：顏峻 中國勞動關系學院 安全工程系，北京 100048)