泸定6.8级地震工业厂房典型震害及其启示

潘 毅,任 宇,郭 瑞,林旭川,刘 智

(1. 西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031; 2. 西南交通大学 抗震工程技术四川省重点实验室,四川 成都 610031;3. 中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080; 4. 地震灾害防治应急管理部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080; 5. 深圳防灾减灾技术研究院,广东 深圳 518003)

0 引言

工业厂房一般是指直接用于工业生产或为生产配套的各种房屋,包括主要车间、辅助用房及附属设施用房,是各项生产经营活动的载体。区别于一般民用建筑,工业厂房需要满足工业设备运行、防护和操作的要求。工业厂房在地震中的损毁不仅影响正常生产活动的开展,导致产业链中断和能源、给水等生命线系统功能失常,造成严重的直接和间接经济损失,还可能进一步引发各种次生灾害(如危化品事故、环境污染、火灾蔓延等),不仅影响区域与城市的安全与可持续发展,而且可能给抗震救灾工作造成一定困难,对灾后恢复重建造成不利的影响[1-4]。

工业厂房和生产设备在大地震中的破坏不断引起国内外学者的关注。1906年洛杉矶7.8级地震发生后,SIODLA[5]研究了受地震影响而搬迁的工业厂房的空间分布情况,发现工业厂房在地震过后仍然按照震前的聚集模式进行了恢复。1976年唐山7.8级地震发生后,尹之潜等[6]调查了单层厂房的主要震害现象,采用直接积分法计算了厂房的弹塑性地震反应,指出了屋面系统的抗震设计问题。1995年神户7.2级地震发生后,IWATSUBO[7]调查了工业设备的损坏情况,对设备的安装、抗震设计和震害诊断提出建议。1999年土耳其7.4级地震发生后,CRUZ等[8]对地震中受损的工业设施进行了调查,发现存在危化品泄露的情况,震后企业也提高了对危化品泄露的关注程度。2008年汶川8.0级地震发生后,国内学者[9-10]对灾区的工业厂房进行了震害调查与分析,提出厂房的抗震设计建议。2011年日本东海岸9.1级地震发生后,YU等[11]对工业设施设备受损情况和震后采取的防灾措施进行了调查与分析,并对防灾措施提出建议。2013年芦山7.0级地震发生后,金波等[12]介绍了单层砖柱工业厂房的分类和震害情况,并对典型案例进行了具体分析,给出了震害现象、机理和影响因素;刘如山等[13]介绍了电力设施的破坏情况,建议提高电力设施抗震能力和减少地震灾害对设施的破坏。工业厂房及其生产设施与产业结构、经济发展情况紧密相关,不同地域、各个时期的工业厂房与生产设备各具特点,具有高度的多样性、复杂性和特殊性,既有震害研究仍然非常有限,因此,有必要进一步加强对破坏性地震下的工业厂房震害情况的调查与分析。

2022年9月5日,四川甘孜州泸定县发生6.8级地震,课题组在震后第一时间前往灾区,前后历时半个多月,对多个乡镇的工业厂房震害进行了现场调查与随机抽查,获得了较为详实的宝贵震害资料,整理分析了位于不同区域的13个工厂、20栋建筑震害情况。一方面,与唐山大地震、汶川大地震等地震中的工业厂房震害相比,此次地震具有自身鲜明的特征,其影响区域主要集中于四川地形起伏较大的群山之间,工业设施分布于各处有限的狭长平坦区域,在厂房的建造、维护与修复上难度较大,且此次地震引发了大量的地质次生灾害,工业厂房及生产设备同时遭受地震直接灾害与次生灾害作用,为调查、救援与恢复带来挑战;另一方面,类似2013年芦山地震等以往震害,工业厂房建筑出现了一系列典型的结构构件、非结构构件破坏,尚需对这类震害进行进一步关注与重视。因此,文中从抗震韧性的视角,按照地震直接灾害和次生灾害2个方面,对工业厂房的震害特征和破坏原因进行整理与分析,并对2个典型震害案例进行详细说明,为工业厂房抗震防灾提供参考。

1 震害调查概述

本次地震震源深度16 km,最高烈度为Ⅸ度,造成严重的人员伤亡和经济损失,部分工业厂房和基础设施严重受损,道路、通信、供水供电等生命线多处中断,诱发大量严重的次生地质灾害[14]。

课题组对泸定县、石棉县、道孚县区域内位于不同评估烈度的多种结构类型的工业厂房进行了调查,共涉及13个工厂中的20栋建筑,包括位于IX度的2栋,VIII度的5栋,VII度的9栋,VI度的4栋。工业厂房的结构类型包括框架结构、轻钢结构、砌体结构和排架结构,建筑建成时间跨度为1987—2015年,如图1和表1所示。表1中给出的遭遇烈度是指本次地震建筑所在区域对应的评估烈度值,用罗马数字表示。

表1 工业厂房调查清单Table 1 List of investigated plants

续表

图1 调查对象Fig. 1 Investigated objects

2 典型震害分析

2.1 直接灾害

工业厂房一般由建筑主体结构(即结构构件)、建筑非结构构件、地基、附属结构与生产设备等组成。在此次地震直接灾害中,结构构件的破坏较轻,存在纵墙开裂的情况;非结构构件的破坏相对严重,主要表现为多种围护结构的破坏和吊顶的脱落;地基的震害主要表现为在高烈度区发生了不均匀沉降;附属结构的震害主要表现为围墙和构筑物破坏;生产设备的震害主要表现为设备倾倒和故障。

2.1.1 建筑主体结构

工业厂房经过一定抗震设计,且部分生命线工程的工业厂房的抗震设防分类属于重点设防类,抗震设防标准较高,所以工业厂房主体结构部分遭受的直接震害较轻。例如,石棉县美罗乡某变电站砌体结构主控楼纵墙的窗洞角处出现了轻微裂缝,如图2所示;而石棉县回隆乡某化工厂房轻钢主体结构基本未受损伤,且生产功能未发生中断,如图3所示。需要指出的是,主体结构具备良好的抗震能力是工业厂房维持其生产功能的必要条件,但不是充分条件。

图2 主控楼纵墙窗洞角轻微裂缝(石棉县美罗乡,Ⅶ度) 图3 主体结构基本完好(石棉县回隆乡,Ⅵ度)

2.1.2 建筑非结构构件

工业厂房的非结构构件主要包括厂房的砌体围护结构、压型钢板围护结构等,以及工业配套建筑(办公楼、宿舍、食堂等)的门窗、吊顶和墙体等,这类部件的具体震害情况如下:

1)围护结构破坏

工业厂房的围护结构一般为自承重结构,缺乏足够的抗震措施[15],在此次泸定地震中破坏较为严重。例如,石棉县草科乡某水电站RC排架结构厂房的围护结构在地震作用下出现裂缝,如图4(a)所示。横墙上部水平裂缝的主要原因是横墙与柱和屋架之间缺少可靠的拉结,且门、窗洞以上墙体的高宽比较小。同时,由于门窗洞角处存在应力集中,洞角处沿着45°发展出较宽的斜裂缝。泸定县冷碛镇某水泥厂石砌体结构围护结构表面抹灰层剥落,如图4(b)所示。该厂房于1987年修建,距今已有30多年,其抹灰层底部长期在雨水侵蚀等外界环境作用下与基层墙体之间的黏结变弱,在地震作用下抹灰面层大片剥落。泸定县冷碛镇某轻钢结构水泥厂的压型钢板围护结构在地震作用下发生破坏,如图4(c)所示。轻钢结构厂房在泸定地区较为常见,结构支撑构件较少发生破坏,但存在压型钢板在地震作用下发生屈曲变形。石棉县草科乡某变电站涵洞的入口处发生了瓷砖的掉落,如图4(d)所示,由于瓷砖与建筑主体之间黏结力有限,地震作用下瓷砖与建筑主体之间产生的分离或错动作用超过其黏结强度而发生脱落。

图4 围护结构破坏Fig. 4 Damage of envelop structure

泸定地震中围护结构的破坏较为常见,虽对主体结构影响不大,但存在较大的安全隐患。此外,相较于砌体围护结构,压型钢板围护结构的经济适用性较高,震后的维修与加固更为便捷。因此,在满足生产功能需求的前提下,可优先选用压型钢板围护结构。

2)吊顶脱落

此次地震中,部分建筑的吊顶发生了脱落,例如泸定县冷碛镇某酒厂仓库和石棉县美罗乡某变电站主控楼均出现了吊顶脱落的现象,如图5所示。吊顶的脱落机理较为复杂,在历次地震中均发现吊顶脱落的震害,本次地震中吊顶脱落主要表现为在地震作用下墙体和吊顶运动不一致,导致两者发生挤压碰撞,紧挨墙体的龙骨架发生屈曲或断开,造成离墙体较近的吊顶从骨架中脱落。

图5 吊顶脱落(泸定县冷碛镇,Ⅶ度)Fig. 5 Dropped ceiling (Lengqi Township, Luding County, Intensity seven)

2.1.3 地基

地基抗震能力对工业厂房的地震安全至关重要。地基的破坏,不仅会对工业厂房结构安全造成影响,还会影响上部生产设备的正常运行。此次地震中,地基震害主要表现为不均匀沉降引起地面开裂。泸定县某污水处理厂地基发生不均匀沉降,造成生产区与非生产区之间产生裂缝,如图6(a)所示。厂区位于泸定县磨西镇,遭遇烈度为Ⅸ度,遭遇烈度过大,地基产生不均匀沉降;生产区与非生产区存在刚度差,2个区域在地震作用下的加速度和位移反应不一致,导致裂缝产生。污水处理厂厂区内的一处井盖四周均发生了裂缝的开展,如图6(b)所示,该现象主要是由地基不均匀沉降和洞口应力集中造成。

图6 地基沉降引起地面开裂(泸定县磨西镇,Ⅸ度)Fig. 6 Cracking of the ground due to uneven settlement of foundation (Moxi Township, Luding County, Intensity nine)

2.1.4 附属结构

工业厂房出于对生产设备、生产环境的保护和方便管理的需要,一般都设有围墙、垃圾房等附属结构。对于不同生产需求的工业厂房,还建造有特定的配套构筑物,如氧化池、水塔和烟囱等。在此次泸定地震中,出现了围墙整体倒塌、氧化池泄露的情况。例如,泸定县某污水处理厂外围砖墙发生整体倒塌,如图7所示。砖砌围墙在地震作用下容易发生面外倒塌,威胁人员与财产安全。泸定县某污水处理厂的氧化池池壁开裂,发生了渗漏,如图8所示,这主要是由于地震导致地基发生不均匀沉降,进而造成池壁开裂。化学品的泄漏不仅造成严重的经济损失,同时可能污染周边环境或引发次生火灾。

图7 围墙整体倒塌(泸定县磨西镇,Ⅸ度) 图8 氧化池渗漏(泸定县磨西镇,Ⅸ度)

2.1.5 生产设备

在地震中生产设备的损坏,不仅会导致巨大的经济损失,还会影响震后生产功能的恢复。在此次泸定地震中,生产设备的震害主要有水质检测仪设备倾倒、污泥压缩设备故障等。例如,泸定县某污水处理厂的水质检测仪发生倾倒,如图9所示。这是由于检测仪与周围构件缺乏可靠的连接措施,且自身强度不足,在地震作用下容易发生滑移、倾倒。泸定县某污水处理厂的污泥压缩无明显外观损坏,但无法正常运行,如图10所示。其主要原因为地震造成设备剧烈振动,导致设备内部受损,发生故障。

图9 水质检测仪设备倾倒(泸定县磨西镇,Ⅸ度) 图10 污泥压缩设备故障(泸定县磨西镇,Ⅸ度)

2.2 次生灾害

自2008年汶川8.0级地震以来,泸定地区经受多次周边地震活动的影响[16-17],山体本趋破碎,加之此次泸定地震的震级较高,引发了多处山体崩塌和岩体碎裂,形成落石、滑坡等次生灾害,造成了工业厂房的主体结构钢支柱的弯曲变形、倒塌等破坏,围护结构撞穿、屈曲等破坏,并导致生产设备完全毁坏和围墙局部破坏等震害。

2.2.1 建筑主体结构

此次地震造成原本松动的山体岩石进一步松动并脱离岩体,大量岩石在重力作用下从陡崖跌落或沿着斜坡滚落至低洼处,冲击低处临山工业厂房。落石若对结构构件造成破坏,其后果一般较为严重,不仅会造成钢支柱的弯曲、倒塌,质量较大的巨石还可能造成建筑整体的倾倒。例如,泸定县得妥镇的某钢结构厂房的钢支柱被落石撞击,发生屈曲变形,如图11(a)所示。泸定县得妥镇某钢结构厂房落石击中,钢支柱倒塌,厂房一角基本毁坏,如图11(b)所示。泸定县得妥镇某钢结构厂房外的砌体结构休息室被巨石撞击,其一侧墙体完全倒塌,如图11(c)所示。

历经多次地震,泸定地区地表的变形和裂缝有所增加,形成了一些具有大量松散土层、碎石土的斜坡,其抗剪强度较低,在地震作用下斜坡土体内部所承受的剪应力超过其抗剪强度,土体发生变形,诱发山体滑坡[18],对坡底建筑造成威胁。石棉县王岗坪乡电站房背后山体发生大面积滑坡,导致电站房主体结构被部分掩埋,如图11(d)所示。

图11 主体结构破坏Fig. 1 Damage of main structure

2.2.2 建筑非结构构件

在此次泸定地震中,次生灾害对非结构构件的破坏主要表现在围护结构遭受落石撞击。例如,石棉县草科乡某水电站RC排架结构厂房被巨石冲击,其窗洞附近砌体结构围护墙体被撞穿,如图12所示。泸定县得妥镇某钢结构厂房压型钢板围护结构被落石击中,其压型钢板变形、脱落,如图13所示。

图12 砌体结构围护墙体撞穿(石棉县草科乡,Ⅷ度) 图13 压型钢板围护结构破坏(石棉县草科乡,Ⅷ度)

2.2.3 附属结构

此次地震中次生灾害对附属结构的破坏主要表现为围墙遭受落石撞击。围墙可保护厂区免受较小落石的侵袭,保护厂区安全,但无法应对巨石的撞击,容易出现局部破坏。例如,石棉县草科乡某水电站的围墙被从一侧山体上滚落的巨石撞击,造成砖围墙在撞击部位发生局部破坏,如图14所示。

图14 围墙局部破坏 图15 电力设备毁坏 图16 管道设备破坏

次生灾害对道路、通信、能源等设施设备的破坏会进一步加重灾情,增大救援难度。因此,对于厂址的选择应尽量避开地质灾害点,并对重要生产设备应采取一定的抗震防灾措施。

2.2.4 生产设备

此次地震中次生灾害对生产设备的破坏主要表现为落石造成厂区内的生产设备的毁坏,以及滑坡造成沿路管道设备的破坏。例如,石棉县丰乐乡某电站站房内部的电力设备被落石砸中,设备完全毁坏,如图15所示。石棉县丰乐乡太平电站管道前方发生了大面积的滑坡,沿路的管道设备被挤压变形,如图16所示。地震作用下山区的地质灾害频发,而电力设备及给排水管道的铺设难以避开地质灾害点。因此,在考虑经济性的前提下,需要对重要的生命线工程设备采取一些防灾措施,例如,升高厂区内设备的安放位置、设立简易支挡结构等。

3 典型震害案例

3.1 石棉500 kV变电站

在此次地震中,石棉县美罗乡的石棉500 kV变电站的遭遇烈度为Ⅶ度,遭遇烈度并不高,但生产设备震害较为严重,产生的影响较大。地震作用下变电站内设备剧烈摇晃,位于35 kV场地中的3#主变场地的A相、B相和C相的3个主变压器主体结构全部遭到损坏,如图17所示。石棉500 kV变电站承担将石棉地区的水电外送至成都平原的重任,若不能及时恢复运行,不仅会造成一定的经济损失,还会对社会用电需求上产生巨大影响。然而,主变压器的维修工作复杂,单台主变压器从其他地区运输设备到整体维修完成投入使用以往需要约20 d。此次地震后,经多个单位通力合作,于9月20日完成第1台主变压器的维修,历时14 d。3台变压器于9月29日全部恢复运行,前后历时共计23 d。

图17 变电站平面布局(石棉县美罗乡,Ⅶ度)Fig. 17 Plan layout of transformer stations (Meiluo Town, Shimian County, Intensity seven)

为方便输送电力,变电站通常位于视野宽阔的山顶,造成结构、设备的地震效应被放大。变电站主变压器的上部套管结构在地震作用下受损,套管的法兰盘连接处产生了不同程度的裂痕,引起主变压器内部绝缘油发生渗漏,造成变压器内部的绝缘程度降低,高压条件下可能产生火花,严重时还会引起爆燃,存在巨大安全隐患,如图18所示。

图18 套管连接处损坏(石棉县美罗乡,Ⅶ度)Fig. 18 Damaged casing connection(Meiluo Town, Shimian County, Intensity seven)

变电站的部分砌体结构建筑也出现了一些震害。例如,变电站主控楼中主控室和资料室的吊顶发生了脱落,如图19所示。

图19 主控楼吊顶脱落(石棉县美罗乡,Ⅶ度)Fig. 19 Suspended ceiling of the main control building falls off (Meiluo Town, Shimian County, Intensity seven)

从石棉县500 kV变电站的震害特征和震后修复过程可知,尽管有关单位在震后第一时间做出了应急反应,但对于大型生产设备的维修,通常存在3个方面的限制:1)设备大多无法本地生产,需要从外地运输;2)次生灾害对于道路的破坏会阻碍维修的进程;3)大型设备的维修通常需要花费大量时间。因此,针对重要、大型和生命线工程的生产设备,有必要采取抗震、减震和隔震措施,增强生产设备抗震性能,减少生产设备的震害,以降低经济损失和社会影响,提升变电站的抗震韧性。

3.2 泸定县磊鑫混凝土厂

在此次地震中,泸定县得妥镇磊鑫混凝土厂的多个生产设备发生损坏,经济损失严重。磊鑫混凝土厂为单层轻钢结构厂房,内部设有多条混凝土生产线。生产设备布局紧凑,设备之间空间较小,储料筒等设备的结构细长,重心高悬,如图20所示。

图20 厂房内部生产设备(泸定县得妥镇,IX度)Fig. 20 Production equipment inside the plant (Detuo Town, Luding County, Intensity nine)

磊鑫混凝土有限公司厂房内部设置4个储料筒。储料筒采用3根钢支柱作为主要的竖向支撑构件,承托上部大型储料筒体。整体结构细长,且中上部结构质量占比大,重心较高,虽在钢支柱之间布置了斜向支撑,增加了其整体刚度,但结构整体较柔,地震中容易产生较大侧移与二阶效应,4个储料桶中的2个还是在地震作用下完全倒塌,如图21(a)所示。其余2个未倒塌的储料桶的钢立柱发生了轻微的弯曲,厂商在震后采用拉索拉结对钢立柱的侧向稳定性进行加强,如图21(b)所示。储料桶部分斜撑构件发生了局部屈曲,如图21(c)所示。由于设备之间间距较小,倒塌的储料筒致使筒体下方的2号生产线运料通道被完全挤压变形,如图21(d)所示。

图21 生产设备破坏(泸定县得妥镇,IX度)Fig. 21 Destruction of production equipments (Detuo Township, Luding County, Intensity nine)

根据商品混凝土站的震害特征可知,工业厂房内部布局紧凑,各个生产设备之间间距较小,设备之间容易发生连带破坏;重心高悬的生产设备对于抗震是不利的,而工业设备的斜向支撑多是出于对设备运行时的振动控制考虑,较少考虑其增强设备的抗震性能。此外,此次地震中虽然未发生危化品事故,但仍应警醒设备破坏可能造成可燃物、危化品的泄露,产生化工次生灾害。因此,建议基于性能和后果的设计方法对设备进行设计,对于价格较低或后果影响不严重的设备可不加强设计,而对于价格昂贵或破坏后后果严重的设备可采用减隔震手段进行设计,必要时可采取悬挂设计。同时,还应加强对震后生产设备的隐患排查,避免次生灾害的发生。

4 结论与建议

主要结论与建议如下:

1)关于老旧工业厂房的主体结构震害。此次地震对部分建造年代久远的工业厂房造成了较重的破坏。建议在政策的引导和帮扶下,对震区重要老旧工业厂房进行抗震鉴定。对于不满足抗震要求的重要建筑,应进行抗震加固,或采用减震、隔震的加固措施,以提升其抵御未来破坏性地震的能力。

2)关于工业厂房的非结构构件震害。此次地震中非结构构件震害主要有围护结构破坏和吊顶脱落等,非结构构件震害比结构构件严重很多。非结构构件的破坏虽然对建筑主体结构安全影响较小,但会对人员、财产安全造成威胁,对工作人员心理上造成恐慌,并可阻碍正常生产任务的进行。由于目前尚缺乏工业建筑非结构构件的抗震设计标准,建议加强工业厂房非结构构件的抗震设计研究,并注重施工的规范,有效地减少地震财产损失与人员伤亡。

3)关于生产设备的震害。此次地震造成部分生产设备的损坏,导致生产中断和能源、给水等生命线系统功能失常,增加了危化品次生灾害的风险。建议对地震破坏后影响严重的工业厂房,从区域与产业链安全与可持续发展角度,建立工业厂房的重要生产设备基于性能、后果的设计方法,抗震设计中可采取合理布置支撑构件、阻尼器和橡胶隔震支座等措施,以减轻生产设备的震害,提高城乡抗震韧性水平。

4)关于山区厂房地震次生灾害。此次地震引发了落石、滑坡等多种次生灾害,不仅对工业厂房、附属结构、生产设备造成了严重破坏,还阻断道路,对工业震后的恢复生产造成影响。因此,针对地震危险性较高的多山区域,建议加强灾害风险调查和重点隐患排查,合理规划交通,加强山地次生灾害的监测和预防。新建工业厂房的选址应充分考虑复杂场地的影响,尽量避免地震地质次生灾害。既有工业厂房可采取增设格构梁、防护网等边坡防治措施,降低震后次生灾害的影响。

致谢：感谢中国应急管理部、四川省住房和城乡建设厅、四川省应急厅、四川省减灾委专家委员会、四川省地震局、甘孜州应急管理局、泸定县住建局、泸定县应急管理局、石棉县住建局、石棉县应急管理局等单位和同志提供的帮助和部分资料,感谢在本次震害调查过程中给予支持的各个工厂。