Applicability of VS30 Estimation Models for the Beijing Plain Area
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摘要: 本文使用基于钻孔测井数据的3类模型，即常速度外推模型、速度梯度模型、双深度参数外推模型，通过对北京地区460个深度超过30m的钻孔剪切波速资料进行分析，详细探究了VS30估算模型在本研究区的适用性。研究结果表明双深度参数外推模型在估算VS30上准确度很高，其不需要大量的数据进行回归分析，且不具有区域独立性，可以为全球包括北京地区场地类别划分提供依据，进而在震害快速评估中用于确定场地影响，是一种值得推广的估算模型。Abstract: Using three models i.e. bottom-layer constant velocity model, velocity gradient model and the extrapolation model with the travel-time averaged shear-wave velocities at two different depths, we investigated the data from 460 boreholes in Beijing plain area in which the shear-wave velocity profile reaches over 30m. Through the detailed research, we found that the last method can estimate VS30 with high accuracy, which does not need any regression analysis to derive empirical relations from a large number of data. Meanwhile, this method is not regionally dependent, and has a remarkable improvement in the accuracy. Therefore, it is potentially useful for many parts of the world including Beijing. It provides a basis for site classification, and then can extend the application to evaluation of site effect in a rapid assessment of earthquake damage, thus being worth to be extensively applied.
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引言
2019年6月17日22时55分四川省宜宾市长宁县发生6.0级地震，震中地理坐标为北纬28.34°，东经104.9°，震源深度16km，四川、重庆、云南、贵州多地均有震感。截至2019年6月21日，本次地震共造成13人死亡，226人受伤，房屋倒塌3198间，严重损坏47466间。本次地震震级虽不高，但造成较严重的人员伤亡和财产损失，这表明当前我国面临的防震减灾形势不容乐观，特别是城乡建筑抗震能力依旧薄弱。作者在震后第一时间前往地震现场，获得大量震害资料，运用“散、脆、偏、单”评估法（郭迅等，2019）对结构震害特点进行深入剖析，回答“结构为什么坏？”及“如何不坏？”的问题。该方法基于汶川地震、玉树地震、芦山地震和鲁甸地震震害经验（李宏男等，2008；郭迅，2009；徐有邻，2009；黄思凝等，2011；闫培雷等，2014），结合试验研究和理论分析凝炼而成。“散、脆、偏、单”各对应建筑抗震的一类缺陷，是对我国建筑地震破坏和倒塌机理的高度概括。
1. 地震概况
长宁6.0级地震序列发生在青藏高原东缘稳定的华南地块内部现今构造活动相对较弱的四川盆地南缘盆山结合地带，区内地震活动主要受褶皱及其伴生断层控制，以逆冲和逆冲兼走滑型为主（易桂喜等，2019；万永革等，2019）。本次地震震中位于长宁县双河镇，该地区历史破坏性地震强度低，复发周期长，抗震设防烈度为6度（0.05g）。地震发生后，四川省地震局对宜宾市10个区县共71个乡镇122个调查点展开实地调查，并参考震区构造背景、余震分布、震源机制等科技支撑成果，结合强震动观测记录，确定此次地震烈度分布，如图 1所示。此次地震最高烈度为8度，6度区及以上总面积为3058km2，等震线长轴呈北西走向，长轴72km，短轴54km，主要涉及宜宾市长宁县、高县、珙县、兴文县、江安县、翠屏区。其中，8度区面积84km2，主要涉及长宁县双河镇、富兴乡及兴文县周家镇。
图 1 长宁6.0级地震烈度图（四川省地震局）Figure 1. Intensity map of Changning Earthquake (Sichuan Earthquake Administration)本次地震获得了较详尽的强震记录，图 2所示为距震中22km的珙县台强震仪拾取的加速度信号，该图显示东西向峰值加速度为529gal，卓越周期0.10s；南北向峰值加速度为636gal，卓越周期0.20s；竖向峰值加速度为764gal，卓越周期0.35s。由图 2（b）可知，珙县所遭遇的地震作用远超当地设计基本地震加速度值（0.05g），甚至高于罕遇地震对应的加速度设计反应谱值，这是造成建筑物震害程度较大的主要原因之一。
2. 典型震害分析
房屋破坏是造成人员伤亡和财产损失的关键因素，因此开展细致的震害调查，深入剖析震害特点，总结建筑物成灾机理，对指导当地抗震设防设计、提升城乡韧性水平具有重大意义（张敏政，2015）。通过建筑物震害调查分析，认为建筑物自身在抗震方面存在缺陷，概括起来主要包括4方面，即“散、脆、偏、单”，这是造成震害的根本原因。
2.1 因连接薄弱导致“散”
“散”主要体现为建筑物整体性差，构件之间连接薄弱，未设置完善的圈梁、构造柱，在地震作用下结构易出现墙体开裂、脱落，甚至发生倒塌，这是造成中震作用下人员伤亡的最直接原因之一。院落围墙过长，且中间无构造柱，在地震作用下发生外闪（图 3）；图 4所示为未设置圈梁的房屋在地震中楼板塌落。此外，房屋纵、横墙交接处无构造柱，连接薄弱，地震时墙体易发生外闪（图 5）。目前，由于当地经济水平有限，民众抗震意识薄弱，部分无抗震设计的民居在地震中发生倒塌，损失惨重（图 6）。
图 3 无构造柱的长围墙倒塌Figure 3. The collapse of long wall without constructional columns collapsed我国建筑抗震设计规范指出构造柱的设置部位为外墙四角、横墙与外纵墙交接处、较大洞口两侧、大房间内外墙交接处等。此外，房屋层数和地震烈度不同，构造柱的设置要求也不同。构造柱最小截面尺寸为240mm×180mm，竖向设置4根直径12mm的钢筋（一级钢），箍筋间距不大于250mm。另外，随着烈度和层数的增加，建筑四角构造柱可适当加大截面和钢筋等级，避免地震作用下发生严重破坏（聂洪达等，2007）。图 7所示为某临街商铺楼房因构造措施不完善而发生墙体开裂；当窗间墙未设置构造柱时，会出现图 8所示X形裂缝；图 9所示为典型未经抗震设计的民居，横墙构造柱缺失，形成严重的剪切裂缝；窗洞两侧无构造柱，地震作用下墙体裂缝沿四角呈放射状展开。即便是经正规抗震设计（有完善的设计、施工、审查流程记录）的双河中学教学楼，墙体仍有多处构造柱缺失，门窗洞口处破坏尤为严重（图 10）。
图 11所示为珙县法院填充墙因与主体构件无可靠连接，最终外闪坠落。街角处房屋大多设置圆弧形填充墙，这种构造是结构抗震不利因素之一，墙体易在地震作用下外闪坠落（图 12）。
地震中还有部分古建筑发生破坏，图 13所示为楼阁飞檐连接不牢，在地震作用下折断坠落，易砸伤行人。另外，建筑物部分墙体施工质量存在问题，砌筑质量差，砂浆强度不足，造成房屋整体性差，易形成抗震薄弱环节（图 14）。连接不牢的玻璃、吊灯和吊顶也是“散”的表现形式之一，如图 15、16所示，易在地震时脱离主体结构而坠落，造成人员伤亡。
图 13 古建筑飞檐折断坠落Figure 13. The break and fall of eaves of ancient buildings broke and fell down2.2 因材质不良或构造不当导致“脆”
“脆”主要体现为建筑材料延性不足；开设门洞、窗洞使墙体局部易形成“短柱”，地震时发生剪切破坏。一般地，无筋砌体墙界限剪跨比为0.5—1.2，当墙段剪跨比低于界限时，易发生脆性破坏（张文芳等，2012）。因采光需要，部分建筑物墙体会设置成对“高窗”，导致窗洞之间形成剪跨比较小的墙段，在地震作用下发生类似“短柱”破坏，呈现X形裂缝，如图 17所示。常见的门窗开洞形式也会在墙体中间形成“短柱”，地震时该墙段发生剪切破坏（图 18）。
震区民居多采用当地生产的灰砂砖作为砌筑材料，且部分泥结粘连（郭迅等，2019），强度低，延性差，在地震作用下易产生裂缝（图 19）。另一方面，现行规范指出，在进行结构设计时，要实现“强节点，弱构件”和“强剪弱弯”。然而，因个别节点浇筑不密实，地震时出现严重破坏，如图 20所示；部分构件呈现“弱剪强弯”，在梁端发生剪切破坏，如图 21所示。填充墙抹灰层虽设置了钢筋，但间距过大，延性差，地震作用下易开裂破坏，如图 22所示。
图 21 构件呈现“弱剪强弯”Figure 21. Weak shear capacity and strong bending capacity of components2.3 因纵向墙体设置不当导致“偏”
“偏”主要体现为结构底层各道纵墙刚度差异大，易“凝震聚力，个个击破”（郭迅，2018）。图 23所示为底商房屋底层典型破坏，因建筑使用功能需要，房屋前脸一般不设置墙体，内纵墙开设小门洞，横墙不开洞。当地震来临时，由于横墙刚度大，约束变形能力强，结构仅沿纵向发生平动。此时，地震作用按抗侧刚度在构件上分配，开设小门洞的墙体抗侧刚度大，分配到的地震剪力多，易率先发生破坏。
图 24所示为震中双河中学教学楼，显然，由于“偏”的缘故，地震作用在开门洞墙体上，地震剪切力作用分配较多，震害最重；背侧墙体抗侧刚度较弱，承受的地震作用小，震害较轻；而走廊柱一侧刚度最小，无表观震害。
图 24 双河中学教学楼震害严重Figure 24. Serious earthquake damage of the teaching building of Shuanghe middle school图 25所示为珙县珙泉镇荷花池长廊因“偏”产生的震害，长廊两侧柱虽均受到约束，但靠近池塘一侧柱自由高度大，靠近道路一侧柱起于高台路面，自由高度小。地震作用下，长廊顶板侧向位移相同，此时短柱分配的地震作用多，发生剪切破坏，而临湖侧长柱保存完好。
2.4 因缺少冗余构件导致“单”
“单”指结构抗侧防线单一，缺少冗余备份。临街商铺街角柱两侧纵横向均为大洞口，无填充墙作为抗侧备份构件，如图 26所示。地震来临时，街角柱率先破坏，引发楼板坍塌，造成人员伤亡。
3. 其他震害
除以上因“散、脆、偏、单”造成的建筑物震害外，地震现场还存在其他抗震不利因素引发的结构破坏。
我国建筑抗震设计规范指出，选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质有关资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价。对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效措施。本次地震震中位于山区，滑坡、崩塌落石的情况时有发生，图 27所示为地震发生时滚石对建筑物造成的破坏。
另外，震区部分房屋墙体因砂土液化及地基不均匀沉降而开裂，如图 28、29所示。高层建筑在此次地震中未见严重破坏，主体结构依然安全，但填充墙开裂严重，多出现在各层开洞处及填充墙与主体构件连接处（图 30），虽不影响结构安全，但给正常居住带来不便，且维修费用较高。
图 30 高层建筑填充墙受损严重Figure 30. Serious damage of the infilled walls of high-rise buildings4. 整治措施
实际震害显示，房屋结构真实地震表现差强人意，尤其是因“散”和“脆”引起墙体开裂外闪，房屋倒塌现象比比皆是，是造成本次地震人员伤亡的最直接原因。因此，须强化当地民众的抗震设防意识，加强农村建筑工匠房屋建筑培训，提高房屋结构整体性，设置完善的圈梁和构造柱等抗震构造措施（图 31）；严格把控建筑材料质量，避免地震作用下构件延性不足而发生脆性破坏。对新建房屋进行技术指导的同时，注意检查和维护老旧房屋，及时对存在问题的构件进行维修加固，以保证房屋建筑质量和抗震性能（王波等，2016）。
另一方面，除城乡未经抗震设计的民居震害较严重外，即便是经正规抗震设计的学校、医院、高层住宅也出现不同程度的结构损伤。经地震袭扰后，虽然主体结构仍能继续使用，但因填充墙等非结构构件的损坏，无法保证正常使用，修复成本较高。因此，须精准发力，避免底商建筑和学校建筑因“偏”而产生震害，具体措施为优化结构平面布置方案，防止因填充墙布置不合理出现“凝震聚力，个个击破”。图 32所示为珙县中学荷花校区外廊式框架结构教学楼，填充墙震害较严重，墙体破坏情况同双河中学教学楼（图 24）。而同校区内走廊框架结构教学楼填充墙沿纵向对称布置，避免了地震作用在构件上分配不均，震害轻微（图 33）。特别地，距珙县中学荷花校区300m的校本部教学楼也是外廊式框架结构（图 34），但地震造成的损伤较小。这是因为该教学楼走廊柱一侧设置了多道落地剪力墙，平衡了纵向各轴线墙体的抗侧刚度，达到了“化偏为匀”的效果。对于多层框架结构和高层建筑，地震未造成主体构件破坏，但填充墙开裂严重。因此，要重视填充墙的延性需求，改良现有墙体制作工艺，实现材料强度与延性的统一。
图 32 外走廊式框架结构教学楼填充墙震害较重Figure 32. Serious damage of the infilled walls of the teaching building with eccentrically placed open corridor
图 33 内走廊框架结构教学楼轻微损伤Figure 33. Slight damage of the teaching building with inner corridor
图 34 外走廊框架结构教学楼轻微损伤Figure 34. Slight damage of the teaching building with eccentrically placed open corridor总而言之，只要建筑物实现“整而不散，延而不脆，匀而不偏，冗而不单”，就能具备较强的抗震性能。
5. 结论
长宁6.0级震害调查表明，当前我国面临的防震减灾形势不容乐观，城乡建筑抗震能力尤为薄弱，主要包括以下5方面问题：
（1）长宁地区历史上破坏性地震强度低，复发周期长，抗震设防烈度为6度（0.05g），远低于本次地震强度，是造成中震大灾的主要原因之一。
（2）城乡建筑多为自建房，民众抗震设防意识薄弱，即便现有规范对房屋抗震性能的规定详实具体，然而震区建筑的抗震措施仍不完善，突出问题为“散”和“脆”，地震灾害风险较高。
（3）多数公共建筑均经正规抗震设计，但地震表现仍不能令人满意，特别是底商建筑和中小学教学楼在构造上存在缺陷，易形成“偏”，地震作用下易发生“凝震聚力，个个击破”式破坏，应引起足够重视。本次地震发生在晚上，校内无学生上课，未造成群死群伤，实属万幸。
（4）高层建筑主体结构在地震中表现尚可，但填充墙等非结构构件损伤造成的经济损失巨大，不容忽视。
（5）震区建筑只要做到“整而不散，延而不脆，匀而不偏，冗而不单”，就能保证在地震发生时不致严重破坏，为民众生命财产安全保驾护航。
综上所述，长宁地震结构震害表现与现阶段抗震设计期望值有一定差距，这警醒行业人员需立足于实际震害调查，围绕结构震害特点精准发力，优化结构概念设计，全面提升抗震能力，推动韧性城乡建设。
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图 3 VS20和VS30的对应关系(虚线代表 1: 1分割线)
Figure 3. Relation of VS20 and VS30 (The dashed lines represent the 1:1 curve)
图 4 不同深度下常速度模型(BCV)剪切波速估算值VSE30和实测值VS30对比图
Figure 4. Comparison between the estimate VSE30 and the measured VS30 in BCV model at different depths
图 5 不同深度下北京平原及Boore(2004)加州和Boore等(2011)日本地区数据回归分析图
Figure 5. Regression analysis based on the data of Beijing plain area, California (Boore, 2004) and Japan (Boore et al., 2011) at different depths
图 6 速度梯度模型线性回归分析(左图)及Wang等(2015)模型(中及右图)得出的VS30和VSE30对比图
Figure 6. Correlations between VS30 and VSE30 using method of velocity gradient linear regression model (left column) and Wang et al. (2015) method (middle and right column), respectively
表 1 BCV法VSE30与VS30的相关系数及残差标准差
Table 1. List of parameters (and defective standard deviation r and σRES) of VSE30 and VS30 for BCV
深度/m r σRES 6 0.830 0.104 7 0.860 0.089 8 0.877 0.080 9 0.901 0.069 10 0.903 0.064 11 0.920 0.053 12 0.917 0.046 13 0.924 0.039 14 0.931 0.035 15 0.945 0.029 16 0.950 0.027 17 0.957 0.025 18 0.963 0.022 19 0.972 0.020 20 0.978 0.018 21 0.982 0.016 22 0.986 0.014 23 0.991 0.011 24 0.994 0.009 25 0.996 0.006 26 0.998 0.005 27 0.999 0.003 28 1.000 0.002 29 1.000 0.001 
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表 2 基于公式(4)的线性回归模型的回归系数
Table 2. List of coefficients a0, a1, r and σRES of equation (4) based on Linear Regression Model
深度/m a0 a1 r σRES 5 0.847 0.696 0.728 0.045 6 0.680 0.766 0.776 0.041 7 0.562 0.814 0.812 0.038 8 0.478 0.847 0.840 0.035 9 0.399 0.878 0.867 0.033 10 0.340 0.901 0.886 0.030 11 0.290 0.919 0.904 0.028 12 0.242 0.937 0.919 0.026 13 0.196 0.954 0.931 0.024 14 0.161 0.966 0.943 0.022 15 0.133 0.975 0.953 0.020 16 0.118 0.978 0.960 0.018 17 0.108 0.980 0.967 0.017 18 0.100 0.981 0.973 0.015 19 0.089 0.983 0.977 0.014 20 0.074 0.988 0.982 0.012 21 0.060 0.991 0.985 0.011 22 0.050 0.994 0.988 0.010 23 0.042 0.995 0.991 0.009 24 0.034 0.997 0.993 0.008 25 0.028 0.998 0.995 0.006 26 0.023 0.998 0.997 0.005 27 0.017 0.998 0.998 0.004 28 0.011 0.999 0.999 0.003 29 0.005 1.000 1.000 0.001
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表 3 基于公式(5)的二次回归模型的回归系数
Table 3. List of coefficients b0, b1, b2, r and σRES of equation (5) based on Quadratic Regression Model
深度/m b0 b1 b2 r σRES 5 3.487 -1.672 0.530 0.734 0.044 6 4.280 -2.442 0.714 0.783 0.041 7 4.603 -2.763 0.791 0.820 0.037 8 4.344 -2.553 0.747 0.846 0.035 9 3.876 -2.162 0.664 0.871 0.032 10 3.357 -1.724 0.570 0.890 0.030 11 2.850 -1.297 0.479 0.906 0.028 12 2.403 -0.926 0.401 0.920 0.026 13 2.079 -0.663 0.347 0.932 0.024 14 1.868 -0.496 0.312 0.943 0.022 15 1.768 -0.420 0.297 0.953 0.020 16 1.682 -0.352 0.283 0.961 0.018 17 1.567 -0.258 0.262 0.967 0.017 18 1.451 -0.162 0.241 0.973 0.015 19 1.246 0.007 0.206 0.978 0.014 20 0.949 0.251 0.155 0.982 0.012 21 0.670 0.480 0.107 0.985 0.011 22 0.477 0.636 0.075 0.988 0.010 23 0.338 0.747 0.052 0.991 0.009 24 0.191 0.866 0.027 0.993 0.008 25 0.081 0.953 0.009 0.995 0.006 26 -0.013 1.027 -0.006 0.997 0.005 27 -0.031 1.038 -0.008 0.998 0.004 28 -0.032 1.035 -0.007 0.999 0.003 29 -0.003 1.006 -0.001 1.000 0.001
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表 4 Wang等(2015)计算的VSE30和VS30相关性及残差标准差
Table 4. List of coefficients and defective standard deviation r and σRES of VSE30 and VS30 from Wang et al. (2015)
(z1，z2) r σRES (5，10) 0.876 0.052 (5，15) 0.947 0.03 (5，20) 0.978 0.018 (5，25) 0.995 0.009 (10，15) 0.943 0.025 (10，20) 0.977 0.016 (10，25) 0.995 0.008 (15，20) 0.975 0.016 (15，25) 0.995 0.007 (20，25) 0.994 0.008
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