T.Heaton

城市地震，如1994年的6.7級北嶺地震，為我們這些人清晰了解地震危險性的工作提供了的獨特時刻。記得我是1994年1月17日清晨4點31分在我帕薩迪納的家中被震醒的。當我匆忙地趕到加州理工學院校園內(nèi)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）我的辦公室時，我記得想知道的是那天會帶來什么。震中區(qū)人煙稀少呢？還是我們只能接受直接擊中了已經(jīng)城市化的洛杉磯？現(xiàn)在我們知道，雖然破壞性的震動延伸到了洛杉磯盆地，但真正受到劇烈震動的是圣費爾南多谷；5臺強震加速度計記錄的地震動峰值速度（PGV）超過了1m／s。雖然這次襲擊只持續(xù)了15s，但它卻留下了約200億美元的損失和數(shù)以百萬計的極度驚慌的洛杉磯人，尤其是生活在圣費爾南多谷的人們。

盡管是強烈震動，但官方公布的死亡人數(shù)僅有57人。很顯然，我們躲過了那個冬天清晨的一顆子彈。震中區(qū)的幾乎每個人當時都是睡在木質(zhì)房屋或多層木質(zhì)公寓中。在地震中，加利福尼亞的木質(zhì)房屋結(jié)構(gòu)是有彈性的；它們自然是輕質(zhì)的且有足夠的剛性，灰泥板墻就像房屋能調(diào)整到來自比如盛大宴會的重力荷載那樣不會破裂。這種剛度帶來的好處是房子也很堅固。無可否認，圣費爾南多谷的劇烈震動對木質(zhì)房屋造成了廣泛的破壞，但沒有一座倒塌。在木質(zhì)的北嶺梅多斯公寓樓一層部分倒塌時有16人死亡，但許多其他木質(zhì)公寓建筑并沒有倒塌。

鋼筋混凝土框架（RCF）的建筑物表現(xiàn)也不好。矮層的鋼筋混凝土墻建筑（例如，7－Eleven便利店）幸存了下來，但令人恐懼的倒塌擊中了原本會在幾小時后住滿人的其他混凝土結(jié)構(gòu)。在某種意義上，北嶺地震是1971年M6.7圣費爾南多地震的再現(xiàn)，后者也發(fā)生在清晨——木質(zhì)房屋和低矮的混凝土墻的建筑并沒有倒塌，但有幾座鋼筋混凝土框架建筑卻倒塌了。

1971年鋼筋混凝土框架建筑物的倒塌促進了對建筑規(guī)范的重要修改。遺憾的是，大城市洛杉磯已使用先前的舊技術(shù)建造起了1 000多座混凝土建筑；這些建筑物通常被稱為非延性混凝土框架建筑。圖1顯示的是北嶺地震期間地震動峰值速度的近似等值線和1994年前至少有4層樓高的建筑物的位置。幾位同事已經(jīng)提醒說，有些建筑物可能是被認錯了，所以不要把這張圖看得太認真，但這種總體樣式是有效的。這些建筑物分為兩類：（1）圓圈表示1975年前的混凝土建筑；其中許多是非延性的，可能經(jīng)受不住1994年和1971年圣費爾南多谷北部發(fā)生的這類震動。（2）三角表示1994年前的鋼框架結(jié)構(gòu)建筑。顯然，建有至少4層框架建筑的洛杉磯城區(qū)部分沒有像圣費爾南多谷郊區(qū)那樣受到劇烈的震動。

也許北嶺地震中最令人吃驚的是抗力矩鋼框架建筑中關(guān)鍵焊接點的脆性斷裂（Reis and Bonowitz，2000）。大部分鋼框架建筑是經(jīng)過設計的，以便在最大變形時，鋼的塑性屈服（塑性鉸接）應主要發(fā)生在水平梁；要避免垂向柱的塑性鉸接，因為它們會形成過早的倒塌機制。這些焊接點是關(guān)鍵，因為它們要承受柱與梁之間的荷載。

圣費爾南多谷南部有幾座鋼框架建筑震動非常強烈，因此檢查員期望能在震后找到塑性彎曲梁的證據(jù)。然而，檢查員沒有發(fā)現(xiàn)任何此類梁；相反，發(fā)現(xiàn)了焊接的抗力矩連接處斷裂。隨后的原型實驗室試驗證實了焊接連接處的能力小于塑性彎曲梁所需要的力。這非常令人吃驚，它意味著鋼框架建筑遠比設計師曾預定的更脆。要更完整地描述這個問題并說明對新建筑減輕這一問題所要采取的措施，會需要許多頁碼。我只想說，目前，大多數(shù)加州的鋼框架建筑仍舊有1994年前的脆性焊接。對20層鋼框架建筑的模擬表明，在發(fā)生強烈震動時，它們倒塌的可能性是具有良好焊接的建筑的3～5倍（Olsen et al，2008）。此外，對好萊塢斷層、圣莫尼卡斷層、紐波特—英格爾伍德斷層和普恩蒂希爾斯斷層上的地震模擬都表明，強烈震動可能某一天發(fā)生在具有這些老的、脆性框架建筑（混凝土和鋼框架）的地區(qū)（Day et al，2005；Olsen，2008）。

圖1繪制出至今將近20年，它支持我們確實在1994年躲過了一顆子彈的想法。遺憾的是，這枝槍仍然裝滿著彈藥并扳上了扳機，因為很少的脆性框架建筑得到了翻新改造。地震研究界很清楚脆性結(jié)構(gòu)問題，但一般社區(qū)不是這樣。最近 《洛杉磯時報》的一篇有關(guān)非延性混凝土框架的文章（Lin et al，2013）令大多數(shù)洛杉磯人吃驚。為什么這些建筑物里的居民不知道他們住在地震專業(yè)人員幾十年來已經(jīng)知道其安全性堪憂的建筑物里？1975年前的混凝土框架似乎是最令人擔憂的問題，但1994年前的脆性鋼框架結(jié)構(gòu)也令人真的擔心。住戶沒有解決這一問題的線索，業(yè)主也沒有尋求解決這一問題的動力。

此外，為什么沒有相應的計劃至少告訴人們他們處于易受傷害的地方呢？許多指責到處傳播。

1.洛杉磯市早應編制一份存在潛在危險的建筑物清單，這些建筑物里的住戶早應知道有這一清單。雖然法律訴訟將不可避免，但我有些懷疑會成功；公共安全是最高優(yōu)先級。洛杉磯在此并非個例；許多其他城市也沒有解決這個問題。

2.加利福尼亞地震安全委員會早該使1994年以來的4任加利福尼亞州長清楚和明白這個問題，他們早該根據(jù)該委員會的建議采取措施。

3.國家標準與技術(shù)研究所（NIST）早應系統(tǒng)地編制定量的、易于訪問的不同類型建筑物震動回彈的信息并開發(fā)個體建筑物回彈的國家數(shù)據(jù)庫。國家公路交通安全局公布所有汽車的安全性清單，建筑物為什么不同呢？國家標準與技術(shù)研究所是國家地震減災計劃（NEHRP）的領(lǐng)導機構(gòu)，畢竟承擔著確保這些問題得到有效解決的主要責任。

4.美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）關(guān)注其不斷減少的地震危險性概率評估的資源，但對美國地質(zhì)調(diào)查局同樣非常重要的是與國家標準與技術(shù)研究所合作來模擬特定地震對不同城市環(huán)境的影響。 “ShakeOut”（見Porter et al，2011）是地球科學家與地震工程師如何合作重點解決具體問題的范例。遺憾的是，“ShakeOut”的影響太短暫了。

5.總統(tǒng)和國會需要重新發(fā)現(xiàn)地震問題。國家標準與技術(shù)研究所從來沒有有意義的國家地震減災計劃預算（盡管它的宣傳有很關(guān)鍵的作用）。美國地質(zhì)調(diào)查局的預算已經(jīng)穩(wěn)步下降到低于30年前的1／3。雪上加霜的是，自2004年以來，國家地震減災計劃未被審批。

當然，這一故事中也有一些亮點。例如，加州交通局（Caltrans）20多年前就開始系統(tǒng)地改造所有非延性的混凝土橋柱。加利福尼亞州衛(wèi)生規(guī)劃與發(fā)展辦公室（OSHPD）對醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)的能力進行了系統(tǒng)評估。在適當?shù)臅r候，對醫(yī)院進行結(jié)構(gòu)改造的目的是使醫(yī)院可以在地震中保持其功能。這些計劃昂貴而困難。橋梁改造計劃已基本完成，而醫(yī)院的改造項目仍在繼續(xù)奮斗。

圖1 1994年北嶺M6.7地震的地震動峰值速度等值線。圓圈表示1975年前的混凝土建筑；其中許多建筑是非延性的，不可能經(jīng)受住1994年和1971年在圣費爾南多谷北部發(fā)生的這類振動。三角表示1994年前的鋼框架建筑。建筑數(shù)據(jù)來自洛杉磯縣稅額征收文件，未檢查其準確性。引自 Wald等（1996）

2013年9月，加州交通局開通了新的舊金山—奧克蘭灣大橋的東跨越橋，加州人被告知，它是為1 500年的地震設計的。1 500年是一段很長的時間，這期間可能有許多可怕的非震事件造訪我們的社會。政策制定者和一般公眾似乎將這1 500年的設計目標理解為建筑的地震問題已基本解決的證據(jù)。最近 《洛杉磯時報》的描述卻形成強烈的對照。結(jié)果是許多加州人當?shù)弥麄兛赡軙诂F(xiàn)代多層的加利福尼亞建筑的地板之間被壓碎時都非常驚訝。當公眾得知在大地震近源區(qū)的一些鋼框架的高樓會倒塌時，他們會更加關(guān)注和困惑。

就我個人而言，我在這個行業(yè)已經(jīng)有很長時間了，看到過以前的幾代地震專家不只一次地向公眾保證，老的建筑可能存在著危險，但最新的建筑表現(xiàn)良好。對于現(xiàn)在我們很擔憂的這種非延性混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑物，一度也曾這樣說過?？赡墁F(xiàn)在我們已經(jīng)取得了適當?shù)目拐鸩呗?，但我們的建筑卻很少被真實測試過。當我們的一個城市受到直接襲擊時，就將是一個巨大的實驗。我總會懷疑在這種事件之后我們將會更多地談論1 500年失敗的重復次數(shù)。

我認為我自己是一個地震專業(yè)人員；我是一個地震學家和地震工程師。我經(jīng)常說，我們的研究提供了采取行動的必要信息，這些行動能減少未來的悲劇，我們不需要等著從未來的災難中獲得可采取行動的知識。然而，這種樂觀的看法受到了我們集體應對發(fā)生在美國北嶺地震失敗的挑戰(zhàn)。最終，這種集體失敗是地震專業(yè)整個行業(yè)的責任，包括地球科學家、地震工程師、緊急救援人員和公共政策的制定者?？梢钥隙ǖ氖?，如果成千上萬美國人死于未來的城市地震，我們將把注意力集中在我們?nèi)绾文軌蚋玫乇Ｗo公眾上。那災前就這樣做不是很好嗎？