郭迅

郭迅，博士、研究員、博士生導師，中國地震局防災科技學院土木工程學院院長、國家減災委專家委員會專家、中國地震局科技委員會委員、聯(lián)合國災害評估專家委員會委員。長期從事結構抗震研究，主要成果：對我國常見的多層混凝土框架結構、底商多層砌體結構的地震倒塌機理，提出“凝震聚力、個個擊破”新見解；所發(fā)明的模塊式鋼滯變阻尼器具有卓越的力學性能，已經成功用于包括我國第一個地震安全示范社區(qū)——大連尚品天城以及唐山萬科金域華府、天水碧桂園等400多萬平米的高層住宅項目的消能減震設計；所創(chuàng)建的“散、脆、偏、單”評定法成功在大慶、松原、三河等城鄉(xiāng)建筑抗震能力評定項目中應用。獲國家科技進步二等獎、中國地震局防震減災優(yōu)秀成果一等獎和遼寧省科技進步二等獎等獎勵。

前言

2008年5月12日汶川8.0級特大地震奪走了8.7萬同胞的生命。如果說10年前遭遇地震破壞的多數(shù)建筑建造于我國經濟能力尚弱的時候，難以對抗震有更多考慮，這還情有可原。那么現(xiàn)在我們的情形又如何？如果同樣的地震再現(xiàn)一次我們能經得起考驗嗎？也就是說現(xiàn)在我們的城鄉(xiāng)有足夠的韌性抗御未來可能發(fā)生的地震嗎？

韌性城鄉(xiāng)的關鍵問題是韌性，與之對應的英文是“Resilience”。韌性的概念是21世紀初美日地震工程學家醞釀提出的。其主要含義是指城鄉(xiāng)遭遇中強地震時基本無破壞；遭遇強烈地震時，破壞很小，在短時間內城鄉(xiāng)交通、通信、供電、供水、房屋居住等基本功能可以恢復，基本沒有人員傷亡（Godschalk, 2003）。要實現(xiàn)韌性城鄉(xiāng)的目標，核心是使城鄉(xiāng)房屋建筑以及為交通、通信、供電等系統(tǒng)服務的生命線工程具有很強的抗震能力，通俗地講，這一目標可概括為“七級不壞，八級不倒”。這就是汶川地震正反兩方面經驗和教訓給我們最大的啟示。

韌性城鄉(xiāng)建設工作的核心內容可以概括為“地下清楚”和“地上結實”，此外還有諸如科普宣傳、地震烈度區(qū)劃圖編制、政策法規(guī)的制定和貫徹等。其中“地下清楚”的內容包括深入地殼內部的活斷層探測、城市范圍的地震小區(qū)劃、工程建設場地地震安全性評價、工程場地地質災害評價等。“地上結實”的含義指采用不同建筑材料和不同結構形式的房屋、橋梁、大壩等工程結構遭遇強烈地震作用時不倒塌，從而避免人員傷亡。

我國地震災害特點

我國幅員遼闊，地震多發(fā)且分散，歷史上經濟欠發(fā)達，多數(shù)房屋結構缺少基本的抗震能力，因而我國震害呈現(xiàn)小震成災，大震巨災的特點。依據(jù)近百年的地震數(shù)據(jù)，將世界上各主要多震國家的震害做比較可得到圖1所示的結果。圖中每個國家的震亡比是用百年來造成人員死亡的各次地震的震級總和做分母，所造成的人員死亡總和做分子而計算出的一個無量綱數(shù)。震亡比大，表明這個國家震害嚴重。從圖中可以看出，比我國震害更嚴重的國家有海地、巴基斯坦、亞美尼亞、印度尼西亞和伊朗等，我國和印度相當，但尚不如土耳其、墨西哥，更不用說美國、日本和新西蘭了。

圖中還列出了各國的人均GDP，顯然GDP越高，抗震能力越強，震害越輕。但可以看出，相比我國人均GDP，我們的震亡比就偏高了，說明我國用于抗震的經費投入比例與先進國家相比明顯偏低。

圖1 世界地震多發(fā)國家的震害比較

圖2 a 缺少圈梁和構造柱的“散”

圖2 b 圈梁構造柱可克服“散”

我國震害原因分析

地震災害的主要表現(xiàn)是人員傷亡，而造成人員傷亡的直接原因是房屋倒塌(郭迅，2009；2010)。導致房屋倒塌的主要因素有兩個方面，其一是客觀意義明顯的“地質災害”，比如地震產生的滑坡、崩塌、滾石、液化、斷層位錯、地表破裂以及范圍甚廣的強地面運動。其二是主觀意義明顯的“人為失當”，包括抗震設防水準過低、建筑材料低劣、結構體系和機構布置失當、設計規(guī)范失誤以及施工選址不當?shù)取Ｏ窕?、斷層等災害只能通過合理的選址來避免，減輕地震災害最主要的手段是減少“人為失當”。上述“人為失當”在建筑結構上的表現(xiàn)可概括為4個方面，即“散”“脆”“偏”“單”，以下是四個字的具體含義。

（1）“散”

主要體現(xiàn)在：

①縱橫墻間連接薄弱，構造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封閉。

②豎向構件（墻、柱）與水平構件（梁、樓板、檁條等）連接薄弱，構造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封閉。

③門窗洞口兩側無構造柱；橫墻間距過大；砌筑縱或橫墻長度超過3m而無構造柱。

④有未經專門抗震設計的圓弧狀填充墻。

⑤砌體砌筑質量差，砂漿強度不足。

圖2展示了一種“散”最常見的表現(xiàn)，就是缺少圈梁和構造柱，地震時縱橫墻分離、樓板與墻分離。

（2）“脆”

主要體現(xiàn)在：

①承重墻材料為生土、土坯等脆弱建料；或為干砌或泥結紅磚、灰砂磚等。

②因窗下或窗間填充墻約束形成短柱。

圖3 “脆”的表現(xiàn)之一——因窗下及窗間填充墻約束形成短柱

③強彎弱剪、弱節(jié)點強構件。

④有構造不良的圍墻、連接不牢的吊燈、吊頂、玻璃等。

圖3展示了一種“脆”的表現(xiàn)，因窗下及窗間填充墻約束形成短柱，剛度大、延性差，在結構中分擔與剛度成比例的地震力，則很容易超過其極限承載力而率先失效，并導致結構整體倒塌。

（3）“偏”

主要體現(xiàn)在：

①多層底商砌體房屋底層各道縱墻剛度差異超過3倍，易被個個擊破。

②多層框架有不當設置的半高填充墻，易因短柱的剛度大、延性差而被個個擊破。

③平面布局里出外進，比如L、T、Y等形狀。

圖4 a “偏”的表現(xiàn)之一 ——不均衡設置半高連續(xù)填充墻，導致被約束柱側向剛度增加3～5倍

④立面布局蜂瓶細腰 ，層間剛度分布有突變等。

圖4展示了一種“偏”的典型表現(xiàn)，圖中框架結構縱向三個軸線中僅第三道有半高連續(xù)填充墻，被約束的柱側向剛度可提高8倍。因樓板僅發(fā)生縱向平動，所以受約束柱將分擔8倍于不受墻約束柱的地震剪力，那就很容易超限而破壞。

（4）“單”

主要體現(xiàn)在：

①抗側防線單一，缺少冗余備份，如易形成層屈服機制的純框架。

②在房屋轉角有獨柱，一旦失效將造成大面積連續(xù)倒塌。

③砌體結構圈梁、構造柱等措施缺失或不足。

④窗間墻、窗端墻寬度過小等。

圖5展示了一種“單”的表現(xiàn)，結構轉角只有獨柱，一旦失效就會造成圖5b所示的從下到上各層連續(xù)倒塌。

應該看到，像2008年汶川8.0級地震的極震區(qū)（映秀和北川）也有一批表現(xiàn)相當頑強的建筑物保存相對完好，通過深入剖析這些榜樣建筑的構造特點，可以發(fā)現(xiàn)它們無一例外很好地遵循經典力學原理，在構造上呈現(xiàn)“整而不散”“延而不脆”“勻而不偏”“冗而不單”。大量細致的實驗和理論分析工作揭示了這些經得起8.0級地震考驗建筑的秘密，所得到的結果如果得到推廣應用，將極大地提升我國整體抗御地震災害的能力。

工程抗震技術發(fā)展沿革

圖4 b 半高連續(xù)填充墻均在第三道縱墻設置

圖5 a “單”的表現(xiàn)之一 ——轉角有獨柱，一旦失效將造成大面積連續(xù)倒塌

1923年日本關東大地震造成14萬人死亡，日本學者總結了這次地震的教訓，提出將房屋自重的10%作為水平地震力，通過結構措施加以抗御，這就誕生了抗震設計的靜力法。1933年美國長灘地震科學家獲得了第一條強震記錄，美國學者開始考慮地震的動力效應，并提出了“反應譜”的概念。反應譜法將建筑結構視為彈性體，能考慮結構與地震動之間的共振效應，應該說對地震破壞的本質認識更深入了。1956年在舊金山召開了第一屆世界地震工程大會，宣示一個與震害防御密切相關的學科——地震工程學誕生了。1964年開始，由于電子計算機技術的發(fā)展，又提出了建筑結構地震響應的時程分析法，這一方法能夠考慮結構在強震下的非線性效應，技術進步是明顯的，但由于操作復雜難以大面積推廣應用。1990年開始，美國學者又提出了“性態(tài)抗震設計方法”，這一方法區(qū)別對待不同重要性結構遭遇強震作用的表現(xiàn)，比如學校和醫(yī)院等人員密集型場所的公共建筑需要更強的抗震能力，從單純關注生命安全擴展到減少經濟損失。

進入21世紀以來，美國學者又提出了韌性（Resilience）建筑的設計理念，基本含義是考慮未來地震動極大的不確定性，通過設置多道防線，保證結構遭遇超設防地震時不致倒塌，由這樣建筑構成的城市因而具有很強抗御地震打擊的能力。

就我國而言，1952年起制訂國家十二年科學發(fā)展規(guī)劃時就列入了震害防御相關的課題，比如中國地震烈度表和中國地震烈度區(qū)劃圖、結構地震反應線性分析、建筑物動力特性測試、小比例結構模型動力實驗、抗震設計草案編制、強震儀研制和布設等。由劉恢先主編的第一本抗震設計規(guī)范（草案）于1964年頒布，1978年頒布了正式版，即《工業(yè)與民用建筑抗震設計規(guī)范》（1978）。這兩本規(guī)范均以反應譜理論做基礎，考慮了場地條件的影響，強調構造措施的必要性。1966—1976年是我國災難深重的10年，先后經歷了1966年邢臺地震、1970年通海地震、1975年海城地震、1976年松潘和唐山地震。邢臺地震促使地震監(jiān)測預報隊伍的建立和完善；總結通海地震震害經驗，提出了震害指數(shù)概念及考慮地形影響的方法；1975年海城地震預報是迄今為止公認為最成功的一次預報；1976年唐山地震的調查及深入研究，明確了圈梁、構造柱等構造措施的作用并寫入規(guī)范，這一措施至今在中國乃至全世界仍發(fā)揮重要作用。

圖5 b 轉角獨柱失效后造成從下到上各層連續(xù)倒塌

1989年由建設部主編的《建筑抗震設計規(guī)范》列入了可靠度理論，假定未來50年超越概率為63%的烈度值作為小震，10%的作為中震（設防烈度），2%～3%的作為大震，以小震不壞、中震可修、大震不倒作為結構抗震設計的基本原則，將劉恢先于1975年海城地震和1976年唐山地震總結的抗震設計基本原則以概率形式重新表達。但是可靠度理論的列入，并沒有對應的物理機制的改變，得到的計算方法比以前復雜得多，很多設計人員難以理解，只能以配套軟件計算結果為主，缺乏概念的判斷，使結構抗震設計陷入盲目性。

自1976年唐山地震后，我國大震沉寂了多年，人們開始盲目樂觀，甚至業(yè)界一些人認為我國抗震水平進入了世界第四。但2008年汶川8.0級地震造成8.9萬同胞遇難失蹤，隨后2010年和2013年又分別發(fā)生了玉樹地震和蘆山地震。詳細考察表明，我國總體上建筑抗震能力是薄弱的，并且建筑結構地震破壞的狀態(tài)與設計規(guī)范的預期有明顯差異。以常見的鋼筋混凝土框架結構為例，規(guī)范中以“層屈服機制”作為抗倒塌設計依據(jù)，在具體設計中人為實現(xiàn)“強柱弱梁”，然而震后從未發(fā)現(xiàn)過“強柱弱梁”，這表明規(guī)范所依據(jù)的結構倒塌機理與實際并不相符。對于多層砌體及底商多層砌體等結構，建議的偏心扭轉內力重分配、墻段平面內抗剪驗算等理論和方法都與實際震害有很大差距。

另一方面，近年來發(fā)生的幾次大地震，即使是極震區(qū)，仍然有若干普通材料建造的多層砌體、多層框架等結構表現(xiàn)良好，堪稱奇跡。深刻剖析表明，這些可以稱之為“榜樣建筑”（比如緊鄰斷層的白鹿中學等）（圖6）的結構都經受住了地面運動強度1.0g的考驗。這就提示我們需要對現(xiàn)行規(guī)范按照7度或8度進行抗震分析、驗算的做法進行徹底反思。規(guī)范所期望出現(xiàn)的震害現(xiàn)象沒見到，規(guī)范未預料到的超強抗震表現(xiàn)卻屢見不鮮。事實表明，現(xiàn)行規(guī)范對我國常見建筑結構的地震倒塌機理的認識還很不完善，技術供給與現(xiàn)實需求有巨大差距。震害防御工作的重點就是要縮小這一差距，這是減輕未來地震人員傷亡的根本途徑。

圖6 白鹿中學教學樓經受了地震的考驗

工程抗震新技術

為提高建筑的抗震能力，工程界提出兩種實用的抗震新技術，分別是隔震技術和消能減震技術。

1.隔震技術

地震引起地面往復運動，使得地面上房屋以及各種工程結構受到一定的慣性力，當慣性力超過了結構自身抗力，則結構將出現(xiàn)破壞。這就是大地震造成房屋破壞、橋梁塌落以及其他眾多工程設施損毀的原因。

圖7 支座在水平地震作用下發(fā)生剪切變形

圖8 設置隔震支座以延長結構自振周期

隔震是將工程結構體系與地面分隔開來，通過一套專門的支座裝置與地面相連接，形成一個水平向柔性層（如圖7所示），以此延長結構的基本振動周期（如圖8所示），避開地震動的卓越周期，減少地震能量向上部結構傳輸，降低結構的地震反應。一般來說，結構經隔震以后，自振周期一般由原來的0.3秒延長到2.0秒左右，避開地震動卓越周期（0.1～0.5秒），可以將地表傳給上部結構的地震力降低70%左右。19世紀末就有學者和工程技術人員提出了隔震的概念。采用基底隔震技術建造的房屋，能夠極大地消除結構與地震動的共振效應，顯著降低上部結構的地震反應，從而可以有效地保護結構免遭地震破壞。

目前全世界建造了2萬余棟隔震建筑，我國有5000余棟。美國、日本、新西蘭等國上百棟隔震建筑經歷地震考驗，表現(xiàn)出卓越的性能。我國2013年蘆山地震中，蘆山縣人民醫(yī)院因為采用隔震技術（如圖9所示），不但沒有人員傷亡，內部的核磁共振、彩超、X光機等精密醫(yī)療設備也沒有任何損傷，醫(yī)院成為震后傷員救治中心（見圖10）。

2.消能減震技術

在地震往復荷載作用下，結構發(fā)生以位移、速度和加速度表示的響應，如果在結構上安裝位移驅動或速度驅動的阻尼器，比如防屈曲阻尼器（BRB）、鋼滯變阻尼器、TMD、TLD以及各類油阻尼器等，可以增加結構的等效阻尼比，從而減小結構的響應，避免或減輕結構的破壞，這類技術統(tǒng)稱為消能減震技術。

圖9 蘆山縣人民醫(yī)院采用隔震技術

圖10 震后蘆山縣人民醫(yī)院

當前韌性城鄉(xiāng)建設工作的主要抓手

首先需明確我國城鄉(xiāng)建筑抗震能力還較薄弱，與建設小康社會的需求還有很大差距。震害防御工作的目標是全面提升城鄉(xiāng)建筑抗震能力，做到中小震無害，大震小害。為此，需客觀面對我國城鄉(xiāng)建筑中較普遍存在的“散”“脆”“偏”“單”的問題，認真吸取近年來破壞性地震中正反兩方面的經驗和教訓，從技術上實現(xiàn)“整而不散”“延而不脆”“勻而不偏”“冗而不單”。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.技術標準的建立

將最新的實用技術寫入行業(yè)標準，以利推廣應用。

2.技術標準貫徹落實

重點要抓好在城市新建建筑結構設計中嚴格遵循新標準。

3.既有建筑的篩查

依據(jù)設計標準的技術原理和操作流程，分期分批推進城鄉(xiāng)既有建筑抗震缺陷的篩查，依結果提出有針對性的補強措施。

4.大力推廣減隔震技術的應用。

結論

我國地震災害形勢依然嚴峻。以韌性城鄉(xiāng)為標志的新時期防震減災目標成為業(yè)界共識。韌性城鄉(xiāng)的主要特點是城鄉(xiāng)、工程結構及構件等各個層次都具有很強的抗震能力，即便地震相當強烈，城鄉(xiāng)基本功能也能很快恢復。建設韌性城鄉(xiāng)，首先需要對城鄉(xiāng)抗震能力的現(xiàn)狀進行科學評估?；谡鸷︻惐?、實驗驗證和理論分析，總結提煉出的工程結構抗震能力“散、脆、偏、單”評估法是韌性城鄉(xiāng)建設的有力工具。對于新建工程，宜大力推廣隔震與消能減震新技術。