郭 迅 王 波

1）防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201

2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

引言

韌性城鄉(xiāng)的關(guān)鍵問題是韌性，與之對應(yīng)的英文是“Resilience”（汪輝等，2017），最早起源于拉丁語“resilio”，意為“撤回或者取消”，后演化為英語中的“resile”，并沿用至今（Alexander，2013）。隨著時代的發(fā)展，韌性一詞也被廣泛應(yīng)用于各類學(xué)科中。社會生態(tài)學(xué)家將這一概念應(yīng)用到城市研究中，認(rèn)為韌性城市必須具備多樣性、變化適應(yīng)性、模塊性、創(chuàng)新性、迅捷的反饋能力、社會資本的儲備以及生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)能力（Allan等，2011；邵亦文等，2015；徐江等，2015）。21世紀(jì)初，美、日科學(xué)家在地震工程學(xué)科中引入韌性概念，其主要含義是指城鄉(xiāng)遭遇中強(qiáng)地震時基本無破壞；遭遇強(qiáng)烈地震時，破壞很小，在短時間內(nèi)城鄉(xiāng)交通、通訊、供電、供水、房屋居住等基本功能可以恢復(fù)，基本沒有人員傷亡（Godschalk，2003；Klein等，2003）。要實(shí)現(xiàn)韌性城鄉(xiāng)的目標(biāo)，核心是使城鄉(xiāng)房屋建筑以及為交通、通訊、供電等系統(tǒng)服務(wù)的生命線工程具有很強(qiáng)的抗震能力，通俗地講，這一目標(biāo)可概括為“七級不壞，八級不倒”。

全球2個主要地震帶（環(huán)太平洋地震帶和歐亞大陸地震帶）共同影響中國，造成中國地震多發(fā)且分散，地震傷亡人數(shù)占全球的比例超過40%。通過工程措施抗御地震造成的破壞，從而減輕或避免地震造成人員傷亡，與此相關(guān)的工作統(tǒng)稱為震害防御，這是實(shí)現(xiàn)韌性城鄉(xiāng)的必由之路。

韌性城鄉(xiāng)建設(shè)工作的核心內(nèi)容可以概括為“地下清楚”和“地上結(jié)實(shí)”，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(nèi)容包括深入地殼內(nèi)部的活斷層探測、城市范圍的地震小區(qū)劃、工程建設(shè)場地地震安全性評價和工程場地地質(zhì)災(zāi)害評價等。“地上結(jié)實(shí)”的含義指采用不同建筑材料和不同結(jié)構(gòu)形式的房屋、橋梁、大壩等工程結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)烈地震作用時不倒塌，從而避免人員傷亡。

1 中國地震災(zāi)害特點(diǎn)

中國幅員遼闊，地震多發(fā)且分散，歷史上經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，多數(shù)房屋結(jié)構(gòu)缺少基本的抗震能力，因而中國震害呈現(xiàn)小震成災(zāi)、大震巨災(zāi)的特點(diǎn)。通過對1900年以來的破壞性地震及其災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計，將世界上各主要多震國家的震害進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1所示。其中，每個國家的震亡比是以百年來造成人員死亡的各次地震的震級總和做分母，以所造成的人員死亡數(shù)量總和做分子，計算出的1個無量綱數(shù)。震亡比大表明該國家震害嚴(yán)重。從圖1可以看出，比中國震害更嚴(yán)重的國家有海地、巴基斯坦、亞美尼亞、印度尼西亞和伊朗等，中國和印度相當(dāng)，但尚不如土耳其、墨西哥，也不如美國、日本和新西蘭。

圖1還列出了各國的人均GDP，顯然GDP越高，抗震能力越強(qiáng)，震害越輕。但可以看出，與人均GDP相比，中國的震亡比偏高，說明中國用于抗震的經(jīng)費(fèi)投入比例與先進(jìn)國家相比低得多。

圖1 世界上各主要地震國家的震害比較 Fig.1 Comparison of earthquake damage in the countries with frequent earthquakes

2 中國震害原因分析

地震災(zāi)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(dǎo)致房屋倒塌的主要因素有2個方面，其一是客觀意義明顯的“地質(zhì)災(zāi)害”，比如地震產(chǎn)生的滑坡、崩塌、滾石、砂土液化、斷層位錯、地表破裂以及范圍甚廣的強(qiáng)地面運(yùn)動；其二是主觀意義明顯的“人為失當(dāng)”，包括設(shè)防水準(zhǔn)過低、結(jié)構(gòu)體系選擇和結(jié)構(gòu)布置失當(dāng)、設(shè)計規(guī)范失誤以及建筑選址不當(dāng)?shù)?。諸如滑坡、斷層等災(zāi)害只能通過合理的選址來避免，減輕地震災(zāi)害最主要的手段是減少“人為失當(dāng)”。上述“人為失當(dāng)”在建筑結(jié)構(gòu)上的表現(xiàn)可概括為4個方面，即“散”、“脆”、“偏”、“單”。

（1）“散”主要體現(xiàn)在：①縱橫墻間連接薄弱，構(gòu)造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封閉；②豎向構(gòu)件（墻、柱）與水平構(gòu)件（梁、樓板、檁條等）連接薄弱，構(gòu)造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封閉（圖2）；③門窗洞口兩側(cè)無構(gòu)造柱（圖3）；④砌體砌筑質(zhì)量差，砂漿強(qiáng)度不足；⑤橫墻間距過大；⑥砌筑縱或橫墻長度超過3m而無構(gòu)造柱；⑦有未經(jīng)專門抗震設(shè)計的圓弧狀填充墻（圖4）。

圖2 縱、橫墻連接薄弱 Fig.2 Weak connection between longitudinal and lateral walls

圖3 窗間墻內(nèi)未設(shè)置構(gòu)造柱 Fig.3 No constructional column in the wall between windows

圖4 不當(dāng)設(shè)置的圓弧狀填充墻 Fig.4 Infilled walls with circular arc

（2）“脆”主要體現(xiàn)在：①承重墻為生土、土坯等脆弱材料（圖5）；②承重墻為干砌或泥結(jié)紅磚；③存在短柱（圖6）；④強(qiáng)彎弱剪、弱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)構(gòu)件；⑤有構(gòu)造不良的圍墻、連接不牢的吊燈、吊頂、玻璃等。

圖5 使用脆弱材料的房屋 Fig.5 Wall using fragile materials collapsed

圖6 因短柱效應(yīng)引起的破壞 Fig.6 Damage caused by short-column effect

（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（圖7）；②多層框架有不當(dāng)設(shè)置的半高填充墻，易因短柱的剛度大、延性差而被個個擊破（圖8）；③平面布局里出外進(jìn)，如“L”、“T”、“Y”等形狀；④立面布局蜂瓶細(xì)腰，層間剛度分布有突變等。

圖7 各道縱墻剛度差異大引起的結(jié)構(gòu)前臉破壞嚴(yán)重Fig.7 Damage of frontage wall for different stiffness of each longitudinal wall

圖8 不當(dāng)設(shè)置的半高填充墻引起的框架柱破壞 Fig.8 Damage of the RC frame column caused by half-height continuous infilled walls

（4）“單”主要體現(xiàn)在：①抗側(cè)防線單一，缺少冗余備份，如易形成層屈服機(jī)制的純框架（圖9）；②砌體結(jié)構(gòu)圈梁、構(gòu)造柱等措施缺失或不足；③窗間墻、窗端墻寬度過小等。

在2008年汶川8.0級地震的極震區(qū)（映秀和北川）仍有一批表現(xiàn)相當(dāng)“頑強(qiáng)”的建筑，通過深入剖析這些“榜樣建筑”的構(gòu)造特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)它們無一例外很好地遵循經(jīng)典力學(xué)原理，在構(gòu)造上呈現(xiàn)“整而不散”、“延而不脆”、“勻而不偏”、“冗而不單”。大量細(xì)致的實(shí)驗和理論分析工作揭示了這些經(jīng)得起8.0級地震考驗建筑的秘密，所得到的結(jié)果如果得到推廣應(yīng)用，將極大地提升中國整體抗御地震災(zāi)害的能力。

自2008年汶川地震后，筆者一直專注于極震區(qū)倒塌與不倒塌房屋構(gòu)造上的差別，通過30余次振動臺試驗探討了決定房屋倒塌的關(guān)鍵因素。結(jié)果顯示，底商多層砌體房屋各道縱墻剛度、抗力均衡、多層框架結(jié)構(gòu)配以適當(dāng)?shù)穆涞丶袅?，完全可以抗?.0級地震而不倒。進(jìn)而可以設(shè)想，對于與Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度相當(dāng)?shù)牡卣饎?，不必將其作為抗震設(shè)防的對象，而把房屋結(jié)構(gòu)自身的“散”、“脆”、“偏”、“單”作為設(shè)防的對象而加以克服，就可以實(shí)現(xiàn)“七級不壞，八級不倒”。

圖9 層屈服機(jī)制下的底層柱端塑性鉸 Fig.9 Plastic hinge at the end of the column due to the yield mechanism

3 工程抗震技術(shù)發(fā)展沿革

1923年，日本關(guān)東大地震造成14萬人死亡，日本學(xué)者總結(jié)了這次地震的教訓(xùn)，提出將房屋自重的10%作為水平地震力，通過結(jié)構(gòu)措施加以抗御，誕生了抗震設(shè)計的靜力法。1933年，美國長灘地震獲得了第一條強(qiáng)震記錄，美國學(xué)者開始考慮地震的動力效應(yīng)，并提出了“反應(yīng)譜”的概念。反應(yīng)譜法將建筑結(jié)構(gòu)視為彈性體，能考慮結(jié)構(gòu)與地震動之間的共振效應(yīng)，對地震破壞的本質(zhì)認(rèn)識更加深入。1956年在舊金山召開了第一屆世界地震工程大會，宣示1個與震害防御密切相關(guān)的學(xué)科——地震工程誕生了。從1964年開始，由于電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，專家學(xué)者又提出了建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的時程分析法，這一方法能夠考慮結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的非線性效應(yīng)，技術(shù)進(jìn)步明顯，但因操作復(fù)雜而難以大面積推廣應(yīng)用。從1990年開始，美國學(xué)者又提出了“性態(tài)抗震設(shè)計方法”，這一方法區(qū)別對待重要性不同的結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)震作用時的表現(xiàn)，比如學(xué)校和醫(yī)院等人員密集型場所的公共建筑需要更強(qiáng)的抗震能力，從單純關(guān)注生命安全擴(kuò)展到減少經(jīng)濟(jì)損失。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國學(xué)者提出了韌性（Resilience）建筑的設(shè)計理念，基本涵義是考慮未來地震動極大的不確定性，通過設(shè)置多道防線，保證結(jié)構(gòu)遭遇超設(shè)防地震時不致倒塌，由這樣建筑構(gòu)成的城市具有很強(qiáng)抗御地震打擊的能力。

就中國而言，從1952年開始制定國家十二年科學(xué)發(fā)展規(guī)劃時就列入了與震害防御相關(guān)的課題，如中國地震烈度表和中國地震烈度區(qū)劃圖、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)線性分析、建筑物動力特性測試、小比例結(jié)構(gòu)模型動力實(shí)驗、抗震設(shè)計草案編制、強(qiáng)震儀研制和布設(shè)等。由劉恢先主編的第1本抗震設(shè)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(shè)計規(guī)范》。這2本規(guī)范均以反應(yīng)譜理論作基礎(chǔ)，考慮了場地條件的影響，強(qiáng)調(diào)構(gòu)造措施的必要性。1966—1976年是中國災(zāi)難深重的10年，先后經(jīng)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(yù)報隊伍的建立和完善；總結(jié)通海地震震害經(jīng)驗，提出了震害指數(shù)概念及考慮地形影響的方法；1975年海城地震是迄今為止公認(rèn)為最成功的1次預(yù)報；1976年唐山地震的調(diào)查及深入研究，明確了圈梁、構(gòu)造柱等構(gòu)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。

1989年的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》列入了可靠度理論，假定未來50年超越概率為63%的作為小震，10%的作為中震（設(shè)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(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(jié)的抗震設(shè)計基本原則以概率形式重新表達(dá)。但是可靠度理論的列入，并沒有對應(yīng)物理機(jī)制的改變，得到的計算方法比以前復(fù)雜得多，很多設(shè)計人員難以理解，只能以配套軟件計算結(jié)果為主，缺乏概念的判斷，使結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計陷入盲目。

自1976年唐山地震后，中國大震沉寂了多年，但2008年汶川8.0級地震造成8.9萬同胞遇難，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(xì)考察表明，中國總體上建筑抗震能力是薄弱的，并且建筑結(jié)構(gòu)地震破壞的狀態(tài)與設(shè)計規(guī)范的預(yù)期有明顯差異。以常見的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，規(guī)范中以“層屈服機(jī)制”作為抗倒塌設(shè)計依據(jù)，在具體設(shè)計中人為實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”，然而震后從未發(fā)現(xiàn)過“強(qiáng)柱弱梁”，這表明規(guī)范所依據(jù)的結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)理與實(shí)際并不相符（郭迅，2018）。對于多層砌體及底商多層砌體等結(jié)構(gòu)，建議的偏心扭轉(zhuǎn)內(nèi)力重分配、墻段平面內(nèi)抗剪驗算等理論和方法都與實(shí)際震害有很大差距。

另一方面，近年來的幾次大地震中，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(jié)構(gòu)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”（如緊鄰斷層的白鹿中學(xué)等）的結(jié)構(gòu)都經(jīng)受住了地面運(yùn)動強(qiáng)度1.0g的考驗。這就提示我們需要對現(xiàn)行規(guī)范按照Ⅶ度或Ⅷ度進(jìn)行抗震分析、驗算的做法進(jìn)行反思。規(guī)范所期望出現(xiàn)的震害現(xiàn)象沒見到，規(guī)范未預(yù)料到的超強(qiáng)抗震表現(xiàn)卻屢見不鮮。事實(shí)表明，現(xiàn)行規(guī)范對中國常見建筑結(jié)構(gòu)的地震倒塌機(jī)理的認(rèn)識還不夠完善，技術(shù)供給與現(xiàn)實(shí)需求有巨大差距。震害防御工作的重點(diǎn)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。

4 工程抗震新技術(shù)

由于地震是罕遇事件，如果把地震荷載等同于重力荷載來對待是不科學(xué)的。為此，工程界提出2種實(shí)用的抗震新技術(shù)，分別是隔震技術(shù)和消能減震技術(shù)。

（1）隔震技術(shù)

地震引起地面往復(fù)運(yùn)動，使得地面上房屋以及各種工程結(jié)構(gòu)受到一定的慣性力，當(dāng)慣性力超過了結(jié)構(gòu)自身抗力，則結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)破壞。這就是大地震造成房屋破壞、橋梁塌落以及其它諸多工程設(shè)施損毀的原因。

隔震是將工程結(jié)構(gòu)體系與地面分隔開來，并通過1套專門的支座裝置與地面相連接，形成1個水平向柔弱層（圖10），以此延長結(jié)構(gòu)的基本振動周期（圖11），避開地震動的卓越周期，減弱地震能量向結(jié)構(gòu)上傳輸，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。由工程經(jīng)驗來看，多層框架結(jié)構(gòu)經(jīng)隔震以后，自振周期可由原來的0.3—0.5s延長到2.0—3.0s，避開了地震動卓越周期（0.1—0.5s），可將地表傳給上部結(jié)構(gòu)的地震作用降低70%左右。19世紀(jì)末就有學(xué)者和工程技術(shù)人員提出了隔震的概念。采用基底隔震技術(shù)建造的房屋，能夠極大地消除結(jié)構(gòu)與地震動的共振效應(yīng)，顯著降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而可以有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭地震破壞。

圖10 支座在水平地震作用下發(fā)生剪切變形 Fig.10 Shear deformation of isolation bearing in horizontal earthquake action

圖11 設(shè)置隔震支座以延長結(jié)構(gòu)自振周期 Fig.11 Extending the natural period of the structure by setting the isolated bearings

目前全世界建造了2萬余棟隔震建筑，中國有5000余棟。美國、日本、新西蘭等國的上百棟隔震建筑經(jīng)歷了地震考驗，表現(xiàn)出卓越的抗震性能。在中國2013年蘆山地震中，人民醫(yī)院因為采用了隔震技術(shù)（圖12），不但沒有人員傷亡，內(nèi)部的核磁共振、彩超、X光機(jī)等精密醫(yī)療設(shè)備也沒有任何損傷，醫(yī)院成為震后傷員救治中心（圖13）。

圖12 蘆山縣人民醫(yī)院采用隔震技術(shù) Fig.12 Lushan hospital with isolated bearings

圖13 震后蘆山縣人民醫(yī)院 Fig.13 Lushan hospital after the earthquake

（2）消能減震技術(shù)

消能減振是指在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器或阻尼構(gòu)件，通過改變體系動力特性、吸收耗散振動能量以減小地震反應(yīng)的技術(shù)。在地震往復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生以位移、速度和加速度表示的響應(yīng)，如果在結(jié)構(gòu)上安裝位移驅(qū)動或速度驅(qū)動的阻尼器，如防屈曲支撐（BRB）、鋼滯變阻尼器（圖14）、TMD（Tuned Mass Damper）、TLD（Tuned Liquid Damper）以及各類油阻尼器等，可以增加結(jié)構(gòu)的等效阻尼比（圖15），從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，減輕甚至避免結(jié)構(gòu)的破壞（張敏政，2015）。

圖14 鋼滯變阻尼器安裝現(xiàn)場 Fig.14 Installation of steel hysteretic damper

圖15 鋼滯變阻尼器的滯回曲線 Fig.15 Hysteresis curve of steel hysteretic damper

5 當(dāng)前韌性城鄉(xiāng)建設(shè)工作的主要抓手

中國城鄉(xiāng)建筑抗震能力還較薄弱，與建設(shè)小康社會的需求還有很大差距。震害防御工作的目標(biāo)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，需客觀面對中國城鄉(xiāng)建筑中較普遍存在的“散”、“脆”、“偏”、“單”的問題，認(rèn)真吸取近年來破壞性地震中正反兩方面的經(jīng)驗和教訓(xùn)，從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)“整而不散”、“延而不脆”、“勻而不偏”和“冗而不單”。具體措施有以下幾個方面：

（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立：將最新實(shí)用技術(shù)（如“散”、“脆”、“偏”、“單”評估法）寫入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以利推廣應(yīng)用。

（2）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)貫徹落實(shí)：在城市新建建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工過程中嚴(yán)格遵循新標(biāo)準(zhǔn)。

（3）既有建筑的篩查：依據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)原理和操作流程，分期分批推進(jìn)城鄉(xiāng)既有建筑抗震缺陷的篩查，依結(jié)果提出有針對性的補(bǔ)強(qiáng)措施。

（4）大力推廣減隔震技術(shù)的應(yīng)用。

6 結(jié)論

中國地震災(zāi)害形勢依然嚴(yán)峻。以韌性城鄉(xiāng)為標(biāo)志的新時期防震減災(zāi)目標(biāo)成為業(yè)界共識。韌性城鄉(xiāng)的主要特點(diǎn)是城鄉(xiāng)、工程結(jié)構(gòu)及構(gòu)件等各個層次都具有很強(qiáng)的抗震能力，即便地震相當(dāng)強(qiáng)烈，城鄉(xiāng)基本功能也能很快恢復(fù)。建設(shè)韌性城鄉(xiāng)，首先需要對城鄉(xiāng)抗震能力的現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)評估?；谡鸷︻惐?、實(shí)驗驗證和理論分析，總結(jié)提煉出的工程結(jié)構(gòu)抗震能力“散、脆、偏、單”評估法是韌性城鄉(xiāng)建設(shè)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(shù)。