地震災害對工程建設的反思

張旭，張奔牛

（重慶交通大學重慶400074）

地震災害對工程建設的反思

張旭，張奔牛

（重慶交通大學重慶400074）

本文就作者赴四川災區援建所察和對玉樹地震救災的調查，引起聯想，談了抗震設防目標修訂、標準提高的設想及理由，論述了抗震設防的理念、發展方向、遵循原則以及工程建設中應注意的事項，對工程建設頗有警示意義。

房屋震害；震害分析；建筑抗震；抗震救災

1 前言

2008年5月12日，四川汶川發生了M8.1級特大地震，直接經濟損失8451億元人民幣，直接遇難人數69，197人，失蹤人數18，341人。時隔不到兩年，2010年4月14日，青海玉樹又發生M7.1級強震，據統計已遇難2，197人，失蹤175人，受傷12，135人，直接經濟損失尚未公告。這兩次地震檢驗了中國人面對突如其來天災的精神和整個國家的應急機制，展顯了中國社會制度優勢。然而，地震是一面鏡子，也是一部生動的教科書，我們需要從這兩次地震中總結經驗與教訓。

2 提高現行建設工程抗震設防標準，擴大抗震設防范圍，修訂“三水準”的抗震設防目標

地震發生時，房屋一改平日里安居和溫馨的空間功能，變成了殘害主人生命的殺手和惡魔，說明地震災害的主要屬性是土木工程災害。提高我國現行建設工程的抗震設防標準，擴大抗震設防范圍，修訂“三水準”的抗震設防目標，理由如下。

2.1 借鑒抗震設防先進國家經驗

1994年1月17日，美國加州北嶺發生M7.1級地震，美國在總結地震經驗后認為，城區發展和經濟建設的中長期規劃沒有保證城市的安全。隨后，美國對建筑抗震標準進行了重新評估。1995年1月17日，日本阪神發生M7.2級地震，事后，日本認為對神戶地區的地震危險性認識不足。日本隨后將城市防災規劃中的設防烈度范圍擴大到5度，同時，對原地區的建（構）筑物的抗震設防標準提高。智利的法律規定所有建（構）筑物不得低于烈度9度進行防震設計。其實，我國在經歷了歷次大地震后，也在不斷改革和發展建筑抗震設防的標準和理論。如：1966年邢臺地震后，提出了“基礎深一點、墻壁厚一點、屋頂輕一點”的概念；1976年唐山地震后，創造了磚房加“構造柱圈梁”技術；1989年發展為至今“小震不壞，中震可修，大震不倒”的“三水準”抗震設防目標。

從近年世界各地發生的一些地震來看，美國、日本、智利等抗震設防先進國家，發生M6級地震基本做到了"零死亡"，發生M7甚至M8級地震只造成極少數的人員傷亡和較輕的社會影響。究其主要原因，是這些國家的防災減災的意識強，抗震設防的目標高。

2.2 改變我國工程建設現狀的需要

抗震設防目標的制定，取決于現有的技術水平和經濟發展水平，并涉及國家的抗震防災政策。過高的抗震設防目標，將超越現實經濟條件的可能；過低的抗震設防目標，則不能使工程、設施具備必要的抗震能力。它是在綜合考慮地震環境、地震動參數，選擇準確性與適用性、建設工程的重要程度、允許的風險水平及要達到的安全目標和國家經濟承受能力等因素的基礎上確定的。

以前，我們總認為，對于罕遇的強烈地震（即M＞8的特大地震），其發生的可能性小，當遭遇到這種地震時，要求做到結構不受損壞，這在經濟上是不合算的。這種觀點應當改變。因為以人為本，人的安全是首要地位；再說，我們的地殼差不多每時每刻都在震動，只是級別小的震動我們無所感而已。特大地震盡管在短期內遭遇的概率小，但只要延長觀察期限，它的遭遇幾乎是肯定的。正是由于特大地震毀滅性，無論在損失程度上，還是在損失范圍上都很大，所以更不能讓其泛濫。我們說建造房屋如同百年大計，質量第一，安全第一，抗震防災第一就是其中的道理。雖然抗震設防目標的提高涉及財力，但我們往往重視房屋的“舒適度”而忽視房屋的“安全度”，我們往往愿意把大量財力投入到房屋裝飾，卻不愿意把錢花在抗震設防上。其實，我們建造房屋的目的是為了獲得一個安全舒適的生產、生活場所，安全是根本，舒適是錦上添花。只有房屋安全了，舒適才有保障。因此，在財力一定時，建房時將錢花在抗震設防上要比花在裝璜裝飾上劃算得多，合理得多。亡羊補牢，不如防患未然；與其地震災害損失幾萬個億元，倒不如將這幾萬個億元用于抗震設防上；與其災后幾萬個億元的援建，倒不如事先把幾萬個億元用在房屋的加固與改建上。

另外，目前我國工程建設的決策權不在專家手里，而是地方官員和發展商“一句定千秋”。大量工程項目可行性研究，在地方政府和規劃、審批部門預先設定的框架范圍內專家們才進行反向論證。往往只能通過削減結構工程、降低標準等手段，來使得整個建設投資控制在預算額度內，這在客觀上削弱了建設工程的抗災能力。抗震設防標準提高后，就可以抵消他們所降低的那部分，影響會少些。

2.3 “三水準”未提特大地震，“大震不倒”不能應對特大地震

我國“89規范”對新建工程的抗震設防目標要求是：“（M= 2～4）小震不壞、（M＞5）中震可修、（M＞7）大震不倒”，一直應用到現在，已經20年了。按科學發展的觀點，現在已經是修訂抗震設防目標“三水準”的時候了。隨著我國的經濟發展和技術水平提高，應該關注和考慮特大地震。因為現行抗震設防目標未提特大地震，所以它應予以修訂。建議抗震設防目標修訂為：“中震不壞，大震可修，特大震不倒。”

“89規范”描述的結論：在中國地震烈度區，基本烈度按50年限期（即建筑使用年限）內，一般場地條件下，可能遭遇超越概率為10%的地震烈度。罕遇地震烈度可能遭遇超越概率為2%～3%的地震烈度。多遇地震烈度可能遭遇超越概率為63.2%的地震烈度。這些都是以前統計分析的結論。但從1966年M7.2級的邢臺地震，到1976年M7.8級唐山地震，又到2008年汶川M8.1級地震，再到2010年玉樹M7.1級強震，幾乎每10～30年發生一次大地震，且又臨界特大地震，所以特大地震所面臨的現實概率不容忽視。“大震不倒”的目標，顯然不能應對特大地震。汶川和玉樹地震的發生，證實了地震頻度和強度增加，引起了原全國各地若干地區發生地震統計所定超越概率、地震環境的變化。僅2010年1月至今，發生5級以上地震就有：1月1日，西藏5.0級，1月31日，四川、重慶市交界處5.0級，2月18日，吉林省與俄羅斯交界處6.5級地震，2月25日，云南5.1級，3月24日，西藏5.7級，4月14日，青海玉樹7.1級。此外，1月5日，臺灣5.5級，1月19日，臺灣5.6級，2月22日，臺灣5.1級，2月26日，臺灣5.1級，3月4日，臺灣6.7級。既然地震動參數選擇準確性與適用性存在問題，那么，抗震設防目標、標準隨之修訂也就理所當然。

2.4 “三水準”的說法容易混淆，缺乏科學性、準確性

地震震級是衡量一次地震釋放能量大小的等級。通常由里氏震級表示，它是利用標準地震儀距震中100 km處記錄的最大水平地面位移（振幅）的常用對數值。地震烈度是指地震時在一定地點震動的強烈程度。一次地震只有一個震級，但可以對應無數個烈度。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低，烈度決定地震對建筑物造成的破壞程度。若按《建筑抗震設計規范》、《中國地震動參數區劃圖》，對照本地區建筑物的地震設防烈度進行設計，只有地震的實際烈度不超過該設防烈度時才是安全的；當實際烈度超過該設防烈度則不安全。所以說由于實際烈度不確定，因此帶來抗震設計地震動參數選擇的烈度實際是參考值，當實際烈度超過這個參考值后會出現安全問題。

由于震級與烈度之間存在一個絕對距離，而在一次地震中，同一結構的建筑，如果距震中的距離不同，則有的倒塌，有的不倒塌，這就很容易混淆“大震不倒”的概念。在不同的區域，抗震設防目標“三水準”，則有的顯得標準高，有的顯得標準低，因此說抗震設防目標“三水準”的說法還缺乏科學性、準確性。

2.5 實際地震烈度高于設計時選擇的烈度參考值（預計的設防烈度）現象已經發生

從“5.12”汶川地震考察發現，震中三江地區的地震烈度達到了空前的11度，綿陽、都江堰的地震烈度超過8度，而該地各種建筑物的抗震設防烈度只有7度。自有地震記載以來，汶川縣附近200公里范圍內，發生過八次7級以上地震。其中，1933年茂汶北疊溪就發生過7.5級地震，極震區烈度達到10度。事實證明“按烈度6度開始抗震設防”選值范圍窄了，“按本地區抗震設防烈度提高1度作為設計值”標準低了。

2.6 稍微提高一下目標、標準，不是什么超前，也不是沿襲硬抗舊思維，更不是反對隔震減震技術。《建筑抗震設計規范》把地震動參數值和長期習慣使用的地震烈度對照為（表1）：

表1

《建筑抗震設計規范》從國家基本建設政策和技術上講，是建筑工程抗震設計的基本依據，是建筑抗震安全性儲備的最低標準，是建筑抗震設防必須遵循的“底線”，注冊結構工程師對任何建筑抗震設計的標準只能滿足或高于該規范的要求，不允許低于該規范規定的要求。正如前面所述，設計者受工程項目決策者的限制往往就是采取這個“底線”，稍微提高一下標準，可以保證安全系數。

從抗震設防三個環節來講，確定建筑物必須達到的抗御地震災害的能力，即確定抗震設防目標要求是第一位；其次是抗震技術、抗震設計，采取基礎、結構、材料等抗震措施，達到抗震設防要求；再次是抗震施工，嚴格按照抗震設計施工，保證建筑質量。如果抗震設防的目標都不高，又怎么能引導抗震防災的發展呢？

反對者認為，提高抗震設防目標、標準不如采用隔震減震新技術，是沿襲硬抗舊思維。作者認為目前的隔震減震技術不是什么新思維，而是仿效鐵路橋的結構（橋片與橋墩的隔震、減震），我國古代一些木結構（塔、寺）技術進行隔震減震的，只不過新應用到現代房屋上而已。因此，我們不能講“放”的辦法就否定或忽視“抗”的辦法。美國、日本、智利等國已經推廣使用隔震減震技術的同時，不也是把抗震等級標準逐步提高了嗎？作者主張把建筑物的抗震等級從6度提高到7度或8度，不反對隔震減震技術。我們不苛求每一幢建筑都具有高等級的抗震設防標準，但至少要有重點公共建筑、保障性建筑需要提高抗震設防標準，以此保障地震災難發生后能夠為人們提供緊急避難所。

3 建筑抗震設防需要傳統抗震技術與隔震減震技術結合，抗放相濟

傳統的抗震技術是以結構本身的抗震性能來抵御地震作用，以結構進入彈塑性狀態，產生破壞為代價耗散地震能量，來實現抗震設防目標；它是根據牛頓力學理論，使建筑自身慣性力、阻尼力和彈性力與地震作用下的動力達到平衡，來保證地震發生不導致建筑物垮塌。這是通過加強構件，提高建筑物整體剛度來實現抗震設防目標的，是一種“抗”的辦法。具體抗震設計是按《建筑抗震設計規范》、《中國地震動參數區劃圖》，對照本地區建筑物的地震設防烈度、設計基本地震加速度，結合建筑所在地的地基場地土類別，確定該建筑抗震設計的基本參數進行的。上面已述，該辦法由于實際烈度不確定會帶來抗震設計地震動參數選擇的不確定，存在超烈度后會出現安全問題。地震動參數來源于以往統計或經驗。也存在只保護結構，不保護結構里面的設備、儀器、裝修的缺點；由于是通過增大受力面積、增加梁和柱的體積來提高建筑結構的整體剛度，因此在一定意義上說存在不經濟缺點。

隔震技術是利用以柔克剛的辦法，采用切斷地震產生的沖擊力的原理。在建筑物的底部（如地基與立柱之間）采用橡膠墊支承（隔震裝置）作為一個柔軟層，將建筑物整體有機地隔離成兩個受力體系，由直接傳遞轉化為間接傳遞。通過調整動力傳輸，變形集中，使地震的時候處于彈性狀態，緩減地震力。地震發生時，建筑物可以沿水平方向微小運動，使頂上的結構所承受的震力被低層的隔震層阻隔而降小，加速度反應降低。因而隔震技術不但保護了結構，也保護了結構內部的設備、儀器和裝修，可以大大延長建筑的自振周期。目前隔震技術的關鍵是隔震裝置用橡膠制作，雖然通過對橡膠添加抗老化劑，外包保護層可以延長壽命，但還是要老化，不能保證50年。目前隔震技術雖然在美國、日本、英國、澳大利亞、智利等國應用較多，但不是全部工程。

減震技術是在建筑物的底部增設阻尼器（消能器），利用阻尼能夠將地震的動能轉化為熱能或摩擦耗能的原理，耗散地震輸入的能量，降低結構的地震反應，是一種“放”的辦法。

從作者以前參加四川災區援建所察情況來看，有些設置了圈梁和構造柱約束砌體結構破壞較嚴重，反而未設置圈梁和構造柱的無筋砌體房屋卻無明顯震害。一些以簡陋的現代化手段新建的仿古建筑大多都在地震中毀塌，但一些用傳統方法進行修建保存了數百、上千年之久的古文物建筑卻未見倒塌。所以認為砌體結構房屋抗震性能最差，這種看法值得商榷。上述現象說明當房屋整體性較好且具有合適的整體剛度時，在地震作用下房屋可以通過協調變形、在一定范圍內的震動等方式來消耗一部分地震能量。它啟示我們，抗震設防完全靠“抗”，不是最佳辦法。

如果完全靠“放”的辦法也不行。一是因為隔震減震技術將建筑物整體隔離成兩個受力體系，一方面由于以柔克剛，耗散地震輸入的能量，降低上部結構的地震反應；而另一方面由于增加彈性，上部結構彈動也要求建筑物的整體性高。二是因為從“抗”到“放”需要一個過程，這個過程既需要設計人員的思想觀念適應，施工技術人員的學習掌握，投資者對其的正確認識，目前來說也不現實。因此建筑抗震設防要傳統抗震技術與隔震減震技術結合，抗放相濟，更加合理合情。

4 建筑物抗震設防要樹立“強柱弱梁”理念

從我以前參加四川災區援建對比“小柱大梁”與“大柱小梁”情況來看，框架柱斷面小于梁斷面尺寸的房屋完全坍塌或損壞嚴重。這些房屋的框架柱柱頭節點破壞嚴重，混凝土被壓碎，鋼筋壓彎屈服，形成了柱鉸破壞機制，而一些梁沒有損壞。框架柱斷面大于梁斷面尺寸的房屋，只是局部裂縫，結構完整無損，雖房屋損壞但未倒塌。分析原因：一方面，柱是框架的豎向構件，是框架結構中最主要的承重構件，地震時柱破壞和喪失承載力比梁破壞和喪失承載力更容易引起框架倒塌；另一方面，柱為偏壓構件，其截面變形能力遠不如以彎曲作用為主的梁。再一方面，柱節點的箍筋對混凝土沒有形成約束，也不能防止縱向鋼筋壓屈，必然造成框架柱節點脆性破壞。因此，建筑物抗震設防要樹立“強柱弱梁”的理念。

5 建筑物抗震設防不能忽視結構造型的作用

從作者以前參加四川災區援建對比“房屋平面不規則”與“房屋平面規則”情況來看，那些房屋平面不規則，凹凸明顯，形成薄弱連接，整體剛度差的砌體結構房屋受到嚴重破壞。分析原因認為：形狀簡單、方正的建筑抗震能力要強。因為簡單方正的建筑，自重布置勻稱，協調變形能力強。房屋平面不規則，凹凸明顯，剛度變化多；局部突出或外部輪廓曲折的建筑其協調變形能力差，抗震能力就差。因此，建筑物抗震設防不能忽視結構造型的作用。

6 工程建設中其他涉及抗震救災問題

6.1 城市大型綠地建設規劃要考慮緊急避難需要

根據以前參加四川災區援建親身體會，到了災區援建面對的首要問題是住下來，聯想到地震等災害來臨，需要空曠、平整、足夠面積的平地作為安置災民、緊急治療和空中降落的場地。所以一個城市必須建設有相應的緊急避難所。除學校、重要公共建筑、公園和大型公共廣場可作為避難所外，城市大型綠地則是最佳的選擇了。因為在城市綠地中，建筑物少而低矮，綠化面積大，一般地震發生后，部分樹木不致倒伏，不僅可以利用樹木搭建帳篷，而且還便于空投。平時它不僅可以作為美化城市環境的場地，而且在地震發生時還可以充當地震橫波的隔離帶，成為居民緊急避難的臨時棚戶居住場地，因此，城市應該有足夠的綠地，城市大型綠地建設規劃要考慮緊急避難需要，地下需要配備生活用上下水管、電線等設施，地上需要設置公用電話、消防器材、水井口等。

6.2 城市道路建設規劃要考慮救災需要

災區援建面對的第二問題是公路嚴重堵塞，進不去，因此當地震等災害來臨，道路就是時間線、生命線。考慮災害發生救援的需要，同時緩解城市公路嚴重堵塞的問題，在城市道路建設規劃時就應事先考慮救災因素。如果在城市公路上分段設置平臺，這個平臺平時作為停車或會車場地，作為疏通局部車流量的重要緩沖區，就可以緩解城市公路嚴重堵塞的問題，且在地震等災害發生時則可以充當實施空中救援的平臺，還可以成為大型機械的臨時組裝地。

7 結束語

本文憑借作者參加四川災區援建所察和對玉樹地震救災人員的調查，得到了一些啟示，產生了聯想，希望能夠有益于工程建設的警示和抗震設防的研究。借此機會呼吁所有從事工程建設的技術人員把“關愛生命”作為自己的社會職責，用我們的智慧和知識，為人民提供更多的經得起歷史檢驗的建筑產品和道路橋梁。

[1]GB50011-2001，建筑抗震設計規范[S].

[2]郭繼武.建筑抗震設計[M].中國建筑工業出版社，2006.10-14.

[3]盛驟，等.概率論與數理統計[M].高等教育出版社，2001.

[4]張敏政.汶川地震中都江堰市的房屋震害[J].地震工程與工程振動，2008，28（3）：1-6.

[5]范立礎，卓衛東.橋梁延性抗震設計[M].北京:人民交通出版社，2001，5-16.

責任編輯：余詠梅

Reflection on Engineering Construction in Earthquake Disaster

In this paper，based on an investigation of the ruined buildings in Sichuan and Yushu earthquake areas，the authors have taken into consideration the revision of aseismicity goal buildings.The concerning theories，standards governing the rules of aseismicity buildings have been discussed.It may be helpful for construction buildings in the future anti-seismic designs.

building seismic damage;seismic damage analysis;building aseismicity;earthquake relief

TU352

：A

：1671-9107（2010）10-0021-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.10.021

2010-6-25

張旭（1984-），男，重慶交通大學碩士研究生，主要研究方向為工程力學、結構工程，

張奔牛（1975-），男，博士，教授，碩士生導師，國際結構健康監測協會（ISHMII）會員，國際頻率傳感器協會（IFSA）會員，重慶交通大學交通信息工程與控制研究所所長。