建設韌性城鄉的技術途徑1

郭 迅 王 波

1）防災科技學院，河北三河 065201

2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

引言

韌性城鄉的關鍵問題是韌性，與之對應的英文是“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）。隨著時代的發展，韌性一詞也被廣泛應用于各類學科中。社會生態學家將這一概念應用到城市研究中，認為韌性城市必須具備多樣性、變化適應性、模塊性、創新性、迅捷的反饋能力、社會資本的儲備以及生態系統的服務能力（Allan等，2011；邵亦文等，2015；徐江等，2015）。21世紀初，美、日科學家在地震工程學科中引入韌性概念，其主要含義是指城鄉遭遇中強地震時基本無破壞；遭遇強烈地震時，破壞很小，在短時間內城鄉交通、通訊、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；Klein等，2003）。要實現韌性城鄉的目標，核心是使城鄉房屋建筑以及為交通、通訊、供電等系統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”。

全球2個主要地震帶（環太平洋地震帶和歐亞大陸地震帶）共同影響中國，造成中國地震多發且分散，地震傷亡人數占全球的比例超過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，與此相關的工作統稱為震害防御，這是實現韌性城鄉的必由之路。

韌性城鄉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、地震烈度區劃圖編制、政策法規的制定和貫徹等。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劃、工程建設場地地震安全性評價和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、大壩等工程結構在遭遇強烈地震作用時不倒塌，從而避免人員傷亡。

1 中國地震災害特點

中國幅員遼闊，地震多發且分散，歷史上經濟欠發達，多數房屋結構缺少基本的抗震能力，因而中國震害呈現小震成災、大震巨災的特點。通過對1900年以來的破壞性地震及其災害數據進行匯總統計，將世界上各主要多震國家的震害進行比較，結果如圖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量總和做分子，計算出的1個無量綱數。震亡比大表明該國家震害嚴重。從圖1可以看出，比中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，中國和印度相當，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，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費投入比例與先進國家相比低得多。

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

地震災害的主要表現是人員傷亡，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2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、砂土液化、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”，包括設防水準過低、結構體系選擇和結構布置失當、設計規范失誤以及建筑選址不當等。諸如滑坡、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可概括為4個方面，即“散”、“脆”、“偏”、“單”。

（1）“散”主要體現在：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（圖2）；③門窗洞口兩側無構造柱（圖3）；④砌體砌筑質量差，砂漿強度不足；⑤橫墻間距過大；⑥砌筑縱或橫墻長度超過3m而無構造柱；⑦有未經專門抗震設計的圓弧狀填充墻（圖4）。

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

圖3 窗間墻內未設置構造柱 Fig.3 No constructional column in the wall between windows

圖4 不當設置的圓弧狀填充墻 Fig.4 Infilled walls with circular arc

（2）“脆”主要體現在：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紅磚；③存在短柱（圖6）；④強彎弱剪、弱節點強構件；⑤有構造不良的圍墻、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 因短柱效應引起的破壞 Fig.6 Damage caused by short-column effect

（3）“偏”主要體現在：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（圖8）；③平面布局里出外進，如“L”、“T”、“Y”等形狀；④立面布局蜂瓶細腰，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構前臉破壞嚴重Fig.7 Damage of frontage wall for different stiffness of each longitudinal wall

圖8 不當設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（圖9）；②砌體結構圈梁、構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（映秀和北川）仍有一批表現相當“頑強”的建筑，通過深入剖析這些“榜樣建筑”的構造特點，可以發現它們無一例外很好地遵循經典力學原理，在構造上呈現“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，將極大地提升中國整體抗御地震災害的能力。

自2008年汶川地震后，筆者一直專注于極震區倒塌與不倒塌房屋構造上的差別，通過30余次振動臺試驗探討了決定房屋倒塌的關鍵因素。結果顯示，底商多層砌體房屋各道縱墻剛度、抗力均衡、多層框架結構配以適當的落地剪力墻，完全可以抗御8.0級地震而不倒。進而可以設想，對于與Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度相當的地震動，不必將其作為抗震設防的對象，而把房屋結構自身的“散”、“脆”、“偏”、“單”作為設防的對象而加以克服，就可以實現“七級不壞，八級不倒”。

圖9 層屈服機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 工程抗震技術發展沿革

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，誕生了抗震設計的靜力法。1933年，美國長灘地震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，對地震破壞的本質認識更加深入。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的學科——地震工程誕生了。從1964年開始，由于電子計算機技術的發展，專家學者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，技術進步明顯，但因操作復雜而難以大面積推廣應用。從1990年開始，美國學者又提出了“性態抗震設計方法”，這一方法區別對待重要性不同的結構在遭遇強震作用時的表現，比如學校和醫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，美國學者提出了韌性（Resilience）建筑的設計理念，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具有很強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發展規劃時就列入了與震害防御相關的課題，如中國地震烈度表和中國地震烈度區劃圖、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1本抗震設計規范（草案）于1964年頒布，1978年頒布了正式版，即《工業與民用建筑抗震設計規范》。這2本規范均以反應譜理論作基礎，考慮了場地條件的影響，強調構造措施的必要性。1966—1976年是中國災難深重的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為最成功的1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范，這一措施至今在中國乃至全世界仍發揮重要作用。

1989年的《建筑抗震設計規范》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。

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年又分別發生了玉樹地震和蘆山地震。詳細考察表明，中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與設計規范的預期有明顯差異。以常見的鋼筋混凝土框架結構為例，規范中以“層屈服機制”作為抗倒塌設計依據，在具體設計中人為實現“強柱弱梁”，然而震后從未發現過“強柱弱梁”，這表明規范所依據的結構倒塌機理與實際并不相符（郭迅，2018）。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，近年來的幾次大地震中，即使是極震區，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等）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行規范按照Ⅶ度或Ⅷ度進行抗震分析、驗算的做法進行反思。規范所期望出現的震害現象沒見到，規范未預料到的超強抗震表現卻屢見不鮮。事實表明，現行規范對中國常見建筑結構的地震倒塌機理的認識還不夠完善，技術供給與現實需求有巨大差距。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。

4 工程抗震新技術

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的。為此，工程界提出2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施損毀的原因。

隔震是將工程結構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），以此延長結構的基本振動周期（圖11），避開地震動的卓越周期，減弱地震能量向結構上傳輸，降低結構的地震反應。由工程經驗來看，多層框架結構經隔震以后，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構的地震作用降低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。

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

圖11 設置隔震支座以延長結構自振周期 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歷了地震考驗，表現出卓越的抗震性能。在中國2013年蘆山地震中，人民醫院因為采用了隔震技術（圖12），不但沒有人員傷亡，內部的核磁共振、彩超、X光機等精密醫療設備也沒有任何損傷，醫院成為震后傷員救治中心（圖13）。

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

圖13 震后蘆山縣人民醫院 Fig.13 Lushan hospital after the earthquake

（2）消能減震技術

消能減振是指在結構中設置阻尼器或阻尼構件，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的技術。在地震往復荷載作用下，結構發生以位移、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，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，可以增加結構的等效阻尼比（圖15），從而減小結構的地震響應，減輕甚至避免結構的破壞（張敏政，2015）。

圖14 鋼滯變阻尼器安裝現場 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 當前韌性城鄉建設工作的主要抓手

中國城鄉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“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）技術標準的建立：將最新實用技術（如“散”、“脆”、“偏”、“單”評估法）寫入行業標準，以利推廣應用。

（2）技術標準貫徹落實：在城市新建建筑結構的設計施工過程中嚴格遵循新標準。

（3）既有建筑的篩查：依據設計標準的技術原理和操作流程，分期分批推進城鄉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。

6 結論

中國地震災害形勢依然嚴峻。以韌性城鄉為標志的新時期防震減災目標成為業界共識。韌性城鄉的主要特點是城鄉、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，城鄉基本功能也能很快恢復。建設韌性城鄉，首先需要對城鄉抗震能力的現狀進行科學評估。基于震害類比、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。