城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施韌性提升理論與方法

顧祥林，余倩倩，姜 超，劉凌瀚，盧晨琛

(1.工程結(jié)構(gòu)性能演化與控制教育部重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學建筑工程系，上海 200092)

隨著我國城市化進程的推進，城市系統(tǒng)日漸復(fù)雜，人員和社會財富高度集中，如不能有效應(yīng)對災(zāi)害將會產(chǎn)生無可估量的損失。《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》明確指出“建設(shè)韌性城市”。由不同建筑、特種結(jié)構(gòu)、高架橋梁和地鐵交通網(wǎng)絡(luò)等組成的土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是現(xiàn)代城市的重要組成部分，保證其韌性是建設(shè)韌性城市的關(guān)鍵。土木工程基礎(chǔ)設(shè)施在其服役周期內(nèi)可能面臨突發(fā)的或短暫的災(zāi)害性作用，如地震、強風、火災(zāi)、爆炸等，使其性能突變甚至失去功能。同時，在長期環(huán)境作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的性能還會因材料劣化、鋼筋/鋼材銹蝕等影響而逐漸退化。環(huán)境作用和災(zāi)害作用的耦合又會加劇土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的性能恢復(fù)和提升難度(圖1)。為應(yīng)對這一嚴峻挑戰(zhàn)，必須綜合考慮多災(zāi)害作用和復(fù)雜環(huán)境作用，大幅提高城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的韌性，即提高其主動防止災(zāi)害發(fā)生、減輕災(zāi)害損失和迅速恢復(fù)災(zāi)后使用功能的能力。

圖1 多災(zāi)害和環(huán)境作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施性能退化與恢復(fù)、提升Fig.1 Degradation,recovery and enhancement of performanceof civil engineering infrastructures under multiple hazardsand environmental effects

實現(xiàn)這一目標的理論基礎(chǔ)就是要建立多災(zāi)害作用下城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的韌性提升理論和方法。因此，迫切需要解決提升城市基礎(chǔ)設(shè)施韌性背后的基礎(chǔ)科學問題，深入研究多災(zāi)害及復(fù)雜環(huán)境作用下單體結(jié)構(gòu)與土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變演化機理、災(zāi)變控制方法及韌性提升理論。

1 多災(zāi)害作用與復(fù)雜環(huán)境作用

20世紀以來，全球地震、強風、火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害事件頻發(fā)。其中，有的災(zāi)害以單一的形式出現(xiàn)，如強風、爆炸；有的則是由某一單一災(zāi)害引發(fā)或并發(fā)其他災(zāi)害，如地震引起火災(zāi)或者爆炸等多重災(zāi)害。多種災(zāi)害伴隨發(fā)生而形成的災(zāi)害組合場景對城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的破壞以及所帶來的經(jīng)濟損失巨大，日益引起人們的高度重視。此外，長期服役過程中，結(jié)構(gòu)易受到環(huán)境中腐蝕介質(zhì)侵蝕，造成性能下降，災(zāi)害風險進一步增加。認識多災(zāi)害作用和復(fù)雜環(huán)境作用是開展結(jié)構(gòu)致災(zāi)機理研究和韌性評估的重要前提。

1.1 多災(zāi)害作用

土木工程基礎(chǔ)設(shè)施在服役過程中，會面臨多重作用的風險，包括短時突發(fā)災(zāi)害(如地震、強風、火災(zāi)、爆炸等)和長期環(huán)境作用(如混凝土碳化、氯鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕等)。近年來，結(jié)構(gòu)單體及其組成的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在多重災(zāi)害作用下的韌性和風險研究開始逐漸得到關(guān)注[1-5]。根據(jù)災(zāi)害屬性，多重災(zāi)害可分為并發(fā)和繼發(fā)災(zāi)害。并發(fā)災(zāi)害(concurrent hazards)指多重災(zāi)害在同一時間發(fā)生或持續(xù)時間有重疊；繼發(fā)災(zāi)害(cascading hazards)指某個災(zāi)害觸發(fā)、增強或擴散其他災(zāi)害?；跒?zāi)害效應(yīng)的相關(guān)關(guān)系，一種災(zāi)害可通過改變物理構(gòu)件的基本屬性或功能同其他災(zāi)害產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。進一步地，可根據(jù)災(zāi)害效應(yīng)的相互放大或抑制作用，將災(zāi)害分為加劇災(zāi)害(amplifying hazards)和衰減災(zāi)害(dim inishing hazards)。多災(zāi)害作用如對于某設(shè)計參數(shù)的選取產(chǎn)生相悖的結(jié)論，則稱兩者為競爭災(zāi)害(competing hazards)；相反，如考慮某種災(zāi)害作用得到的設(shè)計參數(shù)，對抵抗其他災(zāi)害作用有益處，稱兩者為補充災(zāi)害(complementary hazards)[5]。由此，目前按抗單一災(zāi)害設(shè)計的結(jié)構(gòu)在面臨多災(zāi)害作用時可能得到不一致甚至完全相反的結(jié)果；僅單獨考慮土木工程基礎(chǔ)設(shè)施在服役周期中可能遭受的多個災(zāi)害作用，而不考慮災(zāi)害作用之間的相關(guān)關(guān)系對基礎(chǔ)設(shè)施的影響，會導(dǎo)致結(jié)果和預(yù)期目標間有大的差距。

在計算并發(fā)災(zāi)害相遇概率時，如果基于兩種災(zāi)害相互獨立的假設(shè)，可根據(jù)兩種災(zāi)害各自的概率分布、持續(xù)時間等參數(shù)，基于獨立性原理由全概率公式推導(dǎo)得到。已有研究對地震-洪水沖刷、洪水沖刷-重卡車荷載、地震-重卡車荷載三類并發(fā)災(zāi)害相遇概率計算進行了初步討論[6]，但是該計算方法僅適用于重現(xiàn)期短的災(zāi)害，且在計算中低估了災(zāi)害的持時和發(fā)生次數(shù)。在此基礎(chǔ)上，有學者建立了考慮災(zāi)害發(fā)生次數(shù)的并發(fā)災(zāi)害相遇概率模型[7](圖2)，較之前的方法大大提高了計算準確性。但是，計數(shù)過程需借助災(zāi)害的重現(xiàn)期，只能粗略反映災(zāi)害的強度特征。近年來，廣泛運用于金融、保險等領(lǐng)域的相關(guān)分析的Copula 函數(shù)被用于建立兩種災(zāi)害強度的聯(lián)合概率分布[8](圖3)，在考慮災(zāi)害之間相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析并發(fā)災(zāi)害的強度特征。

圖2 地震-強風相遇概率計算(中國臺灣花蓮地區(qū))Fig.2 Encounter probability of concurrent earthquakesand strong w inds(Hualian,Taiwan,China)

圖3 基于Copula 函數(shù)的震級-風速聯(lián)合概率分布(中國臺灣花蓮地區(qū))Fig.3 Copula-based joint probability density function of earthquakemagnitude and w ind speed (Hualian,Taiwan,China)

相對于并發(fā)災(zāi)害的分析，對于繼發(fā)災(zāi)害的研究較少，大多集中在地震引發(fā)火災(zāi)，一般基于兩類方法展開。第一類是采用回歸統(tǒng)計方法研究地震繼發(fā)火災(zāi)次數(shù)，給出地震后建筑發(fā)生火災(zāi)率；基于歷史數(shù)據(jù)回歸統(tǒng)計的方法易于使用，但未涉及繼發(fā)災(zāi)害的觸發(fā)機理[9]，普適性較為有限。第二類采用事故樹[10]等方法進行地震繼發(fā)火災(zāi)危險性分析；基于事故樹分析方法在基本事件的權(quán)重和概率的選取上往往依賴經(jīng)驗或歷史數(shù)據(jù)，在分析復(fù)雜繼發(fā)災(zāi)害系統(tǒng)問題時基本事件和最小割集數(shù)量龐大，若進行近似和截斷，會導(dǎo)致評估結(jié)果、基本事件重要度大小及排序存在偏差。

1.2 復(fù)雜環(huán)境作用

在環(huán)境的長期作用下，城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)會逐漸發(fā)生性能退化，其抵抗多種災(zāi)害的能力也會隨之降低。結(jié)構(gòu)承受的環(huán)境作用可分為環(huán)境氣候作用(溫度、濕度等)和環(huán)境侵蝕介質(zhì)作用(CO2、Cl-等)。兩者均具有顯著的時空變化特征[11-12]。

以混凝土結(jié)構(gòu)為例，環(huán)境中二氧化碳或氯離子侵入混凝土，引發(fā)其中鋼筋銹蝕，進而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能退化(圖4、圖5)。實際上，環(huán)境侵蝕介質(zhì)作用是引發(fā)結(jié)構(gòu)性能退化的直接誘因，而環(huán)境氣候作用能顯著影響環(huán)境侵蝕介質(zhì)的作用過程。因此，環(huán)境中溫度、濕度、CO2、Cl-等作用及其對結(jié)構(gòu)的影響受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[11]。

圖4 海洋大氣環(huán)境下某服役10年混凝土結(jié)構(gòu)的碳化深度和氯離子含量Fig.4 Carbonation depth and chloride ion content of a concrete structure subjected tomarine atmospheric environment for 10 years

圖5 不同平均銹蝕率ηs下銹蝕鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Stress-strain relationship of corroded steel barsand tendonsw ith different corrosion degrees

在環(huán)境溫度作用下，混凝土內(nèi)部會形成溫度場，從而影響混凝土中水分傳輸、碳化、氯鹽侵蝕、鋼筋銹蝕等過程?；炷恋臒醾鬏斉c其飽和度、荷載損傷程度以及骨料-砂漿界面熱阻等因素密切相關(guān)[13]。在環(huán)境濕度的作用下，混凝土中水分發(fā)生相變和遷移。混凝土中的水分傳輸不僅會帶動溶于其中的侵蝕介質(zhì)(如Cl-)遷移，還會改變混凝土的飽和度從而影響侵蝕性氣體介質(zhì)(如CO2等)擴散。國內(nèi)外學者對混凝土的水蒸氣等溫吸附滯后效應(yīng)、水分容量、水分傳輸系數(shù)以及界面過渡區(qū)的傳輸系數(shù)等開展了較為充分的研究，并基于此建立了混凝土的濕傳輸模型，實現(xiàn)了環(huán)境濕度作用下混凝土內(nèi)部濕度分布的預(yù)測[14-15]。此外，考慮到實際工程結(jié)構(gòu)混凝土中的熱傳輸和水分遷移往往同時發(fā)生，熱-濕耦合傳輸規(guī)律的研究也得到了重視[16]。

二氧化碳侵入混凝土內(nèi)部發(fā)生碳化反應(yīng)，降低孔隙水溶液的堿性，引發(fā)鋼筋脫鈍銹蝕，是導(dǎo)致一般大氣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要原因。國內(nèi)外學者對恒定環(huán)境下混凝土的碳化過程已有較為充分的認識[17]。然而，在實際環(huán)境下，溫度、濕度和CO2往往同時作用于混凝土結(jié)構(gòu)，熱-濕耦合傳輸會顯著影響混凝土碳化發(fā)展[18]。氯離子溶于水侵入混凝土內(nèi)部，引發(fā)其中鋼筋脫鈍銹蝕，是導(dǎo)致海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要原因。在飽和狀態(tài)下，氯離子主要以擴散作用侵入混凝土。然而，大氣溫度變化導(dǎo)致的熱-濕耦合傳輸效應(yīng)和海水潮汐導(dǎo)致的水分干濕交替作用，均會對混凝土中氯離子侵蝕過程產(chǎn)生顯著影響[19]。此外，混凝土結(jié)構(gòu)承受的荷載作用也會影響混凝土的碳化和氯離子侵蝕過程[20]。

總體而言，環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)性能退化是多種環(huán)境耦合作用誘發(fā)的。當前國內(nèi)外學者對單一環(huán)境作用及其對結(jié)構(gòu)的影響的研究較為充分，對部分環(huán)境作用的耦合效應(yīng)也有一定認識，但是多環(huán)境耦合作用及其效應(yīng)尚待進一步深入研究。

2 多災(zāi)害作用下單體結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)分析

自從人類完整記錄了El Centro波以來，積累了大量的實測地震動數(shù)據(jù)，深入認識了地震動的規(guī)律和特性，所發(fā)展的反應(yīng)譜理論和動力分析理論能確定結(jié)構(gòu)的地震作用?；馂?zāi)的溫升作用、風荷載引起的風振作用和各種爆炸對結(jié)構(gòu)帶來的沖擊作用通過試驗?zāi)M結(jié)合流固耦合理論目前均已取得較成熟的應(yīng)用。土木工程基礎(chǔ)設(shè)施單體是城市工程系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點，只有準確分析單體結(jié)構(gòu)的災(zāi)變響應(yīng)，才能認識結(jié)構(gòu)的災(zāi)變機理，進而提升單體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的韌性。

2.1 單災(zāi)害作用下單體建筑結(jié)構(gòu)的災(zāi)變分析

強震、爆炸、沖撞等可能引起結(jié)構(gòu)倒塌，嚴重威脅人類生命財產(chǎn)安全。倒塌過程中，連續(xù)(或可以合理地假定為連續(xù))的變形發(fā)展階段只是其中較小的部分，對結(jié)構(gòu)的倒塌機理影響非常有限。隨著結(jié)構(gòu)宏觀裂縫的發(fā)展，其受力機理與連續(xù)介質(zhì)力學的描述相差越來越大。有限單元法一般通過彌散裂縫或離散裂縫等修正方式描述不連續(xù)介質(zhì)，但對于大變形問題，收斂較為困難。同時，在倒塌過程中，脫離整體后的單元，通過碰撞和其他單元發(fā)生相互作用，對于倒塌過程有重要影響。進行結(jié)構(gòu)倒塌反應(yīng)分析時，基于連續(xù)介質(zhì)的方法不能很好地滿足實踐的需要。離散單元法把連續(xù)體離散為剛性單元的集合，用顯式的動態(tài)松弛方法求解單元運動方程，剛性單元之間允許相對運動、接觸和碰撞，不用刻意滿足位移連續(xù)條件和變形協(xié)調(diào)條件，適合于大位移和大變形非連續(xù)介質(zhì)問題分析。目前，基于離散單元法的結(jié)構(gòu)倒塌反應(yīng)計算機仿真分析已取得了較好的效果[21](圖6)。

圖6 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)倒塌過程試驗結(jié)果與基于離散單元法的仿真分析結(jié)果Fig.6 Resultsof shaking table testsand numerical simulation of collapse processof an RC frame structure based on the discrete element method

2.2 多災(zāi)害作用下單體建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)分析

對于高層建筑，地震和強風是主要的控制荷載，除了單一災(zāi)害發(fā)生的情況外，地震和強風并發(fā)災(zāi)害事件也有發(fā)生。建筑結(jié)構(gòu)在地震和強風作用下的災(zāi)變響應(yīng)分析研究較少，一般基于氣象觀測數(shù)據(jù)進行地震和強風荷載模擬并進行隨機組合，地震作用施加在底部基礎(chǔ)而強風荷載時程按高度變化施加在高層建筑各層。結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和易損性隨著地震輸入和風速的增大而顯著增大，地震作用造成了更多加速度相關(guān)的損失，而風荷載造成了更多位移相關(guān)的損失[22-24]。震損后結(jié)構(gòu)的耐火性和受火后結(jié)構(gòu)的抗震性能也有相關(guān)研究報道[25-26]。

多災(zāi)害作用進一步加重結(jié)構(gòu)的損壞程度，甚至引起結(jié)構(gòu)倒塌。在細觀尺度上分析混凝土材料的破損過程，在宏觀尺度上分析地震、爆炸等關(guān)聯(lián)作用下結(jié)構(gòu)的性能退化過程，是揭示多災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)災(zāi)變機理、避免多災(zāi)害作用下建筑結(jié)構(gòu)局部甚至整體垮塌的重要基礎(chǔ)和研究手段。

2.3 單災(zāi)害作用下特種結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)分析

冷卻塔是電廠中應(yīng)用最廣泛的一種散熱冷卻設(shè)備，其厚徑比(殼體厚度比塔體直徑)約為雞蛋殼的三分之一，屬于空間薄殼結(jié)構(gòu)，對風、地震以及其他偶然因素較為敏感。歷史上發(fā)生過多起冷卻塔的倒塌事故。采用合適的分層殼單元，合理確定單元的數(shù)量可對超大型冷卻塔在極端外部作用下(局部爆炸、超強地震作用、強風作用)倒塌模式和倒塌過程作很好地模擬(圖7)，進而揭示塔體結(jié)構(gòu)的破壞機理，指導(dǎo)廠區(qū)規(guī)劃，避免次生災(zāi)害[27- 29]。

圖7 地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)大型冷卻塔倒塌過程試驗結(jié)果和模擬分析結(jié)果Fig.7 Experimental investigation and numerical simulation of collapse process of a reinforced concrete super-large cooling tower under earthquake

影響橋梁結(jié)構(gòu)的主要災(zāi)害作用是地震、風和沖撞。其中，橋梁地震響應(yīng)分析方法主要有Pushover法和動力時程法。前者已經(jīng)從傳統(tǒng)分析方法發(fā)展至多模態(tài)分析方法[30]和自適應(yīng)分析方法[31]。將Pushover 法與反應(yīng)譜法結(jié)合，用能力譜法可進行橋梁結(jié)構(gòu)地震需求分析和結(jié)構(gòu)地震易損性分析[32]。相比于Pushover 法，動力時程法計算成本較高，但是動力時程分析可得到橋梁在不同地震作用下的響應(yīng)時程，較為直觀地反映橋梁動力特性和抗震性能，并且得到結(jié)構(gòu)地震易損性曲線[33]。通過將橋梁結(jié)構(gòu)特征進行分類，并采用各類別中典型橋梁的地震易損性曲線代表同類橋梁的地震易損性，可實現(xiàn)區(qū)域橋梁地震損傷評價[34]，這意味著橋梁地震易損性分析對象已經(jīng)從單體橋梁逐步發(fā)展至區(qū)域橋梁。

2.4 多災(zāi)害作用下特種結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)分析

多災(zāi)害作用下特種結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析必須建立能反映每單一災(zāi)害作用機理的分析模型。例如，對于地震和沖刷組合作用下的結(jié)構(gòu)分析，模型不僅要能反映出地震分析所需的結(jié)構(gòu)動力特性和損傷特征，還需考慮土-基礎(chǔ)之間的相互作用進而計入沖刷的影響[35]。目前常用的等效土彈簧模擬下部樁基模型在考慮單一地震災(zāi)害作用時是足夠精確的，但在考慮地震和沖刷兩種災(zāi)害作用下的響應(yīng)分析就顯得較為粗糙；其次，多災(zāi)害作用并不等同于每種施加在橋梁結(jié)構(gòu)上的災(zāi)害作用的簡單疊加，因為多災(zāi)害作用對結(jié)構(gòu)的影響可能是對單一災(zāi)害作用影響的加劇，也可能是削減[36-37]，如地震和波浪組合作用下，水體對橋墩的附加動水力會放大橋梁的動力響應(yīng)，而在相同重現(xiàn)期下考慮強風與波浪這兩種災(zāi)害之間的相關(guān)性，可以降低橋墩設(shè)計荷載標準。對于繼發(fā)式災(zāi)害作用組合，分析中必須考慮先發(fā)災(zāi)害作用效應(yīng)對后發(fā)災(zāi)害作用效應(yīng)的影響[38]。

由于不同的災(zāi)害具有各自不同的特點，不同災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)的易損部位也不一樣，多災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析首先需要建立能夠反映各種災(zāi)害致災(zāi)機理的分析模型。而這往往涉及復(fù)雜的多場耦合建模、多場約束的本構(gòu)關(guān)系及狀態(tài)方程。

3 多災(zāi)害作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變響應(yīng)分析

對多災(zāi)害作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變響應(yīng)分析，目前的研究與現(xiàn)實需求差距顯著。以地震為例，第一代單體建筑抗震設(shè)計方法基于大量的實測地震動數(shù)據(jù)以及對地震動特性的規(guī)律性認識，發(fā)展了反應(yīng)譜理論和動力理論。第二代單體建筑抗震設(shè)計方法基于結(jié)構(gòu)性能指標，如傷亡人數(shù)、修復(fù)費用、修復(fù)耗時、震后危險等級，進一步完善了相關(guān)內(nèi)容。而在城市地震動力反應(yīng)方面，目前的研究方興未艾。相比多災(zāi)害作用下的單體災(zāi)變響應(yīng)分析，多災(zāi)害作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)致災(zāi)分析需要考慮行波效應(yīng)、風場干擾、火災(zāi)場蔓延、土-結(jié)構(gòu)群相互作用等復(fù)雜因素的影響?；趩误w結(jié)構(gòu)簡化模型的城市動力彈塑性分析方法預(yù)測震害，正在逐步發(fā)展中。然而，多災(zāi)害作用下城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的反應(yīng)及其災(zāi)變機理，比如，地震或爆炸引發(fā)火災(zāi)、地震引發(fā)相鄰建筑碰撞、地震引發(fā)建筑與高架橋碰撞等，目前的認識相當缺乏。多災(zāi)害及其耦合作用下的城市工程系統(tǒng)失效機理與韌性評價有待進一步研究。

3.1 地震行波效應(yīng)

地震地面運動是一個復(fù)雜的時空過程。工程中常用的反應(yīng)譜法和動力時程法假定結(jié)構(gòu)各支點具有相同的地震動，這種輸入方式對于一般的單體結(jié)構(gòu)是可以接受的，但是對于平面尺寸較大的單體結(jié)構(gòu)或土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，忽略地面運動的空間變化可能給結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算結(jié)果帶來較大的誤差。地震動的這種空間變化特征主要表現(xiàn)為以下3個方面：①部分相干效應(yīng)；②行波效應(yīng)；③局部場地效應(yīng)。其中，以行波效應(yīng)為主[39]，且通常不可忽略。行波效應(yīng)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響較為復(fù)雜，受結(jié)構(gòu)特性、地震波特性、傳播方向等多因素影響。對單體結(jié)構(gòu)來說，行波效應(yīng)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大，對結(jié)構(gòu)造成不利影響，如行波方向的位移顯著增大[40]、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大[41]。

行波效應(yīng)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的復(fù)雜性主要緣于結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜性、所輸入的地震動的復(fù)雜性等。關(guān)于多點激勵與一致激勵的比較似乎難以找到很強的規(guī)律性。另外，現(xiàn)階段對行波效應(yīng)的研究主要集中在大跨度橋梁、大跨度空間結(jié)構(gòu)、大壩和地下管道等單體結(jié)構(gòu)，對于在城市區(qū)域震害模擬中考慮行波效應(yīng)影響的相關(guān)研究還較少。

3.2 風場干擾作用

風是大氣邊界層內(nèi)空氣流動的自然現(xiàn)象，其速度和方向具有隨時間和空間變化的特征，是一個隨機場。對于高聳結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度空間結(jié)構(gòu)與大跨橋梁結(jié)構(gòu)等，風荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮的一類重要隨機動力荷載。在進行隨機風場模擬時，往往將此隨機場轉(zhuǎn)換為多個一維隨機向量過程，并采用線性濾波法或諧波疊加法模擬脈動風速隨機過程[42]。而對于結(jié)構(gòu)群或基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，風場由于受到不同結(jié)構(gòu)物間的相互干擾而發(fā)生顯著改變，具體表現(xiàn)為作用在結(jié)構(gòu)表面的風荷載和結(jié)構(gòu)物周圍的風環(huán)境。由于風場干擾作用，結(jié)構(gòu)群的某些局部區(qū)域會出現(xiàn)低風速或高風速區(qū)段。1965年，英國渡橋電廠的8座冷卻塔群中，有3座位于下風向的被5年一遇的大風吹毀(圖8)。事故調(diào)查認為倒塌原因主要歸結(jié)為沒有考慮脈動風作用和群塔干擾效應(yīng)而帶來的設(shè)計強度不足。近年來，不少學者基于Computational fluid dynam ics(CFD)理論對城市區(qū)域風場進行模擬，并結(jié)合實地測量數(shù)據(jù)和風洞試驗對模擬結(jié)果進行驗證與修正[43]；討論風集流效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)物在不同風入射方向和結(jié)構(gòu)物間距下的遮蔽效應(yīng)，探究風場循環(huán)規(guī)律和風舒適度[44]。還有不少學者研究建筑布局形式[45]、建筑間距[46]等因素對于區(qū)域風環(huán)境的影響，并對這些影響因素做出定量評估。但目前關(guān)于區(qū)域風場的研究多是基于CFD理論進行的數(shù)值模擬，對于多因素影響的城市風場致災(zāi)機理的試驗研究較不充分，城市區(qū)域風場的實測數(shù)據(jù)也較為有限。

圖8 英國渡橋電廠冷卻塔倒塌模擬Fig.8 Collapse simulation of cooling towers in the Ferrybridge Power Plant,UK

3.3 火災(zāi)場模擬

火災(zāi)場的模擬方法主要有區(qū)域模擬與場模擬。其中區(qū)域模擬通過假定相應(yīng)物理參數(shù)，根據(jù)物理和化學規(guī)律，推導(dǎo)出相應(yīng)的常微分方程。20世紀80年代，EMMONS[47]開創(chuàng)性地將質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和化學反應(yīng)原理運用于火災(zāi)模擬研究，建立了建筑火災(zāi)的區(qū)域模擬理論。其基本思想是把研究的空間劃分為不同控制區(qū)域，假定其中參數(shù)是均勻的，對每個區(qū)域運用上述基本原理，可得到一組描述火災(zāi)動力學演化的基本方程。區(qū)域模擬方法至今已發(fā)展得比較成熟，運用區(qū)域模擬理論的主要程序有HARVARD、CFAST、FIRST和BRI2 等[48]。有關(guān)地震次生火災(zāi)的模擬，已有基于元胞自動機模型、靜態(tài)burn-zone模型及基于地理信息系統(tǒng)的地震次生火災(zāi)模型[49-51]。地震可能導(dǎo)致建筑體損壞、消防設(shè)施受損、電氣設(shè)備破壞等，從而對火災(zāi)蔓延產(chǎn)生較大影響，HIMOTO和TANAKA[52]進一步考慮了地震動和火災(zāi)對房屋造成的破壞及其對火災(zāi)蔓延的影響，但算例中區(qū)域建筑震害是隨機指定的，并未對如何模擬建筑震害作進一步討論。

3.4 土-結(jié)構(gòu)群相互作用

地震作用下，高層建筑群之間通過場地土的聯(lián)系形成整體，將產(chǎn)生復(fù)雜的土-結(jié)構(gòu)群動力相互作用(Soil-Structure Cluster Interaction，SSCI)。土-結(jié)構(gòu)群動力相互作用的群效應(yīng)是指多棟建筑構(gòu)成的結(jié)構(gòu)群在地震作用下發(fā)生的與單體建筑不同的反應(yīng)，它是由地震波在土中傳遞時在基礎(chǔ)間反射形成的。這種群效應(yīng)除了受土體條件的影響外，與結(jié)構(gòu)群中結(jié)構(gòu)的個數(shù)、間距以及場地動力特性等因素相關(guān)[53-54]。然而，在傳統(tǒng)的地震學和地震工程應(yīng)用中，城市建筑物的存在通常被忽視，地面運動僅考慮震源和場地條件，認為結(jié)構(gòu)在地面運動作用下的響應(yīng)與周圍結(jié)構(gòu)無關(guān)，這種近似在大多數(shù)場合是合理的，但對于擁有大量密集建筑物的大型城市，SSCI效應(yīng)將引起結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)或增強或減弱，鮮見系統(tǒng)完整的規(guī)律性研究。已有大量研究基于簡化的理論模型，采用不同的方法考慮結(jié)構(gòu)與土體、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間相互作用，分析結(jié)構(gòu)和土體的相互影響關(guān)系[55-57]。常用的數(shù)值分析方法包括有限差分法、邊界元、有限元及譜單元法等。

雖然目前對土-結(jié)構(gòu)群動力相互作用問題已有不少研究，但考慮土-結(jié)構(gòu)群相互作用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化規(guī)律十分復(fù)雜，與具體輸入的地震動、場地特性和結(jié)構(gòu)自身的力學性能等有關(guān)。現(xiàn)階段的研究主要集中在兩棟相鄰建筑相互作用的研究，對于城市區(qū)域結(jié)構(gòu)中所涉及的多個結(jié)構(gòu)的“土-結(jié)構(gòu)”場效應(yīng)研究還較少。

3.5 結(jié)構(gòu)群災(zāi)變分析

近年來，為了應(yīng)對潛在的震害損失，城市建筑群的地震災(zāi)害響應(yīng)模擬應(yīng)運而生。然而，城市區(qū)域范圍大，建筑眾多，動力分析模型必須考慮計算效率與計算精度的平衡。目前常見的建筑結(jié)構(gòu)動力分析模型包括：1)基于構(gòu)件的精細化有限元模型[58]；2)等效單自由度(SDOF)模型[59]；3)等效多自由度(MDOF)模型[60]。其中，有限元模型對每個構(gòu)件建模，計算結(jié)果可靠，但單元數(shù)量龐大，計算工作繁瑣，一般只適合于單棟建筑的精確分析。SDOF模型計算簡便，但無法考慮高階振型，不適合高層建筑。相較之下，MDOF模型考慮了樓層的影響，計算結(jié)果相對精確，且計算工作量較低，是目前城市建筑群震害模擬的理想模型。為建立MDOF模型，需要采集建筑的幾何尺寸、場地類型、結(jié)構(gòu)類型和建造年代等基本信息，并將這些信息轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)動力分析模型的力學參數(shù)。傳統(tǒng)方法通過人工測量、實地調(diào)研和查閱圖紙檔案等手段獲取城市建筑基本信息，但對于龐大的城市建筑量是不現(xiàn)實且效率低下的。針對這一問題，以地圖為數(shù)據(jù)源，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，快速獲取建筑基本信息，是一種行之有效的方法。結(jié)合GIS和建筑信息模型(BIM)技術(shù)獲取城市區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)矢量信息，通過建立多自由度剪切、彎剪模型的精細有限元模型，可進行多尺度城市區(qū)域多災(zāi)害響應(yīng)分析[61]。

地震下結(jié)構(gòu)群中某一結(jié)構(gòu)倒塌會引發(fā)災(zāi)害鏈式傳播，比如倒塌瓦礫破壞和阻塞道路，將造成交通通行能力下降，影響震后人員逃生、醫(yī)療和消防救災(zāi)的及時性。以地震作用下結(jié)構(gòu)倒塌瓦礫的分布及其對路網(wǎng)通行能力的影響、震后城市路網(wǎng)易損性分析等為基礎(chǔ)[62]，可進一步對人員疏散和醫(yī)療救援開展相關(guān)研究[63-64]。也可考慮單體結(jié)構(gòu)倒塌和相鄰結(jié)構(gòu)間撞擊致倒塌過程，獲取完整的瓦礫分布。并針對結(jié)構(gòu)倒塌瓦礫阻塞道路的因素，定量評估震后路網(wǎng)交通系統(tǒng)和醫(yī)療系統(tǒng)的功能劣化程度[65]?？傮w上，目前對以地震為主要誘導(dǎo)原因的土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)災(zāi)害鏈產(chǎn)生、發(fā)展、傳播的繼發(fā)特點，還沒有完全弄清楚。

3.6 城市交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性評估

城市交通系統(tǒng)作為城市重要的生命線系統(tǒng)和社會經(jīng)濟活動的基礎(chǔ)，其脆弱性正逐漸成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題(圖9)。交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性的評估方法分為四類：特定場景法、特定策略法、仿真分析和數(shù)學模型推演[66]。“特定場景法”分析在特定場景(如地震、洪水、橋梁受到攻擊等)下，交通網(wǎng)絡(luò)甚至社會經(jīng)濟受到的影響。但針對的場景較少，適合小規(guī)模或小范圍內(nèi)的研究，很難系統(tǒng)且全面地對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進行研究?！疤囟ú呗苑ā蹦軌蛳到y(tǒng)性地評價整個網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，一般都是研究網(wǎng)絡(luò)被攻擊后網(wǎng)絡(luò)性能(如連通度、可達性、網(wǎng)絡(luò)費用等)的損失。仿真分析也是評價路網(wǎng)脆弱性的主要方法之一，仿真軟件由于簡潔、易操作和可視化程度高等優(yōu)點而廣受追捧。數(shù)學模型推演的評估方法主要是通過構(gòu)建模型來表達路段的脆弱程度和潛在場景發(fā)生的可能性。

圖9 上海地鐵網(wǎng)絡(luò)站點關(guān)鍵程度的空間分布Fig.9 Spatial distribution of station criticality of Shanghai metro network

4 多災(zāi)害作用下城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)韌性提升

城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施遇災(zāi)害作用時如不能有效恢復(fù)功能，將造成巨大損失。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，必須綜合考慮多災(zāi)害作用和環(huán)境作用，大幅提高城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的韌性，即提高其主動防止災(zāi)害發(fā)生、減輕災(zāi)害損失和迅速恢復(fù)災(zāi)后運轉(zhuǎn)功能的能力。

4.1 結(jié)構(gòu)材料性能的恢復(fù)

隨著服役年限的增長，環(huán)境中CO2、Cl-等侵蝕性介質(zhì)在既有混凝土結(jié)構(gòu)中不斷累積增長，鋼筋銹蝕隱患嚴重，結(jié)構(gòu)性能退化風險顯著。因此，電化學修復(fù)技術(shù)日益受到重視[67]。如圖10所示，電化學修復(fù)技術(shù)以既有混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部鋼筋為陰極、外表面增設(shè)金屬網(wǎng)片為陽極，通過直流電源在陰陽極之間施加電場，在鋼筋表面附近生成OH-，使混凝土內(nèi)部恢復(fù)堿性，并促使混凝土內(nèi)部Cl-等通過孔隙溶液往外部遷移，從而達到延遲鋼筋銹蝕的目的。在電場作用下，表層碳化混凝土的孔隙溶液中不僅僅Cl-發(fā)生遷移，還同時伴隨著Ca2+、OH-等多種離子傳輸、吸附/脫附以及溶解/沉淀過程。這些物理、化學耦合過程可導(dǎo)致表層碳化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而又反過來影響多離子傳輸過程。當前雖有部分考慮多離子耦合傳輸-反應(yīng)的電化學除氯模型，但是這些模型并未考慮碳化，只孤立考慮氯離子侵蝕，與實際情況不符，且并未測得多離子含量分布以全面驗證模型準確性。實際上，由于電場作用下表層碳化混凝土中多離子耦合遷移/沉積機理及微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律不明，如何精準設(shè)計電化學修復(fù)技術(shù)方案以恢復(fù)混凝土保護層的有效保護作用尚待進一步深入研究。另外，尚應(yīng)開發(fā)更多實用的結(jié)構(gòu)材料性能恢復(fù)技術(shù)。

圖10 電化學修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)示意圖Fig.10 Schematic diagram of the electrochem ical repairing technology of concrete structures

4.2 單體結(jié)構(gòu)的災(zāi)變控制

以單體結(jié)構(gòu)抗震為例，其發(fā)展經(jīng)歷了抗震(防止災(zāi)害發(fā)生)、減震隔震(減輕災(zāi)害損失)，以及可恢復(fù)(災(zāi)后恢復(fù)能力)等不同階段[68]。新型高效抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系逐漸在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，如阻尼伸臂桁架體系[69]、斜角網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)體系等；各種減震技術(shù)和隔震技術(shù)，如新型阻尼器[70]和TMD裝置[71]、多種類型減震隔震方法，獲得了長足發(fā)展，列入了我國相關(guān)規(guī)范。為確保結(jié)構(gòu)具備綜合防御地震與連續(xù)倒塌的能力，近年來有學者提出各種結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)和方法。按照適用對象的不同，這些技術(shù)和方法可被劃分為兩類：一類是針對新建建筑提出的設(shè)計技術(shù)，通常是對梁縱筋采取相應(yīng)的構(gòu)造處理，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可綜合防御地震與連續(xù)倒塌的目的[72-73]；另一類是新建建筑和既有建筑均適用的增設(shè)外部構(gòu)件方法。外部構(gòu)件可在柱失效時有效傳遞不平衡荷載實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的提升，但在小變形階段一般不參與受力，故不會影響結(jié)構(gòu)抗震性能[74-76]。在結(jié)構(gòu)層次，采用自復(fù)位、可更換構(gòu)件等技術(shù)可有效控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷及倒塌概率。搖擺結(jié)構(gòu)、自復(fù)位結(jié)構(gòu)，以及帶可更換構(gòu)件結(jié)構(gòu)的研究方興未艾(圖11)。

圖11 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)Fig.11 Earthquake resilient structures

4.3 土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)韌性提升

考慮結(jié)構(gòu)倒塌災(zāi)害發(fā)生后，引發(fā)沖擊鄰近建筑、路網(wǎng)/電網(wǎng)/通信網(wǎng)中斷、救災(zāi)受阻等次生災(zāi)害，以繪制倒塌方向玫瑰圖、確定建筑間合理間距，以及驗算道路疏散寬度等方法來主動控制繼發(fā)災(zāi)害傳播，進行防災(zāi)規(guī)劃，是提高結(jié)構(gòu)群系統(tǒng)韌性的有效方法(圖12)。上述思路結(jié)合以有效避難為手段的被動提升方法，有望為土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)韌性提升開辟新途徑。根據(jù)地鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的脆弱性分析(圖9)，可以找到關(guān)鍵節(jié)點，改善加強關(guān)鍵節(jié)點的性能后，即可提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的韌性。但總體方法還是概念性的，尚待進一步深入研究。

圖12 結(jié)構(gòu)倒塌瓦礫分布Fig.12 Distribution of structural collapse rubbles

5 結(jié)論

目前，單一災(zāi)害作用下單體結(jié)構(gòu)防災(zāi)機理研究已較為充分，但如果不考慮多災(zāi)害作用可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能不能滿足預(yù)期要求；此外由不同建筑、特種結(jié)構(gòu)和高架橋梁等組成的城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變機理和韌性提升有待深入研究。

未來需要進一步關(guān)注：

(1)多重災(zāi)害觸發(fā)及復(fù)雜環(huán)境作用機制；

(2)多災(zāi)害作用下單體結(jié)構(gòu)災(zāi)變機理；

(3)多災(zāi)害作用下城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)災(zāi)變機理。

多重災(zāi)害和復(fù)雜環(huán)境按“并發(fā)”和“繼發(fā)”兩種情況作用于城市基礎(chǔ)設(shè)施。只有揭示多重災(zāi)害的觸發(fā)機制以及復(fù)雜環(huán)境的作用機制，厘清相應(yīng)的組合工況，提出多重災(zāi)害作用組合方法，方可精準分析結(jié)構(gòu)單體或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的災(zāi)變反應(yīng)，進而對其實施控制。只有揭示單體結(jié)構(gòu)在多災(zāi)害作用下的性能演化規(guī)律與失效機理，探尋多災(zāi)害作用下單體結(jié)構(gòu)災(zāi)變控制途徑和功能恢復(fù)、性能提升方法，方可深入分析土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變響應(yīng)。只有認識城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變發(fā)展規(guī)律，揭示其災(zāi)變機理，方可建立城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的韌性提升理論和方法，為實現(xiàn)我國防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略、建設(shè)韌性城市提供科技支撐。