2017年8月8日，在我國(guó)四川九寨溝發(fā)生了7.0級(jí)地震，引起了大家廣泛關(guān)注。九寨溝地震雖然震級(jí)很大，但只有76間房屋倒塌。而半個(gè)月以后，8月21日，在意大利發(fā)生了一起4.3級(jí)地震，卻導(dǎo)致很多建筑物倒塌，2人遇難。一些典型建筑震害圖片見(jiàn)圖1，不難發(fā)現(xiàn)這次意大利遭受的災(zāi)情也很?chē)?yán)重。于是大家不禁要產(chǎn)生一些疑惑：不是說(shuō)破壞性地震一般要到5.0級(jí)以上么？不是說(shuō)地震震級(jí)差1級(jí)，能量相差30多倍么？（也就是說(shuō)，理論上7.0級(jí)的地震要比4.3級(jí)的地震能量大幾千倍）。為什么這次意大利4.3級(jí)的地震居然看起來(lái)和7.0級(jí)的地震差不多？
圖1 8.21意大利4.3級(jí)地震引起的建筑物破壞（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
我們首先做一點(diǎn)簡(jiǎn)單的科普。地震的一個(gè)重要指標(biāo)是震級(jí)，震級(jí)表示一次地震釋放的能量有多少（參見(jiàn)以前的文章：《辟謠：12級(jí)地震，你知道有多大么？》）。人類(lèi)目前記錄到的最大的地震是1960年發(fā)生在智利的9.5級(jí)地震。這次地震把一個(gè)長(zhǎng)度超過(guò)800公里的斷層整個(gè)撕開(kāi)了20多米，激起的海浪橫掃半個(gè)地球，把整個(gè)太平洋晃蕩了一個(gè)星期，最大海嘯巨浪高度超過(guò)25m（超過(guò)6層樓）。在這種毀天滅地的自然威力面前，一切人類(lèi)工程都將蕩然無(wú)存。所以如果有人說(shuō)某個(gè)工程可以抵抗9級(jí)地震或者10級(jí)地震……
那我們?yōu)槭裁磿?huì)看到很多號(hào)稱(chēng)可以抵抗“8級(jí)地震”的工程呢？其實(shí)這是一個(gè)非專(zhuān)業(yè)人員經(jīng)常犯的錯(cuò)誤。地震的破壞力，除了震級(jí)以外，還有一個(gè)很常用的指標(biāo)，就是“烈度”，它表示地面晃動(dòng)的強(qiáng)弱。很多人說(shuō)的“8級(jí)設(shè)防”，實(shí)際上是“8度設(shè)防”。在20世紀(jì)早期，大家對(duì)地震的強(qiáng)度描述還非?；靵y。于是美國(guó)加州理工大學(xué)的天文愛(ài)好者Richter博士（是的，你沒(méi)有看錯(cuò)，Richter學(xué)的理論物理，還是個(gè)天文愛(ài)好者）過(guò)來(lái)打了一次醬油。他指出：其實(shí)地震和天文學(xué)有很相似之處。每個(gè)地震都是一次能量釋放，所釋放的能量是一個(gè)確定的數(shù)值，就像天上的恒星都有一個(gè)大小。而你距離震中遠(yuǎn)，你感覺(jué)到的振動(dòng)就?。浑x震中近，感覺(jué)到的振動(dòng)就大。就像天上的恒星，距離遠(yuǎn)近不同，亮度也不同。因此，一次地震的震級(jí)，就相當(dāng)于一個(gè)恒星的大小，這個(gè)是確定的。而一個(gè)地點(diǎn)地面運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱（即“烈度”），就相當(dāng)于一個(gè)恒星你看到的亮度，不同的距離是不一樣的。當(dāng)“震級(jí)”和“烈度”的概念澄清后，廣大地震研究者立刻感覺(jué)清爽多了。從此每次地震都有了一個(gè)以這個(gè)著名的醬油黨Richter博士命名的指標(biāo)：“里氏震級(jí)”。
圖2 向當(dāng)年著名的醬油黨Richter博士致敬
好了，既然地震引起的地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱稱(chēng)為“烈度”，于是大家就對(duì)歷次地震中地面運(yùn)動(dòng)的“烈度”做了分析和分級(jí)，把“烈度”分為若干等級(jí)（比如我國(guó)采用12個(gè)等級(jí)，日本采用7個(gè)等級(jí)）。知道某個(gè)地區(qū)的烈度是多少，就可以大概知道某個(gè)地區(qū)的地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱。這樣就可以對(duì)地震破壞進(jìn)行較為合理的估計(jì)。我國(guó)每次地震后，一般都會(huì)把不同受災(zāi)地區(qū)，標(biāo)記上從6度到10度不同的烈度區(qū)。我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)，也是覆蓋了從6度到9度不同的烈度。比如北京就是8度設(shè)防，這次九寨溝地震的受災(zāi)區(qū)也是8度設(shè)防。注意，老師敲黑板了，是“8度”，不是“8級(jí)”。
那“8度”和“8級(jí)”到底是一個(gè)什么關(guān)系呢？這個(gè)倒真是一個(gè)非常有趣的問(wèn)題。一般說(shuō)，震中地區(qū)的烈度大概是震級(jí)+1.5~2。也就是說(shuō)，6級(jí)地震，震中烈度大概是7.5到8度。換句話(huà)說(shuō)，北京8度設(shè)防，對(duì)應(yīng)的大概是6.5級(jí)左右地震的震中附近地面運(yùn)動(dòng)。但是，這個(gè)“大概”可是非常非常的不準(zhǔn)確。這也就終于說(shuō)到我們今天的主旨話(huà)題：為什么需要大力發(fā)展城市抗震彈塑性分析？
我們先來(lái)看看8.8九寨溝7.0級(jí)地震和8.21意大利4.3級(jí)地震中測(cè)得的震中附近地面運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)譜的對(duì)比（圖3、圖4）。雖然從道理上說(shuō)，8.8九寨溝7.0級(jí)地震引起的地面運(yùn)動(dòng)應(yīng)該比8.21意大利4.3級(jí)地震要強(qiáng)很多，但是真實(shí)的地震是如此的復(fù)雜，以至于8.21意大利4.3級(jí)地震的地面運(yùn)動(dòng)要顯著強(qiáng)于8.8九寨溝7.0級(jí)地震引起的地面運(yùn)動(dòng)。如果我們采用城市抗震彈塑性分析方法，把這兩個(gè)地面運(yùn)動(dòng)同時(shí)輸入阿壩地區(qū)典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可以看到震害對(duì)比如圖5所示。所以圖1中意大利建筑物遭受的嚴(yán)重破壞，從科學(xué)上是可以解釋的。因此，從這個(gè)對(duì)比案例就可以看出，用震級(jí)來(lái)判斷地震的破壞力大小，實(shí)際上很多時(shí)候是不準(zhǔn)確的，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的震害預(yù)測(cè)結(jié)論。
圖3 8.8九寨溝7.0級(jí)地震和8.21意大利4.3級(jí)地震震中附近地面運(yùn)動(dòng)對(duì)比
圖4 8.8九寨溝7.0級(jí)地震和8.21意大利4.3級(jí)地震震中附近反應(yīng)譜對(duì)比
圖5 采用城市抗震彈塑性分析方法對(duì)比8.8九寨溝7.0級(jí)地震和8.21意大利4.3級(jí)地震震中附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑物破壞
那既然震級(jí)不準(zhǔn)確，我們是否可以用“烈度”作為震害預(yù)測(cè)的依據(jù)呢？當(dāng)然，從邏輯上來(lái)說(shuō)，既然“烈度”就是地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)，那么用于震害預(yù)測(cè)當(dāng)然是可以的。很多學(xué)者通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)，也給出了地震強(qiáng)度-烈度-建筑物破壞之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。但是，由于地震震害非常復(fù)雜，這種方法也遇到了很多問(wèn)題。這里說(shuō)一些專(zhuān)業(yè)性的問(wèn)題，“烈度”可以大致分為“宏觀烈度”和“儀器烈度”兩大分類(lèi)。宏觀烈度就是根據(jù)破壞的結(jié)果，比如房倒屋塌的程度，做為烈度的依據(jù)。但是房屋的破壞程度除了和地震動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)以外，還和房屋的抗震能力密切相關(guān)。同樣的地面運(yùn)動(dòng)，性能差的房屋破壞得多，性能好的房子破壞得少，導(dǎo)致宏觀烈度客觀性有時(shí)存在爭(zhēng)議。而儀器烈度是根據(jù)實(shí)測(cè)的地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度（比如峰值加速度）來(lái)評(píng)價(jià)地面運(yùn)動(dòng)的破壞力。這個(gè)比宏觀烈度自然客觀了很多，但是如何將實(shí)測(cè)地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的破壞建立起關(guān)系來(lái)，這個(gè)是一個(gè)很復(fù)雜的話(huà)題。國(guó)內(nèi)外很多課題組包括我們課題組都做了很多研究，但是目前來(lái)說(shuō)還沒(méi)有一個(gè)很好的答案。不過(guò)至少大家已經(jīng)公認(rèn)地面峰值加速度這個(gè)指標(biāo)是存在比較大的問(wèn)題的，比如日本2011年“311”大地震實(shí)測(cè)到峰值加速度2.9g（將近3倍重力加速度）的地面運(yùn)動(dòng)，但是現(xiàn)場(chǎng)震害卻非常輕。也就是說(shuō)，地面峰值加速度大的地方，震害未必一定嚴(yán)重。
那有沒(méi)有更好的解決方案呢？我們認(rèn)為，城市抗震彈塑性分析就是一個(gè)可供考慮的解決辦法。所謂城市抗震彈塑性分析，就是把地震真實(shí)測(cè)得的地震動(dòng)，輸入到城市建筑模型里面去進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，進(jìn)而直接可以得到地面運(yùn)動(dòng)對(duì)不同建筑的破壞情況（Earthquake Disaster Simulation of Civil Infrastructures: From Tall Buildings to Urban Areas, Springer, 2017）。相比起利用震級(jí)或根據(jù)震級(jí)推斷的震中附近烈度來(lái)預(yù)測(cè)震害而言，城市抗震彈塑性分析用的是真實(shí)的地震動(dòng)，其精度的提升顯而易見(jiàn)。與儀器烈度相比，城市抗震彈塑性分析綜合考慮了地震動(dòng)的幅值、頻譜、持時(shí)特性和建筑物的抗震性能，自然也更加的合理。計(jì)算的結(jié)果，除了宏觀上的震害等級(jí)（輕微破壞、嚴(yán)重破壞等），還可以得到很多具體的工程震害指標(biāo)，如層間相對(duì)位移，樓面加速度等，可以用于更加精細(xì)化的震害分析。因此，從原理上說(shuō)，城市抗震彈塑性分析顯然是一個(gè)更好的選擇。圖6所示是我們開(kāi)展的一些城市抗震彈塑性分析的結(jié)果，可以看出其效果還是非常明顯的。
圖6 典型城市抗震彈塑性分析結(jié)果
當(dāng)然，城市抗震彈塑性分析存在兩個(gè)制約條件：(1) 真實(shí)地震動(dòng)是否可以及時(shí)準(zhǔn)確獲取，以及(2)城市建筑模型是否準(zhǔn)確可靠。真實(shí)地震動(dòng)的獲取依賴(lài)于地震臺(tái)網(wǎng)的布設(shè)以及通訊網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，這個(gè)問(wèn)題有望得到逐步解決，大家想想我們身邊無(wú)處不在的手機(jī)信號(hào)，應(yīng)該可以對(duì)未來(lái)充滿(mǎn)希望。城市建筑模型的完善也是類(lèi)似的，雖然現(xiàn)階段還存在不少缺陷，但是看看谷歌、騰訊、高德等互聯(lián)網(wǎng)公司的地圖和街景服務(wù)水平，這個(gè)事情也是有希望做到的。當(dāng)然，完全發(fā)揮出城市抗震彈塑性分析的潛力，不是一個(gè)課題組，或者一個(gè)學(xué)校能夠完成的任務(wù)，需要很多單位共同努力合作。
所以，我們認(rèn)為城市抗震彈塑性分析在城市地震災(zāi)害分析等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。而且，除了建筑震害以外，在次生災(zāi)害分析、疏散模擬等方面也都有很多發(fā)展空間。特別是在地震臺(tái)網(wǎng)越來(lái)越健全、通訊手段越來(lái)越發(fā)達(dá)、計(jì)算機(jī)越來(lái)越快速的情況下，發(fā)展城市抗震彈塑性分析已經(jīng)具備了非常良好的條件。
