世界地震工程

建设韧性城乡的技术途径

 

引言

韧性城乡的关键问题是韧性,与之对应的英文是“Resilience”(汪辉等,2017),最早起源于拉丁语“resilio”,意为“撤回或者取消”,后演化为英语中的“resile”,并沿用至今(Alexander,2013)。随着时代的发展,韧性一词也被广泛应用于各类学科中。社会生态学家将这一概念应用到城市研究中,认为韧性城市必须具备多样性、变化适应性、模块性、创新性、迅捷的反馈能力、社会资本的储备以及生态系统的服务能力(Allan等,2011;邵亦文等,2015;徐江等,2015)。21世纪初,美、日科学家在地震工程学科中引入韧性概念,其主要含义是指城乡遭遇中强地震时基本无破坏;遭遇强烈地震时,破坏很小,在短时间内城乡交通、通讯、供电、供水、房屋居住等基本功能可以恢复,基本没有人员伤亡(Godschalk,2003;Klein等,2003)。要实现韧性城乡的目标,核心是使城乡房屋建筑以及为交通、通讯、供电等系统服务的生命线工程具有很强的抗震能力,通俗地讲,这一目标可概括为“七级不坏,八级不倒”。

全球2个主要地震带(环太平洋地震带和欧亚大陆地震带)共同影响中国,造成中国地震多发且分散,地震伤亡人数占全球的比例超过40%。通过工程措施抗御地震造成的破坏,从而减轻或避免地震造成人员伤亡,与此相关的工作统称为震害防御,这是实现韧性城乡的必由之路。

韧性城乡建设工作的核心内容可以概括为“地下清楚”和“地上结实”,此外还有诸如科普宣传、地震烈度区划图编制、政策法规的制定和贯彻等。其中,“地下清楚”的内容包括深入地壳内部的活断层探测、城市范围的地震小区划、工程建设场地地震安全性评价和工程场地地质灾害评价等。“地上结实”的含义指采用不同建筑材料和不同结构形式的房屋、桥梁、大坝等工程结构在遭遇强烈地震作用时不倒塌,从而避免人员伤亡。

1 中国地震灾害特点

中国幅员辽阔,地震多发且分散,历史上经济欠发达,多数房屋结构缺少基本的抗震能力,因而中国震害呈现小震成灾、大震巨灾的特点。通过对1900年以来的破坏性地震及其灾害数据进行汇总统计,将世界上各主要多震国家的震害进行比较,结果如图1所示。其中,每个国家的震亡比是以百年来造成人员死亡的各次地震的震级总和做分母,以所造成的人员死亡数量总和做分子,计算出的1个无量纲数。震亡比大表明该国家震害严重。从图1可以看出,比中国震害更严重的国家有海地、巴基斯坦、亚美尼亚、印度尼西亚和伊朗等,中国和印度相当,但尚不如土耳其、墨西哥,也不如美国、日本和新西兰。

图1还列出了各国的人均GDP,显然GDP越高,抗震能力越强,震害越轻。但可以看出,与人均GDP相比,中国的震亡比偏高,说明中国用于抗震的经费投入比例与先进国家相比低得多。

图1 世界上各主要地震国家的震害比较Fig.1 Comparison of earthquake damage in the countries with frequent earthquakes

2 中国震害原因分析

地震灾害的主要表现是人员伤亡,而造成人员伤亡的直接原因是房屋倒塌(郭迅,2009;2010)。导致房屋倒塌的主要因素有2个方面,其一是客观意义明显的“地质灾害”,比如地震产生的滑坡、崩塌、滚石、砂土液化、断层位错、地表破裂以及范围甚广的强地面运动;其二是主观意义明显的“人为失当”,包括设防水准过低、结构体系选择和结构布置失当、设计规范失误以及建筑选址不当等。诸如滑坡、断层等灾害只能通过合理的选址来避免,减轻地震灾害最主要的手段是减少“人为失当”。上述“人为失当”在建筑结构上的表现可概括为4个方面,即“散”、“脆”、“偏”、“单”。

(1)“散”主要体现在:①纵横墙间连接薄弱,构造柱缺失或不足,圈梁缺失、不足或不封闭;②竖向构件(墙、柱)与水平构件(梁、楼板、檩条等)连接薄弱,构造柱缺失或不足,圈梁缺失、不足或不封闭(图2);③门窗洞口两侧无构造柱(图3);④砌体砌筑质量差,砂浆强度不足;⑤横墙间距过大;⑥砌筑纵或横墙长度超过3m而无构造柱;⑦有未经专门抗震设计的圆弧状填充墙(图4)。

图2 纵、横墙连接薄弱Fig.2 Weak connection between longitudinal and lateral walls

图3 窗间墙内未设置构造柱Fig.3 No constructional column in the wall between windows

图4 不当设置的圆弧状填充墙Fig.4 Infilled walls with circular arc

(2)“脆”主要体现在:①承重墙为生土、土坯等脆弱材料(图5);②承重墙为干砌或泥结红砖;③存在短柱(图6);④强弯弱剪、弱节点强构件;⑤有构造不良的围墙、连接不牢的吊灯、吊顶、玻璃等。

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