從汶川地震看抗震設防和抗震設計

張敏政

中國地震局工程力學研究所 黑龍江哈爾濱150080

引言

    防震減災事業的發展取決于國家的防震減災策略和管理體制、地震工程研究成果和工程設計與工程震害經驗。汶川地震引起了涉及上述各方面工作的一泛關注與討論，認真吸取這場災難的經驗與教訓，有助于科學地推進我國防震減災事業的進步。作者就地震區劃、抗震設防和抗震設計等問題闡述了個人觀點，企望引起討論并得出正確認識。

1、關于地震區劃

    汶川、成都、綿陽、德陽等地區的地震基本設防烈度為6度或7度，但在汶川地震中重災區實際發生的地震烈度達8～11度；回顧世界各國發生的重大破壞性地震，其地震烈度也往往超過設防烈度。我們是否可寄希望于進行“準確”的區劃，使未來發生的地震動等于或不超過設防地震動呢?答案是否定的。強地震動的發生具有極大的不確定性，與地震短臨預報目前不能實現相同，作為長期地震預報的地震區劃也不能給出確定的準確結果。

    目前世界各國進行地震區劃的主要方法是統計分析方法，給出的是對未來發生的地震動的概率估計。概率地震危險性分析方法以一系列假定和有限的歷史資料為基礎，在潛在震源區的劃分、地震活動性估計、震源破裂方式和地震動衰減關系等環節中均存在極大不確定性，顯然不能給出準確的確定結果；而且，由于強烈地震的罕遇特性，其結果的正確性實際是不可驗證的。試想，未來50年內以l0％的超越概率發生的地震動乃是500年一遇的地震動，倘欲驗證這種概率分析結果的正確性，至少需要幾千年的時間；至于二三千年一遇的罕遇地震，其統計驗證更是匪夷所思。

    細究地震區劃的問題，我們不得不承認，概率方法嚴格講僅適用于處理大樣本不確定問題，但破壞性地震資料遠不滿足大樣本統計的條件。再者，地震危險性分析給出的地震發生的統計估計，充其量只屬先驗概率的范疇，如何根據當前的地震活動，確定未來一段時間內的地震發生概率(后驗概率)，在理論和實踐上均無可遵循。地震區劃也還有根據地震地質構造進行判斷的確定性方法，這種方法假定：曾經發生過地震的構造可能重復發生相同強度的地震；地質條件相同的未發生過地震的構造亦具有相同的地震活動性。顯然，這種方法同樣面臨地震地質資料并不充分的困難，且往往給出沒有時限的、難以防御的最大地震的估計。

    歸根結底，人類目前對于地球內部運動和地震的發生只有很少的知識，這些知識遠不足以進行準確的地震區劃。

2、關于設防烈度和設防目標

    盡管已發生過的破壞性地震的最大烈度均不超出11度，但將所有工程結構都按照11度進行設防是不現實的。其一，即使經濟發達國家也不具備這種經濟能力；其二，即使具備這種經濟能力，但現有的技術水平也不能使各類各種工程結構在極其強烈的地震作用下仍能實現安全和功能保障。

    這種情況下，抗震設防只能是權衡工程結構安全性需求和社會經濟技術能力的風險決策。以50年內超越概率l0％的地震動作為設防地震動，是世界多 國家的共識；在不同地區，這一設防地震動的加速度幅值從0.05g～0.40g不等；基于設防烈度的“小震不壞、大震不倒”是目前世界各國經濟技術能力有可能達到的抗震設防目標，也是應長期遵循的目標。隨著人類社會經濟技術能力的持續發展，抗震設防烈度將逐步提高。設防烈度的提高可有3種方式：①考慮經濟技術的發展及其地區不平衡性，由抗震主管部門因時因地適當提高抗震設防烈度；②借助破壞性地震的發生、由地震部門適當提高震區的基本烈度；⑧明確將現行抗震設防烈度及抗震設防標準規定為最低標準，房屋業主和各行業主管部門可決策選擇更高的設防目標。

    依據0.1g左右的地震動加速度進行工程結構的彈性設計，考慮更強的地震動采取構造措施、提高結構延性和耗能能力(大致等同于8度設防)，可以保障結構在強大破壞性地震作用下人員的生命安全；這已為日美等國家的破壞性地震所證實，也是汶川地震經驗的總結。

3、關于抗震設防和設防標準

    汶川地震中農村民居大量倒塌，從技術角度分析其原因，不外乎未經正規設計、構件薄弱且缺乏整體性連接、建筑材料低劣和施工粗糙等。這并不完全是農民沒有財力建造抗震住宅，在很大程度上是缺乏抗震意識和抗震技術指導造成的。長期以來經濟社會發展不平衡導致我國村鎮尚屬抗震設防管理空白，當前，應借助加強農村社會經濟建設和全面建設小康社會的契機，將改變這一現狀提上議事日程。

    汶川地震中，一些學校教室倒塌或發生嚴重破壞，但周邊住宅建筑震害相對較輕(如映秀鎮漩口中學、都江堰新建小學、聚源鎮中學等)。這一現象的發生原因復雜，具體建筑的震害應作具體分析，但應當承認，不同結構類型和不同用途房屋的抗震可靠度存在事實上的差異，突出表現為學校教室建筑即使符合抗震設計要求，其抗震能力也比一般住宅建筑低。應吸取這一震害教訓，遵循國內外的成功經驗，適當修訂有關抗震設防分類的具體規定。遵循“以人為本”、構建和諧社會的理念，對于人員集中的建筑、尤其是其中較為空曠存在抗震薄弱環節的建筑(如學校和醫院等)，改進其結構選型并適當提高其抗震設防標準。

4、關于抗震設計

    地震工程歷經百年發展，已經建立了結構彈性地震反應分析的基礎理論，并取得了抗震建筑設計的較為豐富的經驗，這些理論和經驗集中體現于《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2001)。汶川地震震害在驗證我國現行《建筑抗震設計規范》有效性的同時，也提供了一些新的震害現象和經驗，值得認真考慮。

    值得思考的問題包括：①汶川地震震區按6度或7度設計的建筑，總體上實現了預期的抗震設防目標，其中不乏在達到或超過大震的地震作用下仍保持基本完好或僅有輕微損壞的建筑，這在極大提高了我們實施抗震設防信心的同時，也應引起我們對抗震結構真實可靠度的深思。②若干百年的老舊建筑(如穿斗木構架房屋)和未經抗震設計但施工質量良好的建筑比現代建筑的震害還要輕。③業經抗震設計的不同類型建筑的抗震能力存在較大差異，暴露出學校抗震能力低、房屋樓梯問破壞嚴重、框架結構的“強柱弱梁”設計概念未能實現等問題。

    抗震設計包括概念設計、計算設計和采取抗震構造措施等內容，汶川地震震害表明，對于一般多層建筑，其抗震能力主要取決于正確的對抗震概念的把握、良好的整體性、加強的抗震措施及嚴格的施工質量。地震作用計算的準確性只就算法而言才有意義，對于實際工程的抗震設計，由于設防地震動具有極大的離散性，算法的準確并無意義；相反，相對保守的算法才有助于提高結構抗震可靠性。日本和美國的抗震設計規范中，對一般建筑至今采用簡化的、經驗的算法和保守的計算系數，并不強調彈塑性時程分析；對于土木結構的非線性模型及其本構關系，我們只有限少的知識，地震反應分析只能作為抗震設計的參考．大震不倒還要以經驗的構造措施作保障。

    (1)抗震措施是提高建筑抗震能力的有力保障，必須適當加強。多數抗震構造措施(如圈梁和構造柱等)是實際震害經驗的總結，但是，實際震害并沒有提供有關不同程度的抗震措施對應不同抗震能力的定量數據，現行抗震設計規范中區別設防烈度采用抗震措施僅是合乎邏輯的、旨在節省建設資金的主觀規定考慮以上背景、地震動的極大不確定性、以及社會經濟能力的普遍提高，似宜加強中、低烈度區的抗震措施要求，如對設防烈度6～7度的一般建筑規定統一采用現行8度的構造措施；對設防烈度更高的建筑或重要建筑規定采用更強的特殊構造措施。

    (2)汶川地震房屋震害突出表明，強柱弱梁的概念設計思想在混凝土框架結構中未能實現，現澆樓板及其配筋極大提高了框架梁的剛度和強度，致使塑性鉸產生于柱端，少數出現梁端塑性鉸的結構僅為無樓板的框架。框架結構的抗震設計，在考慮是否可能提高柱的設計彎矩并降低柱的軸壓比的同時，似可探索實現強柱弱梁的構造措施，如在梁柱節點附近人為削弱樓板對梁的約束，使梁端形成可先期屈服的耗能段。

    (3)汶川地震中房屋樓梯問的破壞不僅阻滯了人員逃生而且直接造成了人員傷亡，這是修訂抗震設計要求應予考慮的又一突出問題。作為平時的交通通道和應急情況下的逃生設施，樓梯問的抗震能力宜高于建筑的其他部分。鑒于其受力復雜、結構整體性較參．宜采用較強的結構體系和加強的構造措施。

    (4)框架結構的填充墻在汶川地震中普遍開裂，導致功能喪失產生重大經濟損失乃至人員傷亡。抗震設計規范的修訂有必要對填充墻的抗震設計要求作出更嚴格、具體的規定。宜區分填充墻的不同功能進行抗震設計。對于只起隔斷作用的填充墻，宜采用輕質、可與框架產生滑移變位的預制墻板；對于預期可因開裂而耗能的填充墻，應增強其耗能機制并采取防止墻體因開裂而倒塌的構造措施；對于希望增強體系抗側力剛度的填充墻，則應仿照剪力墻進行設計。后兩者的阻尼和剛度應在計算中予以估計，墻體布置應遵循均勻對稱等原則。高、長的大面積填充墻，應增設圈梁和構造柱加強與框架的連接。

    工業廠房砌體圍護墻倒塌仍是典型的破壞現象，高大的砌體圍護墻很難保障其與排架柱的可靠連接和穩定性，解決這一問題的根本措施是采用輕型預制墻板。

    (5)汶川地震震區的不少底層空曠房屋發生了不同形態和不同程度的損壞(如底層破壞、上層破壞和倒塌)，其主要原因之一在于結構的不規則。這類房屋有底框架砌體房屋，底層空曠的框架結構房屋和大量底層結構體系混亂且空曠的砌體房屋。宜針對這些現象加強抗震設計的審查和管理，從提高規則性出發對抗震設計要求作出更為具體和明確的規定。

    (6)汶川地震的地震地質破壞是導致房屋毀壞和人員傷亡的重要原因。在建筑場地地震安全性評價中，與場地地震動參數的估計相比較，場地評價具有更為重要的意義和技術較為可行的特點。通過工程地質勘察，避開滑坡、巖崩、滾石、泥石流、塌陷可能發生的場地，盡量避開軟弱土、不均勻土、液化土等場地，對提高房屋建筑抗御自然災害的能力具有重大意義。

    另一值得商榷的問題是斷層避讓問題。斷層錯動是不可抗御的，斷層避讓在邏輯上合理，但可行性存在問題。活動斷層的探測(含準確定位和活動性估計)是目前尚未解決的重大科技難題，即使花費巨大勘測投資也難以給出明確的結論。出露地表的位置明確的斷層，再次重復發生地震的事例很少，不少地震是在經探測并未發現斷層的地點發生的。只要建筑不跨越斷層，即使在斷裂的幾米范圍內，房屋未發生毀壞的事例在世界各國和汶川地震中都不少見。因此，在城鎮規劃、改造和建筑選址中，不宜對斷層的大距離避讓問題作強制性規定。

5、結語

    (1)抗震防災事業不能寄希望于準確的地震短臨預報和地震區劃，對復雜自然規律的探索不等于科技進步的現實，必須強調抗震設防、從實際出發采取切實可行和有效的措施提高工程結構的抗震能力。

    (2)抗震設防烈度、抗震設防目標、抗震設防標準都是權衡建筑抗震安全性和經濟技術能力的風險決策；其中并無可供遵循的系統理論和分析模型。應根據我國社會經濟的發展水平和地區不平衡性，與時俱進逐步提高抗震設防水準。當前時期的重要任務之一是把握契機，加強對廣大村鎮建筑的抗震設防管理。

    (3)建筑抗震設計本質上仍是一種經驗行為，因此，必須強調抗震概念設計和采用抗震措施在抗震設計中的重要性。合理的結構選型、規則對稱的平立面布局、良好的構件連接和整體性、加強的抗震構造措施、嚴格的施工管理是提高建筑抗震能力的有效保障。

    (4)抗震設計規范應認真總結實踐經驗進行修訂，其中，強柱弱梁理念的實現、建筑樓梯間和填充墻的設計、建筑規則性的把握、建筑場地勘查和選址、強化抗震措施要求等均是應予重視的實際問題。

參考文獻

[1]中國地震局工程力學研究所．汶川8．0級地震工程震害概覽[J]．地震工程與工程振動，2008，28(增刊)：15—16

[2]國家地震局震害防御司．地震工作手冊[M]．北京：地震出版社，l992：325，341—358

[3]胡聿賢．地震工程學[M]．北京：地震出版社，2006：411413

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)