從8.8九寨溝地震和8.21意大利地震談起

2017年8月8日，在我國四川九寨溝發(fā)生了7.0級地震，引起了大家廣泛關(guān)注。九寨溝地震雖然震級很大，但只有76間房屋倒塌。而半個月以后，8月21日，在意大利發(fā)生了一起4.3級地震，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圖1，不難發(fā)現(xiàn)這次意大利遭受的災(zāi)情也很嚴(yán)重。于是大家不禁要產(chǎn)生一些疑惑：不是說破壞性地震一般要到5.0級以上么？不是說地震震級差1級，能量相差30多倍么？（也就是說，理論上7.0級的地震要比4.3級的地震能量大幾千倍）。為什么這次意大利4.3級的地震居然看起來和7.0級的地震差不多？

圖1 8.21意大利4.3級地震引起的建筑物破壞（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

我們首先做一點簡單的科普。地震的一個重要指標(biāo)是震級，震級表示一次地震釋放的能量有多少（參見以前的文章：《辟謠：12級地震，你知道有多大么？》）。人類目前記錄到的最大的地震是1960年發(fā)生在智利的9.5級地震。這次地震把一個長度超過800公里的斷層整個撕開了20多米，激起的海浪橫掃半個地球，把整個太平洋晃蕩了一個星期，最大海嘯巨浪高度超過25m（超過6層樓）。在這種毀天滅地的自然威力面前，一切人類工程都將蕩然無存。所以如果有人說某個工程可以抵抗9級地震或者10級地震……

那我們?yōu)槭裁磿吹胶芏嗵柗Q可以抵抗“8級地震”的工程呢？其實這是一個非專業(yè)人員經(jīng)常犯的錯誤。地震的破壞力，除了震級以外，還有一個很常用的指標(biāo)，就是“烈度”，它表示地面晃動的強弱。很多人說的“8級設(shè)防”，實際上是“8度設(shè)防”。在20世紀(jì)早期，大家對地震的強度描述還非?；靵y。于是美國加州理工大學(xué)的天文愛好者Richter博士（是的，你沒有看錯，Richter學(xué)的理論物理，還是個天文愛好者）過來打了一次醬油。他指出：其實地震和天文學(xué)有很相似之處。每個地震都是一次能量釋放，所釋放的能量是一個確定的數(shù)值，就像天上的恒星都有一個大小。而你距離震中遠，你感覺到的振動就?。浑x震中近，感覺到的振動就大。就像天上的恒星，距離遠近不同，亮度也不同。因此，一次地震的震級，就相當(dāng)于一個恒星的大小，這個是確定的。而一個地點地面運動的強弱（即“烈度”），就相當(dāng)于一個恒星你看到的亮度，不同的距離是不一樣的。當(dāng)“震級”和“烈度”的概念澄清后，廣大地震研究者立刻感覺清爽多了。從此每次地震都有了一個以這個著名的醬油黨Richter博士命名的指標(biāo)：“里氏震級”。

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動強弱稱為“烈度”，于是大家就對歷次地震中地面運動的“烈度”做了分析和分級，把“烈度”分為若干等級（比如我國采用12個等級，日本采用7個等級）。知道某個地區(qū)的烈度是多少，就可以大概知道某個地區(qū)的地面運動強弱。這樣就可以對地震破壞進行較為合理的估計。我國每次地震后，一般都會把不同受災(zāi)地區(qū)，標(biāo)記上從6度到10度不同的烈度區(qū)。我國的抗震設(shè)計，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”。

那“8度”和“8級”到底是一個什么關(guān)系呢？這個倒真是一個非常有趣的問題。一般說，震中地區(qū)的烈度大概是震級+1.5~2。也就是說，6級地震，震中烈度大概是7.5到8度。換句話說，北京8度設(shè)防，對應(yīng)的大概是6.5級左右地震的震中附近地面運動。但是，這個“大概”可是非常非常的不準(zhǔn)確。這也就終于說到我們今天的主旨話題：為什么需要大力發(fā)展城市抗震彈塑性分析？

我們先來看看8.8九寨溝7.0級地震和8.21意大利4.3級地震中測得的震中附近地面運動和反應(yīng)譜的對比（圖3、圖4）。雖然從道理上說，8.8九寨溝7.0級地震引起的地面運動應(yīng)該比8.21意大利4.3級地震要強很多，但是真實的地震是如此的復(fù)雜，以至于8.21意大利4.3級地震的地面運動要顯著強于8.8九寨溝7.0級地震引起的地面運動。如果我們采用城市抗震彈塑性分析方法，把這兩個地面運動同時輸入阿壩地區(qū)典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可以看到震害對比如圖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，從這個對比案例就可以看出，用震級來判斷地震的破壞力大小，實際上很多時候是不準(zhǔn)確的，可能導(dǎo)致錯誤的震害預(yù)測結(jié)論。

圖3 8.8九寨溝7.0級地震和8.21意大利4.3級地震震中附近地面運動對比

圖4 8.8九寨溝7.0級地震和8.21意大利4.3級地震震中附近反應(yīng)譜對比

圖5 采用城市抗震彈塑性分析方法對比8.8九寨溝7.0級地震和8.21意大利4.3級地震震中附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑物破壞

那既然震級不準(zhǔn)確，我們是否可以用“烈度”作為震害預(yù)測的依據(jù)呢？當(dāng)然，從邏輯上來說，既然“烈度”就是地面運動強度的指標(biāo)，那么用于震害預(yù)測當(dāng)然是可以的。很多學(xué)者通過大量統(tǒng)計，也給出了地震強度-烈度-建筑物破壞之間的統(tǒng)計關(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題。這里說一些專業(yè)性的問題，“烈度”可以大致分為“宏觀烈度”和“儀器烈度”兩大分類。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強度相關(guān)以外，還和房屋的抗震能力密切相關(guān)。同樣的地面運動，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存在爭議。而儀器烈度是根據(jù)實測的地面運動強度（比如峰值加速度）來評價地面運動的破壞力。這個比宏觀烈度自然客觀了很多，但是如何將實測地面運動強度和結(jié)構(gòu)的破壞建立起關(guān)系來，這個是一個很復(fù)雜的話題。國內(nèi)外很多課題組包括我們課題組都做了很多研究，但是目前來說還沒有一個很好的答案。不過至少大家已經(jīng)公認地面峰值加速度這個指標(biāo)是存在比較大的問題的，比如日本2011年“311”大地震實測到峰值加速度2.9g（將近3倍重力加速度）的地面運動，但是現(xiàn)場震害卻非常輕。也就是說，地面峰值加速度大的地方，震害未必一定嚴(yán)重。

那有沒有更好的解決方案呢？我們認為，城市抗震彈塑性分析就是一個可供考慮的解決辦法。所謂城市抗震彈塑性分析，就是把地震真實測得的地震動，輸入到城市建筑模型里面去進行彈塑性動力時程分析，進而直接可以得到地面運動對不同建筑的破壞情況（Earthquake Disaster Simulation of Civil Infrastructures: From Tall Buildings to Urban Areas, Springer, 2017）。相比起利用震級或根據(jù)震級推斷的震中附近烈度來預(yù)測震害而言，城市抗震彈塑性分析用的是真實的地震動，其精度的提升顯而易見。與儀器烈度相比，城市抗震彈塑性分析綜合考慮了地震動的幅值、頻譜、持時特性和建筑物的抗震性能，自然也更加的合理。計算的結(jié)果，除了宏觀上的震害等級（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)，如層間相對位移，樓面加速度等，可以用于更加精細化的震害分析。因此，從原理上說，城市抗震彈塑性分析顯然是一個更好的選擇。圖6所示是我們開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制約條件：(1) 真實地震動是否可以及時準(zhǔn)確獲取，以及(2)城市建筑模型是否準(zhǔn)確可靠。真實地震動的獲取依賴于地震臺網(wǎng)的布設(shè)以及通訊網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，但是隨著技術(shù)的進步，這個問題有望得到逐步解決，大家想想我們身邊無處不在的手機信號，應(yīng)該可以對未來充滿希望。城市建筑模型的完善也是類似的，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，不是一個課題組，或者一個學(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。特別是在地震臺網(wǎng)越來越健全、通訊手段越來越發(fā)達、計算機越來越快速的情況下，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。