视频分享|地震破坏力速报软件演示|从216墨西哥地震再谈城市抗震弹塑性分析 / 开普饭

1. 从美国地调局的”黄色预警”说起

当地时间2018年2月16日17时39分（北京时间2018年2月17日7时39分），在墨西哥(北纬16.60度，西经97.75度)发生了一次7.1级地震，震源深度10km（中国地震台网数据），美国地质调查局(USGS)发布的数据是7.2级，震源深度24.6km。由于去年0919墨西哥7.1级地震曾导致370人死亡，6011受伤，所以这次0216墨西哥地震自然引起了广泛的关注。美国地调局的震害快速预测系统(PAGER)很快就发布了黄色预警，预测死亡人数在10-100人之间（图1）。

图1 美国地调局PAGER系统发布的0216墨西哥地震损失预测结果

然而，实际震害调查结果却让人感到非常意外，这次0216墨西哥地震并未出现建筑倒塌造成的人员伤亡。倒是墨西哥内政部急急忙忙派出的救灾直升飞机不幸坠毁，导致13人死亡。美国地调局USGS这次貌似摆了一个乌龙。

实际上，这不是USGS第一次摆乌龙了。就在10天前花莲发生6.5级地震，USGS预测人员伤亡基本为0（图2），结果却有多栋建筑倒塌，17人遇难，285人受伤。USGS又摆了一次乌龙。

图2美国地调局PAGER系统发布的0206花莲地震损失预测结果

当然我们首先要承认，快速评价地震损失，特别是预测地震伤亡人数，是一个非常困难的问题。USGS的PAGER系统虽然出现误报，但是PAGER系统仍然是基于现有方法的系统中最先进的之一。要想取得实质性的进步，我们有必要深入思考：到底是什么原因导致出现这样的不准确的震损预测结果？

2. 如何提高震损分析的准确程度

其实现行系统之所以预测误差较大，主要原因是用于做预测的数据严重不足。由于过去技术手段的限制，地震后大家能够获取的信息非常有限，往往只有震级、震中位置和震源深度这三个数据。而后，就需要根据这些非常有限的数据，预测震中附近的地面运动强度，再预测建筑物的破坏以及人员伤亡和经济损失。比如，一个比较简单的方法就是把震级加1.5-2.0，就可以得到震中附近的烈度（关于烈度和震级的关系，可以参阅我们之前的文章：为什么需要发展城市抗震弹塑性分析 | 从8.8九寨沟地震和8.21意大利地震谈起）。按照这种预测方法，一次6.5级地震震中附近烈度可能在8度左右。显然，这样的估计是非常粗糙的，有时甚至是错误的。比如，这次0216墨西哥地震，震级是7.1级，但是震中附近测到的地面运动峰值加速度只有0.18g。而10天前发生的0206花莲6.5级地震，震中附近测到的地面运动峰值加速度却达到了0.402g。而2017年8月21日在意大利发生的4.3级地震，震中附近测到的地面运动峰值加速度也达到了0.271g。由此可见，仅仅通过震级这一个指标来预测震中附近的破坏能力大小，实在是有些力不从心。

所以，要提高震后震害预测的精度，必须要设法获取更多的数据。由于传感及通讯技术的进步，实时获取地震现场的加速度时程记录的技术已经越来越成熟。比如最近发生的20161113新西兰8.0级地震，20180206花莲6.5级地震，到这次20180216墨西哥7.1级地震等，都在震后很短时间内就获得了震中附近的加速度记录。这些加速度记录真实地反映了当地的断层活动、场地特性、震源距离等因素的影响。基于这些真实的加速度记录，自然可以对当地可能遭受的震害给出更加科学准确的评价。这就比根据震级去估算地震的破坏能力要准确得多。给个比较有代表性的例子就是发生在2017年8月的0808九寨沟7.0级地震和0821意大利4.3级地震。虽然从任何统计规律上说，7.0级地震的破坏力都应该比4.3级地震要大很多。但是实际记录的地面运动加速度清晰的告诉我们（图3），0821意大利4.3级地震完全可能引起比0808九寨沟7.0级地震更大的破坏。

图3 0808九寨沟7.0级地震和0821意大利4.3级地震震中附近加速度时程对比

所以，要提高震损预测的精度，我们认为首先要设法加大地震传感网络的建设。毕竟我们做“地震工程”的，如果连地震时候地面运动都没有搞清楚，那么很多研究也是缺乏依据。当然，建设密集可靠的地震传感网络不是一个轻而易举的事情，但是我们觉得这是非常值得做，而且也完全能做得到的事情。

那是不是仅仅有了地震传感网络就可以了呢？我们觉得这个还不够，因为“Data is not information, Information is not knowledge”。得到了地面运动数据，必须进行加工和分析才能转化成我们对震害的科学认识。当然我们获取了加速度时程后可以从中获取很多信息，比如地面运动的峰值加速度（PGA）等。但是地面运动的峰值加速度大并不意味着震害一定严重。之前我们曾以清华校园为例，对比了不同地震测得的震中附近加速度对建筑震害的影响（参见：如果花莲地震发生在清华园？）。从对比结果可以清晰看出，虽然0206花莲地震的PGA只有0.40g，但是其破坏力远远超过了PGA=1.0g的芦山地震或PGA=0.68g的伊拉克地震。这是因为地震地面运动的破坏能力，除了和其幅值有关，和其频谱成分、持时等关系都很大，想从地面运动时程的个别指标上确定其破坏能力并不容易。

图4 不同地震的PGA大小

图5 不同地震下清华校园建筑的破坏状态比例

那怎么办呢？我们建议：可以考虑回到地震工程的本源——把真实的地震记录输入到真实的或者是选定的建筑物或者建筑群上面，看看这样的地震记录到底会导致什么样的破坏。如果是做个别建筑物的非线性动力分析，这就是大家所熟悉的“建筑抗震弹塑性分析”。而如果是对一个区域很多建筑做非线性动力分析，这个就是我们近期推荐的“城市抗震弹塑性分析”。当然，无论是“建筑抗震弹塑性分析”，还是“城市抗震弹塑性分析”，都有着其优点和局限性。建筑抗震弹塑性分析的优点在于分析模型较为精细，可以得到建筑各个构件的微观破坏信息。但是缺点是只能对个别建筑做分析，无法反映一次地震对量大面广的城市建筑群的破坏程度。而“城市抗震弹塑性分析”的优缺点正好和“建筑抗震弹塑性分析”互补，它可以得到区域上的统计结果，虽然对某个具体建筑的分析不是非常的精细。所以我们每次做震后破坏力分析，都是同时对典型单体建筑和典型城市区域做分析，希望可以同时把握该地震对单体结构和城市区域的破坏能力。

3. 0216墨西哥地震破坏力分析

我们回到这次0216墨西哥地震。我们以震中附近居民区获得的OXBJ记录为例，看看其破坏能力。将该地震记录输入典型框架结构和砌体结构，通过“建筑抗震弹塑性分析”，得到其地震响应如图6、图7所示。可见无论是对于框架结构还是对于砌体结构，引起的结构响应都很小，不存在倒塌的风险。

(a) RC框架结构平面布置示意图（单位:mm）

(b) RC框架结构层间位移角包络图

图6 0216墨西哥地震记录对典型多层钢筋混凝土框架结构破坏力分析

(a) 砌体结构平面布置图和模型示意图（单位:mm）

(b) 砌体结构层间位移角包络图

图7 0216墨西哥地震记录对典型多层砌体结构破坏力分析

由于没有墨西哥当地建筑的信息，我们就以清华校园建筑为例，进行“城市抗震弹塑性分析”，看看这次地震对区域建筑群的破坏能力如何。得到的震害预测结果如图8所示（由于每个结构的实际抗震能力都是有一定不确定性的，所以我们在新版的程序当中加入了对结构抗力不确定性的考虑，图中每类结构有三列，分别为结构抗力取中位值和加减一倍标准差的预测结果）。可见建筑基本都没有倒塌的风险，因此发生因建筑倒塌导致人员伤亡的风险也就非常小了。

图8 0216墨西哥地震记录对清华大学校园建筑群的破坏力分析

当然，大家会想到：“城市抗震弹塑性分析”是个新技术，如何去使用？我们觉得这个问题并不难解决，因为任何依托于软件技术的问题，其推广应用都是非常快的，就像现在男女老幼每个人都在用微信一样。在10年前，当我们开始动笔写《建筑抗震弹塑性分析》书稿的时候，“建筑抗震弹塑性分析”还是一些大学和大设计院才能做的事情，而现在基本上大大小小设计院都可以做了。因此我们相信“城市抗震弹塑性分析”也应该可以迅速推广开。比如我们每次做地震破坏力分析速报的工作，就已经被简化成一个很简单的软件操作过程，如以下演示操作视频所示。这样即便是一个地震工程刚刚入门的本科生，也可以完成一个分析报告的生成工作。

图9 地震破坏力速报软件操作演示视频

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4. 小结

在地震发生后迅速而准确的预测震害具有重要价值。传统手段受限于数据过少，提高预测精度难度较大。而通过发展地震传感网络，进而开展基于实测地震地面运动的“建筑抗震弹塑性分析”和“城市抗震弹塑性分析”，有望可以显著提高震害预测的准确程度。

以上是我们的一家之言，有很多错误之处，敬请大家批评指正。

说明：

(1) 0216墨西哥地震分析工作由孙楚津、程庆乐、顾栋炼等同学完成