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
2017年8月8日，在我国四川九寨沟发生了7.0级地震，引起了大家广泛关注。九寨沟地震虽然震级很大，但只有76间房屋倒塌。而半个月以后，8月21日，在意大利发生了一起4.3级地震，却导致很多建筑物倒塌，2人遇难。一些典型建筑震害图片见图1，不难发现这次意大利遭受的灾情也很严重。于是大家不禁要产生一些疑惑：不是说破坏性地震一般要到5.0级以上么？不是说地震震级差1级，能量相差30多倍么？（也就是说，理论上7.0级的地震要比4.3级的地震能量大几千倍）。为什么这次意大利4.3级的地震居然看起来和7.0级的地震差不多？
图1 8.21意大利4.3级地震引起的建筑物破坏（图片来源于网络）
我们首先做一点简单的科普。地震的一个重要指标是震级，震级表示一次地震释放的能量有多少（参见以前的文章：《辟谣：12级地震，你知道有多大么？》）。人类目前记录到的最大的地震是1960年发生在智利的9.5级地震。这次地震把一个长度超过800公里的断层整个撕开了20多米，激起的海浪横扫半个地球，把整个太平洋晃荡了一个星期，最大海啸巨浪高度超过25m（超过6层楼）。在这种毁天灭地的自然威力面前，一切人类工程都将荡然无存。所以如果有人说某个工程可以抵抗9级地震或者10级地震……
那我们为什么会看到很多号称可以抵抗“8级地震”的工程呢？其实这是一个非专业人员经常犯的错误。地震的破坏力，除了震级以外，还有一个很常用的指标，就是“烈度”，它表示地面晃动的强弱。很多人说的“8级设防”，实际上是“8度设防”。在20世纪早期，大家对地震的强度描述还非常混乱。于是美国加州理工大学的天文爱好者Richter博士（是的，你没有看错，Richter学的理论物理，还是个天文爱好者）过来打了一次酱油。他指出：其实地震和天文学有很相似之处。每个地震都是一次能量释放，所释放的能量是一个确定的数值，就像天上的恒星都有一个大小。而你距离震中远，你感觉到的振动就小；离震中近，感觉到的振动就大。就像天上的恒星，距离远近不同，亮度也不同。因此，一次地震的震级，就相当于一个恒星的大小，这个是确定的。而一个地点地面运动的强弱（即“烈度”），就相当于一个恒星你看到的亮度，不同的距离是不一样的。当“震级”和“烈度”的概念澄清后，广大地震研究者立刻感觉清爽多了。从此每次地震都有了一个以这个著名的酱油党Richter博士命名的指标：“里氏震级”。
图2 向当年著名的酱油党Richter博士致敬
好了，既然地震引起的地面运动强弱称为“烈度”，于是大家就对历次地震中地面运动的“烈度”做了分析和分级，把“烈度”分为若干等级（比如我国采用12个等级，日本采用7个等级）。知道某个地区的烈度是多少，就可以大概知道某个地区的地面运动强弱。这样就可以对地震破坏进行较为合理的估计。我国每次地震后，一般都会把不同受灾地区，标记上从6度到10度不同的烈度区。我国的抗震设计，也是覆盖了从6度到9度不同的烈度。比如北京就是8度设防，这次九寨沟地震的受灾区也是8度设防。注意，老师敲黑板了，是“8度”，不是“8级”。
那“8度”和“8级”到底是一个什么关系呢？这个倒真是一个非常有趣的问题。一般说，震中地区的烈度大概是震级+1.5~2。也就是说，6级地震，震中烈度大概是7.5到8度。换句话说，北京8度设防，对应的大概是6.5级左右地震的震中附近地面运动。但是，这个“大概”可是非常非常的不准确。这也就终于说到我们今天的主旨话题：为什么需要大力发展城市抗震弹塑性分析？
我们先来看看8.8九寨沟7.0级地震和8.21意大利4.3级地震中测得的震中附近地面运动和反应谱的对比（图3、图4）。虽然从道理上说，8.8九寨沟7.0级地震引起的地面运动应该比8.21意大利4.3级地震要强很多，但是真实的地震是如此的复杂，以至于8.21意大利4.3级地震的地面运动要显著强于8.8九寨沟7.0级地震引起的地面运动。如果我们采用城市抗震弹塑性分析方法，把这两个地面运动同时输入阿坝地区典型乡镇，可以看到震害对比如图5所示。所以图1中意大利建筑物遭受的严重破坏，从科学上是可以解释的。因此，从这个对比案例就可以看出，用震级来判断地震的破坏力大小，实际上很多时候是不准确的，可能导致错误的震害预测结论。
图3 8.8九寨沟7.0级地震和8.21意大利4.3级地震震中附近地面运动对比
图4 8.8九寨沟7.0级地震和8.21意大利4.3级地震震中附近反应谱对比
图5 采用城市抗震弹塑性分析方法对比8.8九寨沟7.0级地震和8.21意大利4.3级地震震中附近乡镇建筑物破坏
那既然震级不准确，我们是否可以用“烈度”作为震害预测的依据呢？当然，从逻辑上来说，既然“烈度”就是地面运动强度的指标，那么用于震害预测当然是可以的。很多学者通过大量统计，也给出了地震强度-烈度-建筑物破坏之间的统计关系。但是，由于地震震害非常复杂，这种方法也遇到了很多问题。这里说一些专业性的问题，“烈度”可以大致分为“宏观烈度”和“仪器烈度”两大分类。宏观烈度就是根据破坏的结果，比如房倒屋塌的程度，做为烈度的依据。但是房屋的破坏程度除了和地震动强度相关以外，还和房屋的抗震能力密切相关。同样的地面运动，性能差的房屋破坏得多，性能好的房子破坏得少，导致宏观烈度客观性有时存在争议。而仪器烈度是根据实测的地面运动强度（比如峰值加速度）来评价地面运动的破坏力。这个比宏观烈度自然客观了很多，但是如何将实测地面运动强度和结构的破坏建立起关系来，这个是一个很复杂的话题。国内外很多课题组包括我们课题组都做了很多研究，但是目前来说还没有一个很好的答案。不过至少大家已经公认地面峰值加速度这个指标是存在比较大的问题的，比如日本2011年“311”大地震实测到峰值加速度2.9g（将近3倍重力加速度）的地面运动，但是现场震害却非常轻。也就是说，地面峰值加速度大的地方，震害未必一定严重。
那有没有更好的解决方案呢？我们认为，城市抗震弹塑性分析就是一个可供考虑的解决办法。所谓城市抗震弹塑性分析，就是把地震真实测得的地震动，输入到城市建筑模型里面去进行弹塑性动力时程分析，进而直接可以得到地面运动对不同建筑的破坏情况（Earthquake Disaster Simulation of Civil Infrastructures: From Tall Buildings to Urban Areas, Springer, 2017）。相比起利用震级或根据震级推断的震中附近烈度来预测震害而言，城市抗震弹塑性分析用的是真实的地震动，其精度的提升显而易见。与仪器烈度相比，城市抗震弹塑性分析综合考虑了地震动的幅值、频谱、持时特性和建筑物的抗震性能，自然也更加的合理。计算的结果，除了宏观上的震害等级（轻微破坏、严重破坏等），还可以得到很多具体的工程震害指标，如层间相对位移，楼面加速度等，可以用于更加精细化的震害分析。因此，从原理上说，城市抗震弹塑性分析显然是一个更好的选择。图6所示是我们开展的一些城市抗震弹塑性分析的结果，可以看出其效果还是非常明显的。
图6 典型城市抗震弹塑性分析结果
当然，城市抗震弹塑性分析存在两个制约条件：(1) 真实地震动是否可以及时准确获取，以及(2)城市建筑模型是否准确可靠。真实地震动的获取依赖于地震台网的布设以及通讯网络的建设，但是随着技术的进步，这个问题有望得到逐步解决，大家想想我们身边无处不在的手机信号，应该可以对未来充满希望。城市建筑模型的完善也是类似的，虽然现阶段还存在不少缺陷，但是看看谷歌、腾讯、高德等互联网公司的地图和街景服务水平，这个事情也是有希望做到的。当然，完全发挥出城市抗震弹塑性分析的潜力，不是一个课题组，或者一个学校能够完成的任务，需要很多单位共同努力合作。
所以，我们认为城市抗震弹塑性分析在城市地震灾害分析等方面有着广阔的应用前景。而且，除了建筑震害以外，在次生灾害分析、疏散模拟等方面也都有很多发展空间。特别是在地震台网越来越健全、通讯手段越来越发达、计算机越来越快速的情况下，发展城市抗震弹塑性分析已经具备了非常良好的条件。
城市抗震弹塑性分析的应用实例
一、城市抗震弹塑性分析方法用于震害预测
二、城市抗震弹塑性分析方法用于应急评估
三、城市抗震弹塑性分析方法用于次生灾害及经济损失预测
如果大家对城市抗震弹塑性分析有点兴趣，想亲手操作一下，欢迎下载城市抗震弹塑性分析教学演示程序