地震灾害对工程建设的反思

张旭，张奔牛

（重庆交通大学重庆400074）

地震灾害对工程建设的反思

张旭，张奔牛

（重庆交通大学重庆400074）

本文就作者赴四川灾区援建所察和对玉树地震救灾的调查，引起联想，谈了抗震设防目标修订、标准提高的设想及理由，论述了抗震设防的理念、发展方向、遵循原则以及工程建设中应注意的事项，对工程建设颇有警示意义。

房屋震害；震害分析；建筑抗震；抗震救灾

1 前言

2008年5月12日，四川汶川发生了M8.1级特大地震，直接经济损失8451亿元人民币，直接遇难人数69，197人，失踪人数18，341人。时隔不到两年，2010年4月14日，青海玉树又发生M7.1级强震，据统计已遇难2，197人，失踪175人，受伤12，135人，直接经济损失尚未公告。这两次地震检验了中国人面对突如其来天灾的精神和整个国家的应急机制，展显了中国社会制度优势。然而，地震是一面镜子，也是一部生动的教科书，我们需要从这两次地震中总结经验与教训。

2 提高现行建设工程抗震设防标准，扩大抗震设防范围，修订“三水准”的抗震设防目标

地震发生时，房屋一改平日里安居和温馨的空间功能，变成了残害主人生命的杀手和恶魔，说明地震灾害的主要属性是土木工程灾害。提高我国现行建设工程的抗震设防标准，扩大抗震设防范围，修订“三水准”的抗震设防目标，理由如下。

2.1 借鉴抗震设防先进国家经验

1994年1月17日，美国加州北岭发生M7.1级地震，美国在总结地震经验后认为，城区发展和经济建设的中长期规划没有保证城市的安全。随后，美国对建筑抗震标准进行了重新评估。1995年1月17日，日本阪神发生M7.2级地震，事后，日本认为对神户地区的地震危险性认识不足。日本随后将城市防灾规划中的设防烈度范围扩大到5度，同时，对原地区的建（构）筑物的抗震设防标准提高。智利的法律规定所有建（构）筑物不得低于烈度9度进行防震设计。其实，我国在经历了历次大地震后，也在不断改革和发展建筑抗震设防的标准和理论。如：1966年邢台地震后，提出了“基础深一点、墙壁厚一点、屋顶轻一点”的概念；1976年唐山地震后，创造了砖房加“构造柱圈梁”技术；1989年发展为至今“小震不坏，中震可修，大震不倒”的“三水准”抗震设防目标。

从近年世界各地发生的一些地震来看，美国、日本、智利等抗震设防先进国家，发生M6级地震基本做到了"零死亡"，发生M7甚至M8级地震只造成极少数的人员伤亡和较轻的社会影响。究其主要原因，是这些国家的防灾减灾的意识强，抗震设防的目标高。

2.2 改变我国工程建设现状的需要

抗震设防目标的制定，取决于现有的技术水平和经济发展水平，并涉及国家的抗震防灾政策。过高的抗震设防目标，将超越现实经济条件的可能；过低的抗震设防目标，则不能使工程、设施具备必要的抗震能力。它是在综合考虑地震环境、地震动参数，选择准确性与适用性、建设工程的重要程度、允许的风险水平及要达到的安全目标和国家经济承受能力等因素的基础上确定的。

以前，我们总认为，对于罕遇的强烈地震（即M＞8的特大地震），其发生的可能性小，当遭遇到这种地震时，要求做到结构不受损坏，这在经济上是不合算的。这种观点应当改变。因为以人为本，人的安全是首要地位；再说，我们的地壳差不多每时每刻都在震动，只是级别小的震动我们无所感而已。特大地震尽管在短期内遭遇的概率小，但只要延长观察期限，它的遭遇几乎是肯定的。正是由于特大地震毁灭性，无论在损失程度上，还是在损失范围上都很大，所以更不能让其泛滥。我们说建造房屋如同百年大计，质量第一，安全第一，抗震防灾第一就是其中的道理。虽然抗震设防目标的提高涉及财力，但我们往往重视房屋的“舒适度”而忽视房屋的“安全度”，我们往往愿意把大量财力投入到房屋装饰，却不愿意把钱花在抗震设防上。其实，我们建造房屋的目的是为了获得一个安全舒适的生产、生活场所，安全是根本，舒适是锦上添花。只有房屋安全了，舒适才有保障。因此，在财力一定时，建房时将钱花在抗震设防上要比花在装璜装饰上划算得多，合理得多。亡羊补牢，不如防患未然；与其地震灾害损失几万个亿元，倒不如将这几万个亿元用于抗震设防上；与其灾后几万个亿元的援建，倒不如事先把几万个亿元用在房屋的加固与改建上。

另外，目前我国工程建设的决策权不在专家手里，而是地方官员和发展商“一句定千秋”。大量工程项目可行性研究，在地方政府和规划、审批部门预先设定的框架范围内专家们才进行反向论证。往往只能通过削减结构工程、降低标准等手段，来使得整个建设投资控制在预算额度内，这在客观上削弱了建设工程的抗灾能力。抗震设防标准提高后，就可以抵消他们所降低的那部分，影响会少些。

2.3 “三水准”未提特大地震，“大震不倒”不能应对特大地震

我国“89规范”对新建工程的抗震设防目标要求是：“（M= 2～4）小震不坏、（M＞5）中震可修、（M＞7）大震不倒”，一直应用到现在，已经20年了。按科学发展的观点，现在已经是修订抗震设防目标“三水准”的时候了。随着我国的经济发展和技术水平提高，应该关注和考虑特大地震。因为现行抗震设防目标未提特大地震，所以它应予以修订。建议抗震设防目标修订为：“中震不坏，大震可修，特大震不倒。”

“89规范”描述的结论：在中国地震烈度区，基本烈度按50年限期（即建筑使用年限）内，一般场地条件下，可能遭遇超越概率为10%的地震烈度。罕遇地震烈度可能遭遇超越概率为2%～3%的地震烈度。多遇地震烈度可能遭遇超越概率为63.2%的地震烈度。这些都是以前统计分析的结论。但从1966年M7.2级的邢台地震，到1976年M7.8级唐山地震，又到2008年汶川M8.1级地震，再到2010年玉树M7.1级强震，几乎每10～30年发生一次大地震，且又临界特大地震，所以特大地震所面临的现实概率不容忽视。“大震不倒”的目标，显然不能应对特大地震。汶川和玉树地震的发生，证实了地震频度和强度增加，引起了原全国各地若干地区发生地震统计所定超越概率、地震环境的变化。仅2010年1月至今，发生5级以上地震就有：1月1日，西藏5.0级，1月31日，四川、重庆市交界处5.0级，2月18日，吉林省与俄罗斯交界处6.5级地震，2月25日，云南5.1级，3月24日，西藏5.7级，4月14日，青海玉树7.1级。此外，1月5日，台湾5.5级，1月19日，台湾5.6级，2月22日，台湾5.1级，2月26日，台湾5.1级，3月4日，台湾6.7级。既然地震动参数选择准确性与适用性存在问题，那么，抗震设防目标、标准随之修订也就理所当然。

2.4 “三水准”的说法容易混淆，缺乏科学性、准确性

地震震级是衡量一次地震释放能量大小的等级。通常由里氏震级表示，它是利用标准地震仪距震中100 km处记录的最大水平地面位移（振幅）的常用对数值。地震烈度是指地震时在一定地点震动的强烈程度。一次地震只有一个震级，但可以对应无数个烈度。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低，烈度决定地震对建筑物造成的破坏程度。若按《建筑抗震设计规范》、《中国地震动参数区划图》，对照本地区建筑物的地震设防烈度进行设计，只有地震的实际烈度不超过该设防烈度时才是安全的；当实际烈度超过该设防烈度则不安全。所以说由于实际烈度不确定，因此带来抗震设计地震动参数选择的烈度实际是参考值，当实际烈度超过这个参考值后会出现安全问题。

由于震级与烈度之间存在一个绝对距离，而在一次地震中，同一结构的建筑，如果距震中的距离不同，则有的倒塌，有的不倒塌，这就很容易混淆“大震不倒”的概念。在不同的区域，抗震设防目标“三水准”，则有的显得标准高，有的显得标准低，因此说抗震设防目标“三水准”的说法还缺乏科学性、准确性。

2.5 实际地震烈度高于设计时选择的烈度参考值（预计的设防烈度）现象已经发生

从“5.12”汶川地震考察发现，震中三江地区的地震烈度达到了空前的11度，绵阳、都江堰的地震烈度超过8度，而该地各种建筑物的抗震设防烈度只有7度。自有地震记载以来，汶川县附近200公里范围内，发生过八次7级以上地震。其中，1933年茂汶北叠溪就发生过7.5级地震，极震区烈度达到10度。事实证明“按烈度6度开始抗震设防”选值范围窄了，“按本地区抗震设防烈度提高1度作为设计值”标准低了。

2.6 稍微提高一下目标、标准，不是什么超前，也不是沿袭硬抗旧思维，更不是反对隔震减震技术。《建筑抗震设计规范》把地震动参数值和长期习惯使用的地震烈度对照为（表1）：

表1

《建筑抗震设计规范》从国家基本建设政策和技术上讲，是建筑工程抗震设计的基本依据，是建筑抗震安全性储备的最低标准，是建筑抗震设防必须遵循的“底线”，注册结构工程师对任何建筑抗震设计的标准只能满足或高于该规范的要求，不允许低于该规范规定的要求。正如前面所述，设计者受工程项目决策者的限制往往就是采取这个“底线”，稍微提高一下标准，可以保证安全系数。

从抗震设防三个环节来讲，确定建筑物必须达到的抗御地震灾害的能力，即确定抗震设防目标要求是第一位；其次是抗震技术、抗震设计，采取基础、结构、材料等抗震措施，达到抗震设防要求；再次是抗震施工，严格按照抗震设计施工，保证建筑质量。如果抗震设防的目标都不高，又怎么能引导抗震防灾的发展呢？

反对者认为，提高抗震设防目标、标准不如采用隔震减震新技术，是沿袭硬抗旧思维。作者认为目前的隔震减震技术不是什么新思维，而是仿效铁路桥的结构（桥片与桥墩的隔震、减震），我国古代一些木结构（塔、寺）技术进行隔震减震的，只不过新应用到现代房屋上而已。因此，我们不能讲“放”的办法就否定或忽视“抗”的办法。美国、日本、智利等国已经推广使用隔震减震技术的同时，不也是把抗震等级标准逐步提高了吗？作者主张把建筑物的抗震等级从6度提高到7度或8度，不反对隔震减震技术。我们不苛求每一幢建筑都具有高等级的抗震设防标准，但至少要有重点公共建筑、保障性建筑需要提高抗震设防标准，以此保障地震灾难发生后能够为人们提供紧急避难所。

3 建筑抗震设防需要传统抗震技术与隔震减震技术结合，抗放相济

传统的抗震技术是以结构本身的抗震性能来抵御地震作用，以结构进入弹塑性状态，产生破坏为代价耗散地震能量，来实现抗震设防目标；它是根据牛顿力学理论，使建筑自身惯性力、阻尼力和弹性力与地震作用下的动力达到平衡，来保证地震发生不导致建筑物垮塌。这是通过加强构件，提高建筑物整体刚度来实现抗震设防目标的，是一种“抗”的办法。具体抗震设计是按《建筑抗震设计规范》、《中国地震动参数区划图》，对照本地区建筑物的地震设防烈度、设计基本地震加速度，结合建筑所在地的地基场地土类别，确定该建筑抗震设计的基本参数进行的。上面已述，该办法由于实际烈度不确定会带来抗震设计地震动参数选择的不确定，存在超烈度后会出现安全问题。地震动参数来源于以往统计或经验。也存在只保护结构，不保护结构里面的设备、仪器、装修的缺点；由于是通过增大受力面积、增加梁和柱的体积来提高建筑结构的整体刚度，因此在一定意义上说存在不经济缺点。

隔震技术是利用以柔克刚的办法，采用切断地震产生的冲击力的原理。在建筑物的底部（如地基与立柱之间）采用橡胶垫支承（隔震装置）作为一个柔软层，将建筑物整体有机地隔离成两个受力体系，由直接传递转化为间接传递。通过调整动力传输，变形集中，使地震的时候处于弹性状态，缓减地震力。地震发生时，建筑物可以沿水平方向微小运动，使顶上的结构所承受的震力被低层的隔震层阻隔而降小，加速度反应降低。因而隔震技术不但保护了结构，也保护了结构内部的设备、仪器和装修，可以大大延长建筑的自振周期。目前隔震技术的关键是隔震装置用橡胶制作，虽然通过对橡胶添加抗老化剂，外包保护层可以延长寿命，但还是要老化，不能保证50年。目前隔震技术虽然在美国、日本、英国、澳大利亚、智利等国应用较多，但不是全部工程。

减震技术是在建筑物的底部增设阻尼器（消能器），利用阻尼能够将地震的动能转化为热能或摩擦耗能的原理，耗散地震输入的能量，降低结构的地震反应，是一种“放”的办法。

从作者以前参加四川灾区援建所察情况来看，有些设置了圈梁和构造柱约束砌体结构破坏较严重，反而未设置圈梁和构造柱的无筋砌体房屋却无明显震害。一些以简陋的现代化手段新建的仿古建筑大多都在地震中毁塌，但一些用传统方法进行修建保存了数百、上千年之久的古文物建筑却未见倒塌。所以认为砌体结构房屋抗震性能最差，这种看法值得商榷。上述现象说明当房屋整体性较好且具有合适的整体刚度时，在地震作用下房屋可以通过协调变形、在一定范围内的震动等方式来消耗一部分地震能量。它启示我们，抗震设防完全靠“抗”，不是最佳办法。

如果完全靠“放”的办法也不行。一是因为隔震减震技术将建筑物整体隔离成两个受力体系，一方面由于以柔克刚，耗散地震输入的能量，降低上部结构的地震反应；而另一方面由于增加弹性，上部结构弹动也要求建筑物的整体性高。二是因为从“抗”到“放”需要一个过程，这个过程既需要设计人员的思想观念适应，施工技术人员的学习掌握，投资者对其的正确认识，目前来说也不现实。因此建筑抗震设防要传统抗震技术与隔震减震技术结合，抗放相济，更加合理合情。

4 建筑物抗震设防要树立“强柱弱梁”理念

从我以前参加四川灾区援建对比“小柱大梁”与“大柱小梁”情况来看，框架柱断面小于梁断面尺寸的房屋完全坍塌或损坏严重。这些房屋的框架柱柱头节点破坏严重，混凝土被压碎，钢筋压弯屈服，形成了柱铰破坏机制，而一些梁没有损坏。框架柱断面大于梁断面尺寸的房屋，只是局部裂缝，结构完整无损，虽房屋损坏但未倒塌。分析原因：一方面，柱是框架的竖向构件，是框架结构中最主要的承重构件，地震时柱破坏和丧失承载力比梁破坏和丧失承载力更容易引起框架倒塌；另一方面，柱为偏压构件，其截面变形能力远不如以弯曲作用为主的梁。再一方面，柱节点的箍筋对混凝土没有形成约束，也不能防止纵向钢筋压屈，必然造成框架柱节点脆性破坏。因此，建筑物抗震设防要树立“强柱弱梁”的理念。

5 建筑物抗震设防不能忽视结构造型的作用

从作者以前参加四川灾区援建对比“房屋平面不规则”与“房屋平面规则”情况来看，那些房屋平面不规则，凹凸明显，形成薄弱连接，整体刚度差的砌体结构房屋受到严重破坏。分析原因认为：形状简单、方正的建筑抗震能力要强。因为简单方正的建筑，自重布置匀称，协调变形能力强。房屋平面不规则，凹凸明显，刚度变化多；局部突出或外部轮廓曲折的建筑其协调变形能力差，抗震能力就差。因此，建筑物抗震设防不能忽视结构造型的作用。

6 工程建设中其他涉及抗震救灾问题

6.1 城市大型绿地建设规划要考虑紧急避难需要

根据以前参加四川灾区援建亲身体会，到了灾区援建面对的首要问题是住下来，联想到地震等灾害来临，需要空旷、平整、足够面积的平地作为安置灾民、紧急治疗和空中降落的场地。所以一个城市必须建设有相应的紧急避难所。除学校、重要公共建筑、公园和大型公共广场可作为避难所外，城市大型绿地则是最佳的选择了。因为在城市绿地中，建筑物少而低矮，绿化面积大，一般地震发生后，部分树木不致倒伏，不仅可以利用树木搭建帐篷，而且还便于空投。平时它不仅可以作为美化城市环境的场地，而且在地震发生时还可以充当地震横波的隔离带，成为居民紧急避难的临时棚户居住场地，因此，城市应该有足够的绿地，城市大型绿地建设规划要考虑紧急避难需要，地下需要配备生活用上下水管、电线等设施，地上需要设置公用电话、消防器材、水井口等。

6.2 城市道路建设规划要考虑救灾需要

灾区援建面对的第二问题是公路严重堵塞，进不去，因此当地震等灾害来临，道路就是时间线、生命线。考虑灾害发生救援的需要，同时缓解城市公路严重堵塞的问题，在城市道路建设规划时就应事先考虑救灾因素。如果在城市公路上分段设置平台，这个平台平时作为停车或会车场地，作为疏通局部车流量的重要缓冲区，就可以缓解城市公路严重堵塞的问题，且在地震等灾害发生时则可以充当实施空中救援的平台，还可以成为大型机械的临时组装地。

7 结束语

本文凭借作者参加四川灾区援建所察和对玉树地震救灾人员的调查，得到了一些启示，产生了联想，希望能够有益于工程建设的警示和抗震设防的研究。借此机会呼吁所有从事工程建设的技术人员把“关爱生命”作为自己的社会职责，用我们的智慧和知识，为人民提供更多的经得起历史检验的建筑产品和道路桥梁。

[1]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].

[2]郭继武.建筑抗震设计[M].中国建筑工业出版社，2006.10-14.

[3]盛骤，等.概率论与数理统计[M].高等教育出版社，2001.

[4]张敏政.汶川地震中都江堰市的房屋震害[J].地震工程与工程振动，2008，28（3）：1-6.

[5]范立础，卓卫东.桥梁延性抗震设计[M].北京:人民交通出版社，2001，5-16.

责任编辑：余咏梅

Reflection on Engineering Construction in Earthquake Disaster

In this paper，based on an investigation of the ruined buildings in Sichuan and Yushu earthquake areas，the authors have taken into consideration the revision of aseismicity goal buildings.The concerning theories，standards governing the rules of aseismicity buildings have been discussed.It may be helpful for construction buildings in the future anti-seismic designs.

building seismic damage;seismic damage analysis;building aseismicity;earthquake relief

TU352

：A

：1671-9107（2010）10-0021-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.10.021

2010-6-25

张旭（1984-），男，重庆交通大学硕士研究生，主要研究方向为工程力学、结构工程，

张奔牛（1975-），男，博士，教授，硕士生导师，国际结构健康监测协会（ISHMII）会员，国际频率传感器协会（IFSA）会员，重庆交通大学交通信息工程与控制研究所所长。