城市土木工程基础设施韧性提升理论与方法

顾祥林，余倩倩，姜 超，刘凌瀚，卢晨琛

(1.工程结构性能演化与控制教育部重点实验室，上海 200092；2.同济大学建筑工程系，上海 200092)

随着我国城市化进程的推进，城市系统日渐复杂，人员和社会财富高度集中，如不能有效应对灾害将会产生无可估量的损失。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确指出“建设韧性城市”。由不同建筑、特种结构、高架桥梁和地铁交通网络等组成的土木工程基础设施系统是现代城市的重要组成部分，保证其韧性是建设韧性城市的关键。土木工程基础设施在其服役周期内可能面临突发的或短暂的灾害性作用，如地震、强风、火灾、爆炸等，使其性能突变甚至失去功能。同时，在长期环境作用下土木工程基础设施的性能还会因材料劣化、钢筋/钢材锈蚀等影响而逐渐退化。环境作用和灾害作用的耦合又会加剧土木工程基础设施的性能恢复和提升难度(图1)。为应对这一严峻挑战，必须综合考虑多灾害作用和复杂环境作用，大幅提高城市土木工程基础设施的韧性，即提高其主动防止灾害发生、减轻灾害损失和迅速恢复灾后使用功能的能力。

图1 多灾害和环境作用下土木工程基础设施性能退化与恢复、提升Fig.1 Degradation,recovery and enhancement of performanceof civil engineering infrastructures under multiple hazardsand environmental effects

实现这一目标的理论基础就是要建立多灾害作用下城市土木工程基础设施的韧性提升理论和方法。因此，迫切需要解决提升城市基础设施韧性背后的基础科学问题，深入研究多灾害及复杂环境作用下单体结构与土木工程基础设施系统的灾变演化机理、灾变控制方法及韧性提升理论。

1 多灾害作用与复杂环境作用

20世纪以来，全球地震、强风、火灾、爆炸等灾害事件频发。其中，有的灾害以单一的形式出现，如强风、爆炸；有的则是由某一单一灾害引发或并发其他灾害，如地震引起火灾或者爆炸等多重灾害。多种灾害伴随发生而形成的灾害组合场景对城市土木工程基础设施的破坏以及所带来的经济损失巨大，日益引起人们的高度重视。此外，长期服役过程中，结构易受到环境中腐蚀介质侵蚀，造成性能下降，灾害风险进一步增加。认识多灾害作用和复杂环境作用是开展结构致灾机理研究和韧性评估的重要前提。

1.1 多灾害作用

土木工程基础设施在服役过程中，会面临多重作用的风险，包括短时突发灾害(如地震、强风、火灾、爆炸等)和长期环境作用(如混凝土碳化、氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀等)。近年来，结构单体及其组成的基础设施系统在多重灾害作用下的韧性和风险研究开始逐渐得到关注[1-5]。根据灾害属性，多重灾害可分为并发和继发灾害。并发灾害(concurrent hazards)指多重灾害在同一时间发生或持续时间有重叠；继发灾害(cascading hazards)指某个灾害触发、增强或扩散其他灾害。基于灾害效应的相关关系，一种灾害可通过改变物理构件的基本属性或功能同其他灾害产生关联。进一步地，可根据灾害效应的相互放大或抑制作用，将灾害分为加剧灾害(amplifying hazards)和衰减灾害(dim inishing hazards)。多灾害作用如对于某设计参数的选取产生相悖的结论，则称两者为竞争灾害(competing hazards)；相反，如考虑某种灾害作用得到的设计参数，对抵抗其他灾害作用有益处，称两者为补充灾害(complementary hazards)[5]。由此，目前按抗单一灾害设计的结构在面临多灾害作用时可能得到不一致甚至完全相反的结果；仅单独考虑土木工程基础设施在服役周期中可能遭受的多个灾害作用，而不考虑灾害作用之间的相关关系对基础设施的影响，会导致结果和预期目标间有大的差距。

在计算并发灾害相遇概率时，如果基于两种灾害相互独立的假设，可根据两种灾害各自的概率分布、持续时间等参数，基于独立性原理由全概率公式推导得到。已有研究对地震-洪水冲刷、洪水冲刷-重卡车荷载、地震-重卡车荷载三类并发灾害相遇概率计算进行了初步讨论[6]，但是该计算方法仅适用于重现期短的灾害，且在计算中低估了灾害的持时和发生次数。在此基础上，有学者建立了考虑灾害发生次数的并发灾害相遇概率模型[7](图2)，较之前的方法大大提高了计算准确性。但是，计数过程需借助灾害的重现期，只能粗略反映灾害的强度特征。近年来，广泛运用于金融、保险等领域的相关分析的Copula 函数被用于建立两种灾害强度的联合概率分布[8](图3)，在考虑灾害之间相关关系的基础上，分析并发灾害的强度特征。

图2 地震-强风相遇概率计算(中国台湾花莲地区)Fig.2 Encounter probability of concurrent earthquakesand strong w inds(Hualian,Taiwan,China)

图3 基于Copula 函数的震级-风速联合概率分布(中国台湾花莲地区)Fig.3 Copula-based joint probability density function of earthquakemagnitude and w ind speed (Hualian,Taiwan,China)

相对于并发灾害的分析，对于继发灾害的研究较少，大多集中在地震引发火灾，一般基于两类方法展开。第一类是采用回归统计方法研究地震继发火灾次数，给出地震后建筑发生火灾率；基于历史数据回归统计的方法易于使用，但未涉及继发灾害的触发机理[9]，普适性较为有限。第二类采用事故树[10]等方法进行地震继发火灾危险性分析；基于事故树分析方法在基本事件的权重和概率的选取上往往依赖经验或历史数据，在分析复杂继发灾害系统问题时基本事件和最小割集数量庞大，若进行近似和截断，会导致评估结果、基本事件重要度大小及排序存在偏差。

1.2 复杂环境作用

在环境的长期作用下，城市土木工程基础设施结构会逐渐发生性能退化，其抵抗多种灾害的能力也会随之降低。结构承受的环境作用可分为环境气候作用(温度、湿度等)和环境侵蚀介质作用(CO2、Cl-等)。两者均具有显著的时空变化特征[11-12]。

以混凝土结构为例，环境中二氧化碳或氯离子侵入混凝土，引发其中钢筋锈蚀，进而导致混凝土结构性能退化(图4、图5)。实际上，环境侵蚀介质作用是引发结构性能退化的直接诱因，而环境气候作用能显著影响环境侵蚀介质的作用过程。因此，环境中温度、湿度、CO2、Cl-等作用及其对结构的影响受到国内外学者的广泛关注[11]。

图4 海洋大气环境下某服役10年混凝土结构的碳化深度和氯离子含量Fig.4 Carbonation depth and chloride ion content of a concrete structure subjected tomarine atmospheric environment for 10 years

图5 不同平均锈蚀率ηs下锈蚀钢筋的应力-应变关系Fig.5 Stress-strain relationship of corroded steel barsand tendonsw ith different corrosion degrees

在环境温度作用下，混凝土内部会形成温度场，从而影响混凝土中水分传输、碳化、氯盐侵蚀、钢筋锈蚀等过程。混凝土的热传输与其饱和度、荷载损伤程度以及骨料-砂浆界面热阻等因素密切相关[13]。在环境湿度的作用下，混凝土中水分发生相变和迁移。混凝土中的水分传输不仅会带动溶于其中的侵蚀介质(如Cl-)迁移，还会改变混凝土的饱和度从而影响侵蚀性气体介质(如CO2等)扩散。国内外学者对混凝土的水蒸气等温吸附滞后效应、水分容量、水分传输系数以及界面过渡区的传输系数等开展了较为充分的研究，并基于此建立了混凝土的湿传输模型，实现了环境湿度作用下混凝土内部湿度分布的预测[14-15]。此外，考虑到实际工程结构混凝土中的热传输和水分迁移往往同时发生，热-湿耦合传输规律的研究也得到了重视[16]。

二氧化碳侵入混凝土内部发生碳化反应，降低孔隙水溶液的碱性，引发钢筋脱钝锈蚀，是导致一般大气环境下混凝土结构性能退化的主要原因。国内外学者对恒定环境下混凝土的碳化过程已有较为充分的认识[17]。然而，在实际环境下，温度、湿度和CO2往往同时作用于混凝土结构，热-湿耦合传输会显著影响混凝土碳化发展[18]。氯离子溶于水侵入混凝土内部，引发其中钢筋脱钝锈蚀，是导致海洋环境和除冰盐环境下混凝土结构性能退化的主要原因。在饱和状态下，氯离子主要以扩散作用侵入混凝土。然而，大气温度变化导致的热-湿耦合传输效应和海水潮汐导致的水分干湿交替作用，均会对混凝土中氯离子侵蚀过程产生显著影响[19]。此外，混凝土结构承受的荷载作用也会影响混凝土的碳化和氯离子侵蚀过程[20]。

总体而言，环境作用下结构性能退化是多种环境耦合作用诱发的。当前国内外学者对单一环境作用及其对结构的影响的研究较为充分，对部分环境作用的耦合效应也有一定认识，但是多环境耦合作用及其效应尚待进一步深入研究。

2 多灾害作用下单体结构灾变响应分析

自从人类完整记录了El Centro波以来，积累了大量的实测地震动数据，深入认识了地震动的规律和特性，所发展的反应谱理论和动力分析理论能确定结构的地震作用。火灾的温升作用、风荷载引起的风振作用和各种爆炸对结构带来的冲击作用通过试验模拟结合流固耦合理论目前均已取得较成熟的应用。土木工程基础设施单体是城市工程系统的关键节点，只有准确分析单体结构的灾变响应，才能认识结构的灾变机理，进而提升单体结构及结构系统的韧性。

2.1 单灾害作用下单体建筑结构的灾变分析

强震、爆炸、冲撞等可能引起结构倒塌，严重威胁人类生命财产安全。倒塌过程中，连续(或可以合理地假定为连续)的变形发展阶段只是其中较小的部分，对结构的倒塌机理影响非常有限。随着结构宏观裂缝的发展，其受力机理与连续介质力学的描述相差越来越大。有限单元法一般通过弥散裂缝或离散裂缝等修正方式描述不连续介质，但对于大变形问题，收敛较为困难。同时，在倒塌过程中，脱离整体后的单元，通过碰撞和其他单元发生相互作用，对于倒塌过程有重要影响。进行结构倒塌反应分析时，基于连续介质的方法不能很好地满足实践的需要。离散单元法把连续体离散为刚性单元的集合，用显式的动态松弛方法求解单元运动方程，刚性单元之间允许相对运动、接触和碰撞，不用刻意满足位移连续条件和变形协调条件，适合于大位移和大变形非连续介质问题分析。目前，基于离散单元法的结构倒塌反应计算机仿真分析已取得了较好的效果[21](图6)。

图6 钢筋混凝土框架结构倒塌过程试验结果与基于离散单元法的仿真分析结果Fig.6 Resultsof shaking table testsand numerical simulation of collapse processof an RC frame structure based on the discrete element method

2.2 多灾害作用下单体建筑结构灾变响应分析

对于高层建筑，地震和强风是主要的控制荷载，除了单一灾害发生的情况外，地震和强风并发灾害事件也有发生。建筑结构在地震和强风作用下的灾变响应分析研究较少，一般基于气象观测数据进行地震和强风荷载模拟并进行随机组合，地震作用施加在底部基础而强风荷载时程按高度变化施加在高层建筑各层。结构的响应和易损性随着地震输入和风速的增大而显著增大，地震作用造成了更多加速度相关的损失，而风荷载造成了更多位移相关的损失[22-24]。震损后结构的耐火性和受火后结构的抗震性能也有相关研究报道[25-26]。

多灾害作用进一步加重结构的损坏程度，甚至引起结构倒塌。在细观尺度上分析混凝土材料的破损过程，在宏观尺度上分析地震、爆炸等关联作用下结构的性能退化过程，是揭示多灾害作用下结构灾变机理、避免多灾害作用下建筑结构局部甚至整体垮塌的重要基础和研究手段。

2.3 单灾害作用下特种结构和桥梁结构灾变响应分析

冷却塔是电厂中应用最广泛的一种散热冷却设备，其厚径比(壳体厚度比塔体直径)约为鸡蛋壳的三分之一，属于空间薄壳结构，对风、地震以及其他偶然因素较为敏感。历史上发生过多起冷却塔的倒塌事故。采用合适的分层壳单元，合理确定单元的数量可对超大型冷却塔在极端外部作用下(局部爆炸、超强地震作用、强风作用)倒塌模式和倒塌过程作很好地模拟(图7)，进而揭示塔体结构的破坏机理，指导厂区规划，避免次生灾害[27- 29]。

图7 地震作用下混凝土结构大型冷却塔倒塌过程试验结果和模拟分析结果Fig.7 Experimental investigation and numerical simulation of collapse process of a reinforced concrete super-large cooling tower under earthquake

影响桥梁结构的主要灾害作用是地震、风和冲撞。其中，桥梁地震响应分析方法主要有Pushover法和动力时程法。前者已经从传统分析方法发展至多模态分析方法[30]和自适应分析方法[31]。将Pushover 法与反应谱法结合，用能力谱法可进行桥梁结构地震需求分析和结构地震易损性分析[32]。相比于Pushover 法，动力时程法计算成本较高，但是动力时程分析可得到桥梁在不同地震作用下的响应时程，较为直观地反映桥梁动力特性和抗震性能，并且得到结构地震易损性曲线[33]。通过将桥梁结构特征进行分类，并采用各类别中典型桥梁的地震易损性曲线代表同类桥梁的地震易损性，可实现区域桥梁地震损伤评价[34]，这意味着桥梁地震易损性分析对象已经从单体桥梁逐步发展至区域桥梁。

2.4 多灾害作用下特种结构和桥梁结构灾变响应分析

多灾害作用下特种结构和桥梁结构的响应分析必须建立能反映每单一灾害作用机理的分析模型。例如，对于地震和冲刷组合作用下的结构分析，模型不仅要能反映出地震分析所需的结构动力特性和损伤特征，还需考虑土-基础之间的相互作用进而计入冲刷的影响[35]。目前常用的等效土弹簧模拟下部桩基模型在考虑单一地震灾害作用时是足够精确的，但在考虑地震和冲刷两种灾害作用下的响应分析就显得较为粗糙；其次，多灾害作用并不等同于每种施加在桥梁结构上的灾害作用的简单叠加，因为多灾害作用对结构的影响可能是对单一灾害作用影响的加剧，也可能是削减[36-37]，如地震和波浪组合作用下，水体对桥墩的附加动水力会放大桥梁的动力响应，而在相同重现期下考虑强风与波浪这两种灾害之间的相关性，可以降低桥墩设计荷载标准。对于继发式灾害作用组合，分析中必须考虑先发灾害作用效应对后发灾害作用效应的影响[38]。

由于不同的灾害具有各自不同的特点，不同灾害作用下结构的易损部位也不一样，多灾害作用下结构响应分析首先需要建立能够反映各种灾害致灾机理的分析模型。而这往往涉及复杂的多场耦合建模、多场约束的本构关系及状态方程。

3 多灾害作用下土木工程基础设施系统的灾变响应分析

对多灾害作用下土木工程基础设施系统的灾变响应分析，目前的研究与现实需求差距显著。以地震为例，第一代单体建筑抗震设计方法基于大量的实测地震动数据以及对地震动特性的规律性认识，发展了反应谱理论和动力理论。第二代单体建筑抗震设计方法基于结构性能指标，如伤亡人数、修复费用、修复耗时、震后危险等级，进一步完善了相关内容。而在城市地震动力反应方面，目前的研究方兴未艾。相比多灾害作用下的单体灾变响应分析，多灾害作用下土木工程基础设施系统致灾分析需要考虑行波效应、风场干扰、火灾场蔓延、土-结构群相互作用等复杂因素的影响。基于单体结构简化模型的城市动力弹塑性分析方法预测震害，正在逐步发展中。然而，多灾害作用下城市基础设施系统的反应及其灾变机理，比如，地震或爆炸引发火灾、地震引发相邻建筑碰撞、地震引发建筑与高架桥碰撞等，目前的认识相当缺乏。多灾害及其耦合作用下的城市工程系统失效机理与韧性评价有待进一步研究。

3.1 地震行波效应

地震地面运动是一个复杂的时空过程。工程中常用的反应谱法和动力时程法假定结构各支点具有相同的地震动，这种输入方式对于一般的单体结构是可以接受的，但是对于平面尺寸较大的单体结构或土木工程基础设施系统，忽略地面运动的空间变化可能给结构响应计算结果带来较大的误差。地震动的这种空间变化特征主要表现为以下3个方面：①部分相干效应；②行波效应；③局部场地效应。其中，以行波效应为主[39]，且通常不可忽略。行波效应对结构响应的影响较为复杂，受结构特性、地震波特性、传播方向等多因素影响。对单体结构来说，行波效应会导致结构响应增大，对结构造成不利影响，如行波方向的位移显著增大[40]、结构扭转效应增大[41]。

行波效应下结构响应的复杂性主要缘于结构自身的复杂性、所输入的地震动的复杂性等。关于多点激励与一致激励的比较似乎难以找到很强的规律性。另外，现阶段对行波效应的研究主要集中在大跨度桥梁、大跨度空间结构、大坝和地下管道等单体结构，对于在城市区域震害模拟中考虑行波效应影响的相关研究还较少。

3.2 风场干扰作用

风是大气边界层内空气流动的自然现象，其速度和方向具有随时间和空间变化的特征，是一个随机场。对于高耸结构、高层建筑结构、大跨度空间结构与大跨桥梁结构等，风荷载是结构设计时需要考虑的一类重要随机动力荷载。在进行随机风场模拟时，往往将此随机场转换为多个一维随机向量过程，并采用线性滤波法或谐波叠加法模拟脉动风速随机过程[42]。而对于结构群或基础设施系统，风场由于受到不同结构物间的相互干扰而发生显著改变，具体表现为作用在结构表面的风荷载和结构物周围的风环境。由于风场干扰作用，结构群的某些局部区域会出现低风速或高风速区段。1965年，英国渡桥电厂的8座冷却塔群中，有3座位于下风向的被5年一遇的大风吹毁(图8)。事故调查认为倒塌原因主要归结为没有考虑脉动风作用和群塔干扰效应而带来的设计强度不足。近年来，不少学者基于Computational fluid dynam ics(CFD)理论对城市区域风场进行模拟，并结合实地测量数据和风洞试验对模拟结果进行验证与修正[43]；讨论风集流效应以及结构物在不同风入射方向和结构物间距下的遮蔽效应，探究风场循环规律和风舒适度[44]。还有不少学者研究建筑布局形式[45]、建筑间距[46]等因素对于区域风环境的影响，并对这些影响因素做出定量评估。但目前关于区域风场的研究多是基于CFD理论进行的数值模拟，对于多因素影响的城市风场致灾机理的试验研究较不充分，城市区域风场的实测数据也较为有限。

图8 英国渡桥电厂冷却塔倒塌模拟Fig.8 Collapse simulation of cooling towers in the Ferrybridge Power Plant,UK

3.3 火灾场模拟

火灾场的模拟方法主要有区域模拟与场模拟。其中区域模拟通过假定相应物理参数，根据物理和化学规律，推导出相应的常微分方程。20世纪80年代，EMMONS[47]开创性地将质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理运用于火灾模拟研究，建立了建筑火灾的区域模拟理论。其基本思想是把研究的空间划分为不同控制区域，假定其中参数是均匀的，对每个区域运用上述基本原理，可得到一组描述火灾动力学演化的基本方程。区域模拟方法至今已发展得比较成熟，运用区域模拟理论的主要程序有HARVARD、CFAST、FIRST和BRI2 等[48]。有关地震次生火灾的模拟，已有基于元胞自动机模型、静态burn-zone模型及基于地理信息系统的地震次生火灾模型[49-51]。地震可能导致建筑体损坏、消防设施受损、电气设备破坏等，从而对火灾蔓延产生较大影响，HIMOTO和TANAKA[52]进一步考虑了地震动和火灾对房屋造成的破坏及其对火灾蔓延的影响，但算例中区域建筑震害是随机指定的，并未对如何模拟建筑震害作进一步讨论。

3.4 土-结构群相互作用

地震作用下，高层建筑群之间通过场地土的联系形成整体，将产生复杂的土-结构群动力相互作用(Soil-Structure Cluster Interaction，SSCI)。土-结构群动力相互作用的群效应是指多栋建筑构成的结构群在地震作用下发生的与单体建筑不同的反应，它是由地震波在土中传递时在基础间反射形成的。这种群效应除了受土体条件的影响外，与结构群中结构的个数、间距以及场地动力特性等因素相关[53-54]。然而，在传统的地震学和地震工程应用中，城市建筑物的存在通常被忽视，地面运动仅考虑震源和场地条件，认为结构在地面运动作用下的响应与周围结构无关，这种近似在大多数场合是合理的，但对于拥有大量密集建筑物的大型城市，SSCI效应将引起结构地震响应或增强或减弱，鲜见系统完整的规律性研究。已有大量研究基于简化的理论模型，采用不同的方法考虑结构与土体、结构与结构之间相互作用，分析结构和土体的相互影响关系[55-57]。常用的数值分析方法包括有限差分法、边界元、有限元及谱单元法等。

虽然目前对土-结构群动力相互作用问题已有不少研究，但考虑土-结构群相互作用的结构响应变化规律十分复杂，与具体输入的地震动、场地特性和结构自身的力学性能等有关。现阶段的研究主要集中在两栋相邻建筑相互作用的研究，对于城市区域结构中所涉及的多个结构的“土-结构”场效应研究还较少。

3.5 结构群灾变分析

近年来，为了应对潜在的震害损失，城市建筑群的地震灾害响应模拟应运而生。然而，城市区域范围大，建筑众多，动力分析模型必须考虑计算效率与计算精度的平衡。目前常见的建筑结构动力分析模型包括：1)基于构件的精细化有限元模型[58]；2)等效单自由度(SDOF)模型[59]；3)等效多自由度(MDOF)模型[60]。其中，有限元模型对每个构件建模，计算结果可靠，但单元数量庞大，计算工作繁琐，一般只适合于单栋建筑的精确分析。SDOF模型计算简便，但无法考虑高阶振型，不适合高层建筑。相较之下，MDOF模型考虑了楼层的影响，计算结果相对精确，且计算工作量较低，是目前城市建筑群震害模拟的理想模型。为建立MDOF模型，需要采集建筑的几何尺寸、场地类型、结构类型和建造年代等基本信息，并将这些信息转化为结构动力分析模型的力学参数。传统方法通过人工测量、实地调研和查阅图纸档案等手段获取城市建筑基本信息，但对于庞大的城市建筑量是不现实且效率低下的。针对这一问题，以地图为数据源，利用地理信息系统(GIS)技术，快速获取建筑基本信息，是一种行之有效的方法。结合GIS和建筑信息模型(BIM)技术获取城市区域内结构矢量信息，通过建立多自由度剪切、弯剪模型的精细有限元模型，可进行多尺度城市区域多灾害响应分析[61]。

地震下结构群中某一结构倒塌会引发灾害链式传播，比如倒塌瓦砾破坏和阻塞道路，将造成交通通行能力下降，影响震后人员逃生、医疗和消防救灾的及时性。以地震作用下结构倒塌瓦砾的分布及其对路网通行能力的影响、震后城市路网易损性分析等为基础[62]，可进一步对人员疏散和医疗救援开展相关研究[63-64]。也可考虑单体结构倒塌和相邻结构间撞击致倒塌过程，获取完整的瓦砾分布。并针对结构倒塌瓦砾阻塞道路的因素，定量评估震后路网交通系统和医疗系统的功能劣化程度[65]。总体上，目前对以地震为主要诱导原因的土木工程基础设施系统灾害链产生、发展、传播的继发特点，还没有完全弄清楚。

3.6 城市交通网络脆弱性评估

城市交通系统作为城市重要的生命线系统和社会经济活动的基础，其脆弱性正逐渐成为制约城市可持续发展的瓶颈问题(图9)。交通网络脆弱性的评估方法分为四类：特定场景法、特定策略法、仿真分析和数学模型推演[66]。“特定场景法”分析在特定场景(如地震、洪水、桥梁受到攻击等)下，交通网络甚至社会经济受到的影响。但针对的场景较少，适合小规模或小范围内的研究，很难系统且全面地对大规模网络的脆弱性进行研究。“特定策略法”能够系统性地评价整个网络的脆弱性，一般都是研究网络被攻击后网络性能(如连通度、可达性、网络费用等)的损失。仿真分析也是评价路网脆弱性的主要方法之一，仿真软件由于简洁、易操作和可视化程度高等优点而广受追捧。数学模型推演的评估方法主要是通过构建模型来表达路段的脆弱程度和潜在场景发生的可能性。

图9 上海地铁网络站点关键程度的空间分布Fig.9 Spatial distribution of station criticality of Shanghai metro network

4 多灾害作用下城市土木工程基础设施系统韧性提升

城市土木工程基础设施遇灾害作用时如不能有效恢复功能，将造成巨大损失。为应对这一挑战，必须综合考虑多灾害作用和环境作用，大幅提高城市土木工程基础设施的韧性，即提高其主动防止灾害发生、减轻灾害损失和迅速恢复灾后运转功能的能力。

4.1 结构材料性能的恢复

随着服役年限的增长，环境中CO2、Cl-等侵蚀性介质在既有混凝土结构中不断累积增长，钢筋锈蚀隐患严重，结构性能退化风险显著。因此，电化学修复技术日益受到重视[67]。如图10所示，电化学修复技术以既有混凝土结构构件内部钢筋为阴极、外表面增设金属网片为阳极，通过直流电源在阴阳极之间施加电场，在钢筋表面附近生成OH-，使混凝土内部恢复碱性，并促使混凝土内部Cl-等通过孔隙溶液往外部迁移，从而达到延迟钢筋锈蚀的目的。在电场作用下，表层碳化混凝土的孔隙溶液中不仅仅Cl-发生迁移，还同时伴随着Ca2+、OH-等多种离子传输、吸附/脱附以及溶解/沉淀过程。这些物理、化学耦合过程可导致表层碳化混凝土的孔隙结构发生变化，进而又反过来影响多离子传输过程。当前虽有部分考虑多离子耦合传输-反应的电化学除氯模型，但是这些模型并未考虑碳化，只孤立考虑氯离子侵蚀，与实际情况不符，且并未测得多离子含量分布以全面验证模型准确性。实际上，由于电场作用下表层碳化混凝土中多离子耦合迁移/沉积机理及微结构演变规律不明，如何精准设计电化学修复技术方案以恢复混凝土保护层的有效保护作用尚待进一步深入研究。另外，尚应开发更多实用的结构材料性能恢复技术。

图10 电化学修复混凝土结构技术示意图Fig.10 Schematic diagram of the electrochem ical repairing technology of concrete structures

4.2 单体结构的灾变控制

以单体结构抗震为例，其发展经历了抗震(防止灾害发生)、减震隔震(减轻灾害损失)，以及可恢复(灾后恢复能力)等不同阶段[68]。新型高效抗侧结构体系逐渐在高层建筑中得到广泛应用，如阻尼伸臂桁架体系[69]、斜角网格筒体结构体系等；各种减震技术和隔震技术，如新型阻尼器[70]和TMD装置[71]、多种类型减震隔震方法，获得了长足发展，列入了我国相关规范。为确保结构具备综合防御地震与连续倒塌的能力，近年来有学者提出各种结构设计技术和方法。按照适用对象的不同，这些技术和方法可被划分为两类：一类是针对新建建筑提出的设计技术，通常是对梁纵筋采取相应的构造处理，以实现结构可综合防御地震与连续倒塌的目的[72-73]；另一类是新建建筑和既有建筑均适用的增设外部构件方法。外部构件可在柱失效时有效传递不平衡荷载实现结构抗连续倒塌性能的提升，但在小变形阶段一般不参与受力，故不会影响结构抗震性能[74-76]。在结构层次，采用自复位、可更换构件等技术可有效控制结构在地震作用下的损伤及倒塌概率。摇摆结构、自复位结构，以及带可更换构件结构的研究方兴未艾(图11)。

图11 可恢复功能结构Fig.11 Earthquake resilient structures

4.3 土木工程基础设施系统韧性提升

考虑结构倒塌灾害发生后，引发冲击邻近建筑、路网/电网/通信网中断、救灾受阻等次生灾害，以绘制倒塌方向玫瑰图、确定建筑间合理间距，以及验算道路疏散宽度等方法来主动控制继发灾害传播，进行防灾规划，是提高结构群系统韧性的有效方法(图12)。上述思路结合以有效避难为手段的被动提升方法，有望为土木工程基础设施系统韧性提升开辟新途径。根据地铁网络系统的脆弱性分析(图9)，可以找到关键节点，改善加强关键节点的性能后，即可提高网络系统的韧性。但总体方法还是概念性的，尚待进一步深入研究。

图12 结构倒塌瓦砾分布Fig.12 Distribution of structural collapse rubbles

5 结论

目前，单一灾害作用下单体结构防灾机理研究已较为充分，但如果不考虑多灾害作用可能会导致结构性能不能满足预期要求；此外由不同建筑、特种结构和高架桥梁等组成的城市土木工程基础设施系统的灾变机理和韧性提升有待深入研究。

未来需要进一步关注：

(1)多重灾害触发及复杂环境作用机制；

(2)多灾害作用下单体结构灾变机理；

(3)多灾害作用下城市基础设施系统灾变机理。

多重灾害和复杂环境按“并发”和“继发”两种情况作用于城市基础设施。只有揭示多重灾害的触发机制以及复杂环境的作用机制，厘清相应的组合工况，提出多重灾害作用组合方法，方可精准分析结构单体或结构系统的灾变反应，进而对其实施控制。只有揭示单体结构在多灾害作用下的性能演化规律与失效机理，探寻多灾害作用下单体结构灾变控制途径和功能恢复、性能提升方法，方可深入分析土木工程基础设施系统的灾变响应。只有认识城市土木工程基础设施系统的灾变发展规律，揭示其灾变机理，方可建立城市土木工程基础设施系统的韧性提升理论和方法，为实现我国防灾减灾战略、建设韧性城市提供科技支撑。