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写在汶川震后十年——余震研究的现状

[发布日期:2018-05-10 17:29:11]

  没有人会忘记十年前在汶川地震发生之后,那一幕幕房屋残墙断壁,民众流离失所,亲人骨肉分离的惨状。更令人嗟叹的是当年的惨痛损失在很大程度上是由于房屋建筑质量和抗震设计、构造的缺陷造成的。为了避免这样的人间惨剧再次上演,在这十年间我国的结构工程师和地震工作者们进行了大量的研究和试验,极大地推进了我国建筑结构工程在抗震领域的发展。以国际上结构抗震领域的顶级学术期刊地震工程与结构动力学(Earthquake Engineering and Structural Dynamics)和地震工程学报(Journal of Earthquake Engineering)为例,2007年至2017年,我国在这两本期刊上发表的论文数量增长了517%。虽然是以管窥豹,也可以从一个侧面表明我国这十年间在结构抗震领域取得的成绩。

  然而,值得注意的是,目前结构抗震领域的研究主要针对的是地震中的主震。在现行的结构设计规范中也只针对主震进行针对的设防设计。诚然,主震作为一次地震中震级最高的一次地震动,其释放的能量往往较该次地震随主震而来的余震要高出数十倍乃至数百倍以上。但是与这能量对比相比不成比例的是,余震所造成的损失相较主震通常却是显著的,归其原因主要有如下几点:

  1.  主震后,建筑结构往往已经处于损伤甚至危险状态。一系列的余震作用于已损坏的建筑结构上会造成损伤的积累,导致结构损伤恶化甚至倒塌。例如在1999年的土耳其科贾埃利大地震中,一座居民楼在7.6级的主震中仅遭受了轻微的损伤,但是在随后发生的一次5.9级的余震中却轰然倒塌。

  2.  虽然余震的震级(衡量地震释放的能量的参数)要小于主震,但是由于余震的震中位置、震源深度等参数与主震并不相同,有可能在局部地区产生相较主震更强的烈度(衡量地震破坏力的参数)。比如假设某建筑距主震震中50千米,震源深度40千米,主震震级7级,而某一余震震中距该建筑10千米,震源深度10千米,那么即使该余震仅有5级,其造成的该建筑处的地震动烈度仍然很可能比主震造成的烈度更高。

  3.  余震的持续时间较长,可达几天甚至几个月。比如5.12汶川地震主震发生之后,截止2008年7月26日12时00分,中国地震台网中心就已经检测到了316次4.0级以上的余震。持续不断的余震不仅仅基于以上两点原因对建筑结构造成额外的损伤和更严重的直接经济损失,还会对这期间建筑的正常使用造成干扰(比如工厂不能正常开工,商场不能正常营业等),带来难以估量的间接经济损失。

  4.  除此之外,余震还会迟滞、干扰震后的救援工作,带来额外的伤亡。例如汶川地震中就时常发生在挖掘被困人员过程中由于余震导致废墟再次崩塌,人员重新被困的情况。而且时不时发生的余震也对被困人员以及救援人员的生命安全造成了严重的威胁。由此而带来的间接经济损失同样也是难以估量的。

  基于以上原因,目前国际上的结构抗震前沿已经开始将对于余震灾害的研究画作重点研究的领域之一。由于余震的发生时间、地点和强度都有着很大的随机性,而且余震带来的间接损失往往与不确定的人为因素相互影响(如上述第三、四条所言),所以传统意义上的确定性的结构抗震工程以及相关的研究方法在面对这一领域就显得力不从心了。近年来,来自美国密歇根理工大学的韩瑞龙博士、李越博士,和美国科罗拉多州立大学的John Van de Lindt博士一起,创新性的将自本世纪初渐渐兴起的建立在概率方法的基本框架之上的基于性能的地震工程学应用于余震灾害的研究,解决了将余震灾害的随机性与不确定性量化的难题。他们利用蒙特卡洛模拟、拉丁超立方取样法等概率方法,结合用于预测地震动的衰减关系,首创了一种基于主震信息随机生成余震波的方法,解决了余震研究中余震记录有限的问题。他们还首次将余震灾害的影响整合进了最新的基于性能的地震工程框架中,使之可以考虑余震灾害在时间、空间、以及强度上的不确定性,并且可以考虑余震灾害与疏散、维修等震后人为决策之间的相互影响。利用所建立的方法,他们对于常见的几种建筑结构在考虑主震和余震作用下的表现进行了研究分析。研究表明,余震灾害带来的额外直接经济损失和间接经济损失可高达主震所造成损失的约40%,再一次证明了考虑余震灾害的重要性。

  毋庸多言,上述对于余震灾害的研究对于房屋建设,抗震减灾的决策乃至城市建设的规划都有着非凡的参考价值。然而,可惜的是,国内对于这一领域的研究依然寥寥无几。在对余震灾害的研究与预防上,我们还有很多的路要走。希望下一个十年里,我们也能在这一领域得到长足的进步。(魏丹)