意大利与地震工程的起源|意大利“824”6.2级地震破坏力分析(2)

之前我们的文章“意大利‘824’6.2级地震破坏力分析(1)”发表后，一位读者留言，认为要求一百多年前的人研究地震，未免要求过高。确实，这个要求对于别的国家或者地区而言，确实有点太高了。但是对于意大利而言，这事还真有点故事可以说一说的。这是因为：意大利是现代地震工程最重要的起源之一。

故事要从1810年说起，1810年6月3日，（一个流星滑过天空？）一个名叫Robert Mallet的男孩诞生在爱尔兰的都柏林。据说Mallet天性聪慧，到底有多聪明我们无从了解，不过他22岁就入选了爱尔兰皇家学院（Royal Irish Academy）。

Mallet一生成就众多， 

(1) 比如：在1846年，他在《爱尔兰皇家学会学报》（Transactions of Royal Irish Academy）上发表了地震工程的奠基性论文“On the Dynamics of Earthquakes”。

图1 地震工程的奠基性论文“On the Dynamics of Earthquakes”

(2) 比如：他发明了单词“seismology”（地震学），“epicenter”（震中）等。

(3) 比如：他最先采用在地下埋设炸药的方式来模拟地震波并观察地震对结构的破坏作用。

(4) 比如：他完成了世界上首部系统的地震灾害现场调查报告“Great Neapolitan Earthquake of 1857: The First Principles of Observational Seismology”。

(5) 比如：他提出通过爆炸理论来解释地震的成因。

其中，Mallet最为重要的成果就是1857年Neapolitan Earthquake地震的调查。1857年，在意大利Padula地区，发生了一次据估计有7.0级的地震，造成了上万人死亡和严重的损失。震后，Mallet受Royal Society of London委托，去意大利现场调查。Mallet利用当时新发明的照相技术，真实记录了地震的破坏，并进行了必要的分析，于1862年出版了“Great Neapolitan Earthquake of 1857: The First Principles of Observational Seismology”。Mallet的这本著作成为了现代地震工程的起点。  

图2首部地震灾害现场调查报告“Great Neapolitan Earthquake of 1857: The First Principles of Observational Seismology”

由于Mallet上述开创性成就，Mallet被称为 “First Earthquake Engineer”和“Father of Seismology”。

 
图3 Robert Mallet (1810 – 1881) “First Earthquake Engineer”, “Father of Seismology”

这就是Robert Mallet，每天早晚拜拜祖师爷，保佑大家实验次次成功，论文每投必中。  

上次我们提到，这次“824”地震的作用实在不算强，意大利这次地震损失严重，实在是房屋抗震能力太差了。不过我们在讨论意大利的同时，也不能忘记，我国很多城市的抗震能力其实也好不到哪里去。根据《国家防震减灾规划（2006—2020年）》，“到2010年，大城市及城市群率先达到基本抗御6.0级地震的目标要求”。那我们就分析一下，这次意大利6.4级地震对我国的城市会有多大的破坏作用。以西北某中心城市某城区为例，它拥有66,355栋多层建筑，其结构类型和建筑年代分布如图4所示，可以看出该区域内大部分建筑都是1989年之后修建的，但是由于该区域内有大量的自建房，所以1989年之后仍有相当比例的未设防砌体结构。

图4 西北某中心城市某城区结构类型和建设年代分布

将AMT站台和NRC站台测得的地震动记录作为地震动输入，可以得到建筑的震害结果如图5所示。

(a)  AMT地震动

(b)  NRC地震动

图 5 “824”意大利地震对西北某中心城市某城区建筑破坏情况

为了估算本次意大利地震对该城区建筑造成的大致经济损失，本算例采用袁一凡 (2008) 建议的地震经济损失预测方法。该方法原理清晰，方法简单，曾被用于汶川地震多层建筑的直接经济损失预测，具有较好的效果 。采用该方法对66,355栋多层建筑的地震直接经济损失进行了计算，结果如图6所示。可以看出，在意大利地震动作用下，该区域产生了100多亿元的直接经济损失，这主要是由于目标研究区域内存在大量未设防砌体结构。

图6 不同地震动下不同类型结构的直接经济损失

图7反映了不同类型结构具体的经济损失分布情况。可以看出RC框架结构以及设防砌体结构抗震性能较好，不同地震动下，经济损失占重置成本的比例都远小于未设防砌体结构，未设防砌体结构的地震损失是当地结构直接经济损失的最主要来源。

(a)  AMT地震动

(b)  NRC地震动

图7  各类结构损失与重置成本的比值

所以，我国很多城市的抗震防灾能力还有很大的欠缺，就是意大利这次一个不起眼的地震，都可能会造成严重后果。实现《国家防震减灾规划（2006—2020年）》，还任重道远。需要注意的是，如果采取了必要的设防措施，则地震损失就可以有效降低。因此，尽快解决类似图4这样大比例未设防砌体建筑，是我国减轻地震灾害的一个重要内容。     

为更好地理解地震动长周期分量情况，将AMT和NRC台站东西方向地震动记录拟速度反应谱与汶川地震等对比，如图8所示。可见，该地震的长周期分量不显著，因此对高层建筑的破坏力相对有限。

图8 意大利“824”地震和我国近年来一些强震记录拟速度反应谱对比

将上述地震动输入两栋典型超高层建筑（图9和图10），进行非线性时程分析。从分析可得，无论是超高层A还是超高层B，在AMT和NRC两条地震动记录下的层间位移角均较小，两超高层的最大层间位移角均出现在结构接近顶部的楼层，且均不超过1/250，小于罕遇地震下1/100层间位移角的限值。可见，两超高层结构在此地震下抗震安全性均有较好的保证。

图9 超高层A有限元模型

图10 超高层B有限元模型

两高层的楼层绝对加速度包络值均在结构顶部明显增大，最大楼层绝对加速度均出现在结构顶部：超高层A楼层绝对加速度最大为0.503g（AMT-N），超高层B楼层绝对加速度最大为0.613g（NRC-E）。

根据以上分析，两高层的结构构件处于较为安全的状态，但根据美国新一代性能化设计指南《FEMA P-58-1》对于构件易损性的描述，某些非结构构件及物品设备在达到一定加速度或者位移后可能发生一定破坏。根据分析结果，两超高层上部楼层存在部分关键非结构构件损伤。譬如(1) 隔墙开裂；(2) 大房间的天花板发生大面积坠落而影响酒店或者办公室人员安全；(3) 冷却塔、空气压缩机损坏；(4) 顶层电梯会发生破坏而影响使用；(5) 小直径热水管、冰水管以及蒸汽管会发生轻微泄漏 等等。这些非结构构件的破坏仍然可能影响建筑的正常使用。《北京市“十三五”时期防震减灾规划》提出，应“确保北京地区一旦发生6-7级地震，达到伤亡不大、城市不瘫、社会不乱、应对有力、安置有序的要求；发生7级以上地震，基本实现首都核心功能不受太大影响的目标”。因此，对这些关键非结构构件的设计和安装也必须进行一定的抗震设计，才能保证超高层建筑在这样强度地震下的功能使用。 

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