Review and Prospect of Earthquake Resistance and Seismic Isolation of Underground Structures
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摘要: 为进一步了解国内外关于地下结构抗震与减隔震的研究现状，首先，基于CiteSpace软件对文献展开量化分析，明确该领域研究历史发展脉络和进展；然后，对地下结构地震反应分析涉及的原型观测、理论分析、模型试验、数值模拟进行阐述，并综合分析不同研究方法的优缺点与适用情况；最后，从地下结构抗震与减隔震方面，总结国内外关于减轻强震区地下结构震害技术措施的研究成果，并对城市地下结构抗震韧性提升及未来需开展的研究工作进行展望。Abstract: To further understand the research status of earthquake resistance and seismic isolation of underground structures at home and abroad, this paper first carries out a quantitative analysis of literature based on CiteSpace software, and clarifies the historical development and research progress of this field. Secondly, the prototype observation, theoretical analysis, model test and numerical simulation involved in seismic response analysis of underground structures are described., the advantages and disadvantages and applicability of various research methods are comprehensively analyzed. Meanwhile, for the field of earthquake resistance and seismic isolation of underground structures, the research results of technical measures to reduce the earthquake damage of underground structures in strong earthquake areas are summarized. Finally, the improvement of earthquake resilience of urban underground structures and urgent future research work are prospected.
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引言
韧性城乡的关键问题是韧性，与之对应的英文是“Resilience”(汪辉等，2017)，最早起源于拉丁语“resilio”，意为“撤回或者取消”，后演化为英语中的“resile”，并沿用至今(Alexander，2013)。随着时代的发展，韧性一词也被广泛应用于各类学科中。社会生态学家将这一概念应用到城市研究中，认为韧性城市必须具备多样性、变化适应性、模块性、创新性、迅捷的反馈能力、社会资本的储备以及生态系统的服务能力(Allan等，2011；邵亦文等，2015；徐江等，2015)。21世纪初，美、日科学家在地震工程学科中引入韧性概念，其主要含义是指城乡遭遇中强地震时基本无破坏；遭遇强烈地震时，破坏很小，在短时间内城乡交通、通讯、供电、供水、房屋居住等基本功能可以恢复，基本没有人员伤亡(Godschalk，2003；Klein等，2003)。要实现韧性城乡的目标，核心是使城乡房屋建筑以及为交通、通讯、供电等系统服务的生命线工程具有很强的抗震能力，通俗地讲，这一目标可概括为“七级不坏，八级不倒”。
全球2个主要地震带(环太平洋地震带和欧亚大陆地震带)共同影响中国，造成中国地震多发且分散，地震伤亡人数占全球的比例超过40%。通过工程措施抗御地震造成的破坏，从而减轻或避免地震造成人员伤亡，与此相关的工作统称为震害防御，这是实现韧性城乡的必由之路。
韧性城乡建设工作的核心内容可以概括为“地下清楚”和“地上结实”，此外还有诸如科普宣传、地震烈度区划图编制、政策法规的制定和贯彻等。其中，“地下清楚”的内容包括深入地壳内部的活断层探测、城市范围的地震小区划、工程建设场地地震安全性评价和工程场地地质灾害评价等。“地上结实”的含义指采用不同建筑材料和不同结构形式的房屋、桥梁、大坝等工程结构在遭遇强烈地震作用时不倒塌，从而避免人员伤亡。
1. 中国地震灾害特点
中国幅员辽阔，地震多发且分散，历史上经济欠发达，多数房屋结构缺少基本的抗震能力，因而中国震害呈现小震成灾、大震巨灾的特点。通过对1900年以来的破坏性地震及其灾害数据进行汇总统计，将世界上各主要多震国家的震害进行比较，结果如图 1所示。其中，每个国家的震亡比是以百年来造成人员死亡的各次地震的震级总和做分母，以所造成的人员死亡数量总和做分子，计算出的1个无量纲数。震亡比大表明该国家震害严重。从图 1可以看出，比中国震害更严重的国家有海地、巴基斯坦、亚美尼亚、印度尼西亚和伊朗等，中国和印度相当，但尚不如土耳其、墨西哥，也不如美国、日本和新西兰。
图 1 世界上各主要地震国家的震害比较Figure 1. Comparison of earthquake damage in the countries with frequent earthquakes图 1还列出了各国的人均GDP，显然GDP越高，抗震能力越强，震害越轻。但可以看出，与人均GDP相比，中国的震亡比偏高，说明中国用于抗震的经费投入比例与先进国家相比低得多。
2. 中国震害原因分析
地震灾害的主要表现是人员伤亡，而造成人员伤亡的直接原因是房屋倒塌(郭迅，2009；2010)。导致房屋倒塌的主要因素有2个方面，其一是客观意义明显的“地质灾害”，比如地震产生的滑坡、崩塌、滚石、砂土液化、断层位错、地表破裂以及范围甚广的强地面运动；其二是主观意义明显的“人为失当”，包括设防水准过低、结构体系选择和结构布置失当、设计规范失误以及建筑选址不当等。诸如滑坡、断层等灾害只能通过合理的选址来避免，减轻地震灾害最主要的手段是减少“人为失当”。上述“人为失当”在建筑结构上的表现可概括为4个方面，即“散”、“脆”、“偏”、“单”。
(1)“散”主要体现在：①纵横墙间连接薄弱，构造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封闭；②竖向构件(墙、柱)与水平构件(梁、楼板、檩条等)连接薄弱，构造柱缺失或不足，圈梁缺失、不足或不封闭(图 2)；③门窗洞口两侧无构造柱(图 3)；④砌体砌筑质量差，砂浆强度不足；⑤横墙间距过大；⑥砌筑纵或横墙长度超过3m而无构造柱；⑦有未经专门抗震设计的圆弧状填充墙(图 4)。
(2)“脆”主要体现在：①承重墙为生土、土坯等脆弱材料(图 5)；②承重墙为干砌或泥结红砖；③存在短柱(图 6)；④强弯弱剪、弱节点强构件；⑤有构造不良的围墙、连接不牢的吊灯、吊顶、玻璃等。
(3)“偏”主要体现在：①多层底商砌体房屋底层各道纵墙刚度差异超过3倍，易被个个击破(图 7)；②多层框架有不当设置的半高填充墙，易因短柱的刚度大、延性差而被个个击破(图 8)；③平面布局里出外进，如“L”、“T”、“Y”等形状；④立面布局蜂瓶细腰，层间刚度分布有突变等。
图 7 各道纵墙刚度差异大引起的结构前脸破坏严重Figure 7. Damage of frontage wall for different stiffness of each longitudinal wall
图 8 不当设置的半高填充墙引起的框架柱破坏Figure 8. Damage of the RC frame column caused by half-height continuous infilled walls(4)“单”主要体现在：①抗侧防线单一，缺少冗余备份，如易形成层屈服机制的纯框架(图 9)；②砌体结构圈梁、构造柱等措施缺失或不足；③窗间墙、窗端墙宽度过小等。
图 9 层屈服机制下的底层柱端塑性铰Figure 9. Plastic hinge at the end of the column due to the yield mechanism在2008年汶川8.0级地震的极震区(映秀和北川)仍有一批表现相当“顽强”的建筑，通过深入剖析这些“榜样建筑”的构造特点，可以发现它们无一例外很好地遵循经典力学原理，在构造上呈现“整而不散”、“延而不脆”、“匀而不偏”、“冗而不单”。大量细致的实验和理论分析工作揭示了这些经得起8.0级地震考验建筑的秘密，所得到的结果如果得到推广应用，将极大地提升中国整体抗御地震灾害的能力。
自2008年汶川地震后，笔者一直专注于极震区倒塌与不倒塌房屋构造上的差别，通过30余次振动台试验探讨了决定房屋倒塌的关键因素。结果显示，底商多层砌体房屋各道纵墙刚度、抗力均衡、多层框架结构配以适当的落地剪力墙，完全可以抗御8.0级地震而不倒。进而可以设想，对于与Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度相当的地震动，不必将其作为抗震设防的对象，而把房屋结构自身的“散”、“脆”、“偏”、“单”作为设防的对象而加以克服，就可以实现“七级不坏，八级不倒”。
3. 工程抗震技术发展沿革
1923年，日本关东大地震造成14万人死亡，日本学者总结了这次地震的教训，提出将房屋自重的10%作为水平地震力，通过结构措施加以抗御，诞生了抗震设计的静力法。1933年，美国长滩地震获得了第一条强震记录，美国学者开始考虑地震的动力效应，并提出了“反应谱”的概念。反应谱法将建筑结构视为弹性体，能考虑结构与地震动之间的共振效应，对地震破坏的本质认识更加深入。1956年在旧金山召开了第一届世界地震工程大会，宣示1个与震害防御密切相关的学科——地震工程诞生了。从1964年开始，由于电子计算机技术的发展，专家学者又提出了建筑结构地震响应的时程分析法，这一方法能够考虑结构在强震下的非线性效应，技术进步明显，但因操作复杂而难以大面积推广应用。从1990年开始，美国学者又提出了“性态抗震设计方法”，这一方法区别对待重要性不同的结构在遭遇强震作用时的表现，比如学校和医院等人员密集型场所的公共建筑需要更强的抗震能力，从单纯关注生命安全扩展到减少经济损失。
进入21世纪以来，美国学者提出了韧性(Resilience)建筑的设计理念，基本涵义是考虑未来地震动极大的不确定性，通过设置多道防线，保证结构遭遇超设防地震时不致倒塌，由这样建筑构成的城市具有很强抗御地震打击的能力。
就中国而言，从1952年开始制定国家十二年科学发展规划时就列入了与震害防御相关的课题，如中国地震烈度表和中国地震烈度区划图、结构地震反应线性分析、建筑物动力特性测试、小比例结构模型动力实验、抗震设计草案编制、强震仪研制和布设等。由刘恢先主编的第1本抗震设计规范(草案)于1964年颁布，1978年颁布了正式版，即《工业与民用建筑抗震设计规范》。这2本规范均以反应谱理论作基础，考虑了场地条件的影响，强调构造措施的必要性。1966—1976年是中国灾难深重的10年，先后经历了1966年邢台地震、1970年通海地震、1975年海城地震、1976年松潘和唐山地震。邢台地震促使地震监测预报队伍的建立和完善；总结通海地震震害经验，提出了震害指数概念及考虑地形影响的方法；1975年海城地震是迄今为止公认为最成功的1次预报；1976年唐山地震的调查及深入研究，明确了圈梁、构造柱等构造措施的作用并写入规范，这一措施至今在中国乃至全世界仍发挥重要作用。
1989年的《建筑抗震设计规范》列入了可靠度理论，假定未来50年超越概率为63%的作为小震，10%的作为中震(设防烈度)，2%—3%的作为大震，以小震不坏、中震可修、大震不倒作为结构抗震设计的基本原则，将刘恢先于1975年海城地震和1976年唐山地震总结的抗震设计基本原则以概率形式重新表达。但是可靠度理论的列入，并没有对应物理机制的改变，得到的计算方法比以前复杂得多，很多设计人员难以理解，只能以配套软件计算结果为主，缺乏概念的判断，使结构抗震设计陷入盲目。
自1976年唐山地震后，中国大震沉寂了多年，但2008年汶川8.0级地震造成8.9万同胞遇难，随后2010年和2013年又分别发生了玉树地震和芦山地震。详细考察表明，中国总体上建筑抗震能力是薄弱的，并且建筑结构地震破坏的状态与设计规范的预期有明显差异。以常见的钢筋混凝土框架结构为例，规范中以“层屈服机制”作为抗倒塌设计依据，在具体设计中人为实现“强柱弱梁”，然而震后从未发现过“强柱弱梁”，这表明规范所依据的结构倒塌机理与实际并不相符(郭迅，2018)。对于多层砌体及底商多层砌体等结构，建议的偏心扭转内力重分配、墙段平面内抗剪验算等理论和方法都与实际震害有很大差距。
另一方面，近年来的几次大地震中，即使是极震区，仍然有若干普通材料建造的多层砌体、多层框架等结构表现良好，堪称奇迹。深刻剖析表明，这些可以称之为“榜样建筑”(如紧邻断层的白鹿中学等)的结构都经受住了地面运动强度1.0g的考验。这就提示我们需要对现行规范按照Ⅶ度或Ⅷ度进行抗震分析、验算的做法进行反思。规范所期望出现的震害现象没见到，规范未预料到的超强抗震表现却屡见不鲜。事实表明，现行规范对中国常见建筑结构的地震倒塌机理的认识还不够完善，技术供给与现实需求有巨大差距。震害防御工作的重点就是要缩小这一差距，这是减轻未来地震人员伤亡的根本途径。
4. 工程抗震新技术
由于地震是罕遇事件，如果把地震荷载等同于重力荷载来对待是不科学的。为此，工程界提出2种实用的抗震新技术，分别是隔震技术和消能减震技术。
(1) 隔震技术
地震引起地面往复运动，使得地面上房屋以及各种工程结构受到一定的惯性力，当惯性力超过了结构自身抗力，则结构将出现破坏。这就是大地震造成房屋破坏、桥梁塌落以及其它诸多工程设施损毁的原因。
隔震是将工程结构体系与地面分隔开来，并通过1套专门的支座装置与地面相连接，形成1个水平向柔弱层(图 10)，以此延长结构的基本振动周期(图 11)，避开地震动的卓越周期，减弱地震能量向结构上传输，降低结构的地震反应。由工程经验来看，多层框架结构经隔震以后，自振周期可由原来的0.3—0.5s延长到2.0—3.0s，避开了地震动卓越周期(0.1—0.5s)，可将地表传给上部结构的地震作用降低70%左右。19世纪末就有学者和工程技术人员提出了隔震的概念。采用基底隔震技术建造的房屋，能够极大地消除结构与地震动的共振效应，显著降低上部结构的地震反应，从而可以有效地保护结构免遭地震破坏。
图 10 支座在水平地震作用下发生剪切变形Figure 10. Shear deformation of isolation bearing in horizontal earthquake action
图 11 设置隔震支座以延长结构自振周期Figure 11. Extending the natural period of the structure by setting the isolated bearings目前全世界建造了2万余栋隔震建筑，中国有5000余栋。美国、日本、新西兰等国的上百栋隔震建筑经历了地震考验，表现出卓越的抗震性能。在中国2013年芦山地震中，人民医院因为采用了隔震技术(图 12)，不但没有人员伤亡，内部的核磁共振、彩超、X光机等精密医疗设备也没有任何损伤，医院成为震后伤员救治中心(图 13)。
(2) 消能减震技术
消能减振是指在结构中设置阻尼器或阻尼构件，通过改变体系动力特性、吸收耗散振动能量以减小地震反应的技术。在地震往复荷载作用下，结构发生以位移、速度和加速度表示的响应，如果在结构上安装位移驱动或速度驱动的阻尼器，如防屈曲支撑(BRB)、钢滞变阻尼器(图 14)、TMD(Tuned Mass Damper)、TLD(Tuned Liquid Damper)以及各类油阻尼器等，可以增加结构的等效阻尼比(图 15)，从而减小结构的地震响应，减轻甚至避免结构的破坏(张敏政，2015)。
5. 当前韧性城乡建设工作的主要抓手
中国城乡建筑抗震能力还较薄弱，与建设小康社会的需求还有很大差距。震害防御工作的目标是全面提升城乡建筑抗震能力，做到中小震无害，大震小害。为此，需客观面对中国城乡建筑中较普遍存在的“散”、“脆”、“偏”、“单”的问题，认真吸取近年来破坏性地震中正反两方面的经验和教训，从技术上实现“整而不散”、“延而不脆”、“匀而不偏”和“冗而不单”。具体措施有以下几个方面：
(1) 技术标准的建立：将最新实用技术(如“散”、“脆”、“偏”、“单”评估法)写入行业标准，以利推广应用。
(2) 技术标准贯彻落实：在城市新建建筑结构的设计施工过程中严格遵循新标准。
(3) 既有建筑的筛查：依据设计标准的技术原理和操作流程，分期分批推进城乡既有建筑抗震缺陷的筛查，依结果提出有针对性的补强措施。
(4) 大力推广减隔震技术的应用。
6. 结论
中国地震灾害形势依然严峻。以韧性城乡为标志的新时期防震减灾目标成为业界共识。韧性城乡的主要特点是城乡、工程结构及构件等各个层次都具有很强的抗震能力，即便地震相当强烈，城乡基本功能也能很快恢复。建设韧性城乡，首先需要对城乡抗震能力的现状进行科学评估。基于震害类比、实验验证和理论分析，总结提炼出的工程结构抗震能力“散、脆、偏、单”评估法是韧性城乡建设的有力工具。对于新建工程，宜大力推广隔震与消能减震新技术。
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图 1 地下结构抗震研究年度论文发表量
Figure 1. Number of annual papers published on earthquake resistance of underground structures
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