河间司法鉴定地震这自然现象所导致的直接和间接危害，总是一次次地引起人们的关注与思考。现如今，世界上有很多大城市容易遭受大地震带来的灾难性破坏，而作为现代城市基本细胞的建筑物及建筑结构应怎样设计来提高抗地震与抗灾能力，并减轻地震所造成的破坏？

　　由日本工程院院士Akira Wada科研团队在中国工程院院刊《Engineering》撰文指出，在现代社会中，为了应对大地震带来的破坏，建筑物与建筑机构的可持续使用非常必要。基于现有建筑物的脆性结构、延性结构在应对地震破坏的优劣势分析，文章提出，建筑物的地震隔离结构与被动控制结构是一种行之有效的建筑结构，可把主体结构与承受地震横向荷载的地震结构分开以避免地震带来的损坏，能够广泛推广应用。

　　东京是日本的首都，是世界上最大的城市之一，亦是一个地震多发的地区。日本人口及其大部分城市功能都高度集中在此。根据估计，未来日本7级以上的大地震对东京造成的破坏将是极其严重的。地震本身与震后的火灾，导致伤亡人数可能超过2×104人。鉴于长途通勤线路故障而无法回家的被困工人、学生和其他人员将高达8×106人。有可能倒塌或被烧毁的建筑物约为610 000栋。地震导致的经济损失，包括生产力和服务业水平下降所带来的影响，可能高达9.5×1013日元，这几乎相当于日本的年度财政总预算。

　　像东京一样，世界上还有很多其他大城市也很容易受到大地震造成的灾难性破坏。先进的现代城市与社会必须具有更强的可持续性与更强的抗灾能力，才能够抵抗地震所造成的破坏。为了实现这一目标，建筑结构必须更加可靠。

　　建筑结构在大地震期间可能会遭受强烈的震动，虽然这样的地震非常罕见。这种震动会使结构构件之间彼此分离，进而造成整体结构的分离。故而，建筑结构可能会失去竖向承载能力，然后倒塌。严重解体的结构构件倒塌后会造成居民及其周围邻居的死亡。在过去发生的大地震中，在几种建筑结构中都观察到了这样的现象——特别是在2016年日本熊本地震、2010年海地地震、2015年尼泊尔廓尔喀地震、2008年中国四川地震、2009年意大利拉奎拉地震、2016年意大利阿玛特里切地震以及2017年墨西哥普埃布拉地震中坍塌的以古木、钢筋混凝土（RC）和砖石建造的建筑物。这些脆性结构的倒塌直接造成了很多人员的伤亡。自北岭大地震（1994年）以来，虽然美国还未再经历过一次大的地震，不过仍有大量脆性结构建筑物，其倒塌风险依然存在。在地震风险相对较低且对地震风险认识不足的地区，即使是中度地震也可能具有极大的破坏性。故而，这种脆性建筑结构的结构性能仍然需要继续改进。鹤岗司法鉴定

　　科学家与工程师已经开发了抗震设计技术，来减少建筑结构的倒塌。首先，建筑结构的设计是为了在大地震中保持其完整性。这些技术包括：木结构房屋的连接件、砌体结构建筑中的木框架、RC柱中的箍筋、强柱弱梁设计理论以及钢结构连接破坏的预防等。其次，采用延性结构设计方法。大地震中建筑结构的塑性变形能够吸收地震能量，防止结构倒塌。这种抗震设计思想的应用，极大地整合了结构构件，防止了结构倒塌，挽救了人类的生命。在实际上，在执行评估结构延性的抗震设计法规要求后，日本在大地震中倒塌的建筑物数量大幅减少。不过，很多设计精良的建筑物在大地震中经历了过度的塑性变形，不得不被拆除，由于这些建筑物的主要（抗重力荷载）结构构件，如柱子、梁和节点都受到了破坏。居民通常意识不到地震后建筑物的结构设计会受到破坏，但是也不想继续住在受损的建筑物中。

　　故而，有必要采用一种新的结构设计方法，即通过把主体结构与承载地震侧向荷载，并吸收地震能量的结构进行分离，进而避免主体结构的损坏。被动控制结构与隔震结构是实现这一目的有效方法，应该得到更广泛的应用。

　　▲脆性结构

　　大多数地震的临界损伤与结构倒塌都发生在脆性结构中，其抗侧力的延性变形能力有限。鉴于没有可感知的韧性变形能力，某一个元件或连接件的脆性破坏可能会引发其他元件或者连接件的破坏。这种脆性断裂链可能造成整体结构破坏或倒塌。

　　鉴于缺乏对地震风险的认识或受预算限制，建筑结构的建造往往很脆弱。图1展示了2015年在尼泊尔廓尔喀地震中坍塌的未加固砌体结构建筑。在这场大地震中，因为强烈震动，砖块从不同方向上脱落，造成建筑物倒塌。在其他很多地震中也观察到了类似的破坏，包括拉奎拉地震、海地地震、四川地震、阿玛特里切地震和普埃布拉地震。砌体结构在许多地区被广泛采用，其优点是便于施工，不用大型建筑机械来铺砖。不过，砖块之间连接的强度通常不足以抵抗大地震期间的强烈震动。可以采取的对策包括安装木框架或者钢筋和加固砂浆水泥。在这些建筑结构中，有很多都是非工程建筑，而且是在没有结构工程师适当参与的情况下建造的。虽然这种砌体结构建筑的抗震强度差异很大，并且难以评估，不过结构工程师仍需要更多的参与。

　　1923年日本关东大地震中被破坏的砌体结构建筑。自19世纪末以来，日本从西方国家引进了许多科学与工程领域的技术。日本利用这种引进技术建造了新的砌体结构建筑。不过，因为这种技术最初是在地震较少的国家发展起来的，故这些砌体结构在关东大地震中暴露了其抗震方面的弱点。司法鉴定联盟

　　因为砌体结构房屋在地震中遭到了严重的破坏，无填充墙的RC结构越来越受欢迎。在经历了东京大范围震后火灾后，无填充墙的RC结构的高耐火性受到了欢迎。虽然RC结构脆性较小，但在1995年阪神大地震中，人们发现RC结构仍然会以极脆弱的方式倒塌。鉴于箍筋间距与端钩长度的不足，RC柱在核心混凝土约束失效后失去了垂直承载力。在阪神大地震之前，关于箍筋间距的设计规定被修改为100 mm或更少；不过，在修订前建造的建筑物却遭到破坏。

　　钢是一种韧性结构材料，其结构具有延展性；不过，因为细节设计或施工不当，可能会造成此类结构在大地震中发生脆性破坏。显示了阪神大地震中发生的钢结构的脆性破坏，梁柱连接处的焊接失效，锚栓断裂。这次地震后，人们对于连接处的细节要求进行了重新修订。

　　日本的大多数房屋都是木制的，而这其中很多旧木屋都是非工程建筑。显示了柱和梁之间连接处的断裂。在阪神大地震中，木屋倒塌导致90%以上的人员伤亡。在20多年后，2016年发生了熊本地震。显示了木柱与基座之间连接的破坏。在过去的20年间，结构工程领域的某些方面并没有得到改善，连接破坏仍然会造成房屋倒塌。

　　脆性破坏会直接导致伤害和死亡，为了防止这种情况发生，结构的设计确保了其在大地震期间的完整性。在脆性破坏模式中，结构构件出现物理上的分离，这与地震中连接强度立即丧失有关。故而，必须使构件具有延性，或者允许其他延性构件失效。人们对木结构房屋的连接件、砌体结构建筑中的木框架、RC柱的箍筋、强柱弱梁设计理论、钢结构连接破坏的预防等方面进行了改进。重型结构构件的碎裂和坠落会直接造成人员伤亡。所以，建筑结构必须能够抵抗重力荷载，就算在大地震期间经历强烈震动之后也应如此。

　　日本著名空间结构工程学家Yoshikatsu Tsuboi教授（1907—1990年），在一次关于1978年日本伊豆大岛附近地震的结构破坏的会议上发表了自己的感想：“地震工程研究在世界范围内得到了广泛的发展，其主要集中在对地震作用下建筑结构的侧向力与位移大小的研究。不过，因为建筑物倒塌或结构构件随重力坠落，可能会直接导致人员受伤或死亡，重力对建筑结构具有永久作用力。因此，柱、梁、板和墙等结构构件的设计必须避免在地震后发生坠落。若然在一个重力可忽略不计的空间站发生了大地震，这时候空间站可能只会倾斜，但不会坠落，也不会伤害到居民。”

　　▲延性结构

　　日本在1981年修订了抗震设计标准。这次修订引入了一种针对大型建筑结构的两步设计方法。根据这种方法，建筑物应该在中强地震中保持弹性，在大地震中应该允许非弹性变形而不倒塌；应评估结构的破坏机制和极限侧向强度；按照建筑物的延性变形能力，确定所需的极限侧向强度。这次修订的目的是允许与破坏相关的侧向位移，不过应防止倒塌，保护人类生命不受地震的影响。故而，建筑物的破坏被认为是为了挽救生命而作出的牺牲。“延性就是破坏。”这是Vitelmo V.Bertero教授20多年前提出的，简明地表达了这个事实。阳江司法鉴定

　　这种抗震设计理念的应用显著提高了居民的安全性。事实上，在执行修订的抗震设计标准后，日本大地震中严重受损或倒塌的建筑物数量急剧减少。图10显示了在阪神大地震震中附近调查的受损RC建筑物所占的百分比。而值得注意的是，在1981年标准修订后建造的建筑物中，有5.8%遭受中度至大规模破坏或倒塌，而在标准修订前建造的建筑物中，遭受中度至大规模破坏或倒塌的数量是标准修订后的两倍多，占比12.5%。

　　不过，很多设计精良的建筑物经塑性变形后必须被拆除。图11（a）显示了按1981年修订的标准设计及建造的一座RC住宅楼。这座建筑物在坂神大地震中遭到严重破坏。如图所示，在柱和柱连接处的许多梁中都发现了较大的弯曲裂纹。这种损坏在设计中是可以预料的，按照设计，塑性形变消耗了地震能量，不过挽救了人的生命。

　　从这个意义上来说，这座建筑的设计是成功的；不过该建筑最终会被拆除，而不会被修复[图11（b）]，由于居民一旦看到了建筑物受损就不再愿意住在里面。专家说，居民们会认为这是严重损坏的迹象。图12显示了一座在阿玛特里切地震（2016）中没有倒塌的受损建筑。结构工程师已经预料到了这种损坏，认为其设计是成功的；不过，这座大楼没有被再次使用，地震后一直空着。江油司法鉴定

　　虽然2011年在新西兰的克赖斯特彻奇地震中只有两幢建筑物完全倒塌，不过由于开裂或倾斜，2400栋建筑物中大约有1700栋被拆除。图13标出了被修复和拆除的建筑物的位置。而值得注意的是，被拆除的建筑物多于被修复的建筑物。

　　延性设计方法已经被世界各国的结构工程师所广泛接受，不过这两个对建筑物非关键结构损坏作出回应的例子对延性设计方法的充分性提出了挑战。

　　▲更加牢固的结构

　　日本的两步弹性与非弹性设计方法是在35年前提出来的。在过去35年中，技术有了显著的进步，社会也发生了巨大的变化。社会对于抵抗自然灾害的需求也发生了变化。生命安全曾经是主要目标；如今在发达的现代社会中，建筑物和房屋的可持续使用也是必要的。司法鉴定通报

　　大地震后的业务连续性计划是重要的，不但对大公司，对中小型公司也是如此。业务运行的中断使得地震破坏后的恢复变得困难。商业网络已经变得非常复杂，小公司的业务中断会影响整个网络。除此之外，房屋的继续使用可能尤其重要。房屋对人类活动至关重要，在发生灾害时，房屋可作为居民的避难所。人生房屋遭到损坏，无法使用，居民必须要搬迁到临时疏散住所并在那里长期居住。在大地震后，医院、消防设施和其他重要建筑物保持运转也至关重要。同样，桥梁、隧道和其他重要的结构也必须继续运作。

　　为了使建筑物能进一步抵抗大地震，需要另一种延性设计方法。在这种替代设计方法中，主体结构不允许被损坏；相反的，安装了可更换的部件以用于吸收地震能量。为了实现这个目标，地震隔离结构与被动控制结构是有效的。主体结构承载了重力荷载，设计时需要确保其在大地震中能保持完整性。除此之外，应该适当地向建筑物所有者和社会解释这些结构的抗震性能和其他性能。使用这种方法设计的建筑结构应该能够在大地震后继续使用，决策者不应该轻易拆除它们。

　　图14展示了具有抗震构件和主体结构的结构体系的概念。屈曲约束支撑（BRBs）是与主体结构相分离的抗震构件。图15展示了隔震系统[9]。

　　图16显示了1999年以后在日本建造的地震隔离和被动控制建筑物的累计数量。地震隔离结构已被广泛用于医院、大型仓库和高层住宅等大型建筑物中。截至2016年，建造的地震隔离结构数量已经超过4000个。在很多高层建筑中以及最近新建的大多数建筑物中都安装了被动控制系统。这个趋势表明，人们越来越认识到这些建筑物对抗地震的性能与有效性：世界上最容易发生地震的国家之一，在最近发生的大地震中受损的建筑物越来越少。禄劝司法鉴定

　　图16中的数据仅包括大型建筑物；地震隔离与被动控制建筑物的实际数量远比统计数据要多。特别是被动控制建筑物，若是建筑物不是很大，现在可以在常规的建筑物批准程序中直接批准被动控制结构的设计而无需专家的同行评审。作为示例，图17展示了一所大学六层建筑物的内部视图，这其中使用了BRBs，并把其暴露在社区空间中。日本有很多相对较小的地震隔离与被动控制的建筑物，这些都没有被包括在图16的统计中。

　　延性结构设计在挽救生命方面是有效的，不过很多设计精良的建筑物因为在大地震中经历了较严重的塑性变形，其主要的结构元件受到损害，因而不得不被拆除。这意味着有必要采用一种新的结构设计方法，通过把主体结构与承受地震横向荷载的地震结构分开去避免损坏。对此，被动控制结构与隔震结构是有效的，应该被更广泛的采用。司法鉴定复查

原文：中国工程院院刊