如果花莲地震发生在清华园？
如果花莲地震发生在清华园会造成什么样的破坏？
孙楚津等
1. 引言
世界上每次大的地震灾害发生后，我们都尽量设法找到相应的地震动信息，一方面可以为我们了解地震引起的破坏提供素材，另一方面也是想了解我们的建筑，我们的城市，在遭遇这样的地震时到底会发生什么样的破坏。
北京时间2018年02月06日23时50分，台湾花莲县附近海域发生6.5级地震，震源深度11千米。地震已造成七人死亡，260人受伤，67人失联。
本次地震引起了广泛的关注，我们课题组也对本次地震震中附近典型强震动的破坏能力进行了分析，详见我们之前发布的文章《02.06花莲地震震中附近地面运动破坏力分析》。大家都希望灾区民众能尽快度过难关，恢复正常生活。
此外，作为防灾减灾的科研人员，我们还希望可以从每次地震中汲取教训，为将来可能发生的灾害做好准备。而科学预测和评价城市和建筑的抗震能力，是防震减灾工作的一个重要环节。
根据中国地震局的发布的监测结果，本次花莲地震的震级为6.5级。可巧，在1730年的9月30日，也就是清雍正八年，北京西郊也发生过一次6.5级地震，震中就在圆明园内（图1）。根据当时的文献记载：“畅春园附近地面开裂，冒出烟雾，遍地黄水，其它地方尽是黑水和红水。”，“倒毁房屋2.7万余间”（环文林等，1730年北京圆明园地震，地震研究，1996）。
历史读到这里，不禁充满了沧桑感：1730年地震后，过了一百多年，在地震的废墟上，勤劳的中国人建成了“万园之园”——圆明园。可惜1860年圆明园毁于英法联军一场大火。又过了一百多年，在当年圆明园的废墟上今天站立着两所大学：一所叫北大，一所叫清华。
由于历史悠久，我们无法了解1730年圆明园6.5级地震引起的地面运动是怎么样的。不过我们可以尝试将这次花莲6.5级地震震中附近记录到的HWA地震动输入到同样在震中附近的清华大学校园，看看到底会引起怎样的破坏。
2. 清华校园建筑模型
22年前，当我步入清华园的时候，迎新的老生曾经和我们开玩笑：“日常生活根本不用出校门。清华园里面，除了火葬场没有，什么都有”。确实，清华园里面有医院，有中小学，有商店，有办公楼，有住宅，有体育场。而且建筑年代跨越100多年，确实是一个非常好的研究样本。所以我们收集了清华校园内619栋建筑的资料。其结构类型和建筑功能统计如图2所示。
(a) 全局图
(b) 结构类型比例
(c) 建筑功能比例
图2 清华校园建筑
3. 花莲HWA台站记录对清华校园建筑的破坏作用
我们采用城市抗震弹塑性分析方法（图3），将0206花莲HWA台站记录（图4）输入到上述建筑模型，得到各个建筑的破坏状态。分析时考虑结构抗震能力的不确定性，对结构抗震能力取中位值和加减一倍标准差分别进行分析，可以得到清华校园建筑在该地震动作用下的破坏情况如表1和图5所示。
图3 城市抗震弹塑性分析方法
图4 花莲市HWA台站记录（感谢NARLabs提供资料）
图5 花莲HWA台站记录导致清华校园各结构类型的破坏比例(每类建筑三列数据，为从左至右依次为结构抗震能力减一倍标准差、中位值和加一倍标准差的结果)
可见，在花莲HWA台站记录作用下，清华校园建筑发生毁坏比例超过26%的可能性有50%；毁坏比例超过40%的可能性有16%；毁坏比例超过23%的可能性有84%（近似按正态分布考虑）。
进一步可以将一些校园里面我们熟悉的建筑提取出来，其震损结果如表2所示。可见一些高层建筑及缺乏抗震设防的建筑（如梁思成先生于1950年代设计的1号楼）将遭受严重破坏。需要在灾后发挥重要救助作用的校医院也会遭到非常严重的破坏。
4. 其他地震动对清华校园建筑的破坏作用分析
针对上述清华校园建筑，选取若干条近年来的实测强震记录和1组模拟的地震波输入。强震记录包括花莲地震(2018.2.6)、伊拉克地震(2017.11.13)、墨西哥地震(2017.9.20)、九寨沟地震(2017.8.8)、新西兰地震(2016.11.13)、意大利地震(2016.8.24)、日本熊本地震(2016.4.16)、鲁甸地震(2014.8.3)、芦山地震(2013.4.20)和汶川地震(2008.5.12)。模拟地震波为由中国地震局地球物理研究所的付长华博士根据地下介质速度结构模型和震源设定生成的三河-平谷地震清华校园附近地震波，考虑了北京盆地对地震动的影响。
表3给出了所用地震动的名称和PGA大小。各地震动加速度反应谱（阻尼比5%）和我国8度II类场地设计地震分组第一组的设计反应谱对比如图6所示，其中三河-平谷地震PGA取均值。
图6 不同地震动的加速度反应谱和设计加速度反应谱
按“严重破坏”和“毁坏”比例之和从大到小排序，得到不同地震下汇总的破坏状态比例如图7所示（每个地震对应三列，从左至右依次为结构抗震能力减一倍标准差、中位值和加一倍标准差的结果）。图8给出了与图7对应顺序的不同地震PGA大小，其中真实强震记录的PGA取多条地震动分量的最大值，三河-平谷地震由于对应每栋建筑的PGA大小不同，图中取均值。通过对比，可以得到以下结论：
(1) 较大的PGA差距会很大程度上影响地震的破坏力，但直接以PGA作为衡量地震破坏力的指标并不准确；
(2) 新西兰地震的PGA比日本熊本地震和鲁甸地震更大，但是后两者的频谱较宽，增大了严重破坏和毁坏的建筑所占比例；
(3) 芦山地震尽管PGA比汶川地震和伊拉克地震更大，反应谱峰值也更高，但是其反应谱集中在极短的周期范围内，破坏能力反而相对较小；
(4) 汶川地震相比伊拉克地震在短周期范围的反应谱值更高，对短周期的砌体结构产生了更严重的破坏，而对周期相对较长的框架结构和框剪结构破坏相对较轻。
(5) 花莲地震在短周期范围的反应谱值比汶川地震低很多，对短周期的砌体结构破坏较轻。但由于前者1.0s后的反应谱值显著高于设计反应谱和其他历史地震动，对周期相对较长的框架结构和框剪结构破坏更加严重。
总而言之，上述任何一个地震发生后，清华园的建筑距离“地震安全”的目标上都还有一定差距，距离“地震韧性（Resilience）”的目标，就更加遥远了。
图7 不同地震下全部建筑的破坏状态比例
图8 不同地震的PGA大小
5. 结论
今年距离汶川地震已经10年了，距离唐山地震已经42年了。这些年我们国运昌隆，非常幸运的没有在中东部人口稠密的地区发生重大地震灾害。但是我们不能抱着看热闹的心情去看待这些年来发生在意大利、墨西哥、新西兰、伊拉克等境外的地震，因为同样的地震很可能某天就出现在中国的某个地方。经过“基建狂魔”数十年如一日的大力建设，我国目前已建成和待竣工的建筑总面积已经超过700亿平方米。我们给子孙留下了巨大的财富，但是也留下了很多的隐患：1978年之前的房屋，完全没有抗震设计；1989年我国才有了比较科学且普遍推广的抗震设计标准；直到2002年，我国工程建设标准的安全水平才逐步恢复并超过文革前（1966年）的水平（表4，详见“汶川地震建筑震害分析，建筑结构学报，2008”）。进一步考虑到我国工程建设的施工质量和管理水平上存在的问题，我们对既有建筑的安全性能不得不要格外的关注。
清华园是一个小社区，但是清华园在抗震防灾方面存在的问题，在全国每个城市都或多或少的存在。要做到“坚持以防为主、防抗救相结合，坚持常态减灾和非常态救灾相统一，努力实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变，从应对单一灾种向综合减灾转变，从减少灾害损失向减轻灾害风险转变，全面提升全社会抵御自然灾害的综合防范能力”，还需要长期而艰苦的努力。
6. 说明
本报告的计算分析工作由清华大学4年级本科生孙楚津同学完成（照片见下图）。
城市抗震弹塑性分析的应用实例
一、城市抗震弹塑性分析方法用于震害预测
二、城市抗震弹塑性分析方法用于应急评估
三、城市抗震弹塑性分析方法用于次生灾害及经济损失预测
如果大家对城市抗震弹塑性分析有点兴趣，想亲手操作一下，欢迎下载城市抗震弹塑性分析教学演示程序：清华校园建筑震害预测教学程序v2.0
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