从“9.5”泸定6.8级地震再谈城市抗震弹塑性分析

马上新学期又要开始了，每年新学期备课时我都会焦虑一段，觉得这些内容不是讲过了么？怎么又要讲？然后才想起来，内容还是相似的内容，但是学生已经是新的一届学生了。
上课是这样，做科普也是一样，很多内容已经讲过很多遍了，但是读者可能每过一段时间就会换了一波，所以还是要再讲一次。希望熟悉我们公众号的读者们不要觉得我啰嗦。科学研究的总体发展方向就是从粗放到精细化发展。震害评估自然也是不断追求更准确、更快速、更详细的评估结果。以往由于传感、通讯和计算技术不足，大家只能依靠震级和震源深度来粗略估计地震造成的损失，这是十分不准确的，我们此前也写过多篇文章讨论这个问题，例如：为什么需要发展城市抗震弹塑性分析 | 从8.8九寨沟地震和8.21意大利地震谈起
比如这次泸定6.8级地震，看着震级和2017年九寨沟7.0级地震震级大小差不多，震源深度泸定16km，九寨沟20km，看着也差不多。但是观测到的地震动差异却非常显著（图1）。

图12022泸定6.8级地震和2017九寨沟7.0级地震记录最强地震动反应谱对比显然，从图1一眼就可以看出，这次泸定6.8级地震可能会比九寨沟7.0级地震造成更加严重的后果，虽然其震级还稍微小了那么一点点。近年来，我们看到了基于烈度/地震动峰值加速度/地震动峰值速度的震害评估方法得到了大量的研究和应用，相对于仅基于震级的评估方法，其科学性和精度得到了十分显著的提升。但是，需要注意到，无论是烈度/地震动峰值加速度/地震动峰值速度，都是把复杂的地面运动过程简化为一个单一变量。因而很难非常合理的评价地震动实际的破坏能力。例如2022年6月1日芦山6.1级地震曾经测量到一个峰值加速度达到1282cm/s/s的地面运动记录，但是其破坏能力比这次泸定地震记录到的峰值加速度为891cm/s/s的地面运动要弱不少。因此，既然我们已经布设了那么多传感器，可以测量到整个地震的复杂时程过程，那干嘛不充分利用这些宝贵的有用信息呢？以上说的还是地震方面的情况。此前看到一篇文章写得很好，把地震和建筑之间的相互关系比喻成两个拳手在搏斗。地震是拳手甲，建筑是拳手乙，大家最终关心的是搏斗的输赢（即地震损失的大小）。面对同样的拳手甲，如果拳手乙很菜，那可能就被打的稀里哗啦，如果拳手乙很强，那可能就毫发无伤。此前日本、美国发生7.0级地震能做到零死亡，一个非常重要的原因就是其建筑抗震能力足够好（参见我们此前发表的文章：RED-ACT: 7月6日美国加州7.1级地震破坏力分析；20181201美国阿拉斯加7.2级地震破坏力分析；等）。如果不能同时考虑地震的破坏能力和建筑的抵抗能力，那震害评估的结果可能也会很不准确，参见我们此前的文章：连续反转三次！我该怎么办？| 从617宜宾6.0级地震和618日本6.8级地震谈起
那如何才能更准确的评估地震损失呢？一个自然而然的想法就是我们在虚拟的环境里面，让地震和建筑这两个拳手模拟对抗一下。而城市抗震弹塑性分析就是这样一个思路，我们把完整的地震动，输入到尽可能准确的建筑非线性模型里面，然后采用弹塑性时程分析这一最能近似实际地震动力过程的方法来模拟地震下建筑的响应，最后获得震损模拟结果。城市抗震弹塑性分析方法的效果相对其他方法的特色，我们从下面的典型动画案例里面就可以看出来。
图2 城市抗震弹塑性分析模拟北京CBD高层建筑群的地震响应除了可以将时程分析从单体建筑推广到群体建筑，还可以将时程分析应用于滑坡分析。其理由也是相似的：传统的滑坡分析方法将地震输入简化为一个烈度或者峰值加速度，不能很好的反映地震动的复杂特性，在我们可以获得丰富的地面运动全纪录的情况下，时程分析可以很好的克服传统方法的缺点，所付出的代价不过是计算量大一点，不过相对于现在的计算机分析能力，也是完全可以应付的（参阅：新论文：基于实测地震动的近实时地震滑坡预测方法(并附源程序)）。

具体到这次泸定6.8级地震，虽然考虑到近年来抗震防灾事业的进步，我们在计算时已经将建筑的抗震能力适当提高（比均值增加了一倍标准差），但是RED-ACT仍然输出了一串红色（可能发生倒塌）的建筑震害模拟结果（图3），滑坡的模拟结果也让人很不安（图4）。昨天看到这个结果心情就很沉重，今天看新闻，果然损失和伤亡确实很重。

图3 不同台站地震记录破坏力分布图（建筑抗震承载力取均值加一倍标准差）

图4不同台站附近地震滑坡分布（滑坡体饱和比例为 50%）

所以，我们认为城市抗震弹塑性分析在城市地震灾害分析等方面有着广阔的应用前景，欢迎更多单位一起努力合作推动这个技术的进步和发展。