一个土木工程师对地震的反思(转）

[转帖]一个土木工程师对四川大地震的逆耳忠言！（转的）  发贴心情 Post By：2008-5-21 12:45:00

5 月12号的四川地震，牵动了无数人的神经，汶川迅速成为世界舆论的焦点。这次地震，伤亡很重。经济损失惨重。死亡人数官方报道就有四万多人了，很多地方整个镇子几乎被夷为平地。我觉得实际伤亡人数可能达到7万人，伤残可能达到20万。直接经济损失可能达到数百亿美元。再考虑间接经济损失，全国人民今年一年白干了。

通过这次地震，暴露的问题很多。

　　1、大众科学素养不足：

　　地震作为一个频发的自然灾害，几乎每年全世界都会发生一系列大大小小的地震。历史上造成重大伤亡及重大损失的高烈度地震史不绝书。但是由于我国特色的教育，孩子们从小学就开始接受长达近20年的具有中国特色的马克思主义哲学教育，但是关键时刻，这些哲学并不能救人一命。

地震来了，只有科学的避震知识才可能给你捡回一条命。但是，官方教育体系里并没有任何关于各种自然灾害的急救知识。


其次，多年的爱国主义科技史教育：很多人质疑政府刻意隐瞒地震预报，很多人责骂地震局及科研人员的水平低，依据就是古代张衡就能制造出能预测地震的候风地动仪，而为什么现代科技预报不了？更有人以此作为依据，开始怀疑现代科技，转向相信一堆具有“东方色彩”的“东方科学”。



各种荒诞不经但是瞎猫逮个死耗子的“预测理论”都找到了市场。实际上，我并不相信历史上所谓的地动仪。虽然我没有认真地查证过史料，但是根据广为流传的官方教育，说其中间是一个直立的柱子，柱子与其周围的龙头里的珠子有关联，当地震波传来，珠子就掉到蛤蟆的嘴巴里，于是，蛤蟆就指示了地震的方位。

实际上，这样的说法根本就是一派胡言：首先地震发生后，能量由三种波向远方传播，包括纵波（P波）、横波（S波，震级就是根据S波的相关参数计算得到的）及面波（L波），这些波分别以不同的速度传播，且在传播的过程中，由于地层的作用发生衰减、折射、反射、滤波、共振等一系列复杂的过程。



地震传播的整个过程十分复杂，目前人类尚无法认识清楚。而倒立的柱子相当于一个倒立摆，遥远地方传播过来的地震波对其的作用，使其受到微小扰动后的倒塌方向根本无法预测。退一步说，就算能指示出方向，那也只能作为地震灾后报告，而不能“预测”。



所以，我们的教育部门应该好好反思中国科技史的教育和急救及灾害防护方面的宣传教育。
2、政府战备不足：

　　地震预报分为长期预报、中期预报和临震预报。长期预报主要是研究地震区划，为地区的建筑抗震设防建立科学的依据。中期预报，则是为政府准备救灾物资，制定应急预案作为依据。



而临震预报，地震科学界的主流已经逐渐减弱了在这方面的研究，原因很简单：地震高度复杂，很难准确地在时间空间上预测准确。所以地震抗灾不能依赖临震预报，而只能寄希望于中长期预报，做好地震区建筑抗震设防，做好政府应急预案及救灾物资准备。这样一旦灾害性地震发生，立即开展救援，将损失减少到最低。

至于网上广泛流传的龙小霞的论文，我认为可以一笑而过。因为她的“可公度法”的基础就是认为地震的发生是完全由一个确定的规律决定的。是有精确的周期性的，这个周期性由“公度”决定。



他的观点就不被目前地震学界的绝大多数人认可。虽然地震的发生具有一定的周期性，但是并非具有精确的周期性，一个典型的例子如下：

　　美国Parkfield由于处于地震活跃期，差不多每几十年就一次地震（好像是39年左右还是19年左右，我今天没去查阅相关资料了），近7次地震的间隔相当有规律，美国的地震学家们预测将在1989年至1992年将发生一次地震，所以在该区域设置了大量的观测仪器进行监测。



然而一直到2004年这场地震才千呼万唤始出来。并且遗憾的是：虽然近场布置了大量的各种仪器（差不多比全中国的仪器总和还多， 也只有美国有如此强大的经济实力），但是地震还是在地震学家们毫无准备中发生了。

　　Nature（编者注：是有名的“自然”杂志）于2005年10月刊发了一篇论文，表示可靠的短期地震预测仍然无法做到[文献1]。

　　该文中说：大约20年前，地震学家认识到，圣安德列斯断层的40公里长的 Parkfield部分，是他们最有可能获得接近一次大地震的高质量测量结果的地方。 他们安装了一个密度很大的仪器网络，来监测一个自1857年以来至少发生过6次大地震的区域。



按预测应发生的地震没有在所预测的1993年发生，但监测工作继续进行，2004年9月终于发生了一次6级地震。所记录到的数据显示了以前从未看到过的地震过程的某些方面，但没有发现任何关于2004年Parkfield地震的明显前兆。所以，即便是在这样一个受到密集监测的地区，期望来个漂亮可靠的短期地震预测，似乎也是仍然是做不到的。（Article p. 969）Nature 437: 7061 13 October 2005

　　建立有效的防灾减灾体系是减少灾害损失的关键！


目前国际防灾减灾的主题，已经从试图对灾害的预测，转向了对灾害的预防和灾后最有效的重建。这是防灾减灾思想的一个重要转变。



各国都大力进行防灾减灾方面的工作，在不放弃监测预测的同时，提高抗灾能力，加大防灾宣传，积极进行防灾减灾体系的建设。



比如日本，由于日本是地震多发国家同时也具有雄厚的经济实力，所以在这方面做得相当成功，我们没有看见报道说日本对哪次地震预报多么准确，但是在各次地震中日本总是保持着相当少的人员伤亡和经济损失，在灾后也能快速地进行救援和恢复建设。可以说，在防灾减灾方面，日本是一个成功的典范。欢迎浏览 ddhw.cn

　　以上这两点，我在上次九江地震中已经在《加强防灾减灾能力建设任重道远》一文中进行了强调，但是遗憾的是，近2年过去了，我们大陆情况并没有任何改观。

　　这次媒体被政府要求围绕“救人”这一主题，一个又一个舍己救人的故事，一个又一个伟大的母亲的故事，一个又一个人民解放军奋不顾身舍小家顾大家的可歌可泣的故事，人们的眼泪都快流干了，各大电台一直在现场直播一个又一个救人的场面。



但是，能有几个人能真正的用脑子来反思反思哪？



下一次再来一次这样的地震，我们是否还要付出同样的代价？



为什么近10年来，大大小小也不少次地震了，引起的很多问题就是无法得到解决？为什么政府的过错要用无辜的生命作为代价？为什么要用惨重的伤亡来做为中国经济畸形发展的最震撼的注脚？



为什么要用天文数字的祖国花朵的凋谢，来为“再穷不能穷教育，再苦不能苦孩子”这一无耻的谎言作注释，让那么多灿烂的笑脸永远定格在青春少年？

现在屁大的事，媒体都要加上一句“某某政府启动了紧急预案”，那么我怎么这么多年来，没有看到任何公开出版的或者政府内部的所谓“紧急预案”？



实际上，以前哪次灾害不是缓慢地在人治下开展工作？哪来什么在一个法律框架或者政府应急预案的框架下工作的样子？

最近，东方卫视找了一个上海市救助与防灾处副处长作为嘉宾。当前方不同地区的记者纷纷传回伤亡最重的都是学校，且都是教学楼整体垮塌，死亡人数触目惊心的消息，男主持人说“我以前去过日本，在日本期间也发生过地震。日本作为一个地震频发的国家，在灾后学校都作为避难场所，可见日本的学校是比较坚固的。而这次汶川地震，恰恰相反，学校几乎全军覆没，成为伤亡最重大的地方，您觉得其中的原因是什么呢？”



然后，把目光投向那个副处长。这个长期在官场浸淫的面部肌肉抽搐一下，然后说到“主要原因还是这次地震震级太高了”。



我当时就把遥控器砸过去了。然后女主持人接过话茬：“我们看到啊，这次地震，经济好一些的镇子，楼房倒塌的比例就小得多，而经济落后的一些镇子，几乎夷为平地。这是不是也说明了，经济条件好的地区，抗震设防做得要好一些？这是不是也说明了，这次地震惨重的伤亡也与日益扩大的贫富差距有关系？”



在目前的政治环境下，东方卫视的主持人能说出这样的话，我真的感到很欣慰。这个副处长，除了糟蹋粮食和纳税人的钱财，还能对救助救灾起什么作用我们就不得而知了。

3、我国建筑管理存在的问题：

　　目前在建筑管理上，我国还是一直是二元化管理。各地建设局只管理公共建筑、政府建筑和商业建筑。私人业主的，没有经过商业市场的建筑，没有纳入建设局的管理范围。



实际上，各地的建设局与土地局，除了在房价上升上推波助澜外，对地方的建筑安全，并没有起到多少好的作用。看看各地方，建委的车，建委的人有几处房子就明白了。

这次地震，县级以上政府的房子绝对经受了考验。四川成都市政府花费数十亿巨资，由鸟蛋和鸟巢的设计人安德鲁设计的莲花型的建筑群，连玻璃幕墙都没裂一个。



其次就是商品房。商品房虽然都存在不同程度的偷工减料，但是由于都经过正规的设计，都具备抗震能力和良好的延性。因此，即使发生破坏，也没怎么造成人员伤亡；



再次就是农民自己的房子，虽然一些经济好转的农民，把毕生的资产都投入了房子上了，也都采用砖头、混凝土等建筑材料，但是由于没有经过正规的建筑结构设计，完全凭借包工头的经验，而这些包工头的经验根本算不得经验——这些没有任何结构工程方面的专业知识的包工头，连静力荷载的传递路径有时候都不合理，别说什么抗震设计了。



这些农民也根本没有抗震概念，把钱都花费在没有用的地方。我都被我亲哥哥气死了，作为一个土木工程师，我连自己亲人的观念都无法改变。在他有建造房子的意图之后，我从一个土木工程师和房产界人士的角度，给了他很多专业意见，



但是他就是听不进去。最后在我不知情的情况下，花费6万元建造了一个200个平方米的2层小楼。结构上存在相当多的不合理之处。而我的堂哥，作为当地最有名的建筑包工头之一，90年代末建造自己住宅，几乎犯了所有的结构安全大忌。现在房子几乎成为危房，更别说抗震了！



我们那里农民追求房子的进深（从大门到“中堂”的距离，即房子的宽度）。他的房子是9米进深，客厅宽度8米。采用横墙承重方案，4米跨度的预制板。但是9米跨度的主梁，梁下不但没有“梁托”，而且梁的边缘距离门洞的边缘在水平上几乎只有20公分的距离。



在高度上，也只有半米的距离，1米2的门洞没有过梁，直接采用砖砌。所以，想都不用想，不到1年，就从梁端发展了一条直达门洞角的裂缝！



9 米跨度的主梁，他以前从来没做过。于是也不放心，加大梁高，增加配筋数量和直径。但是不幸的是，4根直径22毫米的钢筋净距离太小，又因为我们村没有三相 380伏特的电力，没有采用机械振捣，只采用了人工振捣，混凝土的坍落度、水灰比等指标可能也不合适（他们搅拌混凝土绝对不会有水灰比的概念），混凝土的石子无法穿过钢筋间隙，造成很多主受力钢筋外露，而第二排钢筋又被他配在中性轴的位置，对正截面抗弯完全不起作用。箍筋采用直径为6的钢筋，且间距达到 40公分以上。可见，箍筋配筋相当不足，而由于混凝土密实性不足，屋面又没做好防水，梁长期处于潮湿环境，钢筋锈蚀严重。



更要命的是，前面的走廊，预制楼板直接放在1米2长的悬臂梁上。而变截面的悬臂梁梁高不足，混凝土密实度又不够，负弯矩的钢筋又严重不足（只有2根直径为 10的钢筋），他自己也害怕，于是在预制板上面又浇筑了4-10公分厚度的碎石混凝土。实际上，这一措施，起反作用——因为碎石混凝土层的存在增加了重量，但是对负弯矩的抵抗能力没有一点增加（这需要工程力学和混凝土结构学方面的知识才能理解），然后他又对梁进行加固，在跨中增加一个砖头砌筑的柱子，把 9米跨度的梁变成一个4米5跨度的两跨连续梁。



学过力学的人都知道，如果梁不发生一定的挠度，他后期砌筑的柱子不受力。假设梁发生大挠度，但是这样在柱子上面会产生负弯矩，而他的梁在上层只有2根很细的架立钢筋，根本没有主受力钢筋，所以主梁如果真的产生大挠度以后，柱子顶部位置，梁肯定会裂。还有一大堆其他问题。



这就是一个接受过高中教育，有多年工程队经验的农村建筑包工头的水平。所以可想而知没有经过任何专业设计的，由这些包工头和农民设计建造的房子，安全性如何。


而我们今天城市的建设就是都靠着这样的农民工来干哪！就是有了设计，他们对工艺的控制，基本就完全不靠谱了。



大家都知道北京亚运会时候，一个著名的副市长，就是农民工出身，当时就不自觉的把这样的意识发挥到了极至了，他能忽悠人，号称要是出了问题，就从当时中国最高的大楼209米的京广大厦跳下来，其实，他完全知道，在他活的时候不会赶上了地震了！他具有非凡的农民智慧！可惜，是对后人完全的不负责任的！



在他的忽悠下，经济适用房就更危险了。



但是，最差的就是学校建筑，这又由多种原因决定。

　　首先资金不足。在贫困山区的学校，教育拨款很少，又不能象城市学校那样可以收取大额度的各种借读费等费用，所以资金十分紧张。在建造过程中，再加上政府部门主管官员，教育局主管官员，学校主管官员，包工头等层层剥削，可以想象最后能花费在教学楼上的钱还能有多少。欢迎浏览ddhw.cn

　　当一个地区抗震设防等级提高以后，政府部门，重要的企业等都会对房屋进行鉴定、加固。但是这些学校，70年代设计建造的房子也不会有人管。所以，学校的老房子设防不足，学校的新房子偷工减料。学校的房子没几个好的。



从大量的描述和照片上可以看到，发生整体垮塌，伤亡最大的，都是采用预制板的教学楼。预制板建造方便，省钱，平时使用也没大问题，但是对抗震十分不利！



我简单给大家解释一下：你用四个砖头在桌子上围成一个边框，上面放一个小石板，小石板的两端分别压在两侧的砖头上（前后的砖头仅仅起到围护作用），这个时候你前后摇晃桌子，你会发现，不那么容易把这个简易的房子摇倒塌。



但是你再试试左右摇晃，保证稍稍一用力，被承受小石板重量的左右两个砖头就剧烈摇晃起来。要是你摇晃的频率恰好接近它自己的自振频率，则很快就倒塌了。这个时候虽然前后两个砖头不容易晃动，但是它“帮不上忙”。



从这个小实验中可以看到——墙体被横着摇晃的时候，如果上面再有大的质量，很容易倒塌。但是如果是顺着墙的平面内晃动，则不容易倒塌。在工程力学上，这叫做“平面内刚度远远大于出平面刚度”。

而如果是采用半框架结构，现浇板作为楼板，则相当于用胶水把小石板的四周与四个砖头都粘接上。这样无论从哪个方向摇晃，四个砖头都能起到作用。总有一个方向的砖头能起到强大的作用（面内刚度大）。这也解释了为什么灾区有的房子不倒塌有的倒塌了，这不仅仅取决于房子的质量，也跟房子的朝向、承重方案等有关，非专业人士不是那么容易理解的。



所以仅仅根据房子是否倒塌，就直接下武断的论断说没倒塌的房子好，倒塌的房子都差，是不严谨的。

而对于框架结构，则墙体全部是起围护作用（尽管也对抗震起很多作用，但是在结构计算分析中都忽略，这样使得结果更偏向安全），所以框架结构的房子，窗户大开间大，完全不是伤亡惨重的理由。



网上有关于抗震专家、中国科学院院士周锡元院士（说起来还是我的师叔呢）的采访，认为“学校校舍的抗震设计是世界性难题”，我认为很可能是记者为了政治目的刻意扭曲他的原意的。如果他的原话真的那么说的，真的是那样的观点，那也太无耻了。因为一个合格的土木工程的本科生都不会那么低水准的。



校舍由于开间大、窗户多等因素，确实对抗震不利，但是并不意味着在技术上设计不出来能抵抗高烈度地震的教学楼！这是两个完全不同的概念！

　　从很多幸存者的描述来看，大部分造成重大伤亡的教学楼都是脆性破坏，在地震开始的数十秒甚至数秒就倒塌了。并且一旦倒塌，就是粉碎性的倒塌，很难给幸存者留下多少生存空间。



而经过正规抗震设计的建筑结构，就是最终倒塌，也绝对不会是如此快速的脆性破坏。退一万步，就是倒塌的时候人还没来得及跑，经过良好抗震设计的建筑结构，其倒塌后也不是如此彻底的倒塌，而仅仅是关键部分的损坏造成的整体侧倾，底层框架柱屈曲等形态的破坏，能保证尚未逃生的大部分人都能有生存空间。

　　所以，如此重大的伤亡，房屋结构的抗震设防不足，施工质量不好等因素是主要因素，急于用震级过高来辩解，是不科学的，也是不实事求是的！



地震正常，高烈度地区的建筑物发生大面积倒塌也正常，但是如此动辄在地震来临瞬间就彻底崩溃，把数百上千人活埋，整个建筑变成活地狱式的倒塌，是无论如何辩解，也是洗刷不了清白的。

所以，震区应该加强地震知识的宣传教育，加强抗震相关法规的建立和政府监管的力度！所有新建住宅都纳入建设局的管理之中，建设局切实服务好，提供一些常规结构农村房屋结构的标准图纸，对建房技术人员实行签字负责制度，并组织人员进行培训。



实行农村房屋建设市场持证上岗。当然，不要又把这些搞成药监局那样的花钱买证。二是不收费进行服务，经费由政府专向拨款。
4、地震烈度来描述建筑质量不合理：

　　目前描述地震有两个重要参数，一个是里氏震级，一个是烈度（中国地震烈度表http://www.hnccic.com/Web/HTML/oftendata/cysj13.html）。前者是地震中释放总能量的度量，后者是地震破坏程度的度量，很多普通人对这两个概念区分不开。一个同样震级的地震，其断裂模式不同，震源深浅不同，不同的震中距，则烈度也不同。甚至范围很小的地方，由于地质条件不同，也会形成显著的差异。例如一般孤立山头上烈度会大一些，沉积盆地由于松软土层的滤波、放大作用，也会造成烈度增加。

　　目前描述地震的破坏程度和某个场地的地震剧烈程度，主要依靠这个描述性指标——烈度。抗震设防也是使用烈度，同时与超越概率以及峰值加速度等关联欢迎浏览ddhw.cn起来。譬如平时所通俗说的抗震设防要“小震不坏，中震可修，大震不倒”，这个小、中、大的分界，就由两级烈度来区分：低于设防烈度的，就叫做小震，介于设防烈度和“罕遇地震”之间的，叫做中震，超过罕遇地震的，叫做大震。而“频遇”、“罕遇” 的区分，又是由超越概率来决定。



各地区的抗震设防标准，最后与烈度相对应，具体在做抗震计算的时候，又与峰值加速度关联。因此，烈度相当于是一个过渡量。烈度作为一个描述性指标，无法直接运用来指导抗震设计，真正的抗震设计，还是使用峰值加速度和一些代表性的地震记录作为计算依据。而最要命的是，当一个地区的建筑设防采用烈度这一概念，同时，又采用该地区的建筑的损毁状况作为评价一个地区地震烈度的描述指标，因此构成一个逻辑上的循环。是极其不合理的！我举个简单的例子：

　　假设甲、乙两地的地质状况、地震加速度谱等完全一样，没有任何差别（这是不可能的，我们姑且做这个思想试验）。同时两地又采用同一套图纸建造了一批房子，但是甲地的房子没偷工减料，建造质量很好，乙地偷工减料很严重，房屋质量比较差。自然地震过后，甲地的房子受损少，乙地房子受损严重。于是灾后调查的时候，专家根据烈度的描述性指标，就会说“甲地房屋的损毁比较比较小，烈度较小仅有6 -7度，乙地经过抗震设计的房子多数倒塌，烈度达到9-10度”然后，乙地房屋的建筑商就会以乙地烈度比甲地高为依据，来为他们的房子损毁严重辩解：“我们这里的烈度达到9-10度，而我们的设防仅仅是7度，所以大部分房子损坏了！房子倒塌并非因为我们质量问题，而是由于烈度超过我们的设防烈度”！而为什么乙地烈度会比甲地高，专家学者们又会找出一大堆专业的理由，普通百姓自然是不懂！

　　所以，从这个例子上可以看出，烈度这个描述指标，是不适宜作为地区抗震规划时作为设防的指标量的！而仅仅适合用来作为灾后损失估计的量（不管你房子的设防是什么样的，根据房屋受损比例和严重状况，加上地区的人口密度等参数，可以较为准确地估算灾害损失）。我多次跟相关研究人员辩论，希望改变这一现状，免得烈度这个描述性指标成为不法建筑商的庇护伞！

　　烈度这个指标，在真正的抗震设计上并没有直接作为设计依据（目前一般性的结构设计，仅仅考虑一个等级的峰值加速度作为地震力的计算指标，同时，在概欢迎浏览ddhw.cn念上，进行各种有利于抗震的细节设计及构造设计；重大结构则采用若干条与场地类型匹配的地震加速度记录时程曲线，进行时程分析。特别重要的结构，采用基础隔震、耗能减震及主动控制及半主动控制等相关措施），但是在设防上，却作为设防分级标准，是极其没道理的！

唉！！！天灾，我们一起努力吧！也给关心汶川地震的朋友们拜个晚年！