張敏政

（中國哈爾濱 150080 中國地震局工程力學(xué)研究所）

引言

我國的地震工程研究和抗震防災(zāi)事業(yè)從無到有，已經(jīng)走過了六十多年的歷程，取得了世人矚目的成就.當(dāng)前，我國已經(jīng)建立了包括地震監(jiān)測(cè)、震災(zāi)預(yù)防和應(yīng)急救援在內(nèi)的管理體系，培養(yǎng)了大批抗震科技人才，擁有了種類齊全的抗震試驗(yàn)設(shè)備，編制并陸續(xù)修訂了涵蓋各個(gè)行業(yè)、各類工程結(jié)構(gòu)的抗震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；先進(jìn)的抗震技術(shù)為中國建筑提供了抗震安全支撐.基于這些條件，我國城鎮(zhèn)的大多數(shù)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施了抗震設(shè)計(jì)或抗震加固，富裕農(nóng)村的民居、震后重建的災(zāi)區(qū)、生態(tài)移民的新區(qū)已開始考慮抗震設(shè)防.近年來，設(shè)計(jì)合理、施工質(zhì)量?jī)?yōu)良的各類建筑和構(gòu)筑物經(jīng)受了強(qiáng)烈地震的考驗(yàn)（Zhang，Jin，2008），發(fā)揮了減輕地震災(zāi)害損失的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效能.回顧歷史，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，上述地震工程研究和抗震防災(zāi)事業(yè)的發(fā)展與哲學(xué)和科學(xué)的思辨緊密相關(guān).

哲學(xué)是關(guān)于自然知識(shí)和社會(huì)知識(shí)的概括和總結(jié)，是人類觀察和處理宇宙萬物的世界觀和方法論.辯證唯物主義哲學(xué)認(rèn)為：客觀世界獨(dú)立于人類意識(shí)而存在，意識(shí)則是客觀世界在人類頭腦中的反映，宇宙間先有物質(zhì)而后有意識(shí).客觀存在的物質(zhì)是永恒運(yùn)動(dòng)和變化的，其運(yùn)動(dòng)變化遵循對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律、量變到質(zhì)變的規(guī)律和否定之否定規(guī)律，這些規(guī)律貫穿于事物發(fā)展的原因與結(jié)果、必然與偶然、可能與現(xiàn)實(shí)、現(xiàn)象與本質(zhì)、內(nèi)容與形式等各個(gè)范疇.

科學(xué)有別于哲學(xué)，是分門別類地探索自然界、人類社會(huì)和思維的本質(zhì)及其發(fā)展規(guī)律而建構(gòu)的具體的知識(shí)體系.當(dāng)前，人們對(duì)科學(xué)內(nèi)涵和外延的理解似乎并不完全一致，但科學(xué)的客觀真理性和可驗(yàn)證性被廣泛認(rèn)同.客觀真理性被理解為一切科學(xué)真理可在特定條件下成立，但世間只存在相對(duì)真理而非絕對(duì)真理，人類對(duì)科學(xué)真理的探索是無窮無盡的；科學(xué)理論的驗(yàn)證可以采用基于邏輯歸納的證實(shí)方法或基于邏輯推演的證偽方法，證實(shí)和證偽是對(duì)立統(tǒng)一的矛盾雙方，證偽方法采用的反向思維或多向思維可能會(huì)更有力地推動(dòng)科學(xué)發(fā)展.

然而，涉及科學(xué)的可預(yù)測(cè)性和全面系統(tǒng)性（也包括科學(xué)理論應(yīng)能以確定的數(shù)學(xué)模型表述），則存在較大爭(zhēng)議.當(dāng)天文學(xué)家運(yùn)用牛頓萬有引力定律推測(cè)了海王星的存在和運(yùn)行軌道而后又被天文觀測(cè)所證實(shí)時(shí)，當(dāng)拉普拉斯斷言“存在一組科學(xué)定律，只要我們知道宇宙在某一時(shí)刻的狀態(tài)，便能據(jù)此預(yù)言宇宙中發(fā)生的任一事件甚至包括人類的行為”時(shí)，當(dāng)普朗克初創(chuàng)量子學(xué)說，認(rèn)為只要能精確測(cè)量粒子的當(dāng)前狀態(tài)，便可預(yù)言此后粒子的位置和速度時(shí)，不少人對(duì)科學(xué)理論能確定地以量化形式預(yù)測(cè)未來信心滿滿.然而，此后愛因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論，指出牛頓定律只適用于描述和預(yù)測(cè)慢速運(yùn)行的宏觀世界.海森堡在量子力學(xué)研究中提出，由于不能同時(shí)確定微觀世界中粒子的具體位置和速度，故只能預(yù)測(cè)粒子運(yùn)動(dòng)的可能發(fā)生的一組結(jié)果并估計(jì)每種結(jié)果發(fā)生的概率（即“測(cè)不準(zhǔn)原理”或“不確定性原理”）.海森堡的粒子概率運(yùn)動(dòng)方程后被試驗(yàn)證實(shí)，但愛因斯坦不滿意這種概率表述，言“上帝不擲骰子”.可是，上帝的存在既不能被證實(shí)，也不能被證偽，有關(guān)上帝的命題超出了科學(xué)的范疇.

長(zhǎng)期以來，多數(shù)人習(xí)慣于在相對(duì)穩(wěn)定的條件下觀測(cè)和描述那些均勻的、確定的、線性的、連續(xù)的、重復(fù)的、有序的事物運(yùn)行規(guī)律，而對(duì)那些不均勻的、隨機(jī)的、非線性的、間斷的、突發(fā)的、無序的現(xiàn)象感到困惑.目前，針對(duì)上述復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，研究者提出了隨機(jī)理論、模糊理論、混沌理論和灰色理論等對(duì)其進(jìn)行解釋和分析.隨機(jī)理論面對(duì)的是在基本相同的條件下反復(fù)發(fā)生但不可預(yù)測(cè)的同類現(xiàn)象，人們可以預(yù)見這類現(xiàn)象的各種形態(tài)，但不能建立起某一具體原因與具體結(jié)果之間的確定數(shù)學(xué)關(guān)系，只能通過統(tǒng)計(jì)方法用概率把握其總體特征.模糊理論面對(duì)的是外延界限不明確乃至內(nèi)涵矛盾交叉的現(xiàn)象，這一理論發(fā)展了經(jīng)典數(shù)學(xué)中確定性集合的概念，用模糊集合及隸屬度函數(shù)描述這類復(fù)雜現(xiàn)象，糾正了一些人秉承的“非此即彼”的確定性思維.混沌理論面對(duì)的是復(fù)雜的確定的非線性體系，認(rèn)為這一體系初始條件的微小差異或系統(tǒng)運(yùn)行中外部環(huán)境的些許變化可能導(dǎo)致大相徑庭的難以預(yù)測(cè)的后果.灰色理論面對(duì)的是因信息缺乏、數(shù)據(jù)稀少導(dǎo)致的內(nèi)涵不確切的事物，相對(duì)于信息充分的“白系統(tǒng)”和信息未知的“黑系統(tǒng)”提出了“灰系統(tǒng)”的建模、分析、預(yù)測(cè)和控制方法.辯證唯物主義哲學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)的理論方法對(duì)地震工程研究和抗震防災(zāi)管理均有舉足輕重的作用.

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn).眾所周知，地震工程研究的基本科學(xué)實(shí)踐包括現(xiàn)場(chǎng)震害考察、強(qiáng)震觀測(cè)、材料和結(jié)構(gòu)的抗震性能試驗(yàn)以及地震動(dòng)力效應(yīng)的數(shù)值模擬.在上述科學(xué)實(shí)踐中，我們?nèi)〉昧酥匾某晒?，同時(shí)也面臨新的挑戰(zhàn).

我國地震現(xiàn)場(chǎng)考察的規(guī)模、深度、廣度和取得的成果，堪居世界前列.例如，在1975年海城MS7.3地震和1976年唐山MS7.8地震的考察中，總結(jié)得出了圈梁和構(gòu)造柱可以減輕砌體結(jié)構(gòu)倒塌危險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，這一認(rèn)識(shí)被列入抗震規(guī)范并用于抗震設(shè)計(jì)和抗震加固沿用至今，取得了預(yù)期的效果.我國現(xiàn)行抗震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施大多源自現(xiàn)場(chǎng)考察得到的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，但是，當(dāng)前地震現(xiàn)場(chǎng)科考面臨的新問題和新機(jī)遇也應(yīng)引起重視.一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速進(jìn)展，衛(wèi)星圖像、衛(wèi)星定位、無人機(jī)、新型傳感器和人工智能軟件等為地震現(xiàn)場(chǎng)科考提供了更為便捷有效的資料獲取手段；另一方面，現(xiàn)有土木工程結(jié)構(gòu)類型和用途的多樣化、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，也給震害現(xiàn)象的分析帶來更多復(fù)雜因素.

我國已經(jīng)建成了規(guī)?？捎^的包括強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)和各類專項(xiàng)臺(tái)陣在內(nèi)的強(qiáng)震觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，建成了強(qiáng)震資料處理中心和數(shù)據(jù)庫（周雍年，2011）.長(zhǎng)期以來，全球范圍內(nèi)已經(jīng)積累了數(shù)萬條強(qiáng)震加速度時(shí)程記錄，就不同場(chǎng)地分類、近震和遠(yuǎn)震對(duì)強(qiáng)地震動(dòng)時(shí)頻特征的統(tǒng)計(jì)分析而言，這些記錄已基本滿足了工程應(yīng)用的需求.然而，我們得到的所謂三個(gè)不同方向的平動(dòng)地震動(dòng)，實(shí)際上都包含了部分扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)的效應(yīng)，而真實(shí)扭轉(zhuǎn)地震動(dòng)的觀測(cè)和研究始終未取得突破性進(jìn)展.強(qiáng)地震動(dòng)加速度時(shí)程的極端復(fù)雜性，常使我們懷疑模擬或預(yù)測(cè)真實(shí)準(zhǔn)確的強(qiáng)地震動(dòng)時(shí)程的研究前景.

我國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和高等院校建成了技術(shù)先進(jìn)、種類齊全的各類抗震試驗(yàn)設(shè)施，包括地震模擬振動(dòng)臺(tái)和臺(tái)陣、地震擬動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)施以及離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)等土動(dòng)力試驗(yàn)裝置.相關(guān)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量關(guān)于巖土介質(zhì)、建筑材料、結(jié)構(gòu)元件、結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性和抗震性能試驗(yàn)，極大地推動(dòng)了地震工程研究和抗震工程建設(shè)（張敏政，2015）.然而，大量試驗(yàn)是在簡(jiǎn)化的加載環(huán)境下進(jìn)行的，試驗(yàn)結(jié)果往往是定性的或有應(yīng)用限制的.在涉及土-結(jié)相互作用體系的情況下，我們尚無法論證輻射阻尼模擬的真實(shí)性；對(duì)于縮尺模型試驗(yàn)，我們尚未掌握模擬多種材料及其非線性特性的動(dòng)力試驗(yàn)相似律.

應(yīng)當(dāng)看到，在我國自力更生、自主創(chuàng)新，同時(shí)大量借鑒國際先進(jìn)成果、推進(jìn)地震工程研究和應(yīng)用的進(jìn)程中，并不總是一帆風(fēng)順地行進(jìn)在成功的道路上.例如，由美國學(xué)者最先倡導(dǎo)并由日本工程界最先試行的土木工程的主動(dòng)抗震控制，曾經(jīng)也是我國地震工程研究的前沿領(lǐng)域，但最終并未取得預(yù)期的效果而被實(shí)際工程所放棄.再者，美國最早提出的關(guān)于地震工程聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)的創(chuàng)意，也曾是我國的研究熱點(diǎn)，然而，技術(shù)上的成功并未產(chǎn)生實(shí)際的效益.科學(xué)探索永遠(yuǎn)伴隨著挫折、彎路乃至失敗.

本文試圖利用哲學(xué)和科學(xué)的思辨討論有關(guān)地震烈度、地震危險(xiǎn)性分析、抗震設(shè)防和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析等相關(guān)問題，并冒昧揣測(cè)地震工程研究和抗震防災(zāi)事業(yè)的發(fā)展和未來前景.

1 地震烈度

地震烈度概念的提出已經(jīng)有兩百多年的歷史了，各國曾編制過數(shù)十個(gè)版本的烈度表評(píng)估震后不同地點(diǎn)的宏觀地震烈度.在我國，長(zhǎng)期以來這一概念在描述震害和地震作用、采取抗震防災(zāi)對(duì)策中發(fā)揮了重要作用，例如：利用地震烈度評(píng)估震情或?yàn)?zāi)情的嚴(yán)重程度（繪制烈度等震線圖），表述不同地區(qū)地震危險(xiǎn)性的強(qiáng)弱（編制烈度區(qū)劃圖），評(píng)估設(shè)防烈度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，推斷古地震的震中和震級(jí)乃至利用烈度衰減關(guān)系換算地震動(dòng)衰減（Hu，Zhang，1983）等.可以說，我國對(duì)地震烈度的利用幾乎達(dá)到“敲骨吸髓”的程度.

烈度表規(guī)定，宏觀地震烈度需依據(jù)人的感覺、室內(nèi)器物的振動(dòng)、一般建筑的損壞程度和地震地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行評(píng)定；對(duì)于造成災(zāi)害的地震，烈度Ⅵ—Ⅹ主要依據(jù)建筑震害評(píng)定，烈度Ⅺ—Ⅻ則依據(jù)地震斷層出露和地形地貌的重大變化評(píng)定.在長(zhǎng)期的烈度評(píng)定實(shí)踐中，烈度表的應(yīng)用也存在若干問題，具體包括評(píng)估者經(jīng)驗(yàn)的主觀性、評(píng)估指標(biāo)的模糊性、局部地域震害的平均性和多指標(biāo)評(píng)估結(jié)果的矛盾性等.同時(shí)，烈度的含義也未能取得一致的認(rèn)識(shí).例如：“日本學(xué)者河角廣認(rèn)為地震烈度是人感覺到的某個(gè)地點(diǎn)的地震強(qiáng)度，我國地震學(xué)家李善邦認(rèn)為地震烈度是某個(gè)地點(diǎn)受地震動(dòng)影響的強(qiáng)弱程度，美國地震學(xué)家里克特和蘇聯(lián)地球物理學(xué)家麥德維杰夫認(rèn)為地震烈度描述了某一地點(diǎn)的地震動(dòng)強(qiáng)度，美國地震工程學(xué)家紐馬克定義地震烈度是地方性的地震破壞程度，我國地震工程學(xué)家劉恢先定義地震烈度是某一地點(diǎn)地震動(dòng)的平均強(qiáng)弱程度，美國學(xué)者斯坦伯魯格則認(rèn)為地震烈度是地震影響的隨意尺度”（劉恢先，1994）.產(chǎn)生上述不一致認(rèn)識(shí)的根源在于，宏觀地震烈度將地震動(dòng)與其引起的后果混為一談，并非嚴(yán)格的科學(xué)概念，不具備科學(xué)概念所應(yīng)具有的簡(jiǎn)明確切的內(nèi)涵和外延.

早在二十世紀(jì)七十年代劉恢先先生與胡聿賢先生曾就地震烈度問題進(jìn)行過學(xué)術(shù)爭(zhēng)鳴.劉先生認(rèn)為，地震烈度在地震工程中有廣泛應(yīng)用故不能被簡(jiǎn)單舍棄，關(guān)鍵在于建立能反映地震作用的、可用儀器測(cè)量的烈度定量標(biāo)準(zhǔn).胡先生則認(rèn)為，用烈度表示地震動(dòng)強(qiáng)弱是困難的，將其用于抗震設(shè)計(jì)是不適當(dāng)?shù)?與此同時(shí)，胡聿賢先生和劉恢先先生在通海地震的現(xiàn)場(chǎng)考察中，一致贊同使用“震害系數(shù)”描述建筑的破壞程度（胡聿賢，1988）.此后，一系列研究表明，宏觀地震烈度與地震動(dòng)諸參數(shù)間雖具有不同程度的相關(guān)性，但并不存在明確的函數(shù)關(guān)系或統(tǒng)計(jì)規(guī)律.胡聿賢先生主編了我國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2001），使不依賴烈度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí).

近年來，地震工程學(xué)界提出了“儀器烈度”的概念，儀器烈度是基于強(qiáng)地震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算確定的，不再依賴于調(diào)查者的現(xiàn)場(chǎng)判斷；繼而，可記錄強(qiáng)地震動(dòng)并將其換算為儀器烈度的“烈度計(jì)”問世.盡管各國計(jì)算儀器烈度的方法有所不同，但其計(jì)算結(jié)果的數(shù)值范圍與宏觀烈度的判定結(jié)果大體相近.然而，儀器烈度是地震動(dòng)的度量，這是與宏觀烈度在本質(zhì)上的區(qū)別.

至此，從理論上我們已經(jīng)明確了宏觀地震烈度并非嚴(yán)格的科學(xué)概念，從技術(shù)上業(yè)已開發(fā)了可綜合描述地震動(dòng)強(qiáng)弱的烈度計(jì)，且提出了能更較細(xì)密地描述單體或群體建筑破壞程度的震害指數(shù).今后，似可以地震動(dòng)參數(shù)等震線圖、儀器烈度等震線圖或震害指數(shù)等值線圖取代傳統(tǒng)的地震烈度等震線圖向社會(huì)公眾提供地震震情與災(zāi)情.至于斷層出露、大型滑坡與巖崩、嚴(yán)重的地基液化和堰塞湖等地震地質(zhì)災(zāi)害則可更直接地、詳盡地通過填圖方式表述，將其與地震動(dòng)強(qiáng)弱或建筑破壞現(xiàn)象相區(qū)分.近年來，在地震工程研究中長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，早已停止修訂地震烈度表，也不再經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查繪制烈度等震線圖，傳統(tǒng)的地震烈度概念已被排除于地震工程研究和抗震設(shè)計(jì)之外.

“舊者不去，新者不來”符合哲學(xué)中事物發(fā)展的“揚(yáng)棄”概念，也是科學(xué)進(jìn)步的必然規(guī)律.希望地震烈度判別和烈度等震線圖的繪制不再是震害現(xiàn)場(chǎng)工作繁瑣的一環(huán).

2 地震危險(xiǎn)性分析

地震危險(xiǎn)性分析是對(duì)某一地點(diǎn)或某個(gè)區(qū)域未來可能發(fā)生的地震動(dòng)強(qiáng)度（或地震烈度）的估計(jì)，是實(shí)施抗震設(shè)防應(yīng)予回答的基本問題之一.在地震工程的發(fā)展進(jìn)程中，此類分析經(jīng)歷了確定性方法、統(tǒng)計(jì)方法和概率方法的演變.蘇聯(lián)和我國曾用確定性方法估計(jì)未來各地可能發(fā)生的最大地震烈度（胡聿賢，1988）；日本學(xué)者曾依據(jù)各地歷史地震的震度資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出未來100年和75年內(nèi)預(yù)期發(fā)生的最大地震動(dòng)加速度的估計(jì)（岡本舜三，1978）.1968年，美國學(xué)者康奈爾提出了實(shí)施概率地震危險(xiǎn)性分析的基本架構(gòu)（Cornell，1968），這一方法此后被多數(shù)國家和地區(qū)采用，成為確定設(shè)防地震動(dòng)參數(shù)的基本途徑.

在我國，概率地震危險(xiǎn)性分析的結(jié)果常被誤解或質(zhì)疑，其原因之一是地震發(fā)生后實(shí)際獲得的地震動(dòng)參數(shù)或地震烈度與區(qū)劃結(jié)果不符，這顯然是質(zhì)疑者不了解概率分析結(jié)果并不能提供特定事件發(fā)生的確定性估計(jì)；何況，對(duì)未來地震動(dòng)的概率預(yù)測(cè)或確定性預(yù)測(cè)都不可能是準(zhǔn)確的.當(dāng)然，對(duì)概率地震危險(xiǎn)性分析方法的科學(xué)性和適用性進(jìn)行思考并非無益.

實(shí)施概率地震危險(xiǎn)性分析首先要?jiǎng)澏ǜ采w地震斷裂帶的潛在震源區(qū).依據(jù)現(xiàn)有的歷史地震資料和地學(xué)研究成果，科研人員就此提出了兩個(gè)基本命題：其一，曾經(jīng)發(fā)生過地震的地區(qū)，同樣強(qiáng)度的地震還可能重演；其二，地質(zhì)條件相同的地區(qū)，地震活動(dòng)亦可能相同.顯然，這兩個(gè)命題都具有符合邏輯推理的一面，但其科學(xué)性并未獲得充分驗(yàn)證.再者，概率分析方法還要設(shè)定各潛在震源可能發(fā)生的最大地震震級(jí)（即震級(jí)上限），其依據(jù)主要來自相關(guān)地區(qū)的歷史地震資料.然而，人類發(fā)明地震儀并用以測(cè)定地震震級(jí)至今不過百余年，盡管根據(jù)歷史文獻(xiàn)中關(guān)于地震破壞的文字描述可以近似推斷歷史地震的震級(jí)，但即使在地震史料最為豐富的我國，可勉強(qiáng)估計(jì)震級(jí)的近代地震最早也只能追溯至三千年前，三千年只不過是地殼劇烈活動(dòng)的晚更新世地質(zhì)歷史長(zhǎng)河中的短暫一刻.何況，我們實(shí)際可用的較為豐富的歷史地震資料最多不過距今五百年，基于這一數(shù)據(jù)集得出未來五百年一遇乃至數(shù)千年一遇的地震動(dòng)估計(jì)顯然令人生疑.因此，在當(dāng)代破壞性大地震（如唐山地震、汶川地震）發(fā)生之后，往往要對(duì)地震區(qū)劃圖進(jìn)行局部修訂也就不足為奇了.

類似的問題還包括：根據(jù)歷史地震資料等得出的“震級(jí)-頻度曲線”及其各震級(jí)地震的年平均發(fā)生率值得懷疑；確定地震區(qū)帶內(nèi)地震活動(dòng)的空間分布函數(shù)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，涉及眾多不確定性和人們的先驗(yàn)判斷；地震發(fā)生的時(shí)間模型被視為隨機(jī)過程，但并無哪種隨機(jī)過程數(shù)學(xué)模型可以較完善地描述潛在震源區(qū)的地震活動(dòng)性并被驗(yàn)證.至于從震源推演場(chǎng)地地震動(dòng)時(shí)采用的地震動(dòng)衰減規(guī)律的偏差，與前述各種不確定性相比只能是“小巫見大巫”.

總而言之，相較于確定方法和統(tǒng)計(jì)方法，概率地震危險(xiǎn)性分析方法提出了更為全面的、系統(tǒng)的、合乎邏輯的分析框架，其分析結(jié)果也大致符合人類對(duì)各區(qū)域當(dāng)代地震活動(dòng)差異的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)和宏觀判斷；分析得出的一組包含概率意義的地震動(dòng)參數(shù)估計(jì)結(jié)果，在理論上為采用具有某個(gè)超越概率的地震動(dòng)參數(shù)作為設(shè)防地震動(dòng)提供了決策靈活性.然而，就目前實(shí)際達(dá)到的抗震防災(zāi)實(shí)際效果著眼，概率方法與確定性方法、統(tǒng)計(jì)方法所得結(jié)果并無實(shí)質(zhì)性差異.在可以預(yù)見的未來，地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果不可能被驗(yàn)證；更確定地、準(zhǔn)確地預(yù)估未來地震動(dòng)參數(shù)的理想距我們?nèi)允诌b遠(yuǎn).

3 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

一般而言，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)于單體工程結(jié)構(gòu)、各類設(shè)施體系和城市在設(shè)防地震作用下所應(yīng)保持的某種安全狀態(tài)的規(guī)定，例如我國對(duì)一般房屋建筑所規(guī)定的“小震不壞、中震可修、大震不倒”，其中“中震”為基本設(shè)防地震.顯然，制定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)施防震減災(zāi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可謂減輕地震災(zāi)害的頂層設(shè)計(jì).

如何選擇設(shè)防地震動(dòng)（或設(shè)防烈度）的水準(zhǔn)是確定設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的首要問題.在地震工程創(chuàng)立之初，日本根據(jù)地震記錄估計(jì)強(qiáng)烈地震導(dǎo)致的地面地震動(dòng)加速度可達(dá)0.30g；然而，使用這一加速度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)超出了當(dāng)時(shí)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)能力，故在早期利用靜力法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，日本采用的震度系數(shù)僅為0.1，即作用于結(jié)構(gòu)上的水平加速度為0.1g.同期，美國、意大利在建筑法令的抗側(cè)力設(shè)計(jì)（即抗震設(shè)計(jì)）中規(guī)定，作用于結(jié)構(gòu)的加速度數(shù)值也為0.1g左右.此后，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，日本的設(shè)計(jì)震度提高至0.2乃至更高，美國的設(shè)計(jì)地面地震動(dòng)加速度則區(qū)分不同區(qū)域規(guī)定為0.05g—0.4g.新中國成立之初，為考慮抗震設(shè)防編制了地震烈度區(qū)劃圖，編圖結(jié)果表明各地可能發(fā)生的最大地震烈度多為Ⅷ或Ⅷ以上，據(jù)此進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)顯然大大超出了當(dāng)時(shí)的國力，故此區(qū)劃圖只能被擱置，采用低烈度地區(qū)不考慮抗震、高烈度地震不開發(fā)建設(shè)的對(duì)策；此后，又對(duì)298座城市規(guī)定了低于最大地震烈度的基本烈度，但抗震設(shè)防實(shí)際上只限于大城市、大水壩、大電站和大型交通樞紐；改革開放之后，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，原來不設(shè)防的基本烈度Ⅵ度區(qū)逐步納入抗震設(shè)防范圍，并區(qū)別建筑重要性規(guī)定了不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，提高了弱勢(shì)群體駐留建筑（如幼兒園、中小學(xué)和醫(yī)院）和人員密集建筑的設(shè)防要求；至2010年，建筑抗震管理部門申明按照基本烈度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是抗震設(shè)防的最低要求.

根據(jù)概率地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，世界多數(shù)國家和地區(qū)采用未來50年內(nèi)超越概率為10%的地震動(dòng)作為設(shè)防基本地震動(dòng)，相應(yīng)地震動(dòng)加速度的取值多為0.05g—0.4g；我國對(duì)應(yīng)的設(shè)防烈度為Ⅵ—Ⅸ.取如上設(shè)防地震動(dòng)水準(zhǔn)本質(zhì)上是基于經(jīng)驗(yàn)判斷的風(fēng)險(xiǎn)決策，即：現(xiàn)有強(qiáng)震觀測(cè)資料表明災(zāi)害性地震引起的絕大多數(shù)地震動(dòng)加速度均處于上述范圍內(nèi)，采用上述地震動(dòng)水準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)在目前具有技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性，所造成的地震災(zāi)害損失是社會(huì)可以承受的.至于理論上的“投資-效益準(zhǔn)則”分析，面對(duì)結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)和破壞機(jī)理的復(fù)雜性、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的急劇變動(dòng)和人員傷亡價(jià)值不能定量表述等困難，并未能得出可供參考的結(jié)果.

顯然，社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平是確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的決定性因素.人類社會(huì)進(jìn)入工業(yè)化階段后，科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日新月異.目前，我國已消除絕對(duì)貧困，建成小康社會(huì).隨著今后社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，將我國不同地區(qū)的抗震設(shè)防基本地震動(dòng)加速度提高至0.20g或以上（即基本烈度為Ⅷ或Ⅷ以上），達(dá)到目前日本的設(shè)防要求，則可望躋身抗震防災(zāi)先進(jìn)國家之列.

4 地震地質(zhì)災(zāi)害防御

工程結(jié)構(gòu)的抗震安全性不僅取決于結(jié)構(gòu)自身抗御地震慣性作用的能力，也取決于場(chǎng)地地基和周邊地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性.發(fā)震斷層出露地表、滑坡、巖崩及其造成的堰塞湖、地基飽和土液化和軟弱土沉降都曾經(jīng)導(dǎo)致人工結(jié)構(gòu)損壞、喪失使用功能、伴隨人員傷亡并造成重大災(zāi)害.地震地質(zhì)災(zāi)害的防御一直是抗震防災(zāi)的重要領(lǐng)域.

上述地震地質(zhì)災(zāi)害的載體是自然形成的巖土結(jié)構(gòu)，相對(duì)于人工建造的結(jié)構(gòu)，其力學(xué)特性和災(zāi)變規(guī)律更難把握.目前，依據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)和室內(nèi)外土樣抗震試驗(yàn)，人們對(duì)于地基抗震承載力的估計(jì)已有若干經(jīng)驗(yàn)方法，且在實(shí)踐中總結(jié)了各類行之有效的抗震措施，如加密、排水、灌漿、人工地基置換等.我國是國際上最早獨(dú)立開發(fā)砂土液化經(jīng)驗(yàn)判別公式的國家之一，之后在粉土液化、砂礫土液化方面也持續(xù)取得進(jìn)展.然而，涉及滑坡、巖崩的抗震處置方法，目前的研究成果并不令人滿意.面對(duì)巨大的滑坡體和陡峭巖壁，目前尚缺乏經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、有效的分析、預(yù)測(cè)和處置方法.

M7以上大地震的現(xiàn)場(chǎng)震災(zāi)調(diào)查表明，發(fā)震斷層出露地表，有時(shí)可形成垂直斷錯(cuò)達(dá)數(shù)米、水平擴(kuò)展數(shù)十米的地表破裂帶，這種地形變化是任何工程結(jié)構(gòu)都難以抗御的，因此，研究人員合乎邏輯地提出了斷層避讓的設(shè)想.在我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范及城市抗震防災(zāi)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)規(guī)定了斷層避讓的要求.例如，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2010）規(guī)定：高烈度區(qū)重要建筑的避讓距離為100—400 m；城市抗震防災(zāi)規(guī)劃（馬東輝等，2008）規(guī)定：當(dāng)?shù)孛鏀嗔盐恢每梢悦鞔_確定時(shí)，避讓距離取35—50 m以上；當(dāng)無法明確確定地面斷裂位置時(shí)，避讓距離取200—500 m以上.但是，這些規(guī)定的具體實(shí)施面臨難以克服的困難.其根源在于，不論在單體建筑選址或城市基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的編制中，避讓斷層的前提是能夠確定幾何尺寸量級(jí)精確到米的避讓基準(zhǔn)線，這是對(duì)地震地質(zhì)工作巨大的挑戰(zhàn).在特殊情況下，例如，在剛剛發(fā)生過地震的現(xiàn)場(chǎng)，斷層地表破裂跡線的位置是較為明確的，然而，我們并不能確定，在原地再次發(fā)生大地震且地表破裂跡線仍然不變的可能性有多大，這恐怕是概率極低的現(xiàn)象.在長(zhǎng)期未發(fā)生地震的地區(qū)，無論有無歷史地震地表斷裂的遺跡，確定近地表的斷層破裂跡線位置所需的工程地質(zhì)勘察技術(shù)手段相當(dāng)有限且耗資巨大；何況，同樣不能論證這些破裂跡線會(huì)在未來地震中重現(xiàn).嚴(yán)格地講，我們目前并不具備估計(jì)未來大地震發(fā)生時(shí)深大地殼斷裂擴(kuò)展、穿越覆蓋層到達(dá)地表的相對(duì)準(zhǔn)確位置的能力.

綜上所述，我們有理由懷疑實(shí)施斷層避讓的技術(shù)可行性和減小地震損失的效益.提高抗震設(shè)計(jì)的地震動(dòng)水準(zhǔn)，在付出一定的經(jīng)濟(jì)代價(jià)之后，不論未來是否發(fā)生地震，均能提高人工結(jié)構(gòu)的安全耐久性.但近乎盲目的斷層避讓，未必能取得抗震效益，反而會(huì)提高建設(shè)投資乃至對(duì)城市建設(shè)或改造形成干擾.因此，發(fā)震斷層探測(cè)問題可以進(jìn)行研究，但不宜急于將斷層避讓用于工程建設(shè).

5 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)自身的地震反應(yīng)分析以及考慮土-結(jié)相互作用體系的地震反應(yīng)分析，是目前進(jìn)行工程抗震設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)易損性分析的重要途徑.地震反應(yīng)分析方法從擬靜力方法、振型反應(yīng)譜疊加方法、彈性時(shí)程分析法、彈塑性時(shí)程分析法到等效線性分析方法乃至近年應(yīng)用的結(jié)合能力譜的靜力彈塑性分析（Pushover）方法等，經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、再化復(fù)雜為簡(jiǎn)單的反復(fù)探索，其中，非線性地震反應(yīng)動(dòng)力時(shí)程分析始終備受關(guān)注.

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普遍應(yīng)用，加之以有限元方法為代表的各種離散算法的迅速發(fā)展，為非線性地震反應(yīng)時(shí)程分析提供了技術(shù)支撐.目前，我國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2010）規(guī)定，高層建筑可進(jìn)行大震作用下的彈塑性時(shí)程分析，并據(jù)此進(jìn)行變形驗(yàn)算.一些研究者也致力于采用精細(xì)有限元模型模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)從彈性階段到倒塌的完整時(shí)間過程.在此情況下，人們似乎有必要思考兩個(gè)問題：其一，工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是否有必要進(jìn)行此類分析？其二，此類分析得出的結(jié)果能否被驗(yàn)證？

長(zhǎng)期以來地震工程研究和經(jīng)驗(yàn)表明：為保障在設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)的安全性和使用功能以及在大震作用下的人身安全，只需進(jìn)行設(shè)防地震作用下對(duì)應(yīng)輕微或中等破壞狀態(tài)的弱非線性地震反應(yīng)分析即可，無須模擬大震作用下結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞乃至倒塌狀態(tài).歐美等國至今大多只針對(duì)設(shè)防地震進(jìn)行抗震分析和設(shè)計(jì)，并未提出進(jìn)行大震作用下彈塑性地震反應(yīng)時(shí)程分析的要求.另外，結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞乃至倒塌的模擬包含太多的困難，其計(jì)算結(jié)果也難以被工程設(shè)計(jì)直接采用.在地震作用下，建筑材料超過彈性狀態(tài)而開裂，繼而發(fā)生結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂乃至結(jié)構(gòu)局部的分崩離析，嚴(yán)重破壞的結(jié)構(gòu)體系已成為發(fā)生了大變形的、含彈塑性連續(xù)體和剛性碎塊的組合物，顯然，其數(shù)值模型的建立和相應(yīng)計(jì)算方法具有極大的不確定性.從理論上看，目前只有涉及結(jié)構(gòu)破裂及擴(kuò)展的不同假說，并沒有被廣泛認(rèn)可的科學(xué)規(guī)律，關(guān)于阻尼耗能也沒有統(tǒng)一的理論模型；從實(shí)踐上看，在多向復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的破壞試驗(yàn)仍難以實(shí)施，即使在簡(jiǎn)單受力條件下，試件破壞性試驗(yàn)結(jié)果也呈現(xiàn)很大的離散；現(xiàn)在采用的材料非線性本構(gòu)模型均建立在假定的、較為簡(jiǎn)單的受力條件下，難以究其精確度.上述困難不是在短時(shí)期內(nèi)可以解決的，工程師們往往懷疑大震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，更傾向于相信彈性分析結(jié)果和依據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用適當(dāng)?shù)目拐饦?gòu)造措施防止結(jié)構(gòu)倒塌.

退一步講，即使上述問題的研究取得了進(jìn)展，但在分析中如何采用材料強(qiáng)度和如何確認(rèn)結(jié)構(gòu)體系的初始應(yīng)力狀態(tài)仍難以解決.通常，我們依據(jù)設(shè)計(jì)說明書采用材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度或極限強(qiáng)度，同時(shí)利用靜力分析確定體系的初始應(yīng)力狀態(tài)，但是，這些先驗(yàn)采用的數(shù)值肯定不會(huì)完全符合結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)，實(shí)際結(jié)構(gòu)往往存在隨機(jī)的材料強(qiáng)度“超強(qiáng)”和施工引起的應(yīng)力集中.在結(jié)構(gòu)進(jìn)入強(qiáng)非線性階段后，上述差異將導(dǎo)致難以預(yù)測(cè)的破壞特征和倒塌形態(tài).

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中，我們通常采用剛性基底的假定將結(jié)構(gòu)視為封閉體系，不考慮結(jié)構(gòu)與外界的能量傳輸，這在堅(jiān)硬地基條件下是適當(dāng)且可行的.然而，面對(duì)相對(duì)軟弱的地基土，上述假定則難以成立.為解決這一問題，人們依據(jù)土-結(jié)相互作用的理念，就更大范圍的體系進(jìn)行分析.這類方法可考慮上部結(jié)構(gòu)與地基間的能量傳播（即輻射阻尼），顯然在理論上更合理.然而，土-結(jié)相互作用分析也帶來一系列新的問題，例如：自然形成的巖土地基的力學(xué)特性相對(duì)上部結(jié)構(gòu)的人工材料具有更大的不確定性；如何在近乎無限延伸的巖土體中截取有限的計(jì)算范圍；如何考慮巖土計(jì)算域與邊界外的能量傳遞；大范圍計(jì)算域內(nèi)地震動(dòng)的非均一輸入問題等.基于理論分析和巖土地基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或土樣試驗(yàn)，研究者就上述問題進(jìn)行了不懈的探索，但土-結(jié)相互作用體系數(shù)值分析結(jié)果的可靠性并未得到充分的定量驗(yàn)證.

綜上所述，目前的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)在很大程度上仍是基于經(jīng)驗(yàn)的方法，合理的概念設(shè)計(jì)和采取被實(shí)踐驗(yàn)證的各種抗震措施具有舉足輕重的作用，數(shù)值模擬只是可以給出量化結(jié)果的輔助手段.現(xiàn)有的計(jì)算方法都有其適用范圍和不同程度的不確定性，我們不能超越現(xiàn)實(shí)、追求或肯定數(shù)值模擬結(jié)果的精確性.在強(qiáng)非線性事物的預(yù)測(cè)中，人類永遠(yuǎn)不能達(dá)到獲得準(zhǔn)確和確定結(jié)果的理想目標(biāo).

6 結(jié)語和展望

中國地震工程研究和防震減災(zāi)事業(yè)在長(zhǎng)期追趕世界發(fā)達(dá)國家最新研究成果的同時(shí)，秉承自力更生、獨(dú)立創(chuàng)新的精神，目前已經(jīng)步入國際抗震防災(zāi)科技發(fā)展的先進(jìn)行列.

每個(gè)學(xué)科、每項(xiàng)事業(yè)都會(huì)經(jīng)歷從迅速發(fā)展到逐步成熟的過程，而后則發(fā)生質(zhì)變、躍入新的階段.當(dāng)前，在美、日、歐等發(fā)達(dá)國家的地震工程研究已呈明顯停滯狀態(tài)的情勢(shì)下，地震工程向何處去？這值得我國抗震科技研究者和管理者認(rèn)真思考.地震工程科技人員宜“有所為有所不為”，在新形勢(shì)下謀求新的發(fā)展.

1） 廣大農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)的抗震設(shè)防乃是防震減災(zāi)事業(yè)的短板.面對(duì)我國“繼消滅絕對(duì)貧困之后振興農(nóng)村”這一更為宏偉的歷史任務(wù)，有志的抗震科技人員可在更為廣闊的天地，利用已有的抗震科技成果，為新農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)的建設(shè)奉獻(xiàn)自己的知識(shí)和力量.

2） 地震地質(zhì)災(zāi)害的防御是地震工程研究的難點(diǎn)和短板，需要在地震地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)防措施的研究中爭(zhēng)取新的突破，提高工程結(jié)構(gòu)抗御地質(zhì)災(zāi)害的能力，進(jìn)一步減少地震損失和人員傷亡.

3） 地震工程是交叉邊緣科學(xué)，以往地震工程的研究成果曾受益于地學(xué)、建筑工程學(xué)、數(shù)理力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展，今后，材料科學(xué)、電子信息、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等國家重點(diǎn)研究領(lǐng)域的進(jìn)展必將在防震減災(zāi)各環(huán)節(jié)獲得新的應(yīng)用.

4） 在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排、新能源建設(shè)等領(lǐng)域，地震工程知識(shí)能夠助以一臂之力.

將來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，更輕、更剛、更強(qiáng)、更韌、更廉價(jià)且宜加工的新型材料的出現(xiàn)將引起建筑行業(yè)的革命，屆時(shí)工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)將大為簡(jiǎn)化且抗震能力將大大增強(qiáng).隨著新能源和新材料的出現(xiàn)，建造行駛于海上的城市、懸浮于空中的建筑恐怕并非科學(xué)幻想.在遙遠(yuǎn)的未來，地球步入晚年，地殼活動(dòng)將漸趨減弱，地震災(zāi)害將淡出人類社會(huì)；當(dāng)?shù)厍虿贿m于居住時(shí)，人類將乘坐飛船漫游太空，迎來地震工程的終結(jié).