北嶺地震20年后

T.Heaton

城市地震，如1994年的6.7級(jí)北嶺地震，為我們這些人清晰了解地震危險(xiǎn)性的工作提供了的獨(dú)特時(shí)刻。記得我是1994年1月17日清晨4點(diǎn)31分在我帕薩迪納的家中被震醒的。當(dāng)我匆忙地趕到加州理工學(xué)院校園內(nèi)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）我的辦公室時(shí)，我記得想知道的是那天會(huì)帶來什么。震中區(qū)人煙稀少呢？還是我們只能接受直接擊中了已經(jīng)城市化的洛杉磯？現(xiàn)在我們知道，雖然破壞性的震動(dòng)延伸到了洛杉磯盆地，但真正受到劇烈震動(dòng)的是圣費(fèi)爾南多谷；5臺(tái)強(qiáng)震加速度計(jì)記錄的地震動(dòng)峰值速度（PGV）超過了1m／s。雖然這次襲擊只持續(xù)了15s，但它卻留下了約200億美元的損失和數(shù)以百萬計(jì)的極度驚慌的洛杉磯人，尤其是生活在圣費(fèi)爾南多谷的人們。

盡管是強(qiáng)烈震動(dòng)，但官方公布的死亡人數(shù)僅有57人。很顯然，我們躲過了那個(gè)冬天清晨的一顆子彈。震中區(qū)的幾乎每個(gè)人當(dāng)時(shí)都是睡在木質(zhì)房屋或多層木質(zhì)公寓中。在地震中，加利福尼亞的木質(zhì)房屋結(jié)構(gòu)是有彈性的；它們自然是輕質(zhì)的且有足夠的剛性，灰泥板墻就像房屋能調(diào)整到來自比如盛大宴會(huì)的重力荷載那樣不會(huì)破裂。這種剛度帶來的好處是房子也很堅(jiān)固。無可否認(rèn)，圣費(fèi)爾南多谷的劇烈震動(dòng)對木質(zhì)房屋造成了廣泛的破壞，但沒有一座倒塌。在木質(zhì)的北嶺梅多斯公寓樓一層部分倒塌時(shí)有16人死亡，但許多其他木質(zhì)公寓建筑并沒有倒塌。

鋼筋混凝土框架（RCF）的建筑物表現(xiàn)也不好。矮層的鋼筋混凝土墻建筑（例如，7－Eleven便利店）幸存了下來，但令人恐懼的倒塌擊中了原本會(huì)在幾小時(shí)后住滿人的其他混凝土結(jié)構(gòu)。在某種意義上，北嶺地震是1971年M6.7圣費(fèi)爾南多地震的再現(xiàn)，后者也發(fā)生在清晨——木質(zhì)房屋和低矮的混凝土墻的建筑并沒有倒塌，但有幾座鋼筋混凝土框架建筑卻倒塌了。

1971年鋼筋混凝土框架建筑物的倒塌促進(jìn)了對建筑規(guī)范的重要修改。遺憾的是，大城市洛杉磯已使用先前的舊技術(shù)建造起了1 000多座混凝土建筑；這些建筑物通常被稱為非延性混凝土框架建筑。圖1顯示的是北嶺地震期間地震動(dòng)峰值速度的近似等值線和1994年前至少有4層樓高的建筑物的位置。幾位同事已經(jīng)提醒說，有些建筑物可能是被認(rèn)錯(cuò)了，所以不要把這張圖看得太認(rèn)真，但這種總體樣式是有效的。這些建筑物分為兩類：（1）圓圈表示1975年前的混凝土建筑；其中許多是非延性的，可能經(jīng)受不住1994年和1971年圣費(fèi)爾南多谷北部發(fā)生的這類震動(dòng)。（2）三角表示1994年前的鋼框架結(jié)構(gòu)建筑。顯然，建有至少4層框架建筑的洛杉磯城區(qū)部分沒有像圣費(fèi)爾南多谷郊區(qū)那樣受到劇烈的震動(dòng)。

也許北嶺地震中最令人吃驚的是抗力矩鋼框架建筑中關(guān)鍵焊接點(diǎn)的脆性斷裂（Reis and Bonowitz，2000）。大部分鋼框架建筑是經(jīng)過設(shè)計(jì)的，以便在最大變形時(shí)，鋼的塑性屈服（塑性鉸接）應(yīng)主要發(fā)生在水平梁；要避免垂向柱的塑性鉸接，因?yàn)樗鼈儠?huì)形成過早的倒塌機(jī)制。這些焊接點(diǎn)是關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈円惺苤c梁之間的荷載。

圣費(fèi)爾南多谷南部有幾座鋼框架建筑震動(dòng)非常強(qiáng)烈，因此檢查員期望能在震后找到塑性彎曲梁的證據(jù)。然而，檢查員沒有發(fā)現(xiàn)任何此類梁；相反，發(fā)現(xiàn)了焊接的抗力矩連接處斷裂。隨后的原型實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證實(shí)了焊接連接處的能力小于塑性彎曲梁所需要的力。這非常令人吃驚，它意味著鋼框架建筑遠(yuǎn)比設(shè)計(jì)師曾預(yù)定的更脆。要更完整地描述這個(gè)問題并說明對新建筑減輕這一問題所要采取的措施，會(huì)需要許多頁碼。我只想說，目前，大多數(shù)加州的鋼框架建筑仍舊有1994年前的脆性焊接。對20層鋼框架建筑的模擬表明，在發(fā)生強(qiáng)烈震動(dòng)時(shí)，它們倒塌的可能性是具有良好焊接的建筑的3～5倍（Olsen et al，2008）。此外，對好萊塢斷層、圣莫尼卡斷層、紐波特—英格爾伍德斷層和普恩蒂希爾斯斷層上的地震模擬都表明，強(qiáng)烈震動(dòng)可能某一天發(fā)生在具有這些老的、脆性框架建筑（混凝土和鋼框架）的地區(qū)（Day et al，2005；Olsen，2008）。

圖1繪制出至今將近20年，它支持我們確實(shí)在1994年躲過了一顆子彈的想法。遺憾的是，這枝槍仍然裝滿著彈藥并扳上了扳機(jī)，因?yàn)楹苌俚拇嘈钥蚣芙ㄖ玫搅朔赂脑?。地震研究界很清楚脆性結(jié)構(gòu)問題，但一般社區(qū)不是這樣。最近 《洛杉磯時(shí)報(bào)》的一篇有關(guān)非延性混凝土框架的文章（Lin et al，2013）令大多數(shù)洛杉磯人吃驚。為什么這些建筑物里的居民不知道他們住在地震專業(yè)人員幾十年來已經(jīng)知道其安全性堪憂的建筑物里？1975年前的混凝土框架似乎是最令人擔(dān)憂的問題，但1994年前的脆性鋼框架結(jié)構(gòu)也令人真的擔(dān)心。住戶沒有解決這一問題的線索，業(yè)主也沒有尋求解決這一問題的動(dòng)力。

此外，為什么沒有相應(yīng)的計(jì)劃至少告訴人們他們處于易受傷害的地方呢？許多指責(zé)到處傳播。

1.洛杉磯市早應(yīng)編制一份存在潛在危險(xiǎn)的建筑物清單，這些建筑物里的住戶早應(yīng)知道有這一清單。雖然法律訴訟將不可避免，但我有些懷疑會(huì)成功；公共安全是最高優(yōu)先級(jí)。洛杉磯在此并非個(gè)例；許多其他城市也沒有解決這個(gè)問題。

2.加利福尼亞地震安全委員會(huì)早該使1994年以來的4任加利福尼亞州長清楚和明白這個(gè)問題，他們早該根據(jù)該委員會(huì)的建議采取措施。

3.國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）早應(yīng)系統(tǒng)地編制定量的、易于訪問的不同類型建筑物震動(dòng)回彈的信息并開發(fā)個(gè)體建筑物回彈的國家數(shù)據(jù)庫。國家公路交通安全局公布所有汽車的安全性清單，建筑物為什么不同呢？國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所是國家地震減災(zāi)計(jì)劃（NEHRP）的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，畢竟承擔(dān)著確保這些問題得到有效解決的主要責(zé)任。

4.美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）關(guān)注其不斷減少的地震危險(xiǎn)性概率評(píng)估的資源，但對美國地質(zhì)調(diào)查局同樣非常重要的是與國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所合作來模擬特定地震對不同城市環(huán)境的影響。 “ShakeOut”（見Porter et al，2011）是地球科學(xué)家與地震工程師如何合作重點(diǎn)解決具體問題的范例。遺憾的是，“ShakeOut”的影響太短暫了。

5.總統(tǒng)和國會(huì)需要重新發(fā)現(xiàn)地震問題。國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所從來沒有有意義的國家地震減災(zāi)計(jì)劃預(yù)算（盡管它的宣傳有很關(guān)鍵的作用）。美國地質(zhì)調(diào)查局的預(yù)算已經(jīng)穩(wěn)步下降到低于30年前的1／3。雪上加霜的是，自2004年以來，國家地震減災(zāi)計(jì)劃未被審批。

當(dāng)然，這一故事中也有一些亮點(diǎn)。例如，加州交通局（Caltrans）20多年前就開始系統(tǒng)地改造所有非延性的混凝土橋柱。加利福尼亞州衛(wèi)生規(guī)劃與發(fā)展辦公室（OSHPD）對醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)的能力進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，對醫(yī)院進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造的目的是使醫(yī)院可以在地震中保持其功能。這些計(jì)劃昂貴而困難。橋梁改造計(jì)劃已基本完成，而醫(yī)院的改造項(xiàng)目仍在繼續(xù)奮斗。

圖1 1994年北嶺M6.7地震的地震動(dòng)峰值速度等值線。圓圈表示1975年前的混凝土建筑；其中許多建筑是非延性的，不可能經(jīng)受住1994年和1971年在圣費(fèi)爾南多谷北部發(fā)生的這類振動(dòng)。三角表示1994年前的鋼框架建筑。建筑數(shù)據(jù)來自洛杉磯縣稅額征收文件，未檢查其準(zhǔn)確性。引自 Wald等（1996）

2013年9月，加州交通局開通了新的舊金山—奧克蘭灣大橋的東跨越橋，加州人被告知，它是為1 500年的地震設(shè)計(jì)的。1 500年是一段很長的時(shí)間，這期間可能有許多可怕的非震事件造訪我們的社會(huì)。政策制定者和一般公眾似乎將這1 500年的設(shè)計(jì)目標(biāo)理解為建筑的地震問題已基本解決的證據(jù)。最近 《洛杉磯時(shí)報(bào)》的描述卻形成強(qiáng)烈的對照。結(jié)果是許多加州人當(dāng)?shù)弥麄兛赡軙?huì)在現(xiàn)代多層的加利福尼亞建筑的地板之間被壓碎時(shí)都非常驚訝。當(dāng)公眾得知在大地震近源區(qū)的一些鋼框架的高樓會(huì)倒塌時(shí)，他們會(huì)更加關(guān)注和困惑。

就我個(gè)人而言，我在這個(gè)行業(yè)已經(jīng)有很長時(shí)間了，看到過以前的幾代地震專家不只一次地向公眾保證，老的建筑可能存在著危險(xiǎn)，但最新的建筑表現(xiàn)良好。對于現(xiàn)在我們很擔(dān)憂的這種非延性混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑物，一度也曾這樣說過?？赡墁F(xiàn)在我們已經(jīng)取得了適當(dāng)?shù)目拐鸩呗?，但我們的建筑卻很少被真實(shí)測試過。當(dāng)我們的一個(gè)城市受到直接襲擊時(shí)，就將是一個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)。我總會(huì)懷疑在這種事件之后我們將會(huì)更多地談?wù)? 500年失敗的重復(fù)次數(shù)。

我認(rèn)為我自己是一個(gè)地震專業(yè)人員；我是一個(gè)地震學(xué)家和地震工程師。我經(jīng)常說，我們的研究提供了采取行動(dòng)的必要信息，這些行動(dòng)能減少未來的悲劇，我們不需要等著從未來的災(zāi)難中獲得可采取行動(dòng)的知識(shí)。然而，這種樂觀的看法受到了我們集體應(yīng)對發(fā)生在美國北嶺地震失敗的挑戰(zhàn)。最終，這種集體失敗是地震專業(yè)整個(gè)行業(yè)的責(zé)任，包括地球科學(xué)家、地震工程師、緊急救援人員和公共政策的制定者?？梢钥隙ǖ氖?，如果成千上萬美國人死于未來的城市地震，我們將把注意力集中在我們?nèi)绾文軌蚋玫乇Ｗo(hù)公眾上。那災(zāi)前就這樣做不是很好嗎？