土木工程防灾的发展与趋势浅论

周福霖,崔 杰

(广州大学 工程抗震研究中心,广州 510405)

0 引 言

灾害是人类社会中的一种特殊现象,给人类社会带来了生命危害、经济严重损失等,并导致社会的不稳定。由于成灾的机理和灾害的载体不同,灾害的种类也多种多样。土木工程防灾是指针对以土木工程为载体的灾害,通过工程技术来达到防灾减灾的目的。从灾害种类上来区分有:地震、强风、火灾、爆炸、地质灾害、洪水,等等;从涉及的学科上来区分,它包括结构工程、生命线工程、岩土工程、交通工程、水利工程等诸多学科;从其包含的科学问题上来讲,它包括:灾害源的发生机理、灾害特征及其作用机制、工程结构的抗灾力学分析、工程结构的抗灾性能与现代设计理论、工程结构的灾害模拟与控制等。因此,土木工程防灾包含众多内容,是一门综合性很强的新兴学科,在工程学科中占有重要的地位。

综上所述,土木工程防灾,即涉及诸多的学科(结构工程、岩土工程、水利工程等),又涉及各类科学问题(静力学、动力学、材料力学等),因此,土木工程防灾减灾问题不仅包含的内容和学科众多,问题复杂,也是当今土木工程学科中最重要、最活跃的领域之一。由于时间和篇幅所限,本文不能涵盖所有的工程防灾问题,拟以其主要的科学问题为主线,同时重点讨论地震、强风等动力灾害,抛砖引玉,探讨该学科的发展现状及前沿发展方向。主要阐述工程结构抗震与减震、工程结构抗风等方面的新理论、新方法、新材料和新技术。结合国际上的最新发展态势,重点讨论研究工程结构抗灾防灾的基本性能、分析理论与现代设计方法,结构灾害的物理机制和灾变过程,结构抗灾性能设计理论和结构防灾减灾措施。

1 灾害日趋严重

自然灾害直接危害人类生命和健康,一次灾害会导致千百万人乃至上亿人受灾,其对人类社会的影响至深至远,在人类历史上留下过惨痛的教训。以我国地震灾害为例,1556年陕西华县、潼关大地震,造成83万人员遇难;1976年通海地震,造成1.6万人遇难;1976年唐山地震,造成24万人遇难;2008年汶川地震,造成近8万人遇难。据统计资料,1949～1959年,因灾害死亡人数94 914人,年平均8 629人;1960～1967年,因灾害死亡人数43 084人,年平均5 386人;1978～1997年,因灾害死亡人数 131 511人,年平均6 576人。由此可见灾害对人类生命的严重威胁。

重大自然灾害的特点是突发性和严重性,它往往也带来巨大的经济损失,也严重制约国民经济的持续发展。据统计[4],在发达国家中,自然灾害损失占GNP(国民生产总值)和财政收入的比例均很小。如,美国灾害损失仅占GNP的0.27%,占财政收入的0.78%;日本灾害损失仅占GNP的0.5%或更低;而我国1949年以来的灾害损失占GDP的5.09%,占财政收入的27%。可见,我国是世界上自然灾害最严重的国家之一,每年因灾害造成的直接经济损失,约占国民生产总值的3%～ 5%。我国70%以上的大城市,半数以上的人口, 75%以上的工农业产值位于灾害频发区。自然灾害严重地威胁着国民经济和社会的可持续发展。

在我国建设小康社会的伟大历史进程中,城市化是社会进步的主要标志之一。今后20 a,我国将增加城镇人口3.4亿,这是一项人类历史上从未有过的重大而艰巨的任务。城市规模的迅速扩大导致人口与财富的高度集中,也导致城市安全问题与灾害危害性的日趋加重。据统计[4],2003～2008年,我国频发的自然灾害所造成的直接经济损失年均高达2 000亿元以上,其总量及占GDP的百分比也呈现出逐年增加的趋势。从1991～2000年间全球范围内发生的灾害与前一个10 a相比并无显著异常,然而因灾害造成的损失却比前一个10 a增加了3倍,比20世纪60年代的10 a增加了近10倍。灾害所造成的人员伤亡、经济损失和社会震荡也愈来愈严重。例如:1995年日本神户地震的直接经济损失达$1 500亿之多,死亡5 438人;2001年美国 “九一一”事件,不仅造成了3 000多人员死亡,而且对美国的经济和社会留下了严重的创伤。历史的经验教训也表明,由于我国是人口大国,各类灾害造成人员伤亡和对城市威胁的风险程度往往要高于其它国家。例如:世界上造成人员死亡最多的2次大地震就是我国历史上的华山大地震和近代的唐山大地震;20世纪最后10 a世界上一次死亡人数多于300人的2次火灾均发生在中国 (1994年克拉玛依特大火灾死亡323人、2000年河南洛阳东都商厦火灾死亡309人);热带气旋每年平均在我国登陆10次。其中,1994年9 417台风和2004年 “云娜”台风造成的直接经济损失都在200亿元左右。2008年5月12日的汶川8级大地震,已确认69 227人遇难,失踪17 923人,直接经济损失高达8 451亿元。我国有22个省会城市和2/3的百万以上人口的大城市位于地震高危险区。这深刻说明:在我国城市化进程中防灾减灾的重要性和迫切性。

世界各国对防灾减灾工作都给予了极大的重视。在1984年召开的第八届世界地震工程大会上,美国前总统的科学特别助理、美国国家科学院院长、地震学家F.Fress提出了“国际减轻自然灾害十年”的活动设想,随后,联合国正式发起 “国际减灾十年 (1990～2000年)”行动,促进了全球联合的高科技减灾行动,160个国家分别成立了国家减灾委员会。其后,在2005年,由联合国在日本神户市召开的世界减灾会议上,探讨了未来十年如何减轻灾害对全球造成的损失,形成了 《兵库宣言》、《兵库行动框架》等重要文件。近10年来,国际组织和有关国家减灾委员会设立了诸如 “联合国全球灾害网络”、“欧洲尤里卡计划”、“日本灾害应急计划”、“全球分大区的台风监测计划”以及“美国飓风、洪水预报及减轻自然灾害研究”等数以百计的防灾减灾研究项目,取得了许多重要的研究成果,为21世纪防灾减灾的深入研究奠定了基础。我国政府历来重视防灾减灾工作,为配合联合国发起的 “国际减灾十年 (1990～2000年)”行动,国务院成立了由28个部委局组成的中国国际减灾十年委员会,目标是减轻灾害损失的30%,并协调组织重大防灾减灾综合行动,投入近2 000亿元,实施了一系列重大减灾项目。于1993年在北京召开的中国灾害管理国际会议上提出的 “中华人民共和国减轻自然灾害报告”,引起了世界各国的高度重视。在灾害防御的指导原则上,强调了灾害的监测预报、灾害防御、应急救援、灾后重建的防灾减灾的指导思想,并取得了可喜的成果;在自然灾害监测方面,不仅加强了设备更新和改造,而且开展了一系列的技术攻关;在城市减灾工程建设方面,加大了对城市减灾关键工程的投入;在城市减灾应急管理方面,开展了城市灾害快速评估、灾害区划与灾情评定标准的研究工作以及应急能力的建设。

然而,我们面临的减轻灾害的任务却并没有减轻,并且随着人口的急剧膨胀,经济的不断发展,防灾减灾的形势日趋严重:①灾害发生的危险性并没减少,反而有不断增长的趋势。近期不断发生的自然灾害,如2008年汶川地震 (69 227人遇难)、2009年海地地震 (20多万人遇难)、2010年智利地震(近700人遇难),这些灾害时刻在提醒我们要加强防灾减灾的工作;②由于区域的限制,人类也正不断向自然条件较为恶劣的区域进发,如开发大西北的建设、海洋重大工程等。这些区域的自然条件更为复杂,所面临的灾害的风险也不断加大;③虽然我们对灾害的研究投入了巨大的精力和财力,但在灾害面前,我们仍表现出了一些无奈和无力。这表明目前人类所掌握的知识和技术,还远不能实现防灾减灾的目标,尚有新的科学问题等待我们研究,新的技术等待我们开发和应用。加强防灾减灾科学研究和技术开发应用,是保障人类社会和谐持续发展的重要环节。

2 科学研究取得了显著的研究成果

如前所述,土木工程防灾是个复杂的问题,涉及诸多学科。为便于阐述问题,下面主要从灾害源的发生机理、灾害特征及其作用机制(包括工程结构的抗灾力学分析、抗灾性能与设计理论、灾害模拟等)、灾害的控制等3个方面叙述。

2.1 灾害源的发生机理和特征

自然灾害的预测是个十分复杂的问题,解决该问题要以详细了解灾害发生的机理,以及掌握详细的观测数据为基础。然而遗憾的是,目前人类对灾害的预测尚不能完全过关,但通过不懈的努力,对灾源的发生机理和特征也具有了一定的了解。毫无疑问,这对达到最终防灾减灾的目的是极为重要的。尽管从学科角度出发,这不是土木工程的范畴,但它却和解决土木工程的防灾问题密切相关。

2.1.1 震源机制和地震动场[4,11]

地面运动特征和地震动场的空间变化是抗震减灾的重要基础。与其它学科相比,工程地震的研究进展较为缓慢。主要的原因,一是对震源机制的了解不够,二是地震动数据观测数据不足。

震源的机制研究,主要依靠地震学的研究成果。20世纪80年代后震源反演技术得到发展,主要是利用近场地震动观测记录,并结合新的反演方法,得到了一些有意义的结果。而在最近的几十年里,强震记录的数据积累很快,尤其 1989年、1994年的美国地震、1995年的日本地震、1999年台湾地震,以及最近的中国大陆汶川地震,几乎每一次地震中都积累了几十、上百条强震记录。记录到了地震动振幅大、频谱宽的地震动,以及大的长周期加速度脉冲。这些记录对研究地震动特征具有重要的价值,使得人们可以进一步研究地震动场的空间分布特性,以及地表的破裂、地震波的传播等。此外,场地条件对地震动的影响也得到关注,以往历次大地震中均显示,不同场地条件上的建筑物震害差异十分明显。场地条件不仅影响地震动幅值,还影响其频谱特性。我国不同区域场地条件对地震动影响不同,东部沿海是深厚软土,而西部高原区是浅埋岩层,对山区和盆地地区,局部盆地(谷地)效应显然更为重要。

目前我国工程地震研究应充分吸收大陆强震机理与预测的研究成果,以强震动观测记录和大城市地震活动断层探查资料为依托,将震源破裂过程的模拟、地震波传播和场地条件影响的研究紧密结合,开展强地震动特征、近场强地震动、场地条件对地震动的影响以及地震地表变形和破裂的研究。

2.1.2 风 场[4,7-10]

人们对强风的机制认识也不断进步。在结构抗风中,通过长期的现场观测,对近地风有了更清晰的认识。由国际著名风工程专家A.G.Davenport教授于60年代提出的方法以及以此为基础的各国规范仍然是有效的。对平均风和脉动风的描述和特征研究,已得到一些有用的推荐值和推荐公式。在风气候预测方面,目前主要是将灾害性风气候分类成几种不同的形式,并分别采用最优方法分类进行分析。在空气动力作用方面,主要进展在于发现了来流湍流的空气动力效应并建立了线性准定常计算方法和相关气动参数的实验识别方法。在理论研究方法方面,计算流体动力学已经在均匀流动和钝体绕流等风工程应用方面显示出了巨大的发展潜力。在物理实验技术方面,边界层风洞一直是风工程的主要工具,风洞试验的精度有了很大的提高。

在未来的一段时间内,对风场的理论研究,要从平稳到非平稳、均匀到非均匀、线性到非线性、高斯到非高斯,从定常到准定常再到非定常最后到瞬间态,从单因数分析转变到多因数耦合效应分析,并且要建立和完善各种风荷载或抗风设计规范。在现场实测方面,坚持长期的系统性的良态气候风场近地风特性的现场实测,加强对飓风和雷暴等灾害性风场的现场实测和统计,开展各种风效应敏感结构的Bench Mark现场实测、模型试验和数值模拟修正。在风洞试验方面,研发从简单良态气候风场模拟到复杂飓风气候风场和雷暴气候风场模拟所需要的仪器和设备。全面研究雷诺平均模型(RANS)、大涡模拟模型(LES)、直接数值模拟(DNS)和分离涡模型(DES)等湍流模拟模型,将对气象物理场的数值模拟与风流场的数值模拟相结合。

尽管前述的内容同地震学、气象学的关系更为密切,但进一步加强对于地震、风场本身的发生机理和特性的研究,预测其发生的危险性,对预测和防御灾害的危害性,是十分必要的,也将得到防灾学科的高度重视。

2.2 灾害的作用机制、分析及抗灾设计

2.2.1 工程结构抗震

工程结构的抗震研究,经过众多学者的多年努力,已经在力学机制、分析方法、抗震设计等方面取得了一系列卓有成效的研究成果。

传统观念的工程结构抗震非线性计算理论,已经在整体结构分析模型、单元分析模型、构件恢复力模型、数值计算方法等方面取得了诸多重要成果。目前,已能够从材料本构层次开始,进行整体结构 (包括地基和基础,考虑土——结相互作用)的动力非线性分析。结构与地基的动力相互作用的数值分析已经从频域向时域发展,从线性分析向非线性分析发展,其中介质材料非线性力学行为的描述、土与结构界面接触问题等也取得一些重要进展。

在未来,研究人员将更加关注非线性破坏机理的研究,包括从基本构件向材料本构关系、结构性能两端延伸,工程结构非线性破坏机理与灾害反应分析理论,复杂结构的多维及动态本构关系、破坏准则、非线性动力学行为下的结构非线性抗灾动力分析,多尺度损伤与失效机理的结构多尺度动力分析,以及结构的多场耦合振动分析及结构抗灾动力分析的智能计算方法等。同时,近十年来几次破坏性大地震发生后,工程结构的抗倒塌研究和设计也逐步引起了研究人员的高度关注。建筑结构在地震下的抗倒塌能力是建筑抗震设计的一个最重要、也是最核心的性能目标。美国、日本的相关多地震国家都投入大量力量进行结构地震倒塌研究。

相对来说,生命线工程的研究发展较晚,但却得到人们的日益重视。目前,国际上生命线工程防灾方面的研究集中在埋地管线、大型复杂生命线网络抗震连通可靠度和功能可靠度分析方法、复合生命线工程系统的灾害模拟与地震灾场仿真、生命线工程系统灾害快速评估和健康监测以及城市综合防灾方面[12-13]。上述的研究,除了在埋地管线及生命线特种结构方面的研究相对较多以外,其它方面的研究尚处于不成熟或者刚刚起步阶段。但研究不断向着精细化、符合工程实际的方向前进。在系统层次,进行了大型复杂工程网络的连通可靠度分析,并向着功能评价方向发展,进行了供水系统的抗震功能可靠度分析。进一步,在多系统地震耦合作用方面,国内采用时-场域相结合的离散事件仿真方法来研究,国际上则主要从系统相互作用的角度展开。生命线工程系统灾害快速评估和健康监测已经引起了国内外的重视,相关的研究已经逐步展开。城市综合防灾方面的工作涉及城市灾害及次生灾害危险性评估、灾害和损失快速估计、灾后应急反应决策等方面,3S和网络技术等高新技术的应用研究将成为城市综合防灾的重要发展方向。

未来人们将更关注生命线工程系统网络分析问题,复合生命线工程系统的灾害反应分析及其控制,生命线工程的安全性监测、灾害预警技术与应急处置技术,复合生命线工程系统的灾害模拟与灾场控制,复杂生命线工程结构抗灾可靠性分析理论研究,大型生命线工程网络抗灾可靠性分析基础理论研究,大型复杂工程网络的破坏机制与基于可靠性的设计理论,生命线工程系统优化设计理论等[4]。

工程结构抗震与减震研究的核心是工程结构抗震设计理论。反应谱理论的提出是地震工程领域的一个重要里程碑。目前世界各国的抗震设计理论都是在反应谱和延性设计的基础上形成的。20世纪90年代中期,中国、美国、日本学者先后提出了基于性能的抗震设计方法 (Performance–Based Seismic Design,PBSD)。目前,基于性能的抗震设计理念已经受到了人们的广泛关注,世界各国的学者纷纷投入了这一研究热潮。

目前,基于性能的抗震设计理念已经受到了人们的广泛关注,世界各国的学者纷纷投入了这一研究热潮。目前在基于性能的设计方面已有了各种设计标准和指南,国内在一些重大工程中的应用已在国际上产生了重要影响。

实验研究仍为检验理论的重要手段,模型试验、数值分析、现场实验以及多实验室联合实验等多种手段,以及结合现代的计算机科学、观测学等方面的研究成果,实验手段和方法不断得到充实和发展[3]。在室内实验方面,把振动台 (台阵)和快速拟动力结合的混合试验方法近年来也受到了较多的关注。互联网技术的快速发展为结构抗震试验技术的提高与推广提供了新的机遇,远程结构协同实验已成为国内外学者的重要研究内容之一。未来人们将更加关注如何将试验技术与数值模拟技术结合,如何进一步充分利用先进的复合材料、智能材料、先进的传感技术、现代信息技术,使得实验更为精确。

2.2.2 工程结构抗风

风洞试验是结构抗风的主要内容和重要的研究手段。气动弹性风洞试验是目前直接获取响应和识别风荷载的重要方法。该方法对不同的研究对象,如大跨桥梁、高耸结构,具有不同的模型。由于风洞试验主要是借鉴航空领域的技术和方法,这使得风洞试验与土木工程的模型试验有很多不同之处。虽然在风荷载的模拟上产出了一些重要的成果,但还有许多问题有待研究,如紊流度的模拟等[7-10]。

大型复杂结构风荷载和响应机理、结构抗风性能和设计方法方面,已基本上建立了抗风设计体系,并在多数国家的建筑荷载规范中得到应用。但随着建筑高度和柔性的增加及外形的个性化发展,横风向的响应也越来越重要。对于低矮建筑的抗风问题,虽然近地高紊流模拟十分困难,但在现场观测、室内实验方面较为便利,拟补了不足。

目前人们将主要关注[4]:边界层风场特性研究和结构风效应的实测,风洞试验理论和数值模拟方法研究,空气动力学和气动弹性力学机理研究,大尺度结构风效应及抗风设计,大型复杂结构风致灾变物理和数值模拟,结构风致灾变安全控制和城市风灾评估,风效用敏感结构的风荷载和风效应理论研究和现场实测,强风作用下重大工程结构风荷载和风效应控制等。

2.3 工程结构的灾害控制

结构振动控制可以有效地减轻结构在风和地震等动力作用下的反应和损伤、有效地提高结构的抗振能力和抗灾性能,是抗震减灾积极有效的对策[1-2]。土木工程结构振动控制技术的研究和应用可以追溯到上世纪50年代,日本Kobori提出了结构变刚度的减振概念,开启了通过在结构上安装附加元件减轻结构振动的结构振动控制新思路。结构振动控制按照其工作机理的不同,大体上分为基础隔震、耗能 (阻尼)减振、主动和半主动控制、以及近年发展起来的智能控制。

基础隔震通过在上部结构和基础之间设置水平柔性层、延长结构侧向振动的基本周期,从而减小水平地震地面运动对上部结构的作用。超高层建筑由于自身重量较大,不适用于采用基础隔震的控制方案。结构被动耗能减振则是在结构中设置阻尼耗能元件和吸振系统、耗散结构振动的能量,从而减轻结构的动力反应,是适用于超高层建筑抗震和抗风的优良控制装置。70年代初,美国 Kelly提出在结构中设置非结构构件的耗能元件金属软钢屈服耗能器,来分担和耗散本来由结构构件耗散的能量,由此形成了结构耗能减振的一个重要方向。此外,美国在已倒塌的纽约世界贸易中心双子塔上安装的1万多个粘弹性耗能器,美国西雅图的Columbia SeaFirst大厦上就安装的260个粘弹性耗能器,意大利那不勒斯的一幢29层钢结构悬挂建筑安装的软钢耗能器,都是耗能减震装置在提高结构抗震和抗风性能的成功工程例证。结构中设置耗能元件通常可以给结构附加10%、甚至20%以上的阻尼比,对多数结构都具有较好的减振效果。由于被动耗能减振装置是较早进行开发和研究的振动控制装置,目前已有大量的耗能装置的力学性能分析理论和试验,以及安装相关控制装置的结构分析、设计和试验成果。被动耗能减振结构已在国内外建成了数百座,并在一定程度上经受了地震的考验。

结构主动控制通过实时测量结构反应或环境干扰,采用现代控制理论的主动控制算法、在精确的结构模型基础上运算和决策最优控制力,最后作动器在很大的外部能量输入下实现最优控制力。主动调谐质量阻尼器HMD和主动质量阻尼器AMD等主动控制系统在高层建筑、电视塔和大型桥塔结构的风振和地震反应控制应用中取得了很大的成功。目前已有50余座高层建筑、电视塔和大型桥塔结构(包括桥塔施工阶段的风振控制)应用了HMD或AMD主动控制系统。但是,由于主动控制系统需要提供较大的外部能源,在一定程度上限制了主动控制技术的工程应用。此外,传统的AMD控制系统中的液压伺服作动器或伺服电机/马达存在液压作动系统构造复杂、制造成本高;需要定期换油、维护成本高;经常由于密封不严而漏油、污染环境;系统运行噪声大;经过电液能量转换后能源利用效率降低等等。针对上述问题,提出了电磁驱动AMD控制系统,借鉴磁悬浮列车的驱动原理,利用电磁场耦和产生的电磁力作为结构振动主动控制力的来源,通过引入非接触式电磁场电磁推力驱动技术,可以有效避免传统AMD控制系统中接触式传力的诸多问题。

结构半主动控制和以磁流变阻尼器为典型代表的土木工程智能控制的原理与结构主动控制基本相同,只是实施控制力的作动器需要少量的能量调节以便使其主动地、甚至可以说是巧妙地利用结构振动的往复相对变形或相对速度,尽可能地实现主动最优控制力,目前已成功地将磁流变液阻尼器应用于桥梁和海洋平台的振动控制。

上世纪中后期在美国、日本和台湾发生的几次大地震灾害表明,按照目前抗震规范设定“大震不倒”的安全目标进行设计的建筑,虽然可以保障室内人员的安全,但是由于结构损伤所带来的巨额修复费用和结构功能失效所引起的经济损失无法估量。针对上述问题,1994年美国加州结构工程师协会 (SEAOC,Structure Engineer Association Of California)在加州紧急事务管理厅 (California Office Of Emergency Service)的组织下,由Vision 2000 Committee编写出版了 《Performance-Based Seismic Engineering of Building》,系统提出结构性能设计的概念和理论框架[14]。1996年, ATC出版了ATC-40报告,将PBSD的核心思想纳入其中。同年,由美国联邦紧急事务管理厅(Federal Emergency Management Agency,FEMA)出版了FEMA273和FEMA274报告。上述3个文件是搭建了PBSD概念体系的基础和理论框架。

SEAOC Vision 2000的文件中对结构基于性能设计的概念、结构性能水准和性能目标、结构性能设计的可行设计方法进行了详细论述[5-6];ATC-40则主要针对钢筋混凝土建筑结构,提出基于能力谱法的性能设计方法;FEMA273则针对在不同概率意义下的地震地面运动,提出结构的不同性能目标,以及在不同性能目标下结构从线性静力分析到非线性时程分析的方法。在结构基于性能设计的理论发展过程中,美国和中国学者等人开创性和持续的研究工作,为该理论的发展奠定了基础和原动力,发表了一系列理论研究成果。此外,SEAOC和FEMA以及ATC三家研究机构围绕PBSD展开了一系列的研究。

在PBSD的理论框架下,如何对结构进行分析并损伤评估,是PBSD设计的重要内容之一。目前,用于PBSD的钢筋混凝土结构抗震设计方法主要包括线性静力分析法、线性动力分析法、非线性静力分析法和非线性动力分析法。Pushover是一种基于增量静力非线性分析的结构非线性静力分析方法,其核心是假定结构承担某一特定分布形式的侧向力,对结构进行增量加载的全过程非线性分析,直至结构发生破坏为止。由于其简单、高效,而且能够得到较满意结果,因而在结构非线性静力分析和基于性能设计中得到广泛重视。Pushover分析由于假定结构反应受单一振型控制,忽略了高阶振型的影响,因此在多振型结构,尤其是超高层建筑分析中存在较大误差。

在地震作用下采取合理的损伤模型和损伤指标来评估结构的损伤和破坏程度,是PBSD中在不同设防水准下以及确定的性能目标下,评估结构性能水准和安全水平的重要内容。目前,被地震工程界所普遍接受的局部或构件损伤模型包括结构最大塑性变形、结构累积耗能以及Park和Ang提出的最大位移与滞回耗能线性组合的双参数地震损伤模型。大量试验结构证明,结构的损伤和倒塌与结构最大塑性变形(或采用层间位移角或延性系数)之间具有密切的关系,因此被广泛应用于结构安全评估。然而,结构最大塑性变形没有考虑结构在动力荷载作用下的低周疲劳和累积能量耗散,因此具有一定的局限性。如何考虑超高层建筑的构件和结构特性,发展适用于超高层建筑的损伤模型,是超高层建筑结构损伤评估的重要内容。

结合结构振动控制技术,发展基于性能设计的结构非线性损伤控制方法,是提升结构抗震设计水平和提高结构抗震能力的有效技术途径。然而,有关该方面的研究目前还较少,相关研究成果极为缺乏。

结构振动控制技术和基于性能的结构设计理论,是上世纪后几十年结构抗震设计理论、方法和技术的重要成果。结构振动控制技术的发展,为提高结构在动力灾变动力荷载作用下的抗灾能力提供了全新的技术手段;而基于性能的结构设计理论,为提升结构的抗震设计能力,建立全新的抗震设计规范提供了框架体系。然而,目前结构振动控制的研究和应用,基本上都是建立在结构线性假定的基础上,尚未在基于性能设计的理论框架下,建立结构-控制体系的一体化设计理论和方法。

从理论上,应进一步开展下列研究:结构破坏控制 (可更换构件)设计理论研究,减、隔震装置理论模型与分析方法,工程结构减震设计理论,减震结构破坏机制,大型复杂结构减震理论与技术研究。

此外,抗火和抗爆也是土木工程灾害关注的两个重要问题,限于篇幅所限,本文未作进一步的讨论,相关的内容可见本文的参考文献 [15-18]。

综上所述,在防灾减灾领域,已取得了许多研究成果,并以此为基础,编制了各类用于指导防灾减灾工作的规范、规程和标准,这些研究成果得到了实际应用。从理论研究和实际问题上来看,在许多情况下,这些成果是卓有成效的。然而,在一些巨大的灾害面前,比如汶川地震,却显得我们减灾工作的目的远远没有实现,也使得我们进行反思。虽然它包含一些政策上的原因,但在技术层面上,毫无疑问,也存在着问题。是我们的技术完全不过关,还是我们现有的技术推广应用的不理想,这一点应该在我们考虑发展战略和未来工作重点时引起足够的重视。

3 未来发展浅析

防灾减灾是个长期复杂的工作,不仅需要多学科的相互交叉和支持,从根本上解决所面临的科学技术难题,同时,也要充分推广应用现有各类成熟先进的技术,切实提高工程结构——尤其我国城乡地区——的抗震能力。前者是个长期的工作,要随着研究工作的深入,不断积累和储备,后者要加大对现有良好技术的推广,把我们目前现有的知识和技术充分的发挥和应用。

3.1 深入基础理论的研究,增强知识和技术储备

1)要深入研究工程结构抗震与减震方面的新理论、新方法、新材料和新技术。以工程结构为对象,重点研究结构地震破坏机理、结构抗震设计理论和灾害的控制。通过持续的理论研究和工程实践,形成具有我国特色的防灾减灾理论体系,解决我国土木工程实践中的防灾减灾科学技术问题,使我国的土木工程防灾减灾科学技术水平与我国的土木工程大规模建设热潮相适应,并逐步与国际潮流融合。

2)在瞄准学科前沿方向和关键科学问题开展深入研究的同时,结合我国的重大工程,诸如能源领域、交通领域等,与城市发展的工程实际问题与技术需求,积极推动本学科的创新性研究成果的转化和应用,提升整个建设行业的高科技含量。

3)通过参与国际交流与合作,让国际同行了解我国的土木工程防灾减灾科学技术水平与工程应用成果,并使我国的土木工程防灾减灾科学技术在国际上占有一席之地。

3.2 促进基础研究成果转化,加大现有成熟技术的推广应用

1)要优先支持和引导科技成果的转化,积极推广现有技术——建筑技术、灾害控制技术的应用,使得我们现有的科技水平得到充分的体现,发挥作用。

2)在着重加强重大工程中科学技术的开发应用的同时,也要加强提升量大面广的乡镇建筑的减灾能力,使得广大民众切实得到益处。

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