北岭地震20年后

T.Heaton

城市地震，如1994年的6.7级北岭地震，为我们这些人清晰了解地震危险性的工作提供了的独特时刻。记得我是1994年1月17日清晨4点31分在我帕萨迪纳的家中被震醒的。当我匆忙地赶到加州理工学院校园内美国地质调查局（USGS）我的办公室时，我记得想知道的是那天会带来什么。震中区人烟稀少呢？还是我们只能接受直接击中了已经城市化的洛杉矶？现在我们知道，虽然破坏性的震动延伸到了洛杉矶盆地，但真正受到剧烈震动的是圣费尔南多谷；5台强震加速度计记录的地震动峰值速度（PGV）超过了1m／s。虽然这次袭击只持续了15s，但它却留下了约200亿美元的损失和数以百万计的极度惊慌的洛杉矶人，尤其是生活在圣费尔南多谷的人们。

尽管是强烈震动，但官方公布的死亡人数仅有57人。很显然，我们躲过了那个冬天清晨的一颗子弹。震中区的几乎每个人当时都是睡在木质房屋或多层木质公寓中。在地震中，加利福尼亚的木质房屋结构是有弹性的；它们自然是轻质的且有足够的刚性，灰泥板墙就像房屋能调整到来自比如盛大宴会的重力荷载那样不会破裂。这种刚度带来的好处是房子也很坚固。无可否认，圣费尔南多谷的剧烈震动对木质房屋造成了广泛的破坏，但没有一座倒塌。在木质的北岭梅多斯公寓楼一层部分倒塌时有16人死亡，但许多其他木质公寓建筑并没有倒塌。

钢筋混凝土框架（RCF）的建筑物表现也不好。矮层的钢筋混凝土墙建筑（例如，7－Eleven便利店）幸存了下来，但令人恐惧的倒塌击中了原本会在几小时后住满人的其他混凝土结构。在某种意义上，北岭地震是1971年M6.7圣费尔南多地震的再现，后者也发生在清晨——木质房屋和低矮的混凝土墙的建筑并没有倒塌，但有几座钢筋混凝土框架建筑却倒塌了。

1971年钢筋混凝土框架建筑物的倒塌促进了对建筑规范的重要修改。遗憾的是，大城市洛杉矶已使用先前的旧技术建造起了1 000多座混凝土建筑；这些建筑物通常被称为非延性混凝土框架建筑。图1显示的是北岭地震期间地震动峰值速度的近似等值线和1994年前至少有4层楼高的建筑物的位置。几位同事已经提醒说，有些建筑物可能是被认错了，所以不要把这张图看得太认真，但这种总体样式是有效的。这些建筑物分为两类：（1）圆圈表示1975年前的混凝土建筑；其中许多是非延性的，可能经受不住1994年和1971年圣费尔南多谷北部发生的这类震动。（2）三角表示1994年前的钢框架结构建筑。显然，建有至少4层框架建筑的洛杉矶城区部分没有像圣费尔南多谷郊区那样受到剧烈的震动。

也许北岭地震中最令人吃惊的是抗力矩钢框架建筑中关键焊接点的脆性断裂（Reis and Bonowitz，2000）。大部分钢框架建筑是经过设计的，以便在最大变形时，钢的塑性屈服（塑性铰接）应主要发生在水平梁；要避免垂向柱的塑性铰接，因为它们会形成过早的倒塌机制。这些焊接点是关键，因为它们要承受柱与梁之间的荷载。

圣费尔南多谷南部有几座钢框架建筑震动非常强烈，因此检查员期望能在震后找到塑性弯曲梁的证据。然而，检查员没有发现任何此类梁；相反，发现了焊接的抗力矩连接处断裂。随后的原型实验室试验证实了焊接连接处的能力小于塑性弯曲梁所需要的力。这非常令人吃惊，它意味着钢框架建筑远比设计师曾预定的更脆。要更完整地描述这个问题并说明对新建筑减轻这一问题所要采取的措施，会需要许多页码。我只想说，目前，大多数加州的钢框架建筑仍旧有1994年前的脆性焊接。对20层钢框架建筑的模拟表明，在发生强烈震动时，它们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，对好莱坞断层、圣莫尼卡断层、纽波特—英格尔伍德断层和普恩蒂希尔斯断层上的地震模拟都表明，强烈震动可能某一天发生在具有这些老的、脆性框架建筑（混凝土和钢框架）的地区（Day et al，2005；Olsen，2008）。

图1绘制出至今将近20年，它支持我们确实在1994年躲过了一颗子弹的想法。遗憾的是，这枝枪仍然装满着弹药并扳上了扳机，因为很少的脆性框架建筑得到了翻新改造。地震研究界很清楚脆性结构问题，但一般社区不是这样。最近 《洛杉矶时报》的一篇有关非延性混凝土框架的文章（Lin et al，2013）令大多数洛杉矶人吃惊。为什么这些建筑物里的居民不知道他们住在地震专业人员几十年来已经知道其安全性堪忧的建筑物里？1975年前的混凝土框架似乎是最令人担忧的问题，但1994年前的脆性钢框架结构也令人真的担心。住户没有解决这一问题的线索，业主也没有寻求解决这一问题的动力。

此外，为什么没有相应的计划至少告诉人们他们处于易受伤害的地方呢？许多指责到处传播。

1.洛杉矶市早应编制一份存在潜在危险的建筑物清单，这些建筑物里的住户早应知道有这一清单。虽然法律诉讼将不可避免，但我有些怀疑会成功；公共安全是最高优先级。洛杉矶在此并非个例；许多其他城市也没有解决这个问题。

2.加利福尼亚地震安全委员会早该使1994年以来的4任加利福尼亚州长清楚和明白这个问题，他们早该根据该委员会的建议采取措施。

3.国家标准与技术研究所（NIST）早应系统地编制定量的、易于访问的不同类型建筑物震动回弹的信息并开发个体建筑物回弹的国家数据库。国家公路交通安全局公布所有汽车的安全性清单，建筑物为什么不同呢？国家标准与技术研究所是国家地震减灾计划（NEHRP）的领导机构，毕竟承担着确保这些问题得到有效解决的主要责任。

4.美国地质调查局（USGS）关注其不断减少的地震危险性概率评估的资源，但对美国地质调查局同样非常重要的是与国家标准与技术研究所合作来模拟特定地震对不同城市环境的影响。 “ShakeOut”（见Porter et al，2011）是地球科学家与地震工程师如何合作重点解决具体问题的范例。遗憾的是，“ShakeOut”的影响太短暂了。

5.总统和国会需要重新发现地震问题。国家标准与技术研究所从来没有有意义的国家地震减灾计划预算（尽管它的宣传有很关键的作用）。美国地质调查局的预算已经稳步下降到低于30年前的1／3。雪上加霜的是，自2004年以来，国家地震减灾计划未被审批。

当然，这一故事中也有一些亮点。例如，加州交通局（Caltrans）20多年前就开始系统地改造所有非延性的混凝土桥柱。加利福尼亚州卫生规划与发展办公室（OSHPD）对医院建筑结构的能力进行了系统评估。在适当的时候，对医院进行结构改造的目的是使医院可以在地震中保持其功能。这些计划昂贵而困难。桥梁改造计划已基本完成，而医院的改造项目仍在继续奋斗。

图1 1994年北岭M6.7地震的地震动峰值速度等值线。圆圈表示1975年前的混凝土建筑；其中许多建筑是非延性的，不可能经受住1994年和1971年在圣费尔南多谷北部发生的这类振动。三角表示1994年前的钢框架建筑。建筑数据来自洛杉矶县税额征收文件，未检查其准确性。引自 Wald等（1996）

2013年9月，加州交通局开通了新的旧金山—奥克兰湾大桥的东跨越桥，加州人被告知，它是为1 500年的地震设计的。1 500年是一段很长的时间，这期间可能有许多可怕的非震事件造访我们的社会。政策制定者和一般公众似乎将这1 500年的设计目标理解为建筑的地震问题已基本解决的证据。最近 《洛杉矶时报》的描述却形成强烈的对照。结果是许多加州人当得知他们可能会在现代多层的加利福尼亚建筑的地板之间被压碎时都非常惊讶。当公众得知在大地震近源区的一些钢框架的高楼会倒塌时，他们会更加关注和困惑。

就我个人而言，我在这个行业已经有很长时间了，看到过以前的几代地震专家不只一次地向公众保证，老的建筑可能存在着危险，但最新的建筑表现良好。对于现在我们很担忧的这种非延性混凝土框架结构的建筑物，一度也曾这样说过。可能现在我们已经取得了适当的抗震策略，但我们的建筑却很少被真实测试过。当我们的一个城市受到直接袭击时，就将是一个巨大的实验。我总会怀疑在这种事件之后我们将会更多地谈论1 500年失败的重复次数。

我认为我自己是一个地震专业人员；我是一个地震学家和地震工程师。我经常说，我们的研究提供了采取行动的必要信息，这些行动能减少未来的悲剧，我们不需要等着从未来的灾难中获得可采取行动的知识。然而，这种乐观的看法受到了我们集体应对发生在美国北岭地震失败的挑战。最终，这种集体失败是地震专业整个行业的责任，包括地球科学家、地震工程师、紧急救援人员和公共政策的制定者。可以肯定的是，如果成千上万美国人死于未来的城市地震，我们将把注意力集中在我们如何能够更好地保护公众上。那灾前就这样做不是很好吗？