解析台湾地震工程研究中心

张起燕 方蕊

重视地震研究

台湾位于太平洋板块边缘，属于地震多发地区。为此，“长科会”（包括1968年改组成立的“国科会”，以下统称台湾科技主管部门）成立后即非常重视对包括地震在内的地球科学研究，并特别设立专门计划经费，鼓励岛内大学教师和科技人员开展相关研究。

上世纪70年代，台湾经济建设快速发展，特别是工厂建设、矿产资源开发及农业、交通、土木工程、水利设施、环境治理等各领域均对地震预防和抗震技术提出急迫需求。1971年，台湾科技主管部门成立地震专案小组，负责建设台湾环岛自动测震网。1973年，台湾中研院物理研究所设立地震研究组，1976年将其独立出来，成立地球科学研究所筹备处；1982年7月正式成立台湾中研院地球科學研究所，主要研究地震学、地质构造、地球物理学、地球化学及地质高压实验火山和地质构造学、陆地及海洋地质定年技术等，对预防和减轻地震灾害、重大建设项目的地震危害度评估等提供专业性服务。此外，台湾经济主管部门所属“中央地质调查所”（其前身最早创立于1916年，1949年国民党当局败退至台湾时，该所人员几乎全部留在大陆，该机构实际是由1946年成立的台湾省地质调查所改建）、气象主管部门所属地震测报中心，以及“中央”大学（前身为创建于1915年的南京高等师范学院，1929年改名为中央大学，其地质、气象等方面的教学实力在当时国内首屈一指。该校1952年改名南京大学，台当局1979年在中坜“复建”）等也都设有与地震相关的研究机构。

鉴于台湾早期地震学研究多属自选课题，彼此缺少联系，导致研究力量分散，台湾科技主管部门于1982年制定了由岛内各学术机构共同合作开展的三个大型地球科学综合研究计划，分别为：台东地区地质与地球物理研究，台湾新地质构造研究，台湾第三纪地层层序研究。1985年10月，该部门组织岛内专家学者，召开“地球科学十年计划规划委员首次协调会议”，商定4项重点发展计划，分别为固体地球物质的物理及化学研究，台湾地区地震物性研究，台湾东部地质与地球物理的研究，台湾新地体构造的研究。同年12月，该部门制定出首部完整的地球科学学科规划，配合岛内的研究环境及整合岛内现有研究人力，提出长期重点研究方向，主要集中在两大类，第一类是地质构造、地球物理及能源与资源勘探研究，第二类为地震灾害调查分析与对策。

然而这些地震研究成果多为基础理论内容，很少涉及实用的抗震工程技术，导致这一时期岛内建筑设施在历次地震中被毁损的现象依然很严重。为此有人提出希望建立一个综合性抗震研究机构，结合地质、地震预防、道路交通、土木建筑工程及社会科学等专家、学者工程师一道，共同开展相关研究。1989年，这一建议终于被台当局所采纳。

1990年3月，经台湾行政主管部门批准，正式成立“地震工程研究中心筹备处”，位于台湾大学应用力学馆二馆2楼。最初由台湾科技主管部门以专案委托的方式，由台湾大学代为管理，研究大楼及实验室的建筑由该校编列经费筹建，而强力地板与反力墙的建置、振动台、油压管路系统以及制动器等设备的购置则由台湾科技主管部门提供经费支持。

1992年4月，台湾科技主管部门与宜兰农工专科学校签约，无偿使用该校土地，设立“宜兰现地实验园区”，成立地震工程现地实验工作站，并在园区内兴建实际尺寸模型，供地震研究人员进行实验，分析建筑结构物受震情况与抗震能力。

1993年8月，位于今天台北市辛亥路三段200号的该中心研究大楼暨大型结构实验室开工建设；1997年7月，建成并启用三轴向地震模拟振动台；1998年11月，研究大楼暨大型结构实验室建成并正式启用，标志着台湾地震工程研究中心的正式运营。

开展地震工程试验应用研究

该中心成立之初，其任务是开展有关地震工程的基础理论研究和试验应用研究，提供实验室给建筑部门从事有关试验，进行地震灾害损失评估模拟，开展震灾勘查与国际合作研究，从而解决岛内工程界的抗震问题，并带动大型结构实验技术的提升，推动抗震工程设计技术的本土化及耐震工法的创新。

该中心最重要的研究设施是大型地震模拟实验室，拥有5×5米地震模拟振动台和L型反力墙与强力地板等实验设备，可进行大比例尺或足尺寸静、动态实验，突破以往台湾地震工程的研究瓶颈，同时配合震前准备、震时应变、震后复建的需要，从事整合型地震研究，开发抗震工程新技术，减轻地震灾害的损失。

2000年前后，台湾科技主管部门每年投入研究经费约1170多亿元新台币。当时该中心有工作人员46人，主要从事地震灾害潜势分析，制作全台湾液化潜能图及建立地震工程数据库，搜集921集集大地震及以往灾害性地震纪录，以实测强震纪录取得结构反应谱，并进行相关变异性分析，还开发多种结构耐震新技术，及对现有结构物耐震能力进行评估与补强，同时开展对高铁行经南部科学园区引致振动的研究，提出减振方案。

2003年6月，该中心改制成为“国研院”下属“地震工程研究中心”，主要任务为规划、整合、推动与执行地震工程研究，提升大型结构实验技术，提供实验室使用服务，搜集、提供地震工程研究资讯及推广相关成果，推动耐地震设计技术的本土化及耐震工法的创新，评估模拟地震灾害损失。目前，该中心主任为张国镇，下设有建物组、桥梁组、大地组、强地动组、结构控制组、震灾模拟组等6个研究组，除此之外，还在南部地区设有服务中心，共有工作人员100多人，技术人员占23%，研究人员占65%，每年收入近4亿元新台币。

近年来，该中心先后开展大地工程、强地动、地震损失评估、耐震评估与补强、数值模拟技术、先进结构与技术方面的研究。例如该中心持续检讨现行耐震设计规范，协助交通主管部门“国道新建工程局”完成公路桥梁耐震性能设计规范草案研拟，确保新建桥梁达到预期耐震设计目标，降低震后受损风险。

在发展新材料、新工法及新技术方面，该中心研究人员提出结构自体调谐质量系统最佳化设计方法，探讨医院非结构物耐震行为，提出钢板剪力墙底层柱耐震设计方法，并由试验与数值分析验证。另外，还研制出一种滚动式隔震支承系统，是目前最为可行且直接有效地提升其耐震能力的方法，具备良好的消能机制以及自复位能力，能有效降低传递至上方设备或设施的地震力，可应用于高科技、通讯网络及金融产业的电脑服务器、资料存储与通讯设备防震设计，以及医院、防救灾单位、能源产业的精密电子通讯设施、博物馆或美术馆的艺术品的防震保护等。

在实验需求日渐增加下，该中心实验室油压系统原设计总流量已无法满足振动台、反力墙及多轴向试验系统（MATS）同时使用。因此2010年完成实验室油压系统流量扩充，由原有1315 GPM增至1695 GPM，以提升实验室对外服务效能。另外，该中心还持续提供各界地震工程实验服务。其中，2013年完成54项振动台实验服务、95项反力墙实验服务、8项500吨万能材料试验机实验服务，满足岛内地震工程实验需求。

重要研究成果

2003年，该中心在岛内首创全桥光纤监测系统，适用于台湾常见的跨河长桥，可24小时全方位监测可能危害桥梁的重要关键，包括桥面板水平变位、桥墩沉陷或倾斜、斜张桥钢缆拉力以及河川水位高度，并结合云计算技术，可通过电脑或智能手机，24小时全方位随时监测桥梁安全状态。一旦发生异常事件，系统将即时发布警讯，通知桥梁管理机构进行紧急处置，以确保用路人安全。该监测系统已实际应用于南投集鹿大桥（2009年）与台北大直桥（2012年），并协助交通主管部门进行中山高五杨高架段修复补强及载重实验，以验证其安全性，使其能顺利通车。未来可推广应用至高铁、公路、铁路、捷运等各式桥梁或高架路段。

在桥梁延寿技术方面，该中心整合台大、新竹交大、“中央”大学、北科大、云科大等10位教授进行跨领域研究，完成宜兰牛斗桥现地桥梁耐震实验。此为全球首次桥梁现地实验，藉此可更深入了解桥梁实际耐震行为。另建成模拟桥梁受洪水冲刷及流木撞击水工试验平台，以及考虑基础裸露后土壤与桥梁结构互制效应的振动台实验平台，提供岛内相关机构研究人员进行后续相关实验。

为减少河川冲刷对桥梁造成的危害，帮助大桥延年益寿，该中心研发出“感测装置及其应用于大地与河川监测系统”技术，并获得岛内外专利。2012年完成实验室测试，目前正利用该技术协助台当局高速公路管理部门在“国道”1号及3号经过大甲溪的桥梁和新建双园大桥进行桥梁检测系统建设与测试，验证其成效及可靠性，希望能针对如封桥作业等急迫性高的问题提出建议解决方案，并发展先进监测及桥梁延寿技术。

在先进耐震技术研发方面，完成设备物简易评估与初步设计的检核表，提供科技厂房与医院独立式设备物进行耐震评估。完成特殊钢骨同心斜撑试验，研究面外与面内挫屈型式同心斜撑构架系统耐震行为，作为发展特殊钢骨同心斜撑耐震设计流程的依据。完成超高强度钢筋混凝土柱承受高轴压下的力学行为研究试验，发展超高强度钢筋混凝土技术。完成机动式无线感测系统的建设，可应用于现地微震量测。完成饱和砂土桥基裸露双向剪力盒振动台实验，进行基础裸露桥梁耐震设计与补强策略研究，完成三箱室缩尺波形钢腹板复合桥断面力学实验以了解其结构行为，同时该中心还研发成功一种“后拉式预铸节块桥柱、波形钢腹板桥”施工法，可应用于环境敏感地带及城市区，降低施工对于环境及交通的冲击，有效减轻桥体重量，增加桥墩跨径，减少河川冲刷对桥墩的影响。目前这种施工法已应用于台中“生活圈”4号线的桥梁工程，并获得2010年台湾第十届公共工程金质奖。

由于台湾处于板块交接的多震地带，对建筑结构的耐震度提出高标准要求。但在遇到地震前，要如何预先测试庞大建筑物的耐震度？2009年9月，该中心完成启用的多轴向试验系统，就是为此需求而生的大型多功能结构试验设备。该系统可同时模拟来自垂直、水平、侧面三方向的作用力，让建筑设计师和工程师能够提前了解他们在建筑中所使用的消震措施在真实情况下的承受情形。目前已有许多美日著名厂商借由该试验系统进行隔震消能元件的测试，而这些受測试的产品也已应用在岛内许多桥梁及高楼建筑中，以确保建筑的结构安定，提高安全的交通与居住品质，更能提升岛内学术与工程界的研发能量，进而促进岛内耐震规范的升级。

为应对震灾紧急应变与风险管理需求，该中心持续研发震灾境况模拟与地震动潜势评估技术，提升岛内地震应变与风险管理能力。在震灾境况模拟技术方面，完成台北、兰阳供水区最具灾害潜势地震（考虑山脚断层与宜兰外海地震事件）的境况模拟，辨识各自来水供水分区震后供水率下降情形，提供各事业单位震灾应变规划的参考。收集公路路网相关资料，汇集成为公路系统数据库，可将桥梁震损评估结果应用于公路路网系统震后服务效能分析。建立以ArcGIS Server为基础的地震灾情资料上传与管理系统，提供震灾勘查人员各震损资料上传平台。在地震动潜势评估技术方面，完成地震动工程参数数据库，并建立30个结构周期以上的谱加速度衰减律，提供重要结构物地震危害度评估参考，并建立第一类活动断层近断层区域于不同距离下的近断层调整因子表，提供现行建筑规范及各界参考；完成5，527笔微震双差分重新定位，以及412笔微震的震源机制解算，评估多条断层的活动度及震源参数等相关数据；完成21个测站的现场调查工作，并在其中19个测站进行地质钻探调查及悬荡式波速井测。

台湾老旧校舍数目庞大，如果要全数拆除重建需要极为庞大经费。2005年至2007年间，该中心校通过实验室结构试验及校舍现地推垮实验，利用花莲县新城中学、云林县口湖小学、桃园县瑞捕小学以及量南县关庙小学等4所学校待拆除的老旧校舍，共进行了17次校舍现地实验验证，研发校舍耐震评估与补强技术，依据台湾各县市耐震设计需求建立校舍安全柱量比，提供未来发展街屋快速耐震能力评估技术的参考，并完成钢筋混凝土构架含砖墙试验，邀集学者专家完成校舍补强工法参考图说（扩柱、翼墙、剪力墙），并提出损坏修复工程对应图说，同时制定新的《建筑物耐震设计规范》。

2009年至2011年，该中心配合台湾教育主管部门专案办公室，协助执行“加速高中职及中小学老旧校舍及相关设备补强整建计划”，并提供技术支持。截至2012年底，利用该中心团队所开发的补强技术，在不增加预算额度下，已完成13.5%的校舍和3500栋建筑耐震补强工程，可有效保障约33.2万名师生安全，同时大幅降低台当局的经费负担。这项校舍耐震评估与补强技术获得2011年台湾行政主管部门杰出科技贡献奖。2013年3月27日南投发生强烈地震，经过该中心补强作业的校舍没有一栋发生结构毁损。

以现今的科学技术，地震仍无法事前预估。但可以利用地震波传递的特性，侦测传播速度较快的P波，并参考过去地震资料，推估接踵而来的S波震度及其到达时间，争取数秒至数十秒的应变时间提早发布警报降低地震灾害。为此，该机构还会同“国研院”下属灾害防救科技中心、高速网络与计算中心组成的研发团队，与台湾气象主管部门及相关研究机构合作，开展现地型强震即时警报技术、自动化警报展示系统以及自动化减灾控制系统的开发与整合，实际建造一栋两层楼模型展示屋，并在地震工程研究中心的三轴向振动台以921地震纪录进行实机整合测试，最终成功研发出一套现地型强震即时警报系统。

以921地震为例，依据各地区距离震中的远近，可以分别为嘉义、台中、新竹与台北市多争取11、7、17与27秒的预警时间，通过广播、字幕机、电视插播等方式自动发出预警。若再结合智慧型控制系统，还能自动关闭家用燃气灶，避免火灾的发生，同时开启大门、逃生动线指示灯以利逃生，将电梯停至最近楼层并开启电梯门，减低伤亡与受困。该系统目前已在台北市芳和中学、宜兰市宜兰小学、南安国中、中兴保全罗东分公司、花莲火车站、光复小学、玉东中学、嘉义县中正大学以及港坪小学等地，完成建设9个示范站，持续进行长期现地验证，在实际地震下均能发挥预警功效，同时结合校园地震防灾演练，加速未来推广与应用。