土木工程防灾学科发展现状及前沿发展方向研究

中国唐山大地震
1976年7月28日唐山市发生大地震。是 世界地震史上迄今为止最悲惨的一页。死 亡242769人；重伤164851人。
唐山大地震后的卫星图
四川汶川5.12大地震
2008年5月12日14时28分四川汶川发 生里氏8.0级地震,这是建国以来最强烈的 一次地震,直接严重受灾地区达10万平方 公里。遇难69226人；受伤374643人；失 踪17923人。
土木工程防灾学科发展现状及前 沿发展方向研究
贺国京 教授 博士生导师
一、土木工程防灾学科概述
1.1 灾害 定义：自然的、人为的或人与自然的共同原因，对人类的 生存和社会的发展造成损害的各种现象。 灾害分类： 自然灾害：地震、强风、火灾、爆炸、地质灾害、洪水等。 人为灾害：水质及大气污染、火灾、噪音、交通事故等。
1920.12.16
1923.09.01 1927.03.07 1933.03.02 1935.05.30 1939.01.25 1939.12.26 1946.12.20
中国海原
日本关东 日本丹后 日本三陆冲 巴基斯坦 智利 土耳其 日本南海道冲
8.6
20万余
7.4
7.7 6.6 7.0 6.5 7.0 7.6 6.7
3.3 地震防灾 地震动三要素：振幅（有效加速度峰值）、频谱、有效持 续时间。一般认为，对工程抗震而言，地震动的特性可以 通过其三要素来描述，这三个要素的不同组合决定着各类 结构物的安全。 工程抗震设防的基本原则：小震不坏、中震可修、大震不 倒。 地震来了怎么办？ 不要盲目出逃
1979年溧阳地震，死亡人员中的90％、重伤人员中的 80％是在门口挤压所造成。
日本福岛第1核电站 1~4号机组发生核泄漏事故
受损的核电站3号 (左)与4号反应堆
海啸来袭的场景
日本3.11地震引发海啸 海啸来袭时的海水倒灌
震后又遭海啸袭击的惨状
地 一震 油引 罐发 储千 库叶 起县 火市 原 市
刀劈斧削般的 道路断裂与下陷 房屋与道路的 倾斜与下陷
时间 1905.04.04
级大地震，震后余震不断，余震约八 百次，900人死亡，500人失踪，4723 人受伤，9923座房屋倒塌，26700座 房屋严重受损。经济损失逾10亿美元。
地震还会造成地裂、地陷、 山崩、滑坡，以及土体受震后 液化而使地面出现冒水、喷沙 的现象，前者会使工程结构随 之断裂、甚至倒塌，后者使地 基丧失承载能力，甚至失效； 都会使位于其上的工程设施倾 斜、开裂甚至倒塌。
⑷设计单位在对抗震设防区的土木工程设施进行设计时，要 严格遵守抗震设计规范，并尽可能地采取隔震、消能等地震减灾 措施。
⑸施工单位和 质量监督部门应严 格保证建设项目的 抗震施工质量。 位于抗震设防 区内的未按抗震要 求设计的土木工程 项目，要按抗震设 防标准的要求补充 进行抗震加固。
建筑抗震设计国家标准图
十-十二度：毁灭性的破坏地震时地面受到的影响或破坏程度；
等震线：地面上相同烈度点的连接线
地震P波 类似于空气中传播 的声波
纵波（P波）速度 （弹性地球介质） 地壳内6 km/s 地幔内 8 km/s 地核内11 km/s
大地震发生时，震中附近的人们首先会感觉到一个强烈 的上下颠簸形式的震动，这就是地震P波的作用。
地震面波
特大地震发生之后，如果其震源很浅，在地震S波之后， 会有一个速度略小于S波，大约为S波速度0.9倍的面波紧 随其后，沿着地表传播，由于面波的衰减比体波要小，所 以能够传播得更远，时间持续得更长，地震面波的传播特 征，某种程度上可以类比于海面上的波浪传播，既有上下 震动，又有水平摇晃。 汶川特大地震，远离震中的地方，例如北京高楼上的人们 可以感觉到明显的既上下又水平的震动与摇晃，部分人群 会有眩晕的感觉，便是这种地震面波作用的结果。
1995年，日本阪神地震，钢筋混凝土大楼底层毁坏而倾斜。 建筑物呈现“压饼”式的破坏。
日本阪神地震，神户3号线公路立交桥侧倒。日本阪神地震， 西宫港大桥防落梁销错落，引桥落梁。
轻型钢框架结构严重 倾斜，但未倒。
砖石结构教堂严重倾 汉沽天津旭日化工厂， 高26m的水塔倒塌 斜，无法使用。
1995年，日本阪神地震，老旧木结构一塌到底。
震源、地震波、震中、震中距的关系
对同一个地震，不同的地区，烈度大小是不一样的。距离震源近，破 坏就大，烈度就高；距离震源远，破坏就小，烈度就低
小于三度：人无感受，只有仪器能记录到；
三度：夜深人静时人有感受； 四-五度：睡觉的人惊醒，吊灯摆动；
六度：器皿倾倒、房屋轻微损坏；
六-七：房屋破坏，地面裂缝； 九-十度：房倒屋塌，地面破坏严重；
⑺ 树立高度的抗震设防意识
①抗震设防不能有侥幸心理，不能因抗震设防要增加建设资 金而随意去掉抗震加固费用。抗震设防应按照“小震不坏，中震 可修，大震不倒”的原则设计土木工程，合理使用建设资金。
②地震是 该旅馆在砖墙内加设 可怕的，但满 了构造柱和圈粱,使结构 足抗震设防要 类似框架,虽经烈度为10 度的强震,但裂而未倒！ 求所设计和施 工的土木工程是可 靠的，至少是“裂 而不倒”。这在过 去许多强震灾害中 所证明了的。
1906.04.18
地点 克什米尔
美国旧金山
M 8.6
8.3
死亡人数 1.9万
7万余
时间 1960.05.22 1964.06.16
地点 智利 日本新舄
秘鲁 美国加州 伊朗 马拉瓜 中国海城 中国唐山 美国加州 美国加州
M 8.3
7.9
死亡人数 日本死120人
130人
1964.03.28 美国阿拉斯加
三、地震灾害与防震减灾
3.1 地震灾害
地震对土木工程设施的破坏 是复杂的。地震的地面运动使工 程结构受到多次反复的水平和竖 向的地震作用，房屋、桥梁、铁 路经受不住这种地震荷载，轻者 震裂，重者倒塌（房屋、桥梁） 或扭曲（铁路）。
萨尔瓦多2001年“1.15”大地震
萨尔瓦多“1.15”大地 2001年1月15日萨尔瓦多发生 7.6 震
印度2001年“1.26”大地震
印度“1.26”大地震
2001年1月26日印度发生7.9 级大地震，造成16480人死亡， 15万人受伤，23万栋房屋倒塌， 约40万栋受损，经济损失约46 亿美元。灾情仅次于1976年的 中国唐山大地震。
台湾1999年“九·二一”大地震 造成的经济损失据岛内各县市的统 计数字显示，这次大地震共造成二千四百零三人死亡，重轻伤九千四 百零六人，失踪四十一人。该统计数字还显示，这次地震造成全岛房 屋全倒的有四万六千间，半倒的有三万四千多间。其中以南投县和台 中县最多，全倒的占四万一千多间，半倒的占三万零六百多间。初步 估计重建家园经费需新台币一千六百亿元。
26人
4万 65人 1.7万 1万 1.3万 24万 55人
8.3 10万死，4 1970.05.31 万不明 1971.02.09 3千 7.9 1972.04.10 8.9 7.5 8.3 7.9 8.4 3千 3万 3万 2.3万 千余 1972.12.23 1975.02.04 1976.07.28 1989. 1994.01.17
找坚实处躲避
土木工程设施抗震设防 ⑴确定每个国家的地震烈度区划图，规定各地区的基 本烈度(即可能遭遇超越概率为10%的设防烈度)，作为工程 设计和各项建设工作的依据。 ⑵国家建 设主管部门颁布 工程抗震设防标 准,各建设项目 主管部门在建设 的过程(包括场 址选择、可行性 研究、编制计划 任务书等)中遵 照执行。 ⑶国家建设主管部门颁布抗震设计规范。
土木工程防灾减灾学科的主要内容：本课程主要涉及与土 木工程有关的灾害，如地震、火灾、地质灾害、风灾等。 主要阐述工程结构抗震、工程结构抗风、地质灾害和火灾 的检测防治。
二、国家需求
2.1 灾害日趋严重
通海地震
1970 年 1 月 5 日凌晨， 云南通海发生了死亡人数 超过一万五千人的 7.8 级大 地震。震源深度仅134米， 主震后发生 5 级至 5.9 级余 震 12 次，引起严重滑坡、 山崩等破坏，受灾面积 4500多平方公里，造成 15621 人死亡， 338456 间 房屋倒塌， 166338 头大牲 畜死亡，生命财产损失巨 大。
据统计，我国1949年以来的灾害损失占GDP的5.09%，占 财政收入的27%。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。这深刻地说明：在我国 城市化进程中防灾减灾的重要性和迫切性。 2.2 防灾减灾的任务日趋迫切和重要
灾害主要特点：
危及人类生命和健康，威胁人类正常生活。 破坏公益设施和公私财产，造成严重经济损失。 破坏资源和环境，威胁国民经济的可持续发展。
1.2 土木工程防灾 定义：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。既涉及诸多的学科（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。
日本阪神地震，工业油罐倾斜。
地震前
地陷 地震后 冒砂
地震带来的次生灾害：海啸
2004年12月26日， 印度洋海底爆发了 里氏9.0级强烈地 震，引发了印度洋 大海啸，巨浪以每 小时800km的起始 速度冲向海岸。
海啸前的平静
海啸的出现
东日本3.11大地震
2011年3月11日日本东北部海域发生里氏9.0级地震并引发 海啸，造成重大人员伤亡和财产损失。地震造成日本福岛第一核 电站1~4号机组发生核泄漏事故。地震及其引发的海啸已确认造 成15741人死亡、4467人失踪。
2008年全球4级以上地震震中分布图及我国地震带及强震 带分布
震级：是地震强弱的级别，以震源处释放能量的大小确定。 1次里氏5级地震释放的能量相当于在花岗岩中爆炸2万吨TNT炸 药，每增加1 级，释 放的能量增加31.5倍。 目前世界有纪录的最 大地震是智利1960年 的9.5级地震。 烈度：是某地区 各类建筑物遭受地 震影响的强弱程度。 烈度与震级、震源 深度、震中距、地 质条件有关。
映 秀 镇 漩 口 中 学
震 后 映 秀 镇
汶川地震是浅源地震，震源深度为10～20km,因此 破坏性巨大。汶川大地震为逆冲、右旋、挤压型断层 地震。挤压型逆冲断层地震在主震之后,应力传播和释 放过程比较缓慢，因此导致余震强度较大，持续时间 较长。
桥梁断裂 道路塌陷
北川县建筑物震时丧失整体性破坏倒塌
地震S波
横波（S波）速度 地壳内 4 km/s （弹性地球介质） 外核 0
地幔内 4.5 km/s 内核 3.5 km/s
人们在感觉到一个上下颠簸的P波震动之后，会有一个短暂的停顿， 然后会是一个更加猛烈的水平摇动，持续的时间也相对长一些，大 多数房屋在上下颠簸变“酥”之后，便在水平摇晃中进一步毁坏倒 塌，这就是地震S波的作用。
1948.06.28
1952.07.21
日本福井
美国加州
7.3
7.7
千余
10人
1995.
1999.08.17
日本兵库县
土耳其
7.2
7.4
5438人
1.7万余
3.2 地震成因及地震知识 地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及 板块内部产生错动和破裂，是引起地震的主要原因 地震通常发生在地球板块相交地带。欧洲与亚洲大陆板 块相交的欧亚地震带和太平洋与陆地板块相交的环太平洋地 震带是世界两大地震频发地区。我国地处这两大地震带之间， 是世界上地震灾害最为严重的国家之一。 全球六大板块： 欧亚、太平洋、 美洲、非洲、 印澳和南极板 块
ห้องสมุดไป่ตู้
我们面临的减轻灾害的任务并没有减轻，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。首先 是灾害发生的危险性并没减少，反而有不断增长的趋势。其次， 由于地域的限制，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、海洋重大工程的不断涌现。再其次， 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。