对于地震有哪些常见的误解?

2020-11-23 15:14:57
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  1. 地震不杀人,杀人的是劣质工程。现代工程技术的发展已经非常好的减小了地震的危害。某种程度上,抗震不是技术问题,而是态度问题。美国从 1811 年到 2014 年一共只有四千人死于地震。1960 年智利 9.4 级大地震死亡人数小于六千人,2011 年日本 9.0 级大地震死亡人数小于两万人。反之,2010 年海地 7.0 级地震造成了十六万人死亡,1976 年唐山 7.8 级地震的死亡人数超过了二十四万。

  观点一:「有些地震死人多是因为当地人口多。没办法,谁让他们出生在人口多的地方呢?」观点二:「正是因为人口多才更应该认真负责的做好抗震工程。明知道人口多,还不做好抗震工程,这其实就是犯罪。不管人口多人口少,都应该尽量避免让无辜的人们在地震中死去。」

  您觉得哪个观点更有道理呢?我觉得,对于明事理的人来说,答案是不言而喻的。

  USGS 美国地质调查局的官方网站 Earthquake Facts & Earthquake Fantasy



  UNOPS 联合国项目事务署的官方网站 "Earthquakes don't kill



  日本熊本县 2016 年 4 月 14 日连续发生矩震级 6.2 级和 6.0 级地震,震源深度 10 千米。熊本市人口密度为每平方千米 1900 人,大于官方数字的 1167 的北京人口密度;整个熊本县人口密度为每平方千米 241 人,大于四川的 165、青海的 7.8。我想请问看看熊本地震的死亡人数,还有话说吗?

  2. 地震的震级是对数坐标,每一级对应的地震能量相差 32 倍。比如 9 级地震的能量是 8 级地震的 32 倍,是 7 级地震的整整 1000 倍。即使是震级只大了 0.1,能量也相差了 1.41 倍,几乎多了一半,完全不是大多数人想的那样只差了一点点。(很简单的数学,1.41 的 10 次方是 32,32 的平方是 1000)


  3. 高震级地震的规模远远超乎大多数人的想象,有的大地震甚至会波及全球。1960 年智利 9.4 级大地震发生 22 个小时之后,地震引发的海啸跨越整个太平洋到达日本,在日本还造成了接近 200 人的死亡。这也是一个典型的力的传递需要时间的例子,地震作用从震源智利传递到大洋彼岸的日本用了整整 22 个小时。


  4. 地震预测是没有意义的。就像上面的例子,地震发生 22 小时之后依然在万里之外造成了伤亡。你知道地震要来又能怎么样呢?对待地震只有一个态度:假设明天就有地震,假设下一秒就有地震。假设每一所学校明天都要经受地震的考验,假设每一个水坝下一秒就要被地震袭击。简单的类比,我们要的是防弹衣,我们要的不是猜子弹然后躲子弹。

  5. 对于整个社会来说,最危险的时候就是没有地震的时候。抗震是一个系统工程,需要居安思危,需要枕戈待旦,需要承担「养兵千日」的代价。虽然,我们希望「用兵一时」的那一天永远都不要到来,但是,或早或晚总有用到的那一天。如果那一天真的来了,而平时又没有任何准备,那就只能自食恶果了。


  6. 对于抗震工程来说,如果工程师做的足够好,那么大家将根本不会意识到工程师的存在。最好的抗震救灾就是根本不会有灾。永远不会有什么「感动 XX」,因为地震来了,一切照常,什么异常都不会发生。消防站、化工厂?结实的很。学校幼儿园?当然是地震中最安全的地方!必须的!注意,我这里的工程师是广义的工程师,包括了所有的测绘、地质、勘察、设计、监理、施工、概预算……也包括相应的政府监督管理部门的工作人员。


  7. 地震是不可避免的,但是地震带来的灾难是可以避免的。换句话,天灾总归会有,但是人祸完全可以避免。如果真的居安思危,真的杜绝了人祸,地震没有那么可怕。

  8. 地震带来的二次灾害往往伤害更大,比如煤气站被震坏导致火灾、化工厂被震坏导致有毒物质泄露、核电站被震坏导致核泄漏、医院被震坏导致无法及时救治伤员、道路被震坏导致消防车救护车无法及时赶到、水坝被震坏导致洪水……比如美国地震中死亡的那四千人有一多半其实是死于地震引起的火灾。

  9. 为了避免这些次生灾害,很重要的一点就是改进所谓的「生命线工程」。比如煤气、天然气管道要在关键节点换装柔性接头,这样地震的时候只会变形但是不会断裂。医院、消防等等应急设施要设置合理的备份,时刻保证万一地震发生,至少还有 plan B。交通规划也要注意这一点,要尽量保有各种备份道路、备份桥梁,不能一个地区只有一条通行道路,这条通行道路上只有一座桥梁,万一这座桥梁被震坏,整个地区的地面交通都瘫痪,地面救援力量就无法及时赶到。

  10. 抗震设计是基于概率和统计的设计,不可能百分之一百保证。设防烈度是基于社会经济条件而人为的设计标准。简单说,我们就只有这些钱,所以我们只考虑一定程度以下的地震。如果按更高的设防标准,我们根本盖不起那样房子。这就好比,你也知道劳斯莱斯安全性能就是好,但是很可惜,真的买不起。万一小概率事件发生,发生了远远大于这个程度的地震,那我们能做的只是尽量减少灾难性的垮塌,减少次生灾害,只能争取让工程结构坚持足够长的时间让大家逃生,不能保证工程结构最终不破坏。比如下面照片里 2011 年日本大地震之后的一个钢框架,虽然围护结构破坏严重,虽然主体结构变形严重,并且基本没有修好的可能,但是至少它没有倒,没有垮塌,住在里面的人有足够的时间逃生。在大地震到来的时候,能做到这一点就是成功的。




  11. 一般来说,高层建筑要比低矮的多层建筑更安全。不仅仅是因为高层建筑的设计施工质量有保证,更重要的原因是建筑物的自振周期成比例于建筑高度,越高的建筑自振周期越长,通常来说,也就越远离大多数地震的周期。比如下面这张 1972 年尼加拉瓜地震的照片,近处的低矮建筑破坏严重,有的已经垮塌,但是远处的高层建筑安然无恙。



  12. 但是也有例外。比如 1985 年墨西哥城大地震,由于特殊的地震条件,整个墨西哥城其实是坐落在一个淤积盆地上,就像是整个城市修建在一大碗果冻上面,所以地震周期偏向于高周期,直接导致高层建筑破坏严重,矮房子反而破坏较少。



  13. 一个很有效的抗震方法就是基础隔震。简单说,就是用橡胶垫把建筑物和大地彻底隔开,建筑物整个坐落在好多个大橡胶垫上。日本的很多建筑物都采用了这种技术,甚至还有在房子屋顶上放置橡胶垫,然后再在上面放另一个小房子的案例。下面照片就是一个实例,每个柱墩之间都是一个大橡胶垫,上面的结构跟大地完全脱开,如果我不告诉你,你是不是还以为这只是些装饰品?



  14. 在抗震设计里,有时候我们要故意削弱某个地方,就像下面照片里这样,钢梁的端部要故意变窄。这就类似电路中的熔断保险丝,一旦地震来了,这些部位是最先破坏的,但同时也保护了其它更重要的部位。




  15. 为什么我们知道这些设计方法管用呢?因为在抗震研究中,我们可以全尺寸等比例的模拟地震。比如下面照片中的振动台实验,完全就是实验室里的真实地震。




  日本科学家和工程师 2009 年还在实验室里做过全尺寸等比例的七层楼的模拟地震。



  16. 工程师在设计每一栋房子的时候,都会在计算机上让这个房子的虚拟模型经受地震的考验。最终的工程设计也部分取决于这些计算机模拟的结果。比如下面就是我之前工作的时候做的一个高层建筑。




  17. 工程结构在地震中的响应其实是一个复杂的动力学问题,不仅仅是「结实」与否的问题。即使是同样「结实」的房子,如果重量不一样,那结果也是天壤之比。因为地震带来的是加速度,而我们知道力等于质量乘以加速度。同样的地震加速度,如果质量不一样,那地震力自然也就不一样。所以说,抗震的要旨之一就是要减小工程结构的自重。很多高层建筑会采用玻璃幕墙,一方面有美观的原因,另一方面也是要减轻重量。

  18. 但是高层建筑如果太轻了也有问题,万一台风来了就难办了。某种程度上,抗震和抗风是天生的矛盾,抗震需要建筑越轻越好,而抗风则希望建筑越重越好。所以很多高层建筑会有质量阻尼器,也就是用额外添加的巨大质量来调节整个建筑物的动力性能,比如台北 101 大厦的接近房顶的地方就挂着这么一个大铁球。



  19. 动力响应还跟速度相关,也就是所谓的阻尼力。有时候,我们会给房子装上额外的阻尼减震器。其实说白了,跟汽车、摩托车、甚至一些高端自行车的悬挂里的减震阻尼是一个东西。比如下面照片里房子上的倾斜安装的巨大白色圆柱体,也就是阻尼器。看出来了吗?它其实跟下面照片里摩托车上的金色前叉是一个东西,只不过个头大了一些而已。



  20. 混凝土结构的抗震性能很大程度上取决于配筋设计。钢筋的数量、位置、细节都是经过精心设计计算得来的。两个混凝土房子哪怕外表看上去一样,如果里面的钢筋不一样,那抗震性能很可能是半斤八两,一个半斤废铁,一个八两黄金。比如下面照片里核心筒的钢筋,很多时候,因为这些位置的钢筋布置的如此之多如此之密,我们只能用高流动性的特殊混凝土才能浇筑成功。

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  21. 现在还有主动抗震系统的研究,类似于汽车的主动调整悬架。建筑物布置了很多传感器,每时每刻监控建筑物的状态,一旦地震来了,传感器立刻把测量的信息传递给电脑控制系统,电脑立即做出相应的计算,然后向安装在建筑物相应位置的千斤顶发出信号,千斤顶开始工作,向建筑物施加抵消地震作用的力。整个系统飞速运转,时刻监控时刻调整。

  22. 上部结构固然重要,地基基础同样重要。有时候,由于特殊的土质条件,地震会引起所谓的「液化」现象。上一秒还是好好的地面,下一秒突然变得像水一样,丧失了一切承载力,地面上的所有东西都开始下陷。虽然原理不尽相同,但是液化的效果跟沙漠里人人谈而色变的流沙破坏力是差不多的。抗震勘察的时候,这一点是需要特别注意的。比如下面照片就是 2011 年新西兰基督城地震中一辆陷进液化土体的汽车。不仅仅是汽车,有时候整栋楼都会陷进去,再下面的就是 1964 年日本新泻地震的照片,歪掉的那些房子就是整个陷进了液化土里。

  (如果您想了解更多,请猛戳这里:您可能感兴趣的所有关于房子基础的问题 - 土木僧的写写画画 - 知乎专栏)



  23. 也许你会觉得,「如果没有地震多好呀」。但事实上,地震是一个不可或缺的甜蜜的负担。如果地球没有板壳运动,没有火山,没有地震,没有这些剧烈的地质活动,那地球就是一个死气沉沉的大石头球,就像水星和月球,气候也会跟现在大不相同。这样的假设下,地球甚至可能无法演化出生命,更不用说文明。


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