近期，我国宜宾长宁、日本山形县近海、美国加州Ridgecrest发生了3次强震。这三次地震具有一定的共性，在震级、发生时间上较为相近，而且震级较大，震中距离城市较近，均造成了广泛的社会影响。通过对这三次地震的破坏情况进行分析和对比，可以揭示中美日三大地震大国在城市抗震设防中的差异，以促进我国抗震水平的提升。
据中国地震台网测定，2019年6月17日22时55分，中国四川宜宾市长宁县发生6.0级地震，震源深度16 km[1]。据日本气象厅(Japan Meteorological Agency，JMA)测定，当地时间2019年6月18日22时22分，日本山形县近海发生6.7级地震，震源深度14 km[2]。据美国地质调查局(United States Geological Survey，USGS)测定，当地时间2019年7月5日20时19分，美国加州Ridgecrest发生7.1级地震，震源深度17 km[3]。
为便于区分，分别将这三次地震记为宜宾地震、山形地震、加州地震。三次地震的信息如表1所示，其中给出了由USGS测定给出的三次地震的矩震级Mw[3]，分别为5.8级、6.4级和7.1级。
表1 三次地震基本信息
Table 1 Basic information of three earthquakes
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本文对这3次地震进行了地震破坏力分析与对比，包括典型强震记录的峰值、反应谱对比；典型地震动对典型单体结构与区域的破坏力对比；真实地震灾情的对比。通过分析和对比，揭示这3次地震的破坏力特征，探讨中美日抗震设防方面的差异，为提高我国防震减灾水平提供重要参考。
1 强震记录分析
地震震级和地震引起的地面运动之间关系复杂，难以从震级大小简单直接地评价地震的破坏力大小[4]。宜宾长宁6.0级地震、日本山形6.7级地震及美国加州7.1级地震发震地区有密集的强震台网，可依据强震台网数据来评价地震地面运动强弱。3次地震中台站记录到的最大地面加速度(Peak Ground Acceleration, PGA)及对应台站的震中距如表2所示。
表2 三次地震典型台站峰值加速度汇总
Table 2 PGAs of typical stations in three earthquakes
地震名称宜宾地震山形地震加州地震典型台站代号51GTX YMT003 YMT005 CICCC水平PGA/(cm/s2)599.7 218.4 330.1 561.2台站震中距/km 21.9 30.8 56.0 23.0
将上述四个台站所记录的地震动水平方向分量的加速度时程绘制成反应谱(5%阻尼)。其中将表2的YMT003台站记录简称为山形-1，将YMT005台站记录简称为山形-2。三次地震对应的地震动水平分量反应谱分别如图1~图3所示。
图1 宜宾地震典型台站反应谱
Fig.1 Response spectra of a typical stations in Yibin earthquake
图2 山形地震典型台站反应谱
Fig.2 Response spectra of typical stations in Yamagata earthquake
图3 加州地震典型台站反应谱
Fig.3 Response spectra of a typical station in California earthquake
从图1可以看出，宜宾地震动EW分量对应的反应谱在周期大于0.2 s左右时，相较于NS分量更大，因此在后续典型结构破坏状态分析中，以宜宾地震动EW分量作为分析用的地震动。同理，根据图3所示，加州地震动的NS分量也作为后续分析的地震动输入。从图2可以看出，山形地震的两个典型台站记录中，山形-1的EW分量反应谱和山形-1的NS分量反应谱接近，且在周期大于0.23 s时山形-1的反应谱要明显大于山形-2的，因此在后续对典型结构破坏状态分析中，以山形-1的EW分量作为山形地震的典型地震动输入。采用上述选择的三次地震典型地震动反应谱及8度罕遇反应谱。
图4 三次地震典型地震动反应谱
Fig.4 Response spectra of typical seismic records of the three earthquakes and rare earthquake of intensity 8
从图4可以看出，宜宾地震的反应谱主要集中在短周期段，0.7 s以后中长周期段谱加速度较小。而加州地震、山形地震的谱加速度在0.7 s~1.5 s周期段要高于宜宾地震的谱加速度。
2 典型结构破坏状态分析
除了地震的复杂性，结构自身的动力特性的复杂性对结构的地震响应也有影响。因此，本文基于OpenSees有限元平台，将上述典型地震动加速度时程输入到典型结构模型中，以研究建筑结构的地震响应。典型结构包括多层框架结构、砌体结构等，其基本自振周期如表3所示。
表3 典型结构的基本自振周期
Table 3 Fundamental natural vibration periods of typical structures
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2.1 对典型多层框架结构破坏作用
2.1.1 三层框架
以按中国规范设计的6度、7度、8度设防的典型三层钢筋混凝土框架结构为分析对象，其立面布置如图5所示。该结构层高3.6 m，总高10.8 m，场地类别为Ⅱ类，其中6度和7度设防的结构设计地震动分组为第1组，8度设防的结构设计地震动分组为第2组。
三层框架基于OpenSees软件建模，其中每一梁、柱均采用6个dispBeamColumn单元来模拟，每个单元采用3个高斯积分点，结构分析中考虑P-Δ效应影响[5]。混凝土采用Concrete01本构模型，钢筋采用Hysteretic本构模型。分别将图4中所示的典型地震动分量作为地震激励输入结构，可得到该结构的层间位移角响应，其层间位移角包络图如图6所示。3次地震作用下各设防烈度的3层框架的最大层间位移角数值如表4所示。
图5 典型三层框架结构立面布置图 /mm
Fig.5 Elevation of a typical three-story frame
图6 三次地震作用下三层框架结构层间位移角包络图
Fig.6 Envelopes of inter-story drift ratios of three-story frames under three earthquakes
表4 三次地震作用下三层框架最大层间位移角
Table 4 Maximum inter-story drift ratios of three-story frame subjected to three earthquakes
images/BZ_210_236_1340_544_1395.pngimages/BZ_210_544_1340_751_1395.pngimages/BZ_210_751_1340_957_1395.pngimages/BZ_210_958_1340_1196_1395.pngimages/BZ_210_236_1398_544_1452.pngimages/BZ_210_544_1398_751_1452.pngimages/BZ_210_751_1398_957_1452.pngimages/BZ_210_958_1398_1196_1452.pngimages/BZ_210_236_1452_544_1506.pngimages/BZ_210_544_1452_751_1506.pngimages/BZ_210_751_1452_957_1506.pngimages/BZ_210_958_1452_1196_1506.pngimages/BZ_210_236_1506_544_1560.pngimages/BZ_210_544_1506_751_1560.pngimages/BZ_210_751_1506_957_1560.pngimages/BZ_210_958_1506_1196_1560.png
从3层框架结构的层间位移角包络图和结构最大层间位移角的比较可以看出：美国加州地震造成的结构层间位移角响应总体上要大于日本山形地震和中国宜宾地震；宜宾地震造成的3层框架结构层间位移角响应最小。
2.1.2 六层框架
以按中国规范设计的6度、7度、8度设防的典型六层钢筋混凝土框架结构为分析对象[6]，其立面布置如图7所示。该结构底层层高4.1 m，其余层高3.7 m，共22.6 m高，其建筑类别为丙类，场地类别为Ⅱ类，设计地震动分组为第2组。
图7 典型六层框架结构立面布置图 /mm
Fig.7 Elevation of a typical six-story frame
六层框架也采用OpenSees建模，建模方法参考三层框架。向该六层框架结构输入图4对应的典型地震动，可得到该结构的层间位移角响应，其层间位移角包络图如图8所示。各地震作用下不同设防烈度的六层框架的最大层间位移角数值如表5所示。
图8 三次地震作用下六层框架结构层间位移角包络图
Fig.8 Envelopes of inter-story drift ratios of six-story frames under three earthquakes
表5 三次地震作用下六层框架最大层间位移角
Table 5 Maximum inter-story drift ratios of six-story frame subjected to three earthquakes
层间位移角/(‰)6度设防7度设防8度设防images/BZ_210_1285_2957_1566_3011.pngimages/BZ_210_1566_2957_1792_3011.pngimages/BZ_210_1792_2957_2018_3011.png9.0images/BZ_210_1285_3011_1566_3065.pngimages/BZ_210_1566_3011_1792_3065.pngimages/BZ_210_1792_3011_2018_3065.png8.4images/BZ_210_1285_3065_1566_3119.pngimages/BZ_210_1566_3065_1792_3119.pngimages/BZ_210_1792_3065_2018_3119.png19.8
从表4和表5可以看出，对于框架结构，加州地震造成的结构响应要显著高于宜宾地震与山形地震对应的结构响应；山形地震对三层框架的破坏力要强于宜宾地震，对六层框架结构破坏力与宜宾地震接近。
2.2 对典型砌体结构破坏作用
2.2.1 单层未设防砌体结构
选取如图9所示纪晓东等[7]开展的单层未设防砌体结构振动台试验模型，基于OpenSees软件建立了多自由度剪切模型[8-9]，采用twoNodeLink单元模拟剪切梁。本文采用剪切模型中各层骨架线作为砌体结构损伤判别的基准，可参考熊琛等[10]的研究来判定结构的完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌五种破坏状态。以图4对应典型地震动分量作为输入，可得结构的破坏状态如表6所示。对于单层未设防砌体结构，在3次地震动作用下，该结构均发生了严重破坏。这也说明未设防砌体结构的抗震性能非常差。
图9 单层未设防砌体结构振动台试验模型
Fig.9 Model of a single-story unreinforced masonry structure for shaking table test
表6 三次地震作用下单层未设防砌体破坏状态
Table 6 Damage states of a single-story unreinforced masonry under three earthquakes
地震名称 宜宾地震 山形地震 加州地震破坏状态 严重破坏 严重破坏 严重破坏
2.2.2 五层砌体结构
选取如图10所示朱伯龙等[11]开展的五层砌体结构足尺试验模型，跟上述未设防砌体采用同样的建模方法。输入图4对应地震动记录，可得该五层砌体结构的破坏状态如表7所示。
从表7可以看出，在宜宾地震作用下，该结构发生了严重破坏；在加州地震作用下，该结构发生了中等破坏；而在山形地震作用下，该结构为轻微破坏。这与图4中典型地震动反应谱展示情况一致，在基本周期0.29 s左右，宜宾地震谱加速度最大，而山形地震对应的谱加速度最小。
图10 五层砌体结构 /mm
Fig.10 A five-story masonry structure
表7 三次地震作用下五层砌体结构破坏状态
Table 7 Damage states of a five-story masonry structure under three earthquakes
地震名称 宜宾地震 山形地震 加州地震破坏状态 严重破坏 轻微破坏 中等破坏
2.3 对典型结构破坏力综合比较
综合典型框架结构与砌体结构在3次地震下的结构响应与破坏状态可知：由于框架结构基本周期较长，加州地震在长周期的谱加速度最大，因此加州地震对框架结构造成的破坏最为严重，而宜宾地震和山形地震造成的破坏较小；由于砌体结构基本周期较短，宜宾地震在对应周期内的谱加速度最大，因此宜宾地震对砌体结构造成的破坏最为严重，加州地震次之，山形地震最轻。
3 区域破坏分析
利用密布强震台网在震后获取的实时地震动信息，再结合城市抗震弹塑性分析[12-13]，就可以得到地震发生后不同地点的建筑破坏情况，为抗震救灾决策提供科学支撑。在城市抗震弹塑性分析中，基于《第六次全国人口普查》等数据可获得我国主要城市建筑按照层数、承重类型和建造年代分类的各个类别建筑的总数[14]，通过求解线性规划问题可获得不同类别建筑所占的比例，进而建立目标区域的建筑数据库[15]，其中多层建筑采用多自由度剪切层模型模拟[8-9]，高层建筑采用多自由度弯剪耦合模型模拟[16-17]，其模型参数使用陆新征等[9, 18]的方法进行标定。日本地区根据日本政府公布的统计结果[19]以及Latcharote等[20]的统计数据确定日本城市建筑属性数据，包括结构类型、建筑年代等，其多自由度模型参数采用与中国模型相似的方法标定。参考上述方法，美国地区建筑模型根据本文的初步调查确定。
为此，陆新征等研发了地震破坏力速报系统RED-ACT (Real-time Earthquake Damage Assessment using City-scale Time-history analysis)[21―22]。该系统采用地震台站实时地震动数据，基于非线性时程分析和多自由度(MDOF，Multiple-Degree-of-Freedom)模型，提供实时的城市尺度震害分布和相应分析报告，已在我国30余次地震破坏力应急评估中得到了成功应用。
本文共收集到中国宜宾地震23组地震动，日本山形地震25组地震动，美国加州地震9组地震动。在此基础上，采用RED-ACT系统进行了地震区域破坏分析。图11~图13依次为宜宾地震、山形地震、加州地震震中附近范围内台站记录分析得到的建筑震害分布示意图。图11与图12中蓝色部分表示人口密度，图13无人口密度数据。
图11 宜宾地震不同台站地震记录破坏力分布图
Fig.11 Damage distribution based on records of different stations in Yibin earthquake
图12 山形地震不同台站地震记录破坏力分布图
Fig.12 Damage distribution based on records of different stations in Yamagata earthquake
图13 加州地震不同台站地震记录破坏力分布图
Fig.13 Damage distribution based on records of different stations in CA earthquake
由图11~图13可得，宜宾地震造成的建筑结构损坏相较于山形地震与加州地震要更严重。
4 实际灾情对比
本文根据网络上公开的资料中收集了这3次地震的实际震害灾情，结合地震动频谱特征与区域破坏分析结果进行了分析讨论。
截至2019年6月20日，中国宜宾地震共造成13人死亡，226人受伤，3237间房屋倒塌，46886间房屋严重损坏[23]。而截至当地时间2019年7月1日，日本山形地震仅造成41人受伤，对应中等破坏的房屋有33间，轻微损坏的房屋有755间[2]。截止到当地时间7月13日，美国加州地震0人重伤或死亡，少数人轻伤，房屋震害整体较轻，除少量移动房屋等外，常规建筑并无倒塌[24]。但地基破坏[24]造成了31幢住宅和8幢商业建筑发生严重破坏[25-26]。日本山形与美国加州地震虽出现了停水、道路中断等情况，但相关功能得到了及时恢复[2, 24]。3次震害实际情况汇总如表8所示。
表8 三次地震实际破坏情况汇总
Table 8 Summary of actual damage in three earthquakes
地震名称 宜宾地震 山形地震 加州地震死亡人数 13 0 0受伤人数 226 41 较少房屋倒塌间数 3237 0 0房屋严重破坏间数46886 0 0(除基地破坏因素)
从表8可以看出，加州地震和山形地震的震害比宜宾地震要轻很多，这与本文区域破坏分析结果一致，说明了RED-ACT系统的可靠性。
从反应谱来看，宜宾地震的破坏力并不是最强，在自振周期0.7 s~1.5 s内对应的谱加速度要小于山形地震和加州地震。然而，宜宾地震的震害要山形地震与加州地震严重很多。这与地震发生区域的建筑设防水平有关。
根据《建筑抗震设计规范》[27]，宜宾长宁地区为6度设防，设计地震动分组为第2组。根据日本《建筑基准法》[28]，山形县地域地震系数Z取值0.9，标准剪力系数C0取1.0。日本基于475年重现期进行设计，其设计反应谱相当于我国中震水准[29]。美国ASCE 7-10规范[30]规定，使用Seismic Design Map Tool[31]查询得加州Ridgecrest地区的反应谱参数SDS为0.921，SD1为0.425。根据李慧[32]的研究，美国采用2/3的最大考虑地震动作为设计地震，大致相当于我国中震水准。因此，可将美国、日本的设计反应谱与我国设防反应谱进行比较。我国Ⅱ类场地相当于日本的第二类(中硬土)，美国的C类[32]。因此，场地类型我国取为Ⅱ类场地、日本取为中硬土，美国取为C类。
按照以上标准，图14给出了我国宜宾长宁，日本山形县，美国加州Ridgecrest三地的设防反应谱，以及我国8度(0.2 g)和9度(0.4 g)设防的反应谱。
图14 设防反应谱对比
Fig14 Comparison of design response spectra
从图14可以看出，加州Ridgecrest和日本山形县的结构抗震能力要远大于宜宾长宁。这也进一步解释了在0.7 s~1.5 s对应的反应谱强度“更强”的加州地震和山形地震造成的区域震害反而小于“更弱”的宜宾地震。
5 结论
本文对近期宜宾长宁、日本山形、美国加州三次强震进行了破坏力分析和对比，主要结论如下：
(1) 三次地震中，加州地震震级最大，山形地震次之，宜宾地震最小；对于典型地震动记录的PGA，宜宾地震最大，加州地震次之，山形地震最小；对于砌体结构等自振周期较短的建筑物，宜宾地震的破坏力最强；对于多层框架结构等自振周期较大的建筑物，加州地震的破坏力最强。
(2) 在0.7 s~1.5 s对应的反应谱强度“更强”的加州地震和山形地震造成的区域震害反而小于“更弱”的宜宾地震，这在一定程度上反映了我国的建筑结构设防水准还有待进一步提高。
(3) 地震震级、地面运动加速度、建筑物震损情况关系复杂，仅通过震级或PGA来评估地震破坏力并不合适，应结合国家台网建设，采用实测、真实、完整的地震动记录，充分考虑地震幅值、频谱和持时以及当地建筑物自身特性等因素的影响，发展城市抗震弹塑性分析。
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