顧祥林，余倩倩，姜 超，劉凌瀚，盧晨琛

(1.工程結(jié)構(gòu)性能演化與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市系統(tǒng)日漸復(fù)雜，人員和社會(huì)財(cái)富高度集中，如不能有效應(yīng)對(duì)災(zāi)害將會(huì)產(chǎn)生無(wú)可估量的損失。《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確指出“建設(shè)韌性城市”。由不同建筑、特種結(jié)構(gòu)、高架橋梁和地鐵交通網(wǎng)絡(luò)等組成的土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是現(xiàn)代城市的重要組成部分，保證其韌性是建設(shè)韌性城市的關(guān)鍵。土木工程基礎(chǔ)設(shè)施在其服役周期內(nèi)可能面臨突發(fā)的或短暫的災(zāi)害性作用，如地震、強(qiáng)風(fēng)、火災(zāi)、爆炸等，使其性能突變甚至失去功能。同時(shí)，在長(zhǎng)期環(huán)境作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的性能還會(huì)因材料劣化、鋼筋/鋼材銹蝕等影響而逐漸退化。環(huán)境作用和災(zāi)害作用的耦合又會(huì)加劇土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的性能恢復(fù)和提升難度(圖1)。為應(yīng)對(duì)這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須綜合考慮多災(zāi)害作用和復(fù)雜環(huán)境作用，大幅提高城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的韌性，即提高其主動(dòng)防止災(zāi)害發(fā)生、減輕災(zāi)害損失和迅速恢復(fù)災(zāi)后使用功能的能力。

圖1 多災(zāi)害和環(huán)境作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施性能退化與恢復(fù)、提升Fig.1 Degradation,recovery and enhancement of performanceof civil engineering infrastructures under multiple hazardsand environmental effects

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的理論基礎(chǔ)就是要建立多災(zāi)害作用下城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的韌性提升理論和方法。因此，迫切需要解決提升城市基礎(chǔ)設(shè)施韌性背后的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，深入研究多災(zāi)害及復(fù)雜環(huán)境作用下單體結(jié)構(gòu)與土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變演化機(jī)理、災(zāi)變控制方法及韌性提升理論。

1 多災(zāi)害作用與復(fù)雜環(huán)境作用

20世紀(jì)以來(lái)，全球地震、強(qiáng)風(fēng)、火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害事件頻發(fā)。其中，有的災(zāi)害以單一的形式出現(xiàn)，如強(qiáng)風(fēng)、爆炸；有的則是由某一單一災(zāi)害引發(fā)或并發(fā)其他災(zāi)害，如地震引起火災(zāi)或者爆炸等多重災(zāi)害。多種災(zāi)害伴隨發(fā)生而形成的災(zāi)害組合場(chǎng)景對(duì)城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的破壞以及所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失巨大，日益引起人們的高度重視。此外，長(zhǎng)期服役過(guò)程中，結(jié)構(gòu)易受到環(huán)境中腐蝕介質(zhì)侵蝕，造成性能下降，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。認(rèn)識(shí)多災(zāi)害作用和復(fù)雜環(huán)境作用是開(kāi)展結(jié)構(gòu)致災(zāi)機(jī)理研究和韌性評(píng)估的重要前提。

1.1 多災(zāi)害作用

土木工程基礎(chǔ)設(shè)施在服役過(guò)程中，會(huì)面臨多重作用的風(fēng)險(xiǎn)，包括短時(shí)突發(fā)災(zāi)害(如地震、強(qiáng)風(fēng)、火災(zāi)、爆炸等)和長(zhǎng)期環(huán)境作用(如混凝土碳化、氯鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕等)。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)單體及其組成的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在多重災(zāi)害作用下的韌性和風(fēng)險(xiǎn)研究開(kāi)始逐漸得到關(guān)注[1-5]。根據(jù)災(zāi)害屬性，多重災(zāi)害可分為并發(fā)和繼發(fā)災(zāi)害。并發(fā)災(zāi)害(concurrent hazards)指多重災(zāi)害在同一時(shí)間發(fā)生或持續(xù)時(shí)間有重疊；繼發(fā)災(zāi)害(cascading hazards)指某個(gè)災(zāi)害觸發(fā)、增強(qiáng)或擴(kuò)散其他災(zāi)害?；跒?zāi)害效應(yīng)的相關(guān)關(guān)系，一種災(zāi)害可通過(guò)改變物理構(gòu)件的基本屬性或功能同其他災(zāi)害產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步地，可根據(jù)災(zāi)害效應(yīng)的相互放大或抑制作用，將災(zāi)害分為加劇災(zāi)害(amplifying hazards)和衰減災(zāi)害(dim inishing hazards)。多災(zāi)害作用如對(duì)于某設(shè)計(jì)參數(shù)的選取產(chǎn)生相悖的結(jié)論，則稱兩者為競(jìng)爭(zhēng)災(zāi)害(competing hazards)；相反，如考慮某種災(zāi)害作用得到的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)抵抗其他災(zāi)害作用有益處，稱兩者為補(bǔ)充災(zāi)害(complementary hazards)[5]。由此，目前按抗單一災(zāi)害設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在面臨多災(zāi)害作用時(shí)可能得到不一致甚至完全相反的結(jié)果；僅單獨(dú)考慮土木工程基礎(chǔ)設(shè)施在服役周期中可能遭受的多個(gè)災(zāi)害作用，而不考慮災(zāi)害作用之間的相關(guān)關(guān)系對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的影響，會(huì)導(dǎo)致結(jié)果和預(yù)期目標(biāo)間有大的差距。

在計(jì)算并發(fā)災(zāi)害相遇概率時(shí)，如果基于兩種災(zāi)害相互獨(dú)立的假設(shè)，可根據(jù)兩種災(zāi)害各自的概率分布、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，基于獨(dú)立性原理由全概率公式推導(dǎo)得到。已有研究對(duì)地震-洪水沖刷、洪水沖刷-重卡車荷載、地震-重卡車荷載三類并發(fā)災(zāi)害相遇概率計(jì)算進(jìn)行了初步討論[6]，但是該計(jì)算方法僅適用于重現(xiàn)期短的災(zāi)害，且在計(jì)算中低估了災(zāi)害的持時(shí)和發(fā)生次數(shù)。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者建立了考慮災(zāi)害發(fā)生次數(shù)的并發(fā)災(zāi)害相遇概率模型[7](圖2)，較之前的方法大大提高了計(jì)算準(zhǔn)確性。但是，計(jì)數(shù)過(guò)程需借助災(zāi)害的重現(xiàn)期，只能粗略反映災(zāi)害的強(qiáng)度特征。近年來(lái)，廣泛運(yùn)用于金融、保險(xiǎn)等領(lǐng)域的相關(guān)分析的Copula 函數(shù)被用于建立兩種災(zāi)害強(qiáng)度的聯(lián)合概率分布[8](圖3)，在考慮災(zāi)害之間相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，分析并發(fā)災(zāi)害的強(qiáng)度特征。

圖2 地震-強(qiáng)風(fēng)相遇概率計(jì)算(中國(guó)臺(tái)灣花蓮地區(qū))Fig.2 Encounter probability of concurrent earthquakesand strong w inds(Hualian,Taiwan,China)

圖3 基于Copula 函數(shù)的震級(jí)-風(fēng)速聯(lián)合概率分布(中國(guó)臺(tái)灣花蓮地區(qū))Fig.3 Copula-based joint probability density function of earthquakemagnitude and w ind speed (Hualian,Taiwan,China)

相對(duì)于并發(fā)災(zāi)害的分析，對(duì)于繼發(fā)災(zāi)害的研究較少，大多集中在地震引發(fā)火災(zāi)，一般基于兩類方法展開(kāi)。第一類是采用回歸統(tǒng)計(jì)方法研究地震繼發(fā)火災(zāi)次數(shù)，給出地震后建筑發(fā)生火災(zāi)率；基于歷史數(shù)據(jù)回歸統(tǒng)計(jì)的方法易于使用，但未涉及繼發(fā)災(zāi)害的觸發(fā)機(jī)理[9]，普適性較為有限。第二類采用事故樹(shù)[10]等方法進(jìn)行地震繼發(fā)火災(zāi)危險(xiǎn)性分析；基于事故樹(shù)分析方法在基本事件的權(quán)重和概率的選取上往往依賴經(jīng)驗(yàn)或歷史數(shù)據(jù)，在分析復(fù)雜繼發(fā)災(zāi)害系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)基本事件和最小割集數(shù)量龐大，若進(jìn)行近似和截?cái)?，?huì)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果、基本事件重要度大小及排序存在偏差。

1.2 復(fù)雜環(huán)境作用

在環(huán)境的長(zhǎng)期作用下，城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生性能退化，其抵抗多種災(zāi)害的能力也會(huì)隨之降低。結(jié)構(gòu)承受的環(huán)境作用可分為環(huán)境氣候作用(溫度、濕度等)和環(huán)境侵蝕介質(zhì)作用(CO2、Cl-等)。兩者均具有顯著的時(shí)空變化特征[11-12]。

以混凝土結(jié)構(gòu)為例，環(huán)境中二氧化碳或氯離子侵入混凝土，引發(fā)其中鋼筋銹蝕，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能退化(圖4、圖5)。實(shí)際上，環(huán)境侵蝕介質(zhì)作用是引發(fā)結(jié)構(gòu)性能退化的直接誘因，而環(huán)境氣候作用能顯著影響環(huán)境侵蝕介質(zhì)的作用過(guò)程。因此，環(huán)境中溫度、濕度、CO2、Cl-等作用及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[11]。

圖4 海洋大氣環(huán)境下某服役10年混凝土結(jié)構(gòu)的碳化深度和氯離子含量Fig.4 Carbonation depth and chloride ion content of a concrete structure subjected tomarine atmospheric environment for 10 years

圖5 不同平均銹蝕率ηs下銹蝕鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.5 Stress-strain relationship of corroded steel barsand tendonsw ith different corrosion degrees

在環(huán)境溫度作用下，混凝土內(nèi)部會(huì)形成溫度場(chǎng)，從而影響混凝土中水分傳輸、碳化、氯鹽侵蝕、鋼筋銹蝕等過(guò)程?；炷恋臒醾鬏斉c其飽和度、荷載損傷程度以及骨料-砂漿界面熱阻等因素密切相關(guān)[13]。在環(huán)境濕度的作用下，混凝土中水分發(fā)生相變和遷移。混凝土中的水分傳輸不僅會(huì)帶動(dòng)溶于其中的侵蝕介質(zhì)(如Cl-)遷移，還會(huì)改變混凝土的飽和度從而影響侵蝕性氣體介質(zhì)(如CO2等)擴(kuò)散。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土的水蒸氣等溫吸附滯后效應(yīng)、水分容量、水分傳輸系數(shù)以及界面過(guò)渡區(qū)的傳輸系數(shù)等開(kāi)展了較為充分的研究，并基于此建立了混凝土的濕傳輸模型，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境濕度作用下混凝土內(nèi)部濕度分布的預(yù)測(cè)[14-15]。此外，考慮到實(shí)際工程結(jié)構(gòu)混凝土中的熱傳輸和水分遷移往往同時(shí)發(fā)生，熱-濕耦合傳輸規(guī)律的研究也得到了重視[16]。

二氧化碳侵入混凝土內(nèi)部發(fā)生碳化反應(yīng)，降低孔隙水溶液的堿性，引發(fā)鋼筋脫鈍銹蝕，是導(dǎo)致一般大氣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要原因。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)恒定環(huán)境下混凝土的碳化過(guò)程已有較為充分的認(rèn)識(shí)[17]。然而，在實(shí)際環(huán)境下，溫度、濕度和CO2往往同時(shí)作用于混凝土結(jié)構(gòu)，熱-濕耦合傳輸會(huì)顯著影響混凝土碳化發(fā)展[18]。氯離子溶于水侵入混凝土內(nèi)部，引發(fā)其中鋼筋脫鈍銹蝕，是導(dǎo)致海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的主要原因。在飽和狀態(tài)下，氯離子主要以擴(kuò)散作用侵入混凝土。然而，大氣溫度變化導(dǎo)致的熱-濕耦合傳輸效應(yīng)和海水潮汐導(dǎo)致的水分干濕交替作用，均會(huì)對(duì)混凝土中氯離子侵蝕過(guò)程產(chǎn)生顯著影響[19]。此外，混凝土結(jié)構(gòu)承受的荷載作用也會(huì)影響混凝土的碳化和氯離子侵蝕過(guò)程[20]。

總體而言，環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)性能退化是多種環(huán)境耦合作用誘發(fā)的。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)單一環(huán)境作用及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響的研究較為充分，對(duì)部分環(huán)境作用的耦合效應(yīng)也有一定認(rèn)識(shí)，但是多環(huán)境耦合作用及其效應(yīng)尚待進(jìn)一步深入研究。

2 多災(zāi)害作用下單體結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)分析

自從人類完整記錄了El Centro波以來(lái)，積累了大量的實(shí)測(cè)地震動(dòng)數(shù)據(jù)，深入認(rèn)識(shí)了地震動(dòng)的規(guī)律和特性，所發(fā)展的反應(yīng)譜理論和動(dòng)力分析理論能確定結(jié)構(gòu)的地震作用?；馂?zāi)的溫升作用、風(fēng)荷載引起的風(fēng)振作用和各種爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的沖擊作用通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M結(jié)合流固耦合理論目前均已取得較成熟的應(yīng)用。土木工程基礎(chǔ)設(shè)施單體是城市工程系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，只有準(zhǔn)確分析單體結(jié)構(gòu)的災(zāi)變響應(yīng)，才能認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的災(zāi)變機(jī)理，進(jìn)而提升單體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的韌性。

2.1 單災(zāi)害作用下單體建筑結(jié)構(gòu)的災(zāi)變分析

強(qiáng)震、爆炸、沖撞等可能引起結(jié)構(gòu)倒塌，嚴(yán)重威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全。倒塌過(guò)程中，連續(xù)(或可以合理地假定為連續(xù))的變形發(fā)展階段只是其中較小的部分，對(duì)結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)理影響非常有限。隨著結(jié)構(gòu)宏觀裂縫的發(fā)展，其受力機(jī)理與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的描述相差越來(lái)越大。有限單元法一般通過(guò)彌散裂縫或離散裂縫等修正方式描述不連續(xù)介質(zhì)，但對(duì)于大變形問(wèn)題，收斂較為困難。同時(shí)，在倒塌過(guò)程中，脫離整體后的單元，通過(guò)碰撞和其他單元發(fā)生相互作用，對(duì)于倒塌過(guò)程有重要影響。進(jìn)行結(jié)構(gòu)倒塌反應(yīng)分析時(shí)，基于連續(xù)介質(zhì)的方法不能很好地滿足實(shí)踐的需要。離散單元法把連續(xù)體離散為剛性單元的集合，用顯式的動(dòng)態(tài)松弛方法求解單元運(yùn)動(dòng)方程，剛性單元之間允許相對(duì)運(yùn)動(dòng)、接觸和碰撞，不用刻意滿足位移連續(xù)條件和變形協(xié)調(diào)條件，適合于大位移和大變形非連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題分析。目前，基于離散單元法的結(jié)構(gòu)倒塌反應(yīng)計(jì)算機(jī)仿真分析已取得了較好的效果[21](圖6)。

圖6 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果與基于離散單元法的仿真分析結(jié)果Fig.6 Resultsof shaking table testsand numerical simulation of collapse processof an RC frame structure based on the discrete element method

2.2 多災(zāi)害作用下單體建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)分析

對(duì)于高層建筑，地震和強(qiáng)風(fēng)是主要的控制荷載，除了單一災(zāi)害發(fā)生的情況外，地震和強(qiáng)風(fēng)并發(fā)災(zāi)害事件也有發(fā)生。建筑結(jié)構(gòu)在地震和強(qiáng)風(fēng)作用下的災(zāi)變響應(yīng)分析研究較少，一般基于氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震和強(qiáng)風(fēng)荷載模擬并進(jìn)行隨機(jī)組合，地震作用施加在底部基礎(chǔ)而強(qiáng)風(fēng)荷載時(shí)程按高度變化施加在高層建筑各層。結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和易損性隨著地震輸入和風(fēng)速的增大而顯著增大，地震作用造成了更多加速度相關(guān)的損失，而風(fēng)荷載造成了更多位移相關(guān)的損失[22-24]。震損后結(jié)構(gòu)的耐火性和受火后結(jié)構(gòu)的抗震性能也有相關(guān)研究報(bào)道[25-26]。

多災(zāi)害作用進(jìn)一步加重結(jié)構(gòu)的損壞程度，甚至引起結(jié)構(gòu)倒塌。在細(xì)觀尺度上分析混凝土材料的破損過(guò)程，在宏觀尺度上分析地震、爆炸等關(guān)聯(lián)作用下結(jié)構(gòu)的性能退化過(guò)程，是揭示多災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)災(zāi)變機(jī)理、避免多災(zāi)害作用下建筑結(jié)構(gòu)局部甚至整體垮塌的重要基礎(chǔ)和研究手段。

2.3 單災(zāi)害作用下特種結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)分析

冷卻塔是電廠中應(yīng)用最廣泛的一種散熱冷卻設(shè)備，其厚徑比(殼體厚度比塔體直徑)約為雞蛋殼的三分之一，屬于空間薄殼結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)、地震以及其他偶然因素較為敏感。歷史上發(fā)生過(guò)多起冷卻塔的倒塌事故。采用合適的分層殼單元，合理確定單元的數(shù)量可對(duì)超大型冷卻塔在極端外部作用下(局部爆炸、超強(qiáng)地震作用、強(qiáng)風(fēng)作用)倒塌模式和倒塌過(guò)程作很好地模擬(圖7)，進(jìn)而揭示塔體結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，指導(dǎo)廠區(qū)規(guī)劃，避免次生災(zāi)害[27- 29]。

圖7 地震作用下混凝土結(jié)構(gòu)大型冷卻塔倒塌過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果和模擬分析結(jié)果Fig.7 Experimental investigation and numerical simulation of collapse process of a reinforced concrete super-large cooling tower under earthquake

影響橋梁結(jié)構(gòu)的主要災(zāi)害作用是地震、風(fēng)和沖撞。其中，橋梁地震響應(yīng)分析方法主要有Pushover法和動(dòng)力時(shí)程法。前者已經(jīng)從傳統(tǒng)分析方法發(fā)展至多模態(tài)分析方法[30]和自適應(yīng)分析方法[31]。將Pushover 法與反應(yīng)譜法結(jié)合，用能力譜法可進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)地震需求分析和結(jié)構(gòu)地震易損性分析[32]。相比于Pushover 法，動(dòng)力時(shí)程法計(jì)算成本較高，但是動(dòng)力時(shí)程分析可得到橋梁在不同地震作用下的響應(yīng)時(shí)程，較為直觀地反映橋梁動(dòng)力特性和抗震性能，并且得到結(jié)構(gòu)地震易損性曲線[33]。通過(guò)將橋梁結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類，并采用各類別中典型橋梁的地震易損性曲線代表同類橋梁的地震易損性，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域橋梁地震損傷評(píng)價(jià)[34]，這意味著橋梁地震易損性分析對(duì)象已經(jīng)從單體橋梁逐步發(fā)展至區(qū)域橋梁。

2.4 多災(zāi)害作用下特種結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)災(zāi)變響應(yīng)分析

多災(zāi)害作用下特種結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析必須建立能反映每單一災(zāi)害作用機(jī)理的分析模型。例如，對(duì)于地震和沖刷組合作用下的結(jié)構(gòu)分析，模型不僅要能反映出地震分析所需的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和損傷特征，還需考慮土-基礎(chǔ)之間的相互作用進(jìn)而計(jì)入沖刷的影響[35]。目前常用的等效土彈簧模擬下部樁基模型在考慮單一地震災(zāi)害作用時(shí)是足夠精確的，但在考慮地震和沖刷兩種災(zāi)害作用下的響應(yīng)分析就顯得較為粗糙；其次，多災(zāi)害作用并不等同于每種施加在橋梁結(jié)構(gòu)上的災(zāi)害作用的簡(jiǎn)單疊加，因?yàn)槎酁?zāi)害作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可能是對(duì)單一災(zāi)害作用影響的加劇，也可能是削減[36-37]，如地震和波浪組合作用下，水體對(duì)橋墩的附加動(dòng)水力會(huì)放大橋梁的動(dòng)力響應(yīng)，而在相同重現(xiàn)期下考慮強(qiáng)風(fēng)與波浪這兩種災(zāi)害之間的相關(guān)性，可以降低橋墩設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于繼發(fā)式災(zāi)害作用組合，分析中必須考慮先發(fā)災(zāi)害作用效應(yīng)對(duì)后發(fā)災(zāi)害作用效應(yīng)的影響[38]。

由于不同的災(zāi)害具有各自不同的特點(diǎn)，不同災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)的易損部位也不一樣，多災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析首先需要建立能夠反映各種災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理的分析模型。而這往往涉及復(fù)雜的多場(chǎng)耦合建模、多場(chǎng)約束的本構(gòu)關(guān)系及狀態(tài)方程。

3 多災(zāi)害作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變響應(yīng)分析

對(duì)多災(zāi)害作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變響應(yīng)分析，目前的研究與現(xiàn)實(shí)需求差距顯著。以地震為例，第一代單體建筑抗震設(shè)計(jì)方法基于大量的實(shí)測(cè)地震動(dòng)數(shù)據(jù)以及對(duì)地震動(dòng)特性的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，發(fā)展了反應(yīng)譜理論和動(dòng)力理論。第二代單體建筑抗震設(shè)計(jì)方法基于結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，如傷亡人數(shù)、修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)耗時(shí)、震后危險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)一步完善了相關(guān)內(nèi)容。而在城市地震動(dòng)力反應(yīng)方面，目前的研究方興未艾。相比多災(zāi)害作用下的單體災(zāi)變響應(yīng)分析，多災(zāi)害作用下土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)致災(zāi)分析需要考慮行波效應(yīng)、風(fēng)場(chǎng)干擾、火災(zāi)場(chǎng)蔓延、土-結(jié)構(gòu)群相互作用等復(fù)雜因素的影響。基于單體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型的城市動(dòng)力彈塑性分析方法預(yù)測(cè)震害，正在逐步發(fā)展中。然而，多災(zāi)害作用下城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的反應(yīng)及其災(zāi)變機(jī)理，比如，地震或爆炸引發(fā)火災(zāi)、地震引發(fā)相鄰建筑碰撞、地震引發(fā)建筑與高架橋碰撞等，目前的認(rèn)識(shí)相當(dāng)缺乏。多災(zāi)害及其耦合作用下的城市工程系統(tǒng)失效機(jī)理與韌性評(píng)價(jià)有待進(jìn)一步研究。

3.1 地震行波效應(yīng)

地震地面運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)空過(guò)程。工程中常用的反應(yīng)譜法和動(dòng)力時(shí)程法假定結(jié)構(gòu)各支點(diǎn)具有相同的地震動(dòng)，這種輸入方式對(duì)于一般的單體結(jié)構(gòu)是可以接受的，但是對(duì)于平面尺寸較大的單體結(jié)構(gòu)或土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，忽略地面運(yùn)動(dòng)的空間變化可能給結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。地震動(dòng)的這種空間變化特征主要表現(xiàn)為以下3個(gè)方面：①部分相干效應(yīng)；②行波效應(yīng)；③局部場(chǎng)地效應(yīng)。其中，以行波效應(yīng)為主[39]，且通常不可忽略。行波效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響較為復(fù)雜，受結(jié)構(gòu)特性、地震波特性、傳播方向等多因素影響。對(duì)單體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，行波效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大，對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響，如行波方向的位移顯著增大[40]、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大[41]。

行波效應(yīng)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的復(fù)雜性主要緣于結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜性、所輸入的地震動(dòng)的復(fù)雜性等。關(guān)于多點(diǎn)激勵(lì)與一致激勵(lì)的比較似乎難以找到很強(qiáng)的規(guī)律性。另外，現(xiàn)階段對(duì)行波效應(yīng)的研究主要集中在大跨度橋梁、大跨度空間結(jié)構(gòu)、大壩和地下管道等單體結(jié)構(gòu)，對(duì)于在城市區(qū)域震害模擬中考慮行波效應(yīng)影響的相關(guān)研究還較少。

3.2 風(fēng)場(chǎng)干擾作用

風(fēng)是大氣邊界層內(nèi)空氣流動(dòng)的自然現(xiàn)象，其速度和方向具有隨時(shí)間和空間變化的特征，是一個(gè)隨機(jī)場(chǎng)。對(duì)于高聳結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度空間結(jié)構(gòu)與大跨橋梁結(jié)構(gòu)等，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一類重要隨機(jī)動(dòng)力荷載。在進(jìn)行隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí)，往往將此隨機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)換為多個(gè)一維隨機(jī)向量過(guò)程，并采用線性濾波法或諧波疊加法模擬脈動(dòng)風(fēng)速隨機(jī)過(guò)程[42]。而對(duì)于結(jié)構(gòu)群或基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，風(fēng)場(chǎng)由于受到不同結(jié)構(gòu)物間的相互干擾而發(fā)生顯著改變，具體表現(xiàn)為作用在結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)物周圍的風(fēng)環(huán)境。由于風(fēng)場(chǎng)干擾作用，結(jié)構(gòu)群的某些局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)低風(fēng)速或高風(fēng)速區(qū)段。1965年，英國(guó)渡橋電廠的8座冷卻塔群中，有3座位于下風(fēng)向的被5年一遇的大風(fēng)吹毀(圖8)。事故調(diào)查認(rèn)為倒塌原因主要?dú)w結(jié)為沒(méi)有考慮脈動(dòng)風(fēng)作用和群塔干擾效應(yīng)而帶來(lái)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。近年來(lái)，不少學(xué)者基于Computational fluid dynam ics(CFD)理論對(duì)城市區(qū)域風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，并結(jié)合實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與修正[43]；討論風(fēng)集流效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)物在不同風(fēng)入射方向和結(jié)構(gòu)物間距下的遮蔽效應(yīng)，探究風(fēng)場(chǎng)循環(huán)規(guī)律和風(fēng)舒適度[44]。還有不少學(xué)者研究建筑布局形式[45]、建筑間距[46]等因素對(duì)于區(qū)域風(fēng)環(huán)境的影響，并對(duì)這些影響因素做出定量評(píng)估。但目前關(guān)于區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的研究多是基于CFD理論進(jìn)行的數(shù)值模擬，對(duì)于多因素影響的城市風(fēng)場(chǎng)致災(zāi)機(jī)理的試驗(yàn)研究較不充分，城市區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也較為有限。

圖8 英國(guó)渡橋電廠冷卻塔倒塌模擬Fig.8 Collapse simulation of cooling towers in the Ferrybridge Power Plant,UK

3.3 火災(zāi)場(chǎng)模擬

火災(zāi)場(chǎng)的模擬方法主要有區(qū)域模擬與場(chǎng)模擬。其中區(qū)域模擬通過(guò)假定相應(yīng)物理參數(shù)，根據(jù)物理和化學(xué)規(guī)律，推導(dǎo)出相應(yīng)的常微分方程。20世紀(jì)80年代，EMMONS[47]開(kāi)創(chuàng)性地將質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)原理運(yùn)用于火災(zāi)模擬研究，建立了建筑火災(zāi)的區(qū)域模擬理論。其基本思想是把研究的空間劃分為不同控制區(qū)域，假定其中參數(shù)是均勻的，對(duì)每個(gè)區(qū)域運(yùn)用上述基本原理，可得到一組描述火災(zāi)動(dòng)力學(xué)演化的基本方程。區(qū)域模擬方法至今已發(fā)展得比較成熟，運(yùn)用區(qū)域模擬理論的主要程序有HARVARD、CFAST、FIRST和BRI2 等[48]。有關(guān)地震次生火災(zāi)的模擬，已有基于元胞自動(dòng)機(jī)模型、靜態(tài)burn-zone模型及基于地理信息系統(tǒng)的地震次生火災(zāi)模型[49-51]。地震可能導(dǎo)致建筑體損壞、消防設(shè)施受損、電氣設(shè)備破壞等，從而對(duì)火災(zāi)蔓延產(chǎn)生較大影響，HIMOTO和TANAKA[52]進(jìn)一步考慮了地震動(dòng)和火災(zāi)對(duì)房屋造成的破壞及其對(duì)火災(zāi)蔓延的影響，但算例中區(qū)域建筑震害是隨機(jī)指定的，并未對(duì)如何模擬建筑震害作進(jìn)一步討論。

3.4 土-結(jié)構(gòu)群相互作用

地震作用下，高層建筑群之間通過(guò)場(chǎng)地土的聯(lián)系形成整體，將產(chǎn)生復(fù)雜的土-結(jié)構(gòu)群動(dòng)力相互作用(Soil-Structure Cluster Interaction，SSCI)。土-結(jié)構(gòu)群動(dòng)力相互作用的群效應(yīng)是指多棟建筑構(gòu)成的結(jié)構(gòu)群在地震作用下發(fā)生的與單體建筑不同的反應(yīng)，它是由地震波在土中傳遞時(shí)在基礎(chǔ)間反射形成的。這種群效應(yīng)除了受土體條件的影響外，與結(jié)構(gòu)群中結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)、間距以及場(chǎng)地動(dòng)力特性等因素相關(guān)[53-54]。然而，在傳統(tǒng)的地震學(xué)和地震工程應(yīng)用中，城市建筑物的存在通常被忽視，地面運(yùn)動(dòng)僅考慮震源和場(chǎng)地條件，認(rèn)為結(jié)構(gòu)在地面運(yùn)動(dòng)作用下的響應(yīng)與周圍結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，這種近似在大多數(shù)場(chǎng)合是合理的，但對(duì)于擁有大量密集建筑物的大型城市，SSCI效應(yīng)將引起結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)或增強(qiáng)或減弱，鮮見(jiàn)系統(tǒng)完整的規(guī)律性研究。已有大量研究基于簡(jiǎn)化的理論模型，采用不同的方法考慮結(jié)構(gòu)與土體、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間相互作用，分析結(jié)構(gòu)和土體的相互影響關(guān)系[55-57]。常用的數(shù)值分析方法包括有限差分法、邊界元、有限元及譜單元法等。

雖然目前對(duì)土-結(jié)構(gòu)群動(dòng)力相互作用問(wèn)題已有不少研究，但考慮土-結(jié)構(gòu)群相互作用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化規(guī)律十分復(fù)雜，與具體輸入的地震動(dòng)、場(chǎng)地特性和結(jié)構(gòu)自身的力學(xué)性能等有關(guān)?，F(xiàn)階段的研究主要集中在兩棟相鄰建筑相互作用的研究，對(duì)于城市區(qū)域結(jié)構(gòu)中所涉及的多個(gè)結(jié)構(gòu)的“土-結(jié)構(gòu)”場(chǎng)效應(yīng)研究還較少。

3.5 結(jié)構(gòu)群災(zāi)變分析

近年來(lái)，為了應(yīng)對(duì)潛在的震害損失，城市建筑群的地震災(zāi)害響應(yīng)模擬應(yīng)運(yùn)而生。然而，城市區(qū)域范圍大，建筑眾多，動(dòng)力分析模型必須考慮計(jì)算效率與計(jì)算精度的平衡。目前常見(jiàn)的建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型包括：1)基于構(gòu)件的精細(xì)化有限元模型[58]；2)等效單自由度(SDOF)模型[59]；3)等效多自由度(MDOF)模型[60]。其中，有限元模型對(duì)每個(gè)構(gòu)件建模，計(jì)算結(jié)果可靠，但單元數(shù)量龐大，計(jì)算工作繁瑣，一般只適合于單棟建筑的精確分析。SDOF模型計(jì)算簡(jiǎn)便，但無(wú)法考慮高階振型，不適合高層建筑。相較之下，MDOF模型考慮了樓層的影響，計(jì)算結(jié)果相對(duì)精確，且計(jì)算工作量較低，是目前城市建筑群震害模擬的理想模型。為建立MDOF模型，需要采集建筑的幾何尺寸、場(chǎng)地類型、結(jié)構(gòu)類型和建造年代等基本信息，并將這些信息轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型的力學(xué)參數(shù)。傳統(tǒng)方法通過(guò)人工測(cè)量、實(shí)地調(diào)研和查閱圖紙檔案等手段獲取城市建筑基本信息，但對(duì)于龐大的城市建筑量是不現(xiàn)實(shí)且效率低下的。針對(duì)這一問(wèn)題，以地圖為數(shù)據(jù)源，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，快速獲取建筑基本信息，是一種行之有效的方法。結(jié)合GIS和建筑信息模型(BIM)技術(shù)獲取城市區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)矢量信息，通過(guò)建立多自由度剪切、彎剪模型的精細(xì)有限元模型，可進(jìn)行多尺度城市區(qū)域多災(zāi)害響應(yīng)分析[61]。

地震下結(jié)構(gòu)群中某一結(jié)構(gòu)倒塌會(huì)引發(fā)災(zāi)害鏈?zhǔn)絺鞑?，比如倒塌瓦礫破壞和阻塞道路，將造成交通通行能力下降，影響震后人員逃生、醫(yī)療和消防救災(zāi)的及時(shí)性。以地震作用下結(jié)構(gòu)倒塌瓦礫的分布及其對(duì)路網(wǎng)通行能力的影響、震后城市路網(wǎng)易損性分析等為基礎(chǔ)[62]，可進(jìn)一步對(duì)人員疏散和醫(yī)療救援開(kāi)展相關(guān)研究[63-64]。也可考慮單體結(jié)構(gòu)倒塌和相鄰結(jié)構(gòu)間撞擊致倒塌過(guò)程，獲取完整的瓦礫分布。并針對(duì)結(jié)構(gòu)倒塌瓦礫阻塞道路的因素，定量評(píng)估震后路網(wǎng)交通系統(tǒng)和醫(yī)療系統(tǒng)的功能劣化程度[65]?？傮w上，目前對(duì)以地震為主要誘導(dǎo)原因的土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)災(zāi)害鏈產(chǎn)生、發(fā)展、傳播的繼發(fā)特點(diǎn)，還沒(méi)有完全弄清楚。

3.6 城市交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性評(píng)估

城市交通系統(tǒng)作為城市重要的生命線系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基礎(chǔ)，其脆弱性正逐漸成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題(圖9)。交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性的評(píng)估方法分為四類：特定場(chǎng)景法、特定策略法、仿真分析和數(shù)學(xué)模型推演[66]?！疤囟▓?chǎng)景法”分析在特定場(chǎng)景(如地震、洪水、橋梁受到攻擊等)下，交通網(wǎng)絡(luò)甚至社會(huì)經(jīng)濟(jì)受到的影響。但針對(duì)的場(chǎng)景較少，適合小規(guī)模或小范圍內(nèi)的研究，很難系統(tǒng)且全面地對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的脆弱性進(jìn)行研究?！疤囟ú呗苑ā蹦軌蛳到y(tǒng)性地評(píng)價(jià)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，一般都是研究網(wǎng)絡(luò)被攻擊后網(wǎng)絡(luò)性能(如連通度、可達(dá)性、網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用等)的損失。仿真分析也是評(píng)價(jià)路網(wǎng)脆弱性的主要方法之一，仿真軟件由于簡(jiǎn)潔、易操作和可視化程度高等優(yōu)點(diǎn)而廣受追捧。數(shù)學(xué)模型推演的評(píng)估方法主要是通過(guò)構(gòu)建模型來(lái)表達(dá)路段的脆弱程度和潛在場(chǎng)景發(fā)生的可能性。

圖9 上海地鐵網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)關(guān)鍵程度的空間分布Fig.9 Spatial distribution of station criticality of Shanghai metro network

4 多災(zāi)害作用下城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)韌性提升

城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施遇災(zāi)害作用時(shí)如不能有效恢復(fù)功能，將造成巨大損失。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，必須綜合考慮多災(zāi)害作用和環(huán)境作用，大幅提高城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的韌性，即提高其主動(dòng)防止災(zāi)害發(fā)生、減輕災(zāi)害損失和迅速恢復(fù)災(zāi)后運(yùn)轉(zhuǎn)功能的能力。

4.1 結(jié)構(gòu)材料性能的恢復(fù)

隨著服役年限的增長(zhǎng)，環(huán)境中CO2、Cl-等侵蝕性介質(zhì)在既有混凝土結(jié)構(gòu)中不斷累積增長(zhǎng)，鋼筋銹蝕隱患嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)性能退化風(fēng)險(xiǎn)顯著。因此，電化學(xué)修復(fù)技術(shù)日益受到重視[67]。如圖10所示，電化學(xué)修復(fù)技術(shù)以既有混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部鋼筋為陰極、外表面增設(shè)金屬網(wǎng)片為陽(yáng)極，通過(guò)直流電源在陰陽(yáng)極之間施加電場(chǎng)，在鋼筋表面附近生成OH-，使混凝土內(nèi)部恢復(fù)堿性，并促使混凝土內(nèi)部Cl-等通過(guò)孔隙溶液往外部遷移，從而達(dá)到延遲鋼筋銹蝕的目的。在電場(chǎng)作用下，表層碳化混凝土的孔隙溶液中不僅僅Cl-發(fā)生遷移，還同時(shí)伴隨著Ca2+、OH-等多種離子傳輸、吸附/脫附以及溶解/沉淀過(guò)程。這些物理、化學(xué)耦合過(guò)程可導(dǎo)致表層碳化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而又反過(guò)來(lái)影響多離子傳輸過(guò)程。當(dāng)前雖有部分考慮多離子耦合傳輸-反應(yīng)的電化學(xué)除氯模型，但是這些模型并未考慮碳化，只孤立考慮氯離子侵蝕，與實(shí)際情況不符，且并未測(cè)得多離子含量分布以全面驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。實(shí)際上，由于電場(chǎng)作用下表層碳化混凝土中多離子耦合遷移/沉積機(jī)理及微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律不明，如何精準(zhǔn)設(shè)計(jì)電化學(xué)修復(fù)技術(shù)方案以恢復(fù)混凝土保護(hù)層的有效保護(hù)作用尚待進(jìn)一步深入研究。另外，尚應(yīng)開(kāi)發(fā)更多實(shí)用的結(jié)構(gòu)材料性能恢復(fù)技術(shù)。

圖10 電化學(xué)修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)示意圖Fig.10 Schematic diagram of the electrochem ical repairing technology of concrete structures

4.2 單體結(jié)構(gòu)的災(zāi)變控制

以單體結(jié)構(gòu)抗震為例，其發(fā)展經(jīng)歷了抗震(防止災(zāi)害發(fā)生)、減震隔震(減輕災(zāi)害損失)，以及可恢復(fù)(災(zāi)后恢復(fù)能力)等不同階段[68]。新型高效抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系逐漸在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，如阻尼伸臂桁架體系[69]、斜角網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)體系等；各種減震技術(shù)和隔震技術(shù)，如新型阻尼器[70]和TMD裝置[71]、多種類型減震隔震方法，獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，列入了我國(guó)相關(guān)規(guī)范。為確保結(jié)構(gòu)具備綜合防御地震與連續(xù)倒塌的能力，近年來(lái)有學(xué)者提出各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和方法。按照適用對(duì)象的不同，這些技術(shù)和方法可被劃分為兩類：一類是針對(duì)新建建筑提出的設(shè)計(jì)技術(shù)，通常是對(duì)梁縱筋采取相應(yīng)的構(gòu)造處理，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可綜合防御地震與連續(xù)倒塌的目的[72-73]；另一類是新建建筑和既有建筑均適用的增設(shè)外部構(gòu)件方法。外部構(gòu)件可在柱失效時(shí)有效傳遞不平衡荷載實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的提升，但在小變形階段一般不參與受力，故不會(huì)影響結(jié)構(gòu)抗震性能[74-76]。在結(jié)構(gòu)層次，采用自復(fù)位、可更換構(gòu)件等技術(shù)可有效控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷及倒塌概率。搖擺結(jié)構(gòu)、自復(fù)位結(jié)構(gòu)，以及帶可更換構(gòu)件結(jié)構(gòu)的研究方興未艾(圖11)。

圖11 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)Fig.11 Earthquake resilient structures

4.3 土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)韌性提升

考慮結(jié)構(gòu)倒塌災(zāi)害發(fā)生后，引發(fā)沖擊鄰近建筑、路網(wǎng)/電網(wǎng)/通信網(wǎng)中斷、救災(zāi)受阻等次生災(zāi)害，以繪制倒塌方向玫瑰圖、確定建筑間合理間距，以及驗(yàn)算道路疏散寬度等方法來(lái)主動(dòng)控制繼發(fā)災(zāi)害傳播，進(jìn)行防災(zāi)規(guī)劃，是提高結(jié)構(gòu)群系統(tǒng)韌性的有效方法(圖12)。上述思路結(jié)合以有效避難為手段的被動(dòng)提升方法，有望為土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)韌性提升開(kāi)辟新途徑。根據(jù)地鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的脆弱性分析(圖9)，可以找到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，改善加強(qiáng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的性能后，即可提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的韌性。但總體方法還是概念性的，尚待進(jìn)一步深入研究。

圖12 結(jié)構(gòu)倒塌瓦礫分布Fig.12 Distribution of structural collapse rubbles

5 結(jié)論

目前，單一災(zāi)害作用下單體結(jié)構(gòu)防災(zāi)機(jī)理研究已較為充分，但如果不考慮多災(zāi)害作用可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能不能滿足預(yù)期要求；此外由不同建筑、特種結(jié)構(gòu)和高架橋梁等組成的城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變機(jī)理和韌性提升有待深入研究。

未來(lái)需要進(jìn)一步關(guān)注：

(1)多重災(zāi)害觸發(fā)及復(fù)雜環(huán)境作用機(jī)制；

(2)多災(zāi)害作用下單體結(jié)構(gòu)災(zāi)變機(jī)理；

(3)多災(zāi)害作用下城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)災(zāi)變機(jī)理。

多重災(zāi)害和復(fù)雜環(huán)境按“并發(fā)”和“繼發(fā)”兩種情況作用于城市基礎(chǔ)設(shè)施。只有揭示多重災(zāi)害的觸發(fā)機(jī)制以及復(fù)雜環(huán)境的作用機(jī)制，厘清相應(yīng)的組合工況，提出多重災(zāi)害作用組合方法，方可精準(zhǔn)分析結(jié)構(gòu)單體或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的災(zāi)變反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)其實(shí)施控制。只有揭示單體結(jié)構(gòu)在多災(zāi)害作用下的性能演化規(guī)律與失效機(jī)理，探尋多災(zāi)害作用下單體結(jié)構(gòu)災(zāi)變控制途徑和功能恢復(fù)、性能提升方法，方可深入分析土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變響應(yīng)。只有認(rèn)識(shí)城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的災(zāi)變發(fā)展規(guī)律，揭示其災(zāi)變機(jī)理，方可建立城市土木工程基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的韌性提升理論和方法，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略、建設(shè)韌性城市提供科技支撐。