《土木防灾减灾》第一讲 · 灾害认知、防御策略与工程韧性

2026-09-15 课程笔记

0 课程概述

考核方式： 考勤（3~4 次）+ 灾害调查报告 + 考试

核心思想： 从安全 → 性能 → 韧性

关键概念：

• 致灾因子、承灾体、灾害后果；风险 ≈ 危险性 × 暴露度 × 易损性
• 灾害链与多环节干预
• 多道防御策略：“避、抗、耗、控、复”
• 工程韧性：损失有多大 + 恢复有多快
• 防灾设计是工程全寿命设计的重要组成部分

1 灾害的基本特性

1.1 土木工程灾害的定义与构成

定义： 自然或人为致灾因子作用于工程结构与基础设施，引发人员、财产、功能或环境损失的事件。

为什么土木工程必须研究灾害：

1. 服役周期长，必然会遭遇极端环境与偶然作用
2. 工程一旦失效，后果具有群体性、系统性与社会性
3. 防灾关系生命安全、功能连续性与灾后恢复能力，不是附加要求，而是工程全寿命设计的重要组成部分

1.2 灾害作用方式

外部灾害环境主要通过以下方式体现：

1. 时间随机性：极端环境发生的概率
2. 空间依存性：结合结构体系、使用条件、材料性能
3. 后果严重性：导致人员伤亡、经济损失、社会影响

1.3 从"灾害"到"风险"

风险 ≈ 危险性 × 暴露度 × 易损性

同一灾害、不同后果：

• 情景 A（低暴露度）：同样地震/强风发生在人烟稀少区，结构少，后果局部、恢复压力小
• 情景 B（高暴露度）：发生在城市核心区，人口与设施集中，功能中断与社会影响被显著放大

【考点】灾害强度相同，并不意味着风险相同。

1.4 不同灾害类型对比

本质差异： 不同灾害主导的控制指标不同，因此不存在一套通用防灾方案。

不同工程，关注的灾害重点不同：

1.5 灾害链效应

灾害发生 → 工程作用 → 结构响应 → 构件损伤 → 系统失效 → 功能/经济损失 → 恢复

链上典型演化：

• 地震链：地震发生 → 地面运动 → 结构振动（层间位移、加速度、构件内力、累积耗能）→ 开裂/屈服/节点破坏/层机制 → 局部或整体失效 → 倒塌、人员伤亡、功能停摆 → 修复恢复
• 火灾链：起火/热释放 → 构件温升 → 材料退化 → 变形与内力重分布 → 局部失效、连锁破坏 → 功能丧失；火灾破坏不是瞬间完成，而是随温度与时间持续发展

工程师需要做的，是在灾害链的不同环节设置阻断点（多层干预），使最终损失最小化

2 典型灾害案例分析

2.1 塔科马海峡大桥风致倒塌（1940 年）

基本情况：

• 桥梁设计风速取值合理，当时被认为"不差"

事故原因：

• 气动稳定性问题
• 涡激振动 + 颤振
• 桥面率先发生扭转失稳

启示：

• 风灾不只是"风压问题"，更要紧的是"风振问题"
• 平均风对低矮、刚性结构影响更直观；脉动风（风荷载随时间的波动）对高柔结构、大跨结构影响显著

2.2 墨西哥城地震（1985 年）

典型案例：

• 软土场地放大长周期地震波
• 高层建筑响应严重
• 周期匹配引发共振
• 距震中远，震害不一定轻

启示：

• 场地条件对地震波有选择性放大/衰减作用
• 必须进行场地 - 结构耦合分析

3 灾害识别与风险分类

3.1 识别流程

环境场地识别 → 灾害类型识别 → 风险等级评估 → 防御策略制定

判断逻辑：先识别这个工程最怕什么灾害，再分析灾害强度、暴露度与易损性，最终确定防灾设计重点。

【考点】防灾设计不是比较"哪种灾害最危险"，而是识别"这个工程最怕什么"。不同地区、不同工程类型、不同功能要求，面临的主导灾害不同。

3.2 不同地区的灾害差异

我国灾害分布特点：

1. 台湾地区：地震高发区
2. 川西、云南：地震 + 滑坡
3. 西北地区：地震 + 黄土沉降
4. 沿海地区：台风 + 风暴潮
5. 山区：滑坡、泥石流
6. 城市核心区：高暴露度显著放大灾害后果，同一工程在不同地区应有不同的风险识别重点

3.3 工程实例分析

某 30 层科研办公楼案例：

• 地上 30 层、地下 3 层，科研办公与实验功能混合
• 设计使用年限 50 年
• 所在城市存在地震、强风、火灾及软土地基四类风险

讨论任务：

1. 识别至少 4 类主要灾害风险并给出理由
2. 对每类风险分别提出"避、抗、耗、控、复"中的关键措施（各一条即可）
3. 判断哪些功能属于灾后必须优先恢复的关键功能
4. 给出一个你认为最重要的防灾设计原则

4 防灾策略：降低风险的三条路径与"避、抗、耗、控、复"

4.1 降低风险的三条基本路径

【考点】风险降低不只有"把结构做强"这一条路。

4.2 避：从源头降低暴露

定义： 从源头预防灾害发生、减少暴露

措施：

1. 规划避让：避开高风险区域
   • 不在地震活动断裂带建设
   • 不在滑坡隐患区建房
2. 合理确定建筑功能布局与疏散体系：控制道路高度、宽度与流量，留出安全间距
3. 分散重要设施：避免集中布置，设置冗余

【考点】拟建大型医院位于已查明的高风险滑坡区：应优先论证避让或换址（C），而不是把框架柱做粗、增加配筋。能通过规划和选址消除重大暴露时，优先从源头控制风险。

4.3 抗：提升直接抵抗能力

定义： 提高结构承受灾害的能力

措施：

1. 加强关键构件与节点构造：传统防范手段
2. 提高材料强度：增强构件承载力与稳定性
3. 控制薄弱层、软弱层及刚度突变
4. 抗震设防：按烈度设计，满足强度、刚度与稳定要求

工程认识： “抗"是最传统的手段，但极端灾害下单纯追求"不发生任何损伤"往往不经济。“做强"很重要，但不是防灾设计的全部。

4.4 耗：用可控损伤消耗能量

灾害输入能量 → 塑性/阻尼耗能 → 响应降低 → 避免脆性倒塌

核心理念： 不是要求结构"永远不屈服”，而是允许可控范围内产生变形，把损伤安排在可预期、可控制的位置，不导致最终破坏。

关键指标/关键词： 延性、塑性铰、耗能构件、阻尼

【考点】“把所有构件都做得更粗、更硬”≠防灾性能更好：刚度、延性、质量、内力重分布之间存在相互影响。

4.5 控：主动或被动控制结构响应

• 隔震：延长结构周期、减少地震能量输入、降低上部结构响应
• 消能减振：设置阻尼器消散能量、控制层间位移
• 风振控制：TMD / TMDI、气动优化、提高阻尼与舒适度

控制目标： 减少进入结构或保留在结构中的"有害响应”。

4.6 复：灾后快速恢复功能

• 快速检测与安全评估
• 关键构件易修复、可更换（熔断机制）
• 生命线工程具备冗余与备用系统
• 快速修复设计：便于灾后加固，灾后可迅速恢复基本服务与运营

5 防灾理念的演变与工程韧性

5.1 从安全到性能再到韧性

安全设计"不倒" → 性能化设计"损伤可控" → 韧性设计"快速恢复"

核心变化： 评价目标从"极端灾害时是否倒塌"，逐步扩展到"损伤程度是否可接受、功能能否保持、多久能够恢复"。

5.2 安全设计的关注点与局限

安全是底线，但不是现代防灾的全部目标。

5.3 性能化设计：不同灾害水平对应不同目标

抗震三水准"小震不坏、中震可修、大震不倒“即性能化思想的典型体现（见第 7.2 节）。

同样的裂缝，性能是否相同？（普通办公楼 vs 应急医院）

• 震后二者出现同等程度梁端裂缝、均未倒塌：从"安全"角度接近
• 但办公楼停用数天即可恢复办公，医院因设备停摆无法接诊
• 结论：功能要求决定性能目标：重要建筑除生命安全外还要求功能连续；非结构构件与设备同样重要；恢复时间本身就是设计目标

5.4 韧性的内涵与指标

三个维度： 抵抗 Resist（降低初始损失，避免关键系统立即失效）、吸收 Absorb（冗余与耗能限制损伤扩展，维持基本功能）、恢复 Recover（快速评估与修复，尽快恢复服务能力）。

韧性两指标：

1. 功能骤降幅度（曲线下落深度）：损失有多大
2. 恢复速度（修复段斜率）：恢复有多快

韧性曲线特征：

• 功能骤降幅度小
• 恢复速度快
• 最终功能水平高

【考点】两栋建筑震后均未倒塌，韧性更好的是"功能下降少且恢复快"的那栋；判断韧性须同时考虑初始损失与恢复过程，不能只看是否倒塌。

5.5 防灾贯穿工程全生命周期

选址 → 规划 → 勘察 → 设计 → 施工 → 运营维护 → 监测预警 → 灾后恢复

现代防灾强调"灾前—灾中—灾后"全过程，而不是只在结构最强处"堆材料”。

6 地震工程基础

6.1 地震成因

构造地震（最主要）：

地幔对流 → 板块运动 → 断层受力 → 断裂错动 → 能量释放 → 地震波

其他类型：

• 火山地震
• 塌陷地震（地表/地下空洞坍塌）
• 诱发地震（人类活动：蓄水、注水、开采）

【考点】地震的本质是地面运动激发结构惯性力，不是"恒定水平力推楼"；关键词：质量、刚度、周期、阻尼、延性。

6.2 世界地震带分布

地震活动与板块边界位置密切相关，大陆与大洋板块之间的交界带极易发生地震。

我国地震分布：

1. 台湾及附近海域
2. 西南地震带（西藏、四川、云南）
3. 西北地震带（新疆、甘肃）
4. 华北地震带（河北、山东）
5. 东南沿海地震带（广东、福建）

6.3 地震基本术语

6.4 地震波类型

（1）体波（在地球内部传播）

（2）面波（沿地表传播）

【考点】S 波和面波（引起水平震动、振幅大）是造成结构破坏的主要原因。

6.5 地震三要素

（1）震级（Magnitude）

定义： 表示地震本身的大小和能量释放

特点：

• 一次地震只有一个震级
• 每增加 1 级，能量增大 32 倍
• 跨 2 级能量约放大 1000 倍（如 M6 与 M8 相比）

常见震级：

• M<3：微震/弱震，一般无感
• 3~4.5：有感地震
• 4.5~6：中强震
• ≥6：强震；M≥7 大地震，可造成严重灾害

理解要点： 震级越大，释放的能量越惊人，但震级大并不意味着每个地点震害都重：烈度还取决于场地条件与结构属性，震级不是场地破坏的直接等价。

（2）烈度（Intensity）

定义： 地面震动和建筑破坏的程度

特点：

• 一次地震有多个烈度
• 距震中越近，烈度越高
• 受震源深度、场地条件影响（浅源地震同震级下烈度更高）

中国烈度分级（12 度）：

（3）地震动参数

三个核心指标：

1. 幅值：加速度峰值（PGA）、速度峰值、位移峰值
2. 频谱特性：能量在不同频率/周期的分布，决定不同周期结构响应的差异
3. 持续时间：地震作用的时长，损伤随时间累积，抗震分析不能只看幅值，还要看频谱与持时

影响因素：

• 场地条件（软土放大效应）
• 结构自振周期与地震波周期匹配
• 多次往复导致累积损伤

7 抗震设防标准

7.1 基本烈度

定义： 该地区在相当长时间内，一般场地条件下可能遭遇的地震烈度

作用： 抗震设防的依据

原则：

• 保证在设定时间内不发生致灾地震
• 经济合理的综合保障手段

【考点】抗震设防烈度6 度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计（一道红线）。

7.2 设防目标（三水准）

大震之下生命安全保障是第一位的：允许结构出现严重损伤，但不得倒塌伤人。防灾目标本身就是"分级"的，而不是要求所有灾害下都完全无损伤。

7.3 场地类别划分

两个关键参数：

1. 覆盖层厚度：反映软弱层规模
2. 等效剪切波速：反映土体刚度

场地分类：

判定规则：

• 覆盖层>80m → 直接判为 III 类或 IV 类
• 剪切波速<150m/s → 软弱土层

7.4 抗震措施调整

设防类别调整：

• 甲类（特殊设防）：地震作用按批准的特评估报告提高，构造措施更严
• 乙类（重点设防）：地震作用按当地烈度，抗震措施按提高一度要求
• 丙类（标准设防）：按当地基本烈度
• 丁类（适当设防）：抗震措施可适当降低

特殊功能考虑：

• 医院、学校：优先恢复功能
• 交通枢纽：生命线工程，提高设防
• 核电站：特别严格

8 特殊地质问题

8.1 液化现象

定义： 饱和砂土/粉土在地震作用下完全失去抗剪强度，呈现液体特性

发生条件：

• 饱和砂土或粉土
• 地下水位较高
• 地震动作用

危害：

• 地基承载力丧失
• 建筑物倾斜、下沉
• 地面喷砂冒水

处理措施：

• 换填非液化土
• 加密压实
• 排水固结
• 桩基穿过液化层

8.2 软土场地效应

特点：

• 长周期地震波被显著放大
• 对高层建筑影响严重
• 可能发生永久变形

设计对策：

• 场地 - 结构耦合分析
• 隔震设计
• 基础形式优化

工程启示： 结构本身设计合理，并不意味着在不良地质环境中一定安全。场地或地基失稳可直接改变结构支承条件，使工程失效。防灾应拓展为"大土木"视角，把勘察、排水、支挡、监测预警都纳入考虑。

9 课堂练习要点

9.1 快速回顾判断题（四类灾害机理）

共同点：灾害并不直接等于"倒塌"，中间存在完整的工程响应与损伤过程。

9.2 思考题示例

10 复习要点总结

必背知识点：

1. 风险公式：风险 ≈ 危险性 × 暴露度 × 易损性；强度相同 ≠ 风险相同
2. 降低风险三条路径：降低危险性、降低暴露度、降低易损性
3. 五层防灾策略：避（源头避让）、抗（直接抵抗）、耗（可控损伤耗能）、控（响应控制：隔震/阻尼器/TMD）、复（快速恢复）
4. 灾害链：灾害 → 作用 → 响应 → 损伤 → 失效 → 损失 → 恢复；工程师任务 = 设置阻断点
5. 防灾理念演变：安全（不倒）→ 性能化（损伤可控、功能要求决定性能目标）→ 韧性（损失小 + 恢复快）
6. 韧性两指标：功能骤降幅度、恢复速度
7. 地震三要素与波型：震级唯一、烈度多点、地震动三参数（幅值/频谱/持时）；P/S/L/R 波中 S 波和面波破坏最大
8. 抗震设防：三水准（小震不坏、中震可修、大震不倒）；场地分类依据（覆盖层厚度 + 等效剪切波速）

重要案例：

• 塔科马大桥：风振（涡激 + 颤振）导致倒塌，风灾的重点在风振而不只在风压
• 墨西哥城地震：软土放大长周期波、周期匹配共振
• 某 30 层科研楼：多灾害综合识别与"避抗耗控复"配置
• 办公楼 vs 应急医院：同样的损伤，功能要求决定性能目标

易错点提醒：

• 震级 vs 烈度：震级唯一，烈度多点
• 能量放大：每级 32 倍，跨两级约 1000 倍
• S 波比 P 波破坏性大（水平震动）；面波振幅最大
• 软土场地对长周期波有放大效应；距震中远 ≠ 震害轻
• 韧性不是"零损伤"，而是"快速恢复"；不倒 ≠ 无损伤 ≠ 功能不中断
• 防灾不等于把结构做强；构件越粗越硬 ≠ 越安全；医院建在滑坡区应优先避让/换址

可能考题形式：

• 选择题：地震波类型、场地分类、设防水准、韧性比较（损失 + 恢复同时看）
• 判断题：四类灾害作用机理（恒定水平力推楼、风压 vs 风振、材料高温退化、场地灾害致失效）
• 简答题：降低风险三路径、“避抗耗控复"五层策略、安全→性能→韧性的演变
• 案例分析：给定工程条件（如 30 层科研楼）识别灾害风险并按五层策略提措施