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地震与抗震设计
王受之

5月11号我从广州飞回洛杉矶，12日一到家就听说四川省汶川发生7.9级的大地震的消息，这个月我才刚刚去过成都，很难想像地震这么突然就爆发了，而且造成这么大的损害，看到报道非常震惊，在这里哀悼死难，祈祷平安，希望救灾工作尽快顺利进行，也希望救灾抗震部门能对之后的余震有所防范。
我长年居住的加利福尼亚洛杉矶，处于美国特别大的地震带——圣安德列斯断层上，我自己就曾亲身经历过两次接近7级的地震，1994年那次大约是6.7级，但是地震在凌晨，地动山摇的恐惧依然记忆清晰，而这次四川大地震比我经历的那次要强十倍，新闻上看到山石倾泻，掩埋整个城镇，惨烈程度难以想象。
地震是指由地震波所造成岩石圈的振动。自然现象和人为因素都能造成地震波。地震的强弱可用地震仪来测量。目前衡量地震大小的标准主要有震级和烈度两种。震级是地震强度大小的一种度量，根据地震释放能量多少来划分。目前国际上一般采用美国地震学家查尔斯•弗朗西斯•芮希特和宾诺•古腾堡于1935年共同提出的震级划分法，即现在通常所说的里氏地震规模。里氏规模是地震波最大振幅以10为底的对数，并选择距震中100千米的距离为标准。里氏规模每增强一级，释放的能量约增加31倍。小于里氏规模2.5的地震，人们一般不易感觉到，称为小震或微震；里氏规模2.5-5.0的地震，震中附近的人会有不同程度的感觉，称为有感地震，全世界每年大约发生十几万次；大于里氏规模5.0的地震，会造成建筑物不同程度的损坏，称为破坏性地震。里氏规模4.5以上的地震可以在全球范围内监测到。有记录以来，历史上最大的地震是发生在1960年5月22日19时11分南美洲的智利，根据美国地质调查所，里氏规模达9.5。
而烈度则是指地震对地面所造成的破坏和影响程度，由地震时地面建筑物受破坏的程度、地形地貌改变、人的感觉等宏观现象来判定。地震烈度由意大利火山学家麦卡里于1902年提出，从感觉不到至全部损毁分为1-12度。5度以上才会造成破坏。
地震的地理分布受一定的地质条件控制，具有一定的规律。一般来说，地震大多分布在地壳不稳定的部位，特别是板块之间的消亡边界，形成地震活动活跃的地震带。全球地震主要分布在两大区带上。一是环太平洋地震带，包括南、北美洲太平洋沿岸，阿留申群岛、堪察加半岛，千岛群岛、日本列岛，经台湾再到菲律宾转向东南直至新西兰，是地球上地震最活跃的地区，集中了全世界80%以上的地震。另一条地震带是在太平洋板块和美洲板块、亚欧板块、印度洋板块的消亡边界，南极洲板块和美洲板块的消亡边界上。
而这次发生大地震的四川，则是在第二条断裂带上，这条断裂带是喜马拉雅－地中海地震带，大致从印度尼西亚西部，缅甸经中国横断山脉，喜马拉雅山脉，越过帕米尔高原，经中亚细亚到达地中海及其沿岸。
地震产生的地震波可直接造成建筑物的破坏甚至倒塌；破坏地面，产生地面裂缝，塌陷等；发生在山区还可能引起山体滑坡，雪崩等；而发生在海底的强地震则可能引起海啸。余震会使破坏更加严重。地震引发的次生灾害主要有建筑物倒塌，山体滑坡以及管道破裂等引起的火灾，水灾和毒气泄漏等。此外，当伤亡人员尸体不能及时清理，或污秽物污染了饮用水时，有可能导致传染病的爆发。在有些地震中，这些次生灾害造成的人员伤亡和财产损失可能超过地震带来的直接破坏。
长期以来，人们就期望能够预报地震，以便在地震发生之前做好准备，减小地震灾害的损失。早在中国东汉时期，张衡就发明了地动仪，并于公元138年记录到陇西大地震, 但只是对地震发生后的一种记录仪器，并不能对地震做任何预测。一般认为，科学的地震预报应该对一次地震发生的时间、地点和震级作出较为准确的判断。但由于地球内部活动的复杂性以及人类对此缺乏有效监测手段和预报模型，时至今日，地震预报技术尚不完善，成功的例子很少，地震预报仍是当今世界科学的一大难题。
目前全球范围内已经建立了比较广泛的地震监测台网，科学家们还通过超深钻井等手段获取更多的地球内部信息。但是人类地震预报的水平还仅限于通过历史地震活动的研究，对地震活动做出粗略的中长期预报。在短期和临震预报方面主要还是依靠传统的地震前兆观测和监测。
世界上首次成功预报的地震是1975年2月4日发生在中国辽宁海城的里氏7.3级地震。中国的地震部门在震前数小时正式发布了临震预报，当地政府及时采取了防护措施，疏散了大量居民。据信这次成功的预报避免了数万人的伤亡。据国内的媒体报道，四川这次地震以前，有动物搬家、水库突然干枯的迹象，有人认为这是地震前兆，属于地震特别是较大的地震发生之前的各类异常现象。地震前兆分为宏观前兆和微观前兆，前者可以由人的感觉器官直接觉察，如动植物、地下水等的异常以及地光、地声等。后者不能被人的感觉器官直接觉察，需用专业仪器才能测出，如地形变、地磁场、重力场、地温梯度、地应力的异常等。对地震前兆的观察和监测是地震临短期预报的重要手段。我看网上有蟾蜍大搬家的报导，并且不仅仅一个地方发生这种奇特的情况，武汉动物园的动物也狂躁不安，大概和地震也是有些关系，但是要预测地震，单靠这些迹象是不足的。
我在加州的家里经历了几次地震之后，对地震防护也有了一点点体会。房屋震动，第一反应是逃出去，但是建筑外部高空坠物反而是导致伤亡的一个非常主要的原因，事实上，在地震发生时，关键是保持清醒的头脑，正确的防护对于保证生命安全，减少人员伤亡是至关重要的。
如果震的时候在室内，应先关闭煤气，可暂时躲避在坚实的家具旁或墙角、厨房、卫生间等承重墙较多，跨度较小的地方，注意避开外墙体等薄弱部位，并且可以使用枕头、被子等物，或直接用双手保护头部。躲避在坚固的家俱旁能在建筑物倒塌时提供一些空间，而对于规模较小的地震，在家俱下躲避能防护掉落物对人的伤害。主震过后，应迅速撤至户外，在高层建筑内的人员应尽量避免乘坐电梯。在室外可跑向比较开阔的空旷地区躲避，避免聚集在高层建筑及高压输电线下方。如在山区还要注意山崩和滚石，可寻找地势较高处躲避。地震中被埋在废墟下的人员，若环境和体力许可，应设法逃生。如无力脱险自救，应尽量减少体力消耗，等待救援人员。
对于象汶川发生的大地震来说，如果在震中地区，没有什么建筑可以抵御如此狂烈的震动，但是通过建筑设计来抗震，还是减少伤亡和损失的重要方法。近年来，国外科学家运用现代科技，设计建造了不少新型抗震建筑。地震高发区日本在这方面特别有经验，他们设计了一种叫做“弹性建筑”，有比较好的抗震性能。日本在东京建筑了12座弹性建筑物。经东京发生的里氏6.6级地震能量的考验，证明在减轻地震灾害方面效果显著。这种弹性建筑物建在隔离体上，隔离体由分层橡硬钢板组和阻尼器组成，建筑结构不直接与地面接触。阻尼器由螺旋钢板组成，以减缓上下的颠簸。
美国也因为地震频繁，因此在建筑设计上很突出注意抗震性能，其中一种比较成功的叫做“滚珠大楼”建筑。在硅谷最近兴建了一座电子工厂大厦，它采用一种抗震新法，即在建筑物每根柱子或墙体下安装组成的不锈钢滚珠，由滚珠支撑整个建筑，纵横交错的钢梁把建筑物同地基紧紧地固定起来，当发生地震时，富有弹性的钢梁会自动伸缩，于是大楼在滚珠上会轻微的前后滑动，可以大大减弱地震的破坏力。
第三种抗震建筑类型以日本的“弹簧大楼”为代表，日本鹿岛建筑部门发明了一种新的防震大楼营造法。其特点是，由弹簧把连着地基的基础部分和建筑物主体分开，让建筑物主体处于一种漂浮状态，而弹簧正是一种能吸收地震和其他振动冲击的中介物，无论地基怎样摇晃，建筑物都不会受到强烈的冲击。实验证明，烈度6—7度的地震摇晃，传到这种建筑物时也将减到原来的十分之一。
地震造成的主要伤亡是在地震期内发生的，因此，建筑设计上采用防震措施，对于减少伤亡有很正面的作用。
这次汶川大地震是有记录最大的地震之一，因此伤亡十分惨烈。在这里，再次为死难者和幸存者祈祷，希望天佑我华夏子民！也希望中国建筑界能象美国和日本一样，对地震引起足够的重视，在地震带的建筑设计上注意研发抗震建筑，以避免将来灾害发生时的损失！