如今40年过去了，如果40年前的那次地震在今天的唐山再次发生，将会怎样？针对这个问题，清华大学土木工程系在唐山市及清华同衡规划设计研究院的支持下，采用课题组开发的城市抗震动力弹塑性分析方法，对当前唐山市中心约23万栋建筑进行了震害模拟，并分析了当前唐山市的建筑抗震设防水平，模拟技术细节参见本文的第三节“相关技术支撑”。
2.1 建筑震害模拟结果
由于唐山地震没有记录到近场主震记录，我们从FEMA（美国联邦应急管理署）P695报告中挑选了4条代表性近场地震记录（中国台湾Chichi记录震级为7.6级，土耳其Kacaeli记录震级为7.5级，美国Denali地震震级为7.9级），其震级和唐山地震（7.8级）相当。并按照胡聿贤等建议的衰减关系，将其输入到每个建筑物，得到每栋建筑物不同时刻不同楼层的震害过程。
唐山市23万栋建筑的震害分布如图2.1、图2.2所示。地震响应动画如视频所示。
(b)区域震害结果局部视角
(c)区域地震场景整体视角（t=34.5 s，不同的颜色代表位移的大小）
(d)区域地震场景局部视角（t=34.5 s）
图2.1 唐山市23万栋建筑震害模拟结果（ChiChi地震动输入）
(a)区域震害结果整体视角
(b)区域震害结果局部视角
(c)区域地震场景整体视角（t = 29.0 s，不同的颜色代表位移的大小）
(d)区域地震场景局部视角（t = 29.0 s）
图2.2 唐山市23万栋建筑震害模拟结果（Denali地震动输入）
GIF动画1：中国台湾集集地震动下的建筑动态响应
基于上述震害模拟结果，唐山市23万栋建筑在4个地震动下震害分布的情况如图2.3所示。
(b) KOCAELI_Yarimca地震动（7.5级）
(d) DENALI_PS10317地震动（7.9级）
图2.3 唐山市建筑震害预测结果
具体而言，不同地震动下建筑不同破坏程度的比例及汇总结果如表2.1所示。
表2.1 不同地震动下建筑不同破坏程度的比例（面积比）
地震动
结构类型
完好或
轻微破坏
中等
破坏
严重
破坏
损坏
CHICHI
TCU065
设防结构
0.0%
35.2%
64.8%
0.0%
非设防结构
0.0%
0.3%
8.7%
91.0%
汇总
0.0%
28.4%
53.8%
17.7%
KOCAELI
Yarimca
设防结构
0.0%
22.8%
75.8%
1.5%
非设防结构
0.0%
0.0%
3.0%
97.0%
汇总
0.0%
18.4%
61.7%
20.0%
CHICHI
TCU067
设防结构
0.0%
6.9%
80.2%
12.9%
非设防结构
0.0%
0.0%
5.2%
94.8%
汇总
0.0%
5.6%
65.7%
28.7%
DENALI
PS10317
设防结构
0.0%
0.4%
58.2%
41.4%
非设防结构
0.0%
0.0%
2.6%
97.4%
汇总
0.0%
0.3%
47.4%
52.3%
平均值
设防结构
0.0%
16.3%
69.7%
14.0%
非设防结构
0.0%
0.1%
4.9%
95.0%
汇总
0.0%
13.2%
57.2%
29.7%
由表2.1可知，在PGA（地面峰值加速度）相同的情况下，由于CHICHI_TCU067和DENALI_PS10317的反应谱强度显著强于其他两个地震动（详见图3.6），因此其破坏比例也明显要高一些。
2.2 次生火灾模拟结果
此外，唐山地震发生后紧接着就下雨，因此没有发生严重的次生火灾。而1906年美国旧金山大地震、1923年日本东京关东大地震、2011年日本311大地震都曾引发严重的次生火灾，因此本研究团队在震害模拟基础上，对地震次生火灾也进行了模拟。采用回归模型计算得到初始起火建筑数量约为544栋，随机选定初始起火位置，进行5次模拟，得到结果如图2.4所示：在不考虑消防救援的条件下，总起火面积约3.1~3.4km2，占建筑总占地面积的9%~10%。
图2.4 起火建筑占地面积随时间的变化曲线
图2.5 地震次生火灾模拟的结果
GIF动画5：次生火灾蔓延动画（全局视角，西风，6m/s）
2.3 分析与讨论
通过对模拟结果的分析发现：
（1）唐山市建筑抗震能力显著提高，设防建筑抗震能力显著优于非设防建筑
根据苏幼坡等统计的唐山大地震的实际震害结果（图2.6），所研究区域在1976年唐山大地震时倒塌率超过80%。模拟结果（表2.1）显示4条地震动下所有建筑的平均倒塌比例为29.76%，因此目前唐山市建筑的抗震能力比1976年超过80%的倒塌比例已经有显著提高。这29.76%的倒塌比例很大程度上是由于大量的老旧未设防建筑导致的。进行过抗震设防的建筑，其平均倒塌比例13.95%，而未设防的建筑，平均倒塌比例达到了95.03%。所以，建筑抗震设防对提高其抗震性能具有决定性的作用。今后应对未设防建筑尽快逐步更新或加固，以解决城市抗震防灾能力的短板。
（2）震后城市重建成本极高，提高城市的抗震“韧性” （Resilience）极为重要
即便是对于设防结构，超过中等破坏的建筑物比例也达到了83.67%，这些建筑基本都不存在修复的价值或可能性。因此，如果1976年唐山地震再次发生，虽然人员伤亡率会得到有效控制，但是基本上整个城市都要重新建设，粗略估算重建面积超过一亿平方米，其经济代价及环境、资源代价都非常高昂。类似问题在国外已有众多先例，如2011年新西兰基督城发生6.3级地震，虽然基督城的高层建筑无一倒塌，但是因损伤严重没有修复价值，大半被迫拆除重建，造成重大经济损失和社会影响。所以，提高城市的抗震“韧性” （Resilience）极为重要。
重要说明：未来地震发生具有很大的不确定性，特别是对于唐山这样近代发生过大地震的城市，未来地震肯定不会和1976年的地震一模一样。因此，上述分析是基于1976年地震的情景模拟，其宏观统计分析结果对城市抗震防灾具有参考价值，但一般不适用于某个具体单体建筑的抗震评价及震害预测。
3.1 建筑数据
此次分析的对象为唐山市区，清华同衡规划设计研究院提供了唐山市230,683栋建筑的必要信息，包括结构类型、建造年代、层数等。按照建筑面积统计，不同年代的建筑分布如图3.1所示，不同结构类型的房屋分布如图3.2所示。
图3.2 建筑类型比例（按照建筑面积统计）
3.2 分析模型
基于课题组提出的城市抗震动力弹塑性分析方法，采用多自由度剪切层模型和多自由度弯剪层模型对建筑物建模（图3.3），相关模型介绍参见：
[1] Parameter determination and damage assessment for THA-based regional seismic damage prediction of multi-story buildings, Journal of Earthquake Engineering, 2016. DOI: 10.1080/13632469.2016.1160009.
[2] A nonlinear computational model for regional seismic simulation of tall buildings, Bulletin of Earthquake Engineering, 2016, 14(4): 1047-1069.
3.3 地震动输入
(a) CHICHI_TCU065
(b) KOCAEL_Yarimca
(c) CHICHI_TCU067
(d) DENALI_PS10317
图3.4 四条近场地震动未调幅时程曲线
由于目标区域范围较广，单一的地震动输入和实际情况相差较大，此次模拟采用胡聿贤等提出的地震动PGA衰减关系，按照唐山大地震的震级和各个建筑距离震中的距离，得到如图3.5所示的地震动PGA的分布图，以此作为各个建筑地震动的输入参数。按照图3.5的衰减关系，将四条近场地震动调幅后得到震中附近的地震动反应谱，如图3.6所示。可见震中附近地震动反应谱显著高于我国抗震规范规定的9度罕遇地震反应谱。
(b) KOCAEL_Yarimca
(c) CHICHI_TCU067
(d) DENALI_PS10317
(e) 反应谱对比
图3.6 调幅后震中附近的地震动时程曲线和反应谱曲线
3.4 地震次生火灾模拟
课题组基于任爱珠教授、赵思健等的工作，编写了地震次生火灾模拟程序。程序采用回归模型计算起火建筑数量，采用火灾蔓延物理模型模拟火灾蔓延的两个重要因素，即热辐射、热羽流，考虑了风向、风速、结构类型、震害程度等的影响。主要参考文献如下：
[1] The simulation of post-earthquake fire-prone area based on GIS. Journal of Fire Sciences, 2004, 22: 421-439.
[2] GisFFE-an integrated software system for the dynamic simulation of fires following an earthquake based on GIS. Fire Safety Journal, 2010, 5(2): 83-97.
[3] A Physically-based model for urban fire spread. First Safety Science－Proc. Seven International Symp.. 2002, 129-140.
3.5 不同地震动衰减关系的影响
此外，考虑到地震动衰减关系的不确定性，我们在中国地震局俞言祥研究员等的支持下，采用第五代区划图推荐的衰减关系，生成了唐山地震PGA分布如图3.7所示。采用该衰减关系及图3.2的四条地震动记录，也可以得到相应的震害预测结果，总体规律和表3.1基本一致，只是由于第五代区划图推荐的衰减关系计算得到的PGA（图3.7）更大，因此震害更严重一些，如表3.1所示。如果将图3.7和图3.5相结合，将震中附近PGA根据图3.5降低到0.85g左右，则震害又会小一些（表3.1）。
表3.1 按照第五代区划图衰减关系得到不同破坏程度的比例（面积比）
震中附近PGA
结构类型
完好
轻微破坏
中等破坏
严重破坏
损坏
1.16g
设防结构
0.0%
0.0%
5.5%
76.0%
18.6%
非设防 结构
0.0%
0.0%
0.0%
2.5%
97.5%
汇总
0.0%
0.0%
4.4%
61.8%
33.8%
0.85g
设防结构
0.0%
2.5%
28.3%
58.6%
10.5%
非设防 结构
0.0%
0.0%
0.6%
8.1%
91.3%
汇总
0.0%
2.1%
23.0%
48.8%
26.2%
课题组在城市抗震动力弹塑性分析方面已经积累了比较便捷的方法。因此，本次唐山震害模拟主要由本科生程庆乐等完成，从拿到初步数据到完成上述分析用时不足2个月（大部分时间用在数据的检查、核对和完善上）。与此同时，由于城市抗震动力弹塑性分析还是一个新生事物，我们的工作一定有很多缺点和不足，也请同行批评指正。希望与国内外同行共同合作，为提高我国城市的抗震水平而努力。