海啸研究

引言

16WCEE专门设立一个专题针对规范ASCE 7-16中海啸荷载及影响进行研讨，这也是此次会议的一个重要亮点，共有8个报告汇报了相关内容，包括规范修订的背景介绍、设计标准与加载示例、设计目标可靠性、基础结构设计、发展2500年重现期的海啸淹没图等。下面对该规范修订的过程及内容进行整理，以飨读者。

1. 背景介绍

2010年智利8.8级地震和2011年东日本9.0级地震造成了沿岸大量建筑物、桥梁及港口设施的严重破坏。不过，仍有部分混凝土及钢结构建筑物仅遭受非结构构件破坏，尤其是严格按照高标准抗震要求设计的结构。事实证明，沿岸建筑在进行结构设计时必须考虑海啸波淹没海岸和高速流动所形成的荷载。

2011年2月，美国土木工程师协会（ASCE）成立一个子委员会——海啸荷载与影响委员会（TLE），由16名正式委员和14名准委员组成。他们耗费了4年半时间修订ASCE标准，增加一个新的章节，即第6章，海啸荷载及影响，为沿海结构设计提供如何考虑海啸荷载的具体条款。这些设计条款在2016版本中已经得到批准，2018版本的国际建筑规范（International Building Code）也将参考此部分内容。

ASCE 7-16作为第一个加入海啸防御内容的规范，将在美国西海岸五个州（阿拉斯加、华盛顿、俄勒冈州、加利福尼亚州和夏威夷）实施，其计算方法和原理不仅对我国沿海海啸防御有借鉴意义，对于其他海啸风险较高的国家修改进行规范修订具有重要的参考作用。

2. 美国海啸荷载研究历程

在美国第一个也是唯一一个采用海啸设计条款的标准是夏威夷的檀香山市县规范。早期的规范都是基于1980年Dames和Moore关于海啸荷载的实验室研究成果。在经历了日本和东南亚一系列破坏性海啸之后，华盛顿州应急管理中心在2001年组织了一个研讨会，联合海啸科学家和结构工程师共同商讨海啸设计条款的发展。这个研讨会最终促成了一个研究项目，由Yeh、Robertson和Preuss负责研究沿海建筑物考虑海啸荷载的可行性。最终的研究报告作为ATC 64项目的基础，发展FEMA P-646，即海啸垂直疏散结构的设计指南。2004年印度洋海啸造成的巨大破坏极大的推动了海啸研究，更多的实验室开始进行海啸荷载与影响的研究，其中包括NEESR-PBTE项目，发展基于性态的海啸工程，随后还有NEESR-海啸残骸冲击项目，研究海啸后水面漂浮物的冲击力。2011年2月由Martin & Chock公司的Gary Chock领衔的30名专家组成海啸荷载与影响委员会（TLE），隶属于ASCE。一个月之后日本发生9.0级地震海啸，该委员会立即深入现场，通过实际震害调查验证已有的实验室结果。2012年，国际建筑规范（IBC）采用FEMA P-646作为其一项附录，用于设计海啸垂直疏散结构和其他海啸淹没区域的重要建筑。借鉴东日本海啸的教训，FEMA资助ATC修订FEMA P-646，并于2012年出版第二版。TLE委员会组织起草的海啸设计条款于2014年6月投递至ASCE7进行评审。经过8轮投票、超高1000多条评论，这些条例最终获得通过，作为ASCE7标准2016版本的第6章。这些内容已获准将被应用于IBC的2018版本，用于美国西海岸的5个州（阿拉斯加、华盛顿、俄勒冈州、加州和夏威夷）。

图1. 美国海啸荷载研究历程

3. 海啸荷载设计要求

类似抗震要求，该规范根据功能和重要程度，将建筑物分为四类：IV类，表示所有必要的和关键性的建筑，一旦失效对整个社区形成重大影响的建筑，例如医院、应急指挥中心等；III类，大型常住建筑，一旦倒塌对人的生命安全造成极大风险；II类，其他绝大多数建筑，例如居民楼、办公楼、仓库等；I类，非常住建筑，对人类构成极小风险。规范规定海啸设计地区的III类和IV类建筑和结构在设计时必须考虑海啸荷载影响；对于位于海啸设计区内的II类建筑，如果高度足够能够作为应急避难场所，鼓励其设计时考虑海啸荷载影响；I类建筑则不需要考虑海啸荷载影响。

该规范考虑海啸引起的荷载类型有四类：（1）静水压力、浮力及残留水体的重力荷载；（2）动水压力和动水抬升力；（3）水面漂浮残骸冲击力；（4）基础受冲刷和基础土的孔压软化影响。每种类型都规定了相应的计算方法和步骤。

4. 海啸设计区域确定

规范规定只有在海啸设计区内的建筑才考虑海啸荷载的影响，并给出了美国西海岸五个州的海啸设计区域，具体步骤如下：

1. 识别确定对沿海有影响的海啸潜源及潜源构造参数。

2. 在离海岸等深线100米位置，计算重现期2500年的海啸波高，采用Thio等在对美国加州地区进行概率海啸危险性评价时给出的方法。

假定潜源地震在时间上服从泊松分布，那么在一定时间内，给定地震的发生概率是:

其中，s是震级，t为时间间隔。某一点海啸波高超过某一个值的概率为：

其中，f(m)是震级为m的地震发生率，P(A > s|m, r)是r潜源发生震级m的地震时，海啸波高高于s的概率，P(r|m)是震级为m的地震发生在潜源r的概率。

3. NOAA预先将全球俯冲带划分为几百个100公里长和50公里宽的破裂单元，设定平均滑移量为1米，通过数值模拟给出了全球海啸模拟波高数据库。针对某沿海场点，对第二步PTHA结果进行解耦，可获得不同潜源的贡献率。选取其中贡献率较大的潜源，利用最小二乘法，变化破裂单元的滑移量，逼近第二步求解的PTHA波高值与数据库中波高值，反演求解最佳破裂单元和滑移量确定设定地震。

4. 对该设定地震，利用沿岸高精度的数字高程和海洋水深地图数据，进行精细的海啸淹没数值模拟，绘制海啸淹没区，即为海啸设计区（Tsunami Design Zone）。

然而进行海啸荷载计算时，还需要有陆地上任意场地的水流淹没深度和速度，规范给出了两种计算方法:

1. 数值方法，类似于获得海啸设计区，利用淹没数值模拟计算给出陆地的二维淹没深度和水流速度。

2. 能量方法，利用海啸爬高和淹没距离（定义如图3所示），通过假设陆地为一系列线性的斜面，基于能量原理，计算淹没深度和水流速度。

两种方法各有优势，能量方法计算方便，模拟方法更加精确，能够获得二维结果，但是需要非常高精度的高程和水深数据。规范规定对于IV类建筑，如果采用能量方法计算得到结构所在场地的淹没深度大于12英尺，那么必须采用模拟方法，并且所有海啸设计区内的垂直避难建筑必须采用模拟方法。

图2. 海啸淹没及爬高示意图