斯坦福大学：9.19墨西哥地震现场调查报告
2017年9月19日Puebla-Morelos地震墨西哥城倒塌建筑物初步统计(Preliminary Statistics of Collapsed Buildings in Mexico City in the September 19, 2017 Puebla-Morelos Earthquake)
Francisco Galvis, Eduardo Miranda, Pablo Heresi, Héctor Dávalos and José Ramón Silos
John A. Blume Earthquake Engineering Center
Department of Civil and Environmental Engineering
Stanford University
清华大学孙楚津翻译整理
摘要：2017年9月19日，一场7.1级（矩震级Mw）中源正断层(intermediate-depth normal-fault)地震发生在距墨西哥城约120km的地方。这场地震造成墨西哥城46幢结构倒塌并导致219人死亡。这是自1985年9月19日8.1级（面波震级Ms）地震以来袭击墨西哥城的最强地震。这是一份对倒塌建筑物特征的初步研究。研究显示，大多数倒塌建筑物不足10层且主要位于1987年墨西哥城建筑规范小区划的IIIa区和IIIb区，其特征是软粘土沉积物总厚度介于25m到40m之间且振动卓越周期介于1s到2s之间。研究还显示，尽管与1985年相比地震袭击的地区和建筑物高度有所不同，倒塌建筑物的特征仍有许多相似之处。与1985年地震类似，多数倒塌建筑物的抗侧力体系是钢筋混凝土板柱体系。倒塌主要发生在1985年前建成的建筑物中，此外，57%的倒塌建筑具有软弱层。板柱抗侧力体系和软弱层都早已被认定为建筑抗震的薄弱环节。这突出表明，或许发布法令对位于墨西哥城古湖床的建筑物进行评估或抗震升级是必要的，这些建筑物具有的这些特征会使它们在未来地震中可能面临倒塌的危险。
1.介绍
墨西哥在Cocos板块内有着中源正断层地震的悠久历史。一些地震造成了大规模的破坏，譬如1931年造成严重破坏的发生在Oaxaca的7.8级地震(Singh et al. 1985)，1958年造成Michoacán州和墨西哥城部分地区破坏的7.7级地震(Singh et al. 1996)，1980年摧毁了Oaxaca Huajuapan 37 39820 37 14988 0 0 4488 0 0:00:08 0:00:03 0:00:05 4488de León的7.0级地震(Yamamoto et al. 1984)，以及1999年导致震中附近地区许多土坯房屋破坏并且导致Puebla市殖民地建筑破坏的7.0级地震(Singh et al. 1999; Yamamoto et al. 2002)。此外，在1985年灾难性的Michoacán 8.1级地震发生过后，墨西哥联邦地区建筑规范得以修改，明确了在评估墨西哥城地震灾害时将中源正断层地震（例如，一场震源深度80km的6.5级地震被认为是这一分组的代表）考虑在内(Rosenblueth et al. 1989)。最近，几项研究提出了地震动的预测模型，这些模型的具体目的是评价墨西哥Cocos板块内发生的中源正断层地震引起的地震动强度(García et al. 2004, 2005; Ordaz and Singh 1992; Pacheco and Singh 1995)。
2017年9月19日当地时间13:14(18:14 UTC)，一场震中靠近Puebla州和Morelos州交界处的矩震级7.1级地震袭击了墨西哥的中心地区，导致墨西哥城44幢建筑物、一座人行天桥和一座连接两幢建筑的人行桥的倒塌。根据Servicio Sismológico Nacional（墨西哥国家地震局）的记录，本次地震发生在Cocos板块内部中源深度57km处，地震为板内-正断层机制，走向112°，倾角46°，滑移角-93°。震中位于18.40°N，98.72°W，Morelos的Axochiapan东南12km处，距墨西哥城约120km。墨西哥城到断裂带的最近距离约为105km (Servicio Sismológico Nacional, 2017)。USGS定位震中在18.546°N，98.487°W，震源深度51km，他们同时报告了走向108°、倾角47°、滑移角-98°的正断层震源机制(U.S. Geological Survey 2017)。
本文对Puebla-Morelos 7.1级地震中墨西哥城44幢倒塌建筑物的特征初步评估进行了介绍，同时也对墨西哥城抗震规范进行了非常简短的历史介绍。本篇报告基于作者于2017年9月19日至9月24日间现场勘查获取的数据，并补充了截至2017年9月27日其他来源的信息。
2.规范对比
1957年至1985年间，墨西哥城抗震规范的演变极大地受到了1957年震中距256km的7.6级地震以及平均每五年发生的一些中等强度地震的影响(Esteva 1987)。1957年的地震证明墨西哥城的软土沉积层可能对某些类型的结构产生破坏性的影响，这意味着在计算城市不同地区的设计作用力时有必要具体考虑土壤类型。
图1展示了1976年墨西哥城规范中所述的小区划，城市根据土壤情况划分为三个区域：丘陵区、过渡区和湖区。在1985年Michoacán地震之前，这份土壤小区划广泛用于结构设计，但Michoacán地震再次表明需要更好的土壤类型表征和更严格的结构设计要求(Meli and Miranda 1985)。这幅图也用品红色标志标记了2017年Puebla-Morelos地震中44幢倒塌结构的位置，这一点将在下一节进行阐述。很明显，倒塌既发生在过渡区，也发生在湖区的浅层沉积区域。
在1942年和1966年早期抗震规范之后，墨西哥城于1976年引入了新的抗震设计规范，新规范建议使用结构类型和周期依赖的折减因子计算设计作用力。值得一提的是，这部规范涵盖了板柱体系的分析设计，这一体系在1985年的地震中被证明是极其低效的地震抗侧力体系。1985年Michoacán地震大规模破坏和大量结构倒塌的主要因素，是地震中观测到的相对长周期的频谱坐标与1976年抗震规范中规定的设计反应谱值存在巨大差异(Esteva 1987)。
图1.1976年规范中墨西哥城的小区划。品红色标志表示2017年Puebla-Morelos地震中倒塌结构的位置。
在1985年Michoacán地震之后，1987年又引入了新版本的规范(NTCS-87 1987)。这本规范引入了更高的设计反应谱坐标，以及更严格的结构设计、结构构件构造、施工质量和监督的标准。对于设计反应谱而言，新版本过渡区和软土区的坐标值提高了约66%，同时折减因子也进行了下调，这将使设计作用力变为1976年这两个区域的结构所使用的数值的2到2.5倍。为了考虑某些结构设计中的土体-结构相互作用的影响，1987年规范写入了墨西哥城的标准化周期曲线和粘土沉积标准化厚度曲线(Gómez and García-Ranz 1988)。这一信息在图2(a)和图2(b)中进行了展示，图中也用标志标记了2017年Puebla-Morelos地震中倒塌结构的位置。从这些图片可以看出，这场地震中倒塌的结构建造在土壤沉积物上，振动卓越周期在1.0s到2.0s之间，这样的卓越周期与20m到45m厚的软粘土沉积大致相近。
图2.(a)1987年抗震规范中墨西哥城的土壤沉积标准化周期。(b)1987年抗震规范中墨西哥城的粘土沉积标准化厚度。品红色标志表示2017年Puebla-Morelos地震中倒塌结构的位置。
目前墨西哥城使用的抗震规范是2004年引入的，相比1987年的版本作了一些修订(NTCS-04 2004)。其中一条修订是将1987年的区域III细分为四个子区域。因此，目前墨西哥城结构设计作用力的确定需要依据六种不同的区域。图3展示了城市目前的小区划，图中也用标志标记了2017年Puebla-Morelos 7.1级地震中倒塌结构的位置。在这种情况下可以观察到，倒塌的结构集中在现行规范的IIIa区和IIIb区。
如前所述，这些区域内的软土沉积物的卓越周期介于1s到2s之间。这样的软土卓越周期，加上2017年地震相对近场的频率成分，以及下一节将提到的结构弱点，共同成为观察到的具有柔性结构体系的1到10层结构产生损伤的关键因素。
图3.墨西哥城2004年抗震规范中的土壤类型小区划
图4展示了1976年、1987年和2004年墨西哥城抗震规范中两种不同的土壤类型区域的抗震设计反应谱对比。图4(a)比较了1976年规范过渡区和1987年、2004年规范区域II的一处场地。1976年规范平台段幅值为0.2g，周期介于0.5s到2.0s之间。另一方面，最新的两本规范的幅值明显更高，为0.32g。这两部规范的平台段长度十分相近，周期介于0.2s左右到1.4s左右之间。图4(b)展示的反应谱对应于1976年规范的软土场地、1987年规范的区域III场地和2004年版本的区域IIIb场地。1976年抗震规范的设计反应谱平台段幅值0.24g，周期介于0.8s到3.3s之间。1987年和2004年这两本最近的规范的平台段幅值分别为0.4g和0.45g。1987年版本的规范平台段周期介于0.6s到3.9s之间，而对于2004年规范，周期则介于0.85s到3s之间。
图4.两种不同土壤类型地区的设计反应谱。(a)1976年规范的过渡区和1987年、2004年规范的区域II。(b)1976年规范的软土区域、1987年规范的区域III和2004年规范的区域IIIb
3.倒塌统计
以下的统计总结了斯坦福的John A. Blume地震工程中心团队的勘查工作所获取的信息，并用来自报纸和社交媒体的信息做了补充(Ruiz 2017; López Linares et al. 2017; The Huffpost 2017)。每幢建筑物地震前的结构特征利用谷歌街景通过肉眼观察的方式获得，结构体系根据对每幢建筑震前震后照片的研究判定。总共有46个结构由于地震而倒塌，包括44幢建筑物、一座人行天桥和一座连接两幢建筑的人行桥。这一节总结了44幢倒塌建筑物的主要特征。
图5展示了倒塌建筑物结构体系的直方图。值得注意的是，44幢倒塌建筑物中有超过60%的结构体系采用的是钢筋混凝土（RC）板柱体系。这一比例相比1985年地震43.3%（91/210）的观测结果更高了(Meli and Miranda, 1985)。板柱体系于20世纪早期开发，作为“无梁”体系，主要适用于承担重力（竖向）荷载，并通过简化模板的方式方便施工。然而，当作为抗侧力体系使用时，这种体系的特点是具有很低的抗侧刚度和容易发生冲切破坏，并且一旦板-柱连接丧失了竖向承载能力就会导致建筑局部或整体的倒塌。1985年地震中，91幢这种结构体系的建筑物倒塌了。在1985年地震几天之后发布的应急规范中，这种结构体系的设计作用力被大大提高以阻止其使用，然而不幸的是，这一结构体系仍然被规范允许并且持续地应用在1985年后建造的建筑物中。图6展示了一幢平板钢筋混凝土建筑整体倒塌的例子。
图5.2017年地震中倒塌建筑物的结构体系分布
图6.位于Viaducto Miguel Alemán 106, Piedad Narvarte的平板体系建筑。(a)2017年9月19日之前（图片来自谷歌街景）；和(b)2017年9月19日之后（The Huffpost 2017）
倒塌的砌体结构数量——在这一结构分组中考虑无筋砌体（URM）和约束砌体墙（CMW）——构成了2017年总倒塌数的近33%。相比之下，在1985年地震中，210幢记录的倒塌建筑物中只有13幢是砌体结构（6%）(Meli and Miranda 1985)。2017年地震的距离更近，使其在反应谱的短周期区域产生了更大的强度，进而导致具有这些结构体系的倒塌建筑物占了更大的比例。
图7(a)显示57%的倒塌建筑物是软弱层结构。当一层楼，通常是地面层，具有显著小于其他楼层的侧向强度和侧向刚度的时候，这层楼就是软弱层。这种结构缺陷通常是由底层存在停车场而上部楼层有很多使其更强更刚的填充砌体墙所造成的。在地震中，集中在软弱层的侧向变形结合上不合适的钢筋构造，会导致柱子发生剪切破坏。一旦剪切破坏发生，柱子通常会丧失其竖向承载能力而产生倒塌。这种结构缺陷可能是引发倒塌的主要原因。图8展示了一个此类结构倒塌的例子。这种破坏在先前的几次地震中都被观察到了。譬如，1994年北岭地震证实了具有软弱首层的木制多层建筑的脆弱性（图9(a)）。同样地，Puebla-Morelos地震也导致具有软弱层的混凝土板柱结构发生了相同类型的倒塌。（图9(b)）。软弱层被证明是1985年地震中引发建筑物倒塌的首要原因，比例达到倒塌建筑的8%(Meli and Miranda 1985)，但是具有这种结构缺陷的倒塌建筑物所占的比例现在明显更高。
图7.(a)软弱层建筑物；(b)角部建筑物；和(c)大致的建筑年龄
图8.位于Balsas 18, Miravalle的具有软弱首层的住宅楼。(a)2017年9月19日之前（图片来自谷歌街景）；和(b)2017年9月19日之后（Pablo Heresi拍摄）
图9(a)1994年北岭地震中倒塌的具有软弱首层的多层公寓建筑(USGS/ D. L. Carver)；和(b)2017年9月19日之后位于Tokio 517, Portales Norte的住宅楼(The Huffpost 2017)
如前所述，具有软弱首层的建筑的损伤进程往往开始于一根或多根首层柱由于集中于本层的水平变形（层间位移）而破坏。除非钢筋混凝土柱有充足的数量和适当配置的横向钢筋（箍筋）以形成延性的塑性铰，否则柱子会遭受脆性剪切破坏。图10展示了一个例子，一幢五层建筑的地面层几乎所有的柱子都发生了剪切破坏，建筑处于倒塌的边缘。
图10. 位于Paz Montes de Oca 93, Col. Gral Anaya的一幢具有软弱首层的RC板柱建筑的柱子发生剪切破坏(Pablo Heresi拍摄)
图7(b)还显示，59%的倒塌结构位于一个建筑街区的角部。这些建筑物通常在面向临近结构的两边有砌体填充墙，但在面向街道的两边没有，这就导致其运动具有强烈的扭转效应（楼面体系绕一垂直轴旋转）。角部建筑的倒塌也是1985年Michoacán地震中的一个普遍问题，这场地震中42%的倒塌建筑物位于街区角部(Meli and Miranda 1985)。值得重视的是，在这场地震中四分之一的倒塌结构（11/44）同时具有结构缺陷、软弱层和坐落于于角部的特征。
关于建筑年龄，图7(c)显示大约90%的倒塌建筑物建于1985年地震以前。这表明依据1985年之后的规范的大多数结构表现得相当好，但是深入研究仍是必须的。另一方面，非常让人担忧的是1985年前建造的建筑物倒塌的原因和32年前无异。这表明1985年地震之后缺少结构评估并且/或者有效的加固方案没有落实到位。此外，可能的累积损伤，特别是无延性钢筋混凝土结构的抗侧刚度退化，可能造成许多这些老楼表现不佳，这值得进一步的研究。
根据收集到的数据，一半的倒塌是整体倒塌，剩下的一半是局部倒塌（图11）。后者包括建筑底部一层或多层的破坏，以及一层或多层中间层的倒塌。值得重视的是，44幢报告倒塌的建筑中的两幢极有可能是临近的更高建筑的倒塌引起的。其中，一起是一幢六层建筑(Bretaña 90, Zacahuitzco)倒塌在了一幢二层建筑上面(Bretaña 92, Zacahuitzco)，另一起是一幢二层房屋(Escocia 33, San Andrés Park)在其临近的五层建筑倒塌时(Escocia 29, San Andrés Park)被拉倒了。
图11.倒塌类型
图12展示了1985年和2017年地震中倒塌结构层数的分布对比。相比2017年地震，1985年地震显然对更高的结构影响更大。这一观察到的结果与地震之间频率成分的差异是一致的，这种差异来自震级的不同和相当大的震源距差异。如前所述，像2017年地震这样更加近场的地震具有更多的高频成分，因此与1985年大震级远场地震相比，预期会对更短周期的结构产生更大的影响。
图12. 1985年和2017年地震中倒塌建筑物层数的分布
4.总结和结论
2017年9月19日，正值1985年Michoacán大地震周年纪念之际，一场中源正断层地震发生在距墨西哥城约120km（75英里）处。这场地震在墨西哥城造成的地震动的峰值加速度在硬土上约为0.05g，在软土上约为0.2g。这场地震造成墨西哥城46幢结构倒塌和219人死亡。
John A. Blume地震工程中心的教师和博士生们在地震当天抵达了墨西哥城，以记录结构的表现。根据他们的勘察和采集的数据形成了针对44幢倒塌建筑特征的初步评估。大多数倒塌的建筑具有以下一种或多种特征：（1）早于1985年的无延性钢筋混凝土结构；（2）具有钢筋混凝土柱支撑平板组成的抗侧力体系；和（3）具有软弱层。另外很普遍的（41%的倒塌建筑物）还有位于街区角部的建筑，这些建筑通常受到更严重的扭转效应。
所有这些特征在1985年地震中也都能普遍观察到。这可能突出说明，对于1985年后具有这些特征的既有结构是否需要抗震加固没有进行充分的评估。也许这场地震中发生的一些倒塌和人员死亡可以避免。1985年地震之后，应急规范要求遭受结构损伤的建筑物的业主们有责任向城市官员报告损伤，但是据我们所知，他们并没有责任评估没有损伤或只遭受非结构损伤的建筑物。一个明显的例外是1985年地震后大多数公立学校进行了抗震评估并且很多进行了抗震升级，这使得它们中的大多数在这次地震中具有良好的表现。不幸的是，倒塌并造成32名儿童和5名成年人死亡的Enrique Rebsamen学校是一所相对小型的私立学校，这所学校不仅没有经过相同的评估/翻修过程，还在近些年进行了一些改造，包括在学校倒塌的两幢建筑中的一幢上加盖了一层楼。
无延性和/或具有软弱层的钢筋混凝土结构也在美国等其他国家造成了许多结构的倒塌。然而，这些问题在墨西哥城更加严重，因为地震活动更强而且非常软的土壤沉积大大地放大了地震动的强度。
一些调查正在进行以确定将要出版的墨西哥城新建筑规范是否需要修改。对迄今为止得到的地震动记录的初步评估显示，反应谱坐标并没有超过2004年规范附录A的规定(Ordaz et al 2003)或者将要出版的新规范的规定。类似地，对倒塌的一些1985年后的结构的初步评估表明，这些结构不符合一条或多条建筑规范要求。
或许这次地震最重要的教训之一就是有必要给予既有结构更多的关注，尤其是发布可能的法令提供一个时间框架，在这一框架中具有某些特征或者位于墨西哥城古湖床的1985年前结构的业主们有责任让结构工程师对他们的结构进行抗震评估。在加利福尼亚，其中的几点已经成功实施，譬如1986年的无筋砌体（URM）建筑法在许多司法管辖区要求这些类型结构的减灾计划，还有1953年的州法案要求州内所有医院进行抗震评估，以通过划分倒塌危险等级与设置加固和/或重建截止日期的方式满足抗震安全目标。其他更近期的评估在强震中容易倒塌的既有建筑物的法令例子，还包括洛杉矶市近期通过的无延性钢筋混凝土框架法令和旧金山市近期通过的软弱层法令，这两者要求业主们让结构工程师评估他们的结构并在需要时进行抗震升级。
致谢
John A. Blume地震工程中心的经济支持使得本次勘察之行和本报告的阐述成为可能。特别地，作者们要感谢主任Greg Deierlein教授对这些活动的热心支持。墨西哥结构工程师学会主席Francisco García Álvarez和墨西哥城结构安全研究所主任Renato Berrón Ruiz博士在我们墨西哥城之行期间提供了宝贵的信息，并帮助我们到达一些地方。Centro de Instrumentación y Registro Sísmico (CIRES) 的Jose Manuel Espinosa Aranda和Armando Cuellar Martinez为我们提供了墨西哥城强震仪阵列记录的地震动，并且提供了严重损伤建筑附近车站的准确位置。他们友好地提供并更新收集中的信息。Laura Peredo和Miguel Campero在他们家中友好地款待了我们，并对我们的墨西哥城之行提供了宝贵的后勤支持。Juan Casillas和Carlos Gordo也为我们的墨西哥地震勘查之行提供了宝贵的信息和后勤支持。
5.参考文献
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