土木工程防灾的发展与趋势0.引言灾害是人类社会中的一种特殊现象，给人类社会带来了生命危害、经济严重损失等，并导致社会的不稳定。

由于成灾的机理和灾害的载体不同，灾害的种类也多种多样。

土木工程防灾是指针对以土木工程为载体的灾害，通过工程技术来达到防灾减灾的目的。

从灾害种类上来区分有：地震、强风、火灾、爆炸、地质灾害、洪水等等；从涉及的学科上来区分，它包括结构工程、生命线工程、岩土工程、交通工程、水利工程等诸多学科；从其包含的科学问题上来讲，它包括：灾害源的发生机理、灾害特征及其作用机制、工程结构的抗灾力学分析、工程结构的抗灾性能与现代设计理论、工程结构的灾害模拟与控制等。

因此，土木工程防灾包含众多内容，是一门综合性很强的新兴学科，在工程学科中占有重要的地位。

综上所述，土木工程防灾，既涉及诸多的学科(结构工程、岩土工程、水利工程等)，又涉及各类科学问题(静力学、动力学、材料力学等)，因此，土木工程防灾减灾问题不仅包含的内容和学科众多，问题复杂，也是当今土木工程学科中最重要、最活跃的领域之一。

本文拟以其主要的科学问题为主线，同时重点讨论地震、强风等动力灾害，探讨该学科的发展现状及前沿发展方向。

主要阐述工程结构抗震与减震、工程结构抗风等方面的新理论、新方法、新材料和新技术。

结合国际上的最新发展态势，重点讨论研究工程结构抗灾防灾的基本性能、分析理论与现代设计方法，结构灾害的物理机制和灾变过程，结构抗灾性能设计理论和结构防灾减灾措施。

1.灾害日趋严重自然灾害直接危害人类生命和健康，一次灾害会导致千百万人乃至上亿人受灾，其对人类社会的影响至深至远，在人类历史上留下过惨痛的教训。

以我国地震灾害为例，1556年陕西华县、潼关大地震，造成83万人遇难；1976年通海地震，造成1．6万人遇难；1976年唐山地震，造成24万人遇难；2008年汶川地震，造成近8万人遇难。

据统计资料，1949～1959年，因灾害死亡人数94 914人，年平均8 629人；1960～1967年，因灾害死亡人数43084人，年平均5 386人；1978～1997年，因灾害死亡人数131 511人，年平均6 576人。

由此可见灾害对人类生命的严重威胁。

重大自然灾害的特点是突发性和严重性，它往往也带来巨大的经济损失，严重制约国民经济的持续发展。

据统计，在发达国家中，自然灾害损失占GNP(国民生产总值)和财政收入的比例均很小。

如美国灾害损失仅占GNP的0.27％，占财政收入的0．78％；日本灾害损失仅占GNP的0.5％或更低；而我国1949年以来的灾害损失占GDP的5.09％，占财政收入的27％。

可见，我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，每年因灾害造成的直接经济损失，约占国民生产总值的3％～5％。

我国70％以上的大城市，半数以上的人口，75％以上的工农业产值位于灾害频发区。

自然灾害严重地威胁着国民经济和社会的可持续发展。

在我国建设小康社会的伟大历史进程中，城市化是社会进步的主要标志之一。

今后20年，我国将增加城镇人口3．4亿，这是一项人类历史上从未有过的重大而艰巨的任务。

城市规模的迅速扩大导致人口与财富的高度集中，也导致城市安全问题与灾害危害性的日趋加重。

据统计，2003～2008年，我国频发的自然灾害所造成的直接经济损失年均高达2 000亿元以上，其总量及占GDP的百分比也呈现出逐年增加的趋势。

从1991～2000年间全球范围内发生的灾害与前一个10年相比并无显著异常，然而因灾害造成的损失却比前一个10年增加了3倍，比20世纪60年代的10年增加了近10倍。

灾害所造成的人员伤亡、经济损失和社会震荡也愈来愈严重。

例如：1995年日本神户地震的间接经济损失达$1 500亿之多，死亡5 438人；2001年美国“九一一”事件，不仅造成了3 000多人死亡，而且对美国的经济和社会留下了严重的创伤。

历史的经验教训也表明，由于我国是人口大国，各类灾害造成人员伤亡和对城市威胁的风险程度往往要高于其它国家。

例如：世界上造成人员死亡最多的2次大地震就是我国历史上的华山大地震和近代的唐山大地震；20世纪最后10年世界上一次死亡人数多于300人的2次火灾均发生在中国(1994年克拉玛依特大火灾死亡323人、2000年河南洛阳东都商厦火灾死亡309人)；热带气旋每年平均在我国登陆l0次。

其中，1994年9 417台风和2004年“云娜”台风造成的直接经济损失都在200亿元左右。

2008年5月12日的汶川8级大地震，已确认69 227人遇难，失踪17 923人，直接经济损失高达8 451亿元。

我国有22个省会城市和2／3的百万以上人口的大城市位于地震的高危险区。

这深刻说明：在我国城市化进程中防灾减灾的重要性和迫切性。

世界各国对防灾减灾工作都给予了极大的重视。

在1984年召开的第八届世界地震工程大会上，美同前总统的科学特别助理、美国国家科学院院长、地震学家F．Fress提出了“国际减轻自然灾害十年”的活动设想，随后，联合国正式发起“国际减灾十年(1990--2000年)”行动，促进了全球联合的高科技减灾行动，160个国家分别成立了国家减灾委员会。

其后，在2005年，由联合国在日本神户市召开的世界减灾会议上，探讨了未来十年如何减轻灾害对全球造成的损失，形成了《兵库宣言》、《兵库行动框架》等重要文件。

近lO年来，国际组织和有关国家减灾委员会设立了诸如“联合国全球灾害网络”、“欧洲尤里卡计划”、“日本灾害应急计划”、“全球分大区的台风监测计划”以及“美国飓风、洪水预报及减轻自然灾害研究”等数以百计的防灾减灾研究项目，取得了许多重要的研究成果，为21世纪防灾减灾的深入研究奠定了基础。

我国政府历来重视防灾减灾工作，为配合联合国发起的“国际减灾十年(1990～2000年)”行动，国务院成立了由28个部委局组成的中国国际减灾十年委员会，目标是减轻灾害损失的30％，并协调组织重大防灾减灾综合行动，投入近2000亿元，实施了一系列重大减灾项目。

于1993年在北京召开的中国灾害管理国际会议上提出的“中华人民共和国减轻自然灾害报告”，引起了世界各国的高度重视。

在灾害防御的指导原则上，强调了灾害的监测预报、灾害防御、应急救援、灾后重建的防灾减灾的指导思想，并取得了可喜的成果；在自然灾害监测方面，不仅加强了设备更新和改造，而且开展了一系列的技术攻关；在城市减灾工程建设方面，加大了对城市减灾关键工程的投入；在城市减灾应急管理方面，开展了城市灾害快速评估、灾害区划与灾情评定标准的研究工作以及应急能力的建设。

然而，我们面临的减轻灾害的任务却并没有减轻，并且随着人口的急剧膨胀，经济的不断发展，防灾减灾的形势日趋严重：①灾害发生的危险性并没减少，反而有不断增长的趋势。

近期不断发生的自然灾害，如2008年汶川地震(69 227人遇难)、2009年海地地震(20多万人遇难)、2010年智利地震(近700人遇难)，这些灾害时刻在提醒我们要加强防灾减灾的工作；②由于区域的限制，人类也正不断向自然条件较为恶劣的区域进发，如开发大西北的建设、海洋重大工程等。

这些区域的自然条件更为复杂，所面临的灾害的风险也不断加大；③虽然我们对灾害的研究投入了巨大的精力和财力，但在灾害面前，我们仍表现出了一些无奈和无力。

这表明目前人类所掌握的知识和技术，还远不能实现防灾减灾的目标，尚有新的科学问题等待我们研究，新的技术等待我们开发和应用。

加强防灾减灾科学研究和技术开发应用，是保障人类社会和谐持续发展的重要环节。

2.科学研究取得了显著的研究成果如前所述，土木工程防灾是个复杂的问题，涉及诸多学科。

为便于阐述问题，下面主要从灾害源的发生机理、灾害特征及其作用机制(包括工程结构的抗灾力学分析、抗灾性能与设计理论、灾害模拟等)、灾害的控制等3个方面叙述。

2.1灾害源的发生机理和特征自然灾害的预测是个十分复杂的问题，解决该问题要详细了解灾害发生的机理，以及掌握详细的观测数据为基础。

然而遗憾的是，目前人类对灾害的预测尚不能完全过关，但通过不懈的努力，对灾源的发生机理和特征也具有一定的了解。

毫无疑问，这对达到最终防灾减灾的目的是极为重要的。

尽管从学科角度出发，这不是土木工程的范畴，但它却和解决土木工程的防灾问题密切相关。

2.1.1震源机制和地震动场地面运动特征和地震动场的空间变化是抗震减灾的重要基础。

与其它学科相比，工程地震的研究进展较为缓慢。

主要的原因，一是对震源机制的了解不够，二是地震动数据观测数据不足。

震源的机制研究，主要依靠地震学的研究成果。

20世纪80年代后震源反演技术得到发展，主要是利用近场地震动观测记录，并结合新的反演方法，得到了一些有意义的结果。

而在最近的几十年里，强震记录的数据积累很快，尤其1989年、1994年的美国地震、1995年的日本地震、1999年台湾地震，以及最近的中国大陆汶川地震，几乎每一次地震中都积累了几十、上百条强震记录。

记录到了地震动振幅大、频谱宽的地震动，以及大的长周期加速度脉冲。

这些记录对研究地震动特征具有重要的价值，使得人们可以进一步研究地震动场的空间分布特性，以及地表的破裂、地震波的传播等。

此外，场地条件对地震动的影响也得到关注，以往历次大地震中均显示，不同场地条件下的建筑物震害差异十分明显。

场地条件不仅影响地震动幅值，还影响其频谱特性。

我国不同区域场地条件对地震动影响不同，东部沿海是深厚软土，而西部高原区是浅埋岩层，对山区和盆地地区，局部盆地(谷地)效应显然更为重要。

目前，我国工程地震研究应充分吸收大陆强震机理与预测的研究成果，以强震动观测记录和大城市地震活动断层探查资料为依托，将震源破裂过程的模拟、地震波传播和场地条件影响的研究紧密结合，开展强地震动特征、近场强地震动、场地条件对地震动的影响以及地震地表变形和破裂的研究。

2.1.2风场人们对强风的机制认识也不断进步。

在结构抗风中，通过长期的现场观测，对近地风有了更清晰的认识。

由国际著名风工程专家A．G．Davenport教授于60年代提出的方法以及以此为基础的各国规范仍然是有效的。

对平均风和脉动风的描述和特征研究，已得到一些有用的推荐值和推荐公式。

在风气候预测方面，目前主要是将灾害性风气候分类成几种不同的形式，并分别采用最优方法分类进行分析。

在空气动力作用方面，主要进展在于发现了来流湍流的空气动力效应，并建立了线性准定常计算方法和相关气动参数的实验识别方法。

在理论研究方法方面，计算流体动力学已经在均匀流动和钝体绕流等风工程应用方面显示出了巨大的发展潜力。

在物理实验技术方面，边界层风洞一直是风工程的主要工具，风洞试验的精度有了很大的提高。

在未来的一段时间内，对风场的理论研究，要从平稳到非平稳、均匀到非均匀、线性到非线性、高斯到非高斯，从定常到准定常再到非定常最后到瞬间态，从单因数分析转变到多因数耦合效应分析，并且要建立和完善各种风荷载或抗风设计规范。