基于汶川地震建筑物破壞的抗震設防要求分析＊

郭婷婷,徐錫偉,于貴華,袁仁茂,陳桂華

(1.山東省地震局,濟南 250014;2.中國地震局地質研究所國家地震活動斷層研究中心,北京 100029)

基于汶川地震建筑物破壞的抗震設防要求分析＊

郭婷婷1,2,徐錫偉2,于貴華2,袁仁茂2,陳桂華2

(1.山東省地震局,濟南 250014;2.中國地震局地質研究所國家地震活動斷層研究中心,北京 100029)

汶川 8.0級地震給川西地區造成了嚴重的建筑物破壞與人員傷亡。通過大量對汶川地震災區的建筑物破壞情況實地調查,并根據現行建筑物抗震設防要求與建筑抗震設計規范,從建筑物選址、抗震設計及建筑施工等多個環節,對汶川地震中的典型建筑物破壞案例進行討論分析,探討破壞原因,并提出相應的解決措施,為今后建筑物的抗震設防工作提供參考經驗與科學依據。

汶川地震;建筑物破壞;抗震設防要求;抗震設計;多道抗震防線

0 引言

2008年5月 12日 14時 28分,四川省汶川縣發生 8.0級特大地震,震源深度 18 km,地震破裂持續時間為 120 s。本次地震在龍門山推覆構造帶上形成兩條地表破裂帶,主破裂帶沿北川—映秀斷裂發育,長約 240 km;次破裂帶沿灌縣—江油斷裂發育,長約 90 km(徐錫偉等,2008)。強烈的地震地表破裂與錯動使得地表破裂帶沿線及其兩側靠近斷層的建筑物遭受了毀滅性的破壞,同時,地震引發的大量山體滑坡、巖石崩塌、泥石流等次生地質災害,加重了建筑物破壞的程度。

汶川地震震級大、震源淺且次生地質災害嚴重,故地震災區震害極其嚴重,震中區最大烈度高達Ⅺ度。這場災難性大地震引起的強烈地表破裂與錯動及其引發的次生地質災害造成建筑物倒塌、毀壞,更造成巨大的人員傷亡與財產損失。據統計,地震時 90%的人員傷亡是由于各種建筑物倒塌造成的。許多專家在震后第一時間對汶川地震災區的建筑物震害情況作了調查研究,結合工程震害案例,分析了汶川地震災區的建筑物震害特點以及破壞原因(清華大學土木結構組等,2008;郭婷婷等,2009;姜紀沂等,2009;任曉崧,李夢圓,2009)。然而,在地震災害不可避免、地震預報尚未得到科學解決的現狀下,應將預防地震、減輕地震災害的工作重點放在如何提高工業和民用建筑物的抗震設防能力上。因此,依據建筑物的抗震設防要求,分析汶川地震建筑物的破壞原因,值得進一步研究與探討。

所謂“抗震設防”,就是在工程建設時對建筑物防御地震災害所采取的抗震措施,主要是指各類建設工程必須按抗震設防要求、抗震設計和施工規范進行抗震設計、施工。建筑物的抗震設防應該貫穿整個建筑工程的選址、設計、施工等各個環節(盧壽德,2006.),這 3個主要環節是相輔相成、密不可分的,都必須按照國家相關標準、規范嚴格執行。

本文將結合汶川地震中受災區的實際建筑物破壞情況,從建筑物的選址、設計、施工等抗震設防主要環節,逐一分析建筑物破壞原因,并提出相應的解決措施,為今后建筑物抗震設防工作提供參考依據。

1 建筑物破壞原因分析及其解決措施

根據汶川地震震后現場考察與分析,災區建筑物結構破壞情況復雜多樣,且破壞分布情況與汶川地震發震斷裂有著密切的關系。

從建筑物破壞的具體情況上分析,汶川地震災區建筑物的破壞類型呈多樣性,主要表現形式有:砌體結構構造柱斷裂、承重墻體開裂、樓梯破損、甚至整體坍塌等;鋼筋混凝土框架結構的框架柱梁破壞、個別墻體與柱連接處開裂、填充墻體開裂等。

從宏觀上分析,汶川地震災區建筑物破壞分布情況與汶川地震發震斷裂有著密切的關系,主要表現為以下特征:(1)與地震斷層同震錯動密切相關;(2)斷裂帶及附近的建筑物破壞嚴重,遠離斷裂帶的破壞情況相對較輕;(3)位于逆沖發震斷裂上盤的建筑物比下盤的破壞嚴重;(4)地震引發的山體滑坡與崩塌等次生災害加重了建筑物的破壞。

現從建筑物抗震設防要求的確定(即抗震設防標準的執行)以及建筑物抗震設防的三個主要環節,逐一分析汶川地震災區的建筑物破壞原因,并提出相應的防御措施。

1.1 提高相應抗震設防標準

汶川 8.0級地震為南北地震帶上川西歷史上震級最高的一次地震。據震前我國的主要城鎮抗震設防烈度標準,北川、汶川、綿竹、都江堰等地區抗震設防烈度僅為Ⅶ度,而本次地震對這幾個地區的影響已遠超過Ⅶ度,都江堰市達到Ⅸ度,綿竹市達Ⅹ度,震中附近的映秀、北川的烈度高達Ⅺ度,可見,震前當地所采用的設防地震烈度嚴重不足。

據現行建筑抗震設計規范與相關研究成果(高小旺,鮑靄斌,1989),可以理解 “大震不倒”是指地震發生時,實際地震烈度比抗震設防烈度高 1～1.5度時,建筑物應當不倒塌。但是對于汶川地震震中及附近的高烈度地區,建筑物很難避免倒塌。事實表明,應當對當地的抗震設防標準作相應的修訂與改善。

在汶川地震中,大批醫院、學校等人員密集場所的樓房坍塌,造成大量人員死亡。故對于醫院、學校等人員聚集的公共活動場所,應適當提高抗震設防等級,確保這類公共建筑的安全性。

此外,據實地考察,相對受災城區,農村地區房屋倒塌情況更為嚴重。城區建筑物基本能夠按照國家制定的抗震設防標準去設計、施工,抗震能力相對較好。但是,廣大農村的自建房屋,大多都存在重大抗震設防缺陷,故建議加強對強震區農村自建房屋執行抗震設防標準的引導與監督。

1.2 建筑工程選址問題

建筑物的工程場地選擇是建筑工程抗震設防的首要環節。要使建筑物能夠抵擋地震災害的破壞,選址是前提與基礎,只有確定正確的選址方法和方案,建筑抗震設計與施工才能是有效可行的。

1.2.1 避開斷裂帶以及沿線附近

實地考察汶川地震受災區的建筑物破壞情況可知,直接建在斷裂帶上及斷裂帶沿線上的房屋大多數發生嚴重破壞。越靠近斷裂帶,建筑物破壞越為嚴重,遠離斷裂帶的建筑物破壞則稍輕。

在中央斷裂帶的虹口深溪溝處,由于發震斷裂從山腳附近穿過,逆沖形成逆斷層陡坎(上盤發生垮塌),故而形成一條新的溝(圖 1)。測量該處最大垂直位移量為 3 m,右旋位移量 4.5 m。此處,修建于斷裂帶上的農家房在地震中坍塌,墜至溝底,下落了 3 m多。

圖1 修建于斷裂帶上的農家房坍塌墜落Fig.1 Far m house built on the fault collapsed

汶川地震中,建筑物破壞最嚴重的是地震烈度達Ⅹ～Ⅺ度的極震區,它們主要位于北川縣城(Ⅺ度)及周邊、映秀(X度)等地。北川縣城完全毀滅,整個斷層帶上的建筑物幾乎無一幸免。斷層從縣城穿過,靠近斷層的建筑物遭到毀滅性破壞。映秀鎮及其附近的建構筑物也遭到毀滅性破壞。斷層穿過河流與公路,河流形成跌水陡坎,路面發生嚴重變形,形成陡坎(圖 2)。圖中公路旁邊的在建建筑物,其主體結構已建成,但由于幾乎是跨在斷裂帶上建造的,故建筑物結構破壞嚴重(圖 2)。

為進一步定量分析建筑物破壞情況與地表斷裂的關系,根據實際建筑物破壞與地表變形測量資料,筆者在虹口鎮小魚洞處進行地形差分 GPS測量與建筑物實地調查,其測線剖面與實拍照片如圖 3所示。

圖2 映秀公路旁在建建筑物結構嚴重破壞Fig.2 Buildings under construction beside Yingxiu Road was severely damaged

圖3 小魚洞測線圖(a)小魚洞中路斷層通過處倒塌的建筑物;(b)小魚洞中路測線;(c)小魚洞北路測線Fig.3 Measured topographic profile of Xiaoyudong(a)collapsed buildingswhich went through the fault(XiaoyudongMiddle Road);(b)survey line of XiaoyudongMiddle Road;(c)survey line of XiaoyudongNorth Road

小魚洞中路為典型的商業街,其兩側建筑物均為近年來新建的 2～3層磚混建筑物,這些建筑物比較一致的結構形式與建造年代,更有利于比較斷裂及其兩側的建筑物破壞情況。如圖 3(b)所示,地表斷裂通過約 26 m內的地表發生嚴重變形,地面建筑物幾乎全部倒塌;離斷裂越遠的建筑物破壞越輕。

以上震害案例,充分證明建筑物的選址一定要避開活動斷裂帶,并須根據當地實際地質情況,合理確定 “避讓帶”寬度(徐錫偉等,2002),從而有效避開活斷層同震錯動對地面建筑設施的直接破壞,減輕可能遭遇的地震災害損失。

1.2.2 避開地震地質災害危險地段

汶川地震中,建筑物遭受嚴重破壞的另一個重要原因是強烈的地震地表破裂與錯動引發了大量山體滑坡、巖石崩塌等次生災害。地震發生時,規模巨大的崩塌、滑坡體瞬間傾瀉而下,掩埋城鎮、堵塞河流并切斷道路。滑坡體前緣的強烈沖擊波,摧毀前方及周邊的建筑物,形成弧形破壞帶。以北川縣城為例,地震瞬間,王家巖山體滑坡掩蓋了北川老縣城的五條街區(圖 4),幾乎所有建筑物全部被掩埋于厚厚的滑坡土體之下,造成的死亡人數多達1 000人。與此同時,山體崩塌災難性的吞沒了整個北川中學新區(茅壩中學)的教學樓(圖 5),傷亡學生及其他相關人員多達千人。

山體崩塌等嚴重次生地質災害會造成大面積建筑物與人員的徹底掩埋,因此,這種地震災害不是單純靠提高建筑物質量能避免的,只能選擇避開有可能發生山體崩塌的地段。故建筑物選址,除了避開活動斷裂帶,還應避開地質災害危險地段。

圖4 北川老縣城山體滑坡Fig.4 Landslides in the old section ofBeichuan County

圖5 北川新城區山體崩塌Fig.5 Bedrock collapse ing the new section ofBeichuan middle school

1.3 抗震設計問題

建筑物的抗震設計是建筑工程抗震設防的中間環節。建筑物抗震性能的好壞,除了要保證建筑工程場地的正確選取以外,一個好的工程抗震設計也是很關鍵的環節。國內外多次地震災害實例表明,具有一定抗震設計的建設工程能有效的減小地震波的襲擊(黃雙華,1996)。要確保建筑物的抗震性能,須依據現行建筑抗震設計規范,做好抗震結構體系選取、非結構構件設計、隔震和消能減震設計等工作(國家質量監督檢驗檢疫總局,2001)。

1.3.1 抗震結構體系選取

抗震結構體系是抗震設計考慮的關鍵問題,應根據建筑物抗震設防類別、烈度、建筑高度、場地條件等多種因素綜合確定。目前,抗震結構體系主要有多層砌體結構、框架結構、框架剪力墻結構、剪力墻結構、鋼結構等。本次地震發生在川西地區,當地城鎮建筑物主要為磚混結構和框架結構。現根據地震災區主要建筑物類型的結構體系破壞實例,分析如下。

(1)框架結構優于砌體結構

汶川地震中大量倒塌的多層建筑物都是砌體結構。在北川縣城內正在施工中的兩座相鄰建筑物主體結構均已基本完成(圖 6)。圖 6a為震后的框架結構,其主體結構完好無損;圖 6b為震后的磚混結構,磚混結構的建筑物也根據建筑抗震規范,作了相應的抗震設計措施,如現澆鋼筋混凝土構造柱、現澆鋼筋混凝土樓板等,但由于磚混結構自身的抗震結構性較差,結果仍發生了嚴重的結構破壞。從圖中的鮮明對比,不難得出結論。對于多層建筑物,考慮到建筑物的抗震性能,應首選框架結構。

圖6 相鄰兩座在建工程的震后結構情況對比(a)框架結構結構性完好;(b)磚混結構結構破壞嚴重Fig.6 Comparison of post-earthquake structural condition of two adjacent buildings during construction in Beichuan County(a)structural perfo rmance of framework structure is perfect;(b)brick-concrete structure suffers serious damage

對于要求采取砌體結構的建筑物,其設計必須按照抗震規范要求嚴格執行,嚴禁使用預制板。汶川震害實例證明,預制板與圈梁的連接、與墻體之間的連接非常脆弱,在地震的水平剪切作用下,它們之間的連接極易失穩,發生脫節,且會發生由一塊預制板的塌落,引發多米諾骨牌效應的多層樓板的連續倒塌與疊壓(圖 7),造成巨大的損失。

圖7 預制板引發的多米諾骨牌效應Fig.7 Domino effect triggered by prefabricated slabs

(2)使結構體系具有多道抗震防線

多道抗震防線是抗震概念設計的重要部分,一個好的抗震結構體系,應由若干個延性較好的分體系組成,并相互連接起來協同工作,避免因部分構件破壞而導致整個體系喪失抗震能力。以框架剪力墻體系為例,其主要由延性框架和抗震剪力墻兩個結構體系組成,主要抗剪切力構件是抗震剪力墻,為第一道防線,當抗震墻在一定強度的地震作用下遭受可允許的損壞,其剛度降低,并吸收相當的地震能量后,框架結構系統可起到第二道抗震防線的作用。

震區的砌體結構與框架結構發生嚴重破壞,主要體現在:砌體結構的構造柱斷裂、圈梁破損(圖 8)、承重墻體開裂、整體坍塌等;鋼筋混凝土框架結構的框架柱破壞、填充墻體開裂樓梯間破損等。

圖8 構造柱與圈梁受力失效Fig.8 Loading failure of constructional column and ring beam

分析以上破壞案例可知,對于砌體結構,應嚴格按照抗震規范要求,設置鋼筋混凝土構造柱和圈梁,并確保兩者的連接,以便加強建筑物的穩定性,提高多層砌體結構的抗震性能。構造柱、圈梁雖然不能提高結構的抗震承載力,但作為約束構件,可以提高墻體的延性。在大震作用下,磚墻被破壞后,被圈梁構造柱箍起的墻體還可不倒塌,這就形成了抗震的第二道防線。

鑒于純多層框架結構的破壞案例,在汶川地震中多為“強梁弱柱”類型的破壞形式(圖 9),即框架結構的柱端發生裂縫或破損,而框架梁卻完好無損,或柱倒塌,梁隨之倒塌,這就不能達到抗震設計目的。圖 9為現場考察的映秀鎮漩口中學主教學樓,在地震中發生部分坍塌。現場分析其原因,主要是該教學樓的豎柱太細且截面配筋細而不足,呈 “強梁弱柱”類型。因此,抗震設計與施工應保證“強柱弱梁”的延性框架,“強柱弱梁”即在地震時,保證讓梁端先出現裂縫,形成塑性鉸來吸收一部分地震能量,梁為第一道防線,柱為第二道防線,從而避免柱子先于梁遭受破壞。同時,也可以適當的在大跨度框架結構中墻體位置處增設剪力墻,或在柱間設置支撐等,來形成抗震的多道防線。大震發生時,讓其增設部件作為結構的“第一道防線”率先破壞,消耗地震能量,減小對整體結構的破壞程度,從而保護主體結構的安全。

圖9 “強梁弱柱”類型的破壞案例Fig.9 Damage case of strong beam and weak column

(3)盡量避免剛度不連續結構體系

通過地震災區建筑物破壞情況的調查,可知:底層框架磚混結構的建筑物,也是發生嚴重破壞的結構類型(圖 10)。由于這種結構的底層框架與上層磚混的結構不同,造成建筑物結構的強度和剛度不連續,這種不連續性會造成局部薄弱部位產生過大的應力集中。若該部位沒有作特別加強性設計,便會提前于相鄰部位進入屈服狀態,剛度進一步減小。在地震反復作用下,該部位的塑性變形集中,最終可能導致嚴重破壞甚至倒塌,故其抗震性能很差。在地震多發、高烈度地區應盡量避免采用此類建筑結構體系或需要采取特別加強性設計與措施來提高其抗震能力。

圖10 底層框架磚混結構發生嚴重破壞Fig.10 Brick-concrete structure of bottom frame was seriously damaged

(4)確保各構件之間的連接

震區現場可見,許多建筑物的破壞是由于建筑物各構件之間連接性失效造成的。映秀鎮漩口中學宿舍樓為典型的磚混結構,震后沒有發生坍塌,從外觀看其主體結構相對完好,但其窗間墻體發生較為嚴重的剪切破壞,出現大量 “X”形的裂縫,墻體局部已發生崩塌現象,建筑整體結構已經嚴重受損(圖 11)。究其原因,則是砌塊墻體為脆性材料,抗壓能力尚可,但其抗拉、抗剪強度都很低,故抗地震剪切能力較差。由于砌體結構中的墻體之間、墻體與樓蓋之間缺少拉結筋的設置,在地震剪切力與豎向荷載共同作用下,使得構件以及各構件間的連接性失效,當墻體所受拉應力超過自身強度時,墻體就會產生 “X”形的斜交裂縫。故對于此類磚混結構建筑物,需采取墻內設置拉結筋等措施,加強承重墻體的抗剪切能力,確保各構件之間的可靠連接。

圖11 映秀鎮漩口中學宿舍樓剪切破壞Fig.11 Dormitory of YingxiuMiddle School suffered shear damage

1.3.2 非結構構件要求

非結構構件主要包括建筑非結構構件和建筑附屬機電設備。常見非結構構件為隔墻、女兒墻、走廊欄桿、裝飾吊頂等,均應進行抗震設計與施工。非結構構件的損壞不會直接造成建筑主體結構的破壞,但若與主體結構連接不牢固,地震時易倒塌墜落砸傷人員或損壞物件,因此非結構構件與主體結構之間應做可靠錨固與連接。

以北川縣計劃生育服務站辦公樓的破壞情況為例(圖 12)。圖中主體結構相對完好,但外走廊的欄桿磚墻幾乎全部倒塌。欄桿磚墻作為非結構構件,最好采用現澆鋼筋混凝土結構,但若是采用磚砌筑,則應根據相應的規范要求(國家質量監督檢驗檢疫總局,2001),在外走廊磚砌圍欄墻內與主體構件之間設置拉結鋼筋,以便兩者之間具有可靠連接與錨固。但是本案例沒有采取這些抗震措施,因而造成欄桿磚墻的全部倒塌。

圖12 北川縣計生服務站辦公樓外走廊欄桿倒塌Fig.12 Brick fence in outside corridor of office building collapsed

1.3.3 隔震和消能減震設計

隔震技術是在建筑物基礎與上部結構之間設置隔震器(圖 13),以阻止地震能量向上傳遞,降低上部結構的地震反應,從而達到一定的抗震設防要求。消能減震設計則是在建筑物的抗側力構件中設置阻尼器等消能部件,來吸收和消耗地震能量,從而減少輸入主體結構的地震能量,達到降低結構地震反應的目的(田文斌,2002)。近十幾年,隔震和消能減震技術應用逐漸增加,但大多應用在高烈度區的橋梁工程與高層重要建筑物中(方海等,2005;林新陽,周福霖,2002),其它建筑物上還未得到廣泛應用。目前,在川西地區,隔震和消能減震新技術的應用很少。對于汶川地震災區這樣的高烈度地區的建筑物和其它地區的重要建筑物中,應采用隔震、消能減震高新技術,來提高結構整體抗震水平。

圖13 隔震橡膠支座結構示意圖(田文斌,2002)Fig.13 Structure diagram of isolation rubber bearings(T IAN Wen-bin,2002)

1.3.4 抗震建筑材料的應用

現場考察汶川地震災區主要破壞的建筑物類型,其中砌體結構多為普通磚混結構(圖 14),鋼筋混凝土框架結構的填充墻體亦多為磚墻體或砌塊墻體。此類磚與砌塊材料均為脆性材料,剛度較大,但抗剪強度低,延性差,故其構建而成建筑物的結構整體性與抗震性能較差。為了增加建筑物整體結構性,抵抗地震剪切作用,材料選擇上應減少脆性材料的應用比例,優先采用延性與韌性較好的鋼筋和強度等級較好的混凝土材料,在整體抗震設計的基礎上,確保建筑物具有可靠的抗震性能。例如,加氣混凝土是一種具有輕質多孔、保溫隔熱等特性的新型建筑材料,已被廣泛應用于上海大廈、福州大樓等建筑工程中。因其自重輕,地震破壞力小,故其抗震能力得到大大提高。因此,應加大對此類抗震且環保的建筑材料的研究開發力度,并將其廣泛應用于實際建筑工程中,從抗震各個環節共同提高建筑物的綜合抗震能力。

圖14 脆性材料使用的弊端Fig.14 Disadvantages of using the brittle materials

1.4 建筑施工問題

對于建筑物的抗震設防能力的影響,建筑施工的好壞,與抗震設計的優劣同樣重要。在地震災區,不少損壞倒塌的建筑物存在諸多施工質量問題,比如,懸掛的斷裂樓板沒有鋼筋連接、砌筑砂漿不飽滿、預制樓梯安裝不規范造成其懸掛塌落、鋼筋混凝土構件配筋不足等現象。同時,也不乏施工過程中對建筑材料把關不嚴問題,造成使用不合格建材情況,比如水泥標號、鋼筋不合規范等。在本次地震中,以上各種建筑施工質量不過關,施工過程偷工減料、不按規范嚴格施工等現象,嚴重加劇了建筑物破壞程度。故國家應加強建筑施工質量管理,把好建筑施工與材料的質量關,并加大建筑施工監管力度,確保建筑物嚴格按抗震設計進行施工。

2 結論與展望

通過對汶川地震中的大量建筑物破壞情況的實地調查與分析,根據現行建筑物的抗震設防要求與建筑抗震設計規范,從建筑物選址、建筑抗震設計及建筑施工等各個環節,對汶川地震災害中的典型建筑物破壞案例進行了破壞原因分析與討論,初步得到以下主要結論與解決措施,可為今后建筑物的抗震設防工程提供經驗與依據。

(1)建筑物的選址一定要避開活動斷裂帶,須根據當地實際地質情況,合理確定 “避讓帶”寬度。同時也要避開地質災害危險地段。

(2)抗震結構體系的選取應考慮:結構體系是否具有多道抗震防線、盡量避免剛度不連續結構體系、確保各構件之間的連接等問題。

(3)隔震和消能減震設計以及抗震新型建筑材料的廣泛應用將從抗震各個環節共同提高建筑物的綜合抗震能力。

汶川地震雖已過去 2年多,但是沉痛的教訓不能忘記。自 2008年以來全球板塊運動進入了一個新的活躍階段,強震頻頻發生。前車之鑒,后事之師。對汶川地震亡者最好的紀念,是從建筑物破壞實例中分析問題,反省不足,解決現存問題。

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Analysis on Seism ic Protection Requirements Based
on BuildingsDamage in W enchuan Earthquake

GUO Ting-ting1,2,XU X i-w ei2,YU Gui-hua2,YUAN Ren-m ao2,CHEN Gui-hua2
(1.Earthquake Adm inistration of Shandong Province,J i′nan250014,Shandong,China)
(2.National Center for Active Fault Studies,Institute of Geology,CEA,Beijing100029,China)

MS8.0W enchuan earthquake brought about serious buildings dam age and casualties in w estern Sichuan.N ow that earthquake prediction has not yet resolved scientifically at present,our emphasis of earthquake prevention and earthquake disaster m itigation should be put on how to improve capacity of fortification against earthquakes of industrial and civil buildings.In this paper,according to seism ic protection and the Code for Seism ic D esign of B uildings,typical buildings dam age and its causes w ere analysed and discussed from buildings location,seism ic design,buildings construction and other aspects.It is suggested that corresponding m easures w hich can provide experience and basis for seism ic protection of buildings.

W enchuan earthquake,buildings dam age,requirem ents for fortification against earthquakes,seism ic design,seism ic defensive line of m ultitrack

TU352.1

A

1000-0666(2010)04-0345-08

2010-03-17.

國家自然科學基金(40940003)、中央級公益性科研院所基本科研業務專項(IGCEA0907)和山東省地震局博士科研項目聯合資助 .