土耳其7.8级地震破坏力分析——基于若干中国规范设计建筑和北工大校园建筑

2月6日土耳其发生7.8级地震，根据外媒报道截至当地时间10日晚已经造成土耳其20213人遇难、叙利亚3424人遇难，总数超过2.3万人。课题组前期建立了典型城市建筑结构的模型库，本文在其中选取若干建筑物，利用土耳其地震动数据开展了地震力破坏分析，了解该地震作用下我国建筑物的破坏程度，供大家参考。

1. 地震动数据

本文选用这次地震中编号为3123、3138和4614的地震台站记录。图1给出了三个台站在第一次强震中记录的南北向和东西向的加速度序列。

   

   

   

图1 地震动加速度序列

图2给出了三条地震动记录的反应谱以及我国规范设计反应谱。可以看出，本次土耳其地震作用远超过了用于一般抗震分析的8度罕遇地震作用、甚至也超过了最高的9度罕遇地震作用，超过了一般设计考虑的场景。

 

图2 地震动反应谱

2. 砌体结构震损分析 

选取了文献中的五层砌体结构振动台试验模型^[1]，结构是20世纪80年代上海建成的5层砌体结构住宅，结构模型和有限元模型如图3所示，建模方法见文献^[2]。

     

     

(a) 试验结构

(b) 有限元模型

图3 五层砌体结构

     

     

图4 试验结果与模拟结果对比

图4表明该有限元模型可以较准确的模拟砌体结构地震动力响应。在该模型的基础上输入土耳其的三条地震动，分析结果如表1所示。结果表明：该结构在土耳其三条地震动作用下均发生了倒塌破坏。

表1 砌体结构地震分析结果

 

3. 框架结构震损分析

(1) 标准设计结构

依据中国规范^[4-6]设计了45个代表性混凝土框架结构。结构设计信息如下：平立面规则布置，横向四跨，纵向八跨，结构底层层高为4.5 m，其他层层高为3.6 m。建筑抗震设防类别为丙类，场地类别为II类，设计地震分组为第一组。考虑到在结构设计参数中，层数、跨度与抗震设防烈度对结构冗余承载力的影响较大，按照表2所示的工程常用值进行取值。进一步考虑0%、5%、10%、15%与20%五种钢筋锈蚀率^[7]及1978年前、1978-1989年、1989年后三种建造年代^[8]建立了675个典型混凝土框架结构MDOF层剪切模型（建模方法如图5所示）。

表2 混凝土框架结构设计信息

 

 

图5 框架结构层模型建立方法

图6是不同建造年代的框架结构在3123-NS、3138-NS、4614-EW三条地震动作用下的损伤情况。由图2和图6可知：（1）按照我国规范设计的不同年代且考虑钢筋锈蚀的框架结构，中长周期地震动3123-NS和3138-NS的破坏力远大于短周期地震动4614-EW。三种建造年代的框架结构在3123-NS、3138-NS两条地震动作用下全部发生倒塌破坏，而在4614-EW地震动作用下框架结构没有全部倒塌，出现了中等破坏及严重破坏的情况。（2）年代越近的框架结构在4614-EW作用下发生倒塌破坏的比例越低，由此可以反映出随着时间推移、结构设计的安全储备越高，结构发生倒塌破坏的可能性会降低。

     

     

     

1978年前

1978年-1989年

1989年后

图6 典型框架结构损伤状态

(2) 北工大校园建筑

选取北京工业大学校园建筑群作为研究对象，其中包含不同建造年代的5栋楼宇，以便研究建造年代对结构抗震的影响。选取的楼包括：数理楼（非加固的I段）、机电楼、金工楼、信息楼（西楼）、能源楼，结构形式均为框架结构，如图7所示。为分析不同方向地震作用的结构响应，将三向地震动（EW、NS和UP）单独输入。需要指出的是，实际结构同时遭受上述三个方向的地震动作用，我们这种计算方法 会相对保守地估计地震破坏力，即便如此，结构也发生了严重损伤、甚至倒塌。

表3是上述建筑的地震破坏分析结果，结构的损伤状态取三个方向作用的最高损伤等级（用颜色字体进行标记）。可以看到：竖向地震动造成的破坏总体小于水平向地震动。数理楼、机电楼、金工楼、信息楼在3123和3138两个地震动作用下结构均发生了倒塌破坏，其中建造年代在1990年以前的数理楼在4614地震动下也会发生严重破坏，而其他三栋楼宇发生中等破坏。信息楼的震损最轻，但在这些地震动作用下两个场景发生严重破坏、一个场景发生中等破坏。

 

图7 北京工业大学校园建筑群

表3 北京工业大学校园实际建筑的地震破坏分析结果

 

4. 框剪结构震损分析

依据中国规范^[4-6]设计了3个代表性RC框架剪力墙结构，建立有限元模型，并对其进行地震响应分析。结构采用横向四跨，纵向八跨。结构底层层高为4.5 m，其他层层高为3.6 m。建筑抗震设防类别为丙类，场地类别为II类，设计地震分组为第一组。3个模型的抗震设防烈度均为8度，跨度选取6 m、9 m和12 m，层数均为8层。

     

图8 框剪结构有限元模型

将三个台站三个方向的地震动记录（共计9条地震动）分别输入到上述3个框剪结构中，共计27个算例。参考HAZUS报告对于框剪结构震后损伤等级的划分标准^[9]，得到典型框剪结构地震破坏分析结果，见表4。可以看出: 按照我国规范^[4-6]设计的3栋框剪架结构（基本周期介于0.59s ~ 0.66s），也是中长周期地震动3123-NS和3138-NS的破坏力远大于短周期地震动4614-EW。三栋建筑在3123和3138两个地震动作用下均发生倒塌破坏，在4614地震动作用下发生严重破坏或中等破坏。

表4 典型框剪结构地震破坏分析结果

 

5. 结语

无论是按规范设计的规则结构、正在服役的真实结构、还是大尺寸试验结构模型，在此次地震下的震损情况均较为严重，尤其是在中长周期地震动3123和3138下（仅考虑单向地震作用）结构大多发生了倒塌（仅有一栋未倒塌）。对于强度最大的短周期地震动4614，结构也发生了从轻微到倒塌的不同程度损伤。

本次分析结果是基于单次地震作用分析所得，土耳其地震是发生了多次强烈地震动，其结构的响应与单次地震动有较大的差别，且更为复杂，有待进一步分析[参考清华陆新征老师的分析]。

上述工作由博士生郭瑞捷、宋笑彦，硕士生张豪友、何坫锦共同完成。感谢学校档案馆为课题组提供了校园建筑设计图纸。  

参考文献

[1] 蒋利学, 蒋璐, 李向民, 张富文, 郑士举. 无筋砌体结构多层住宅振动台试验与抗震性能评估[J].建筑结构学报, 2021, 42(8): 25–35.

[2] Matteo Peruch, Enrico Spacone, Guido Camata. Nonlinear analysis of masonry structures using fiber section line elements[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2019, 48(12): 1345-1364.

[3] 蒋利学, 王卓琳, 郑士举. 多层砌体结构的损坏程度与层间位移角限值[J]. 建筑结构学报, 2018, 39(S2): 263–270.

[4] 中华人民共和国国家标准. 建筑抗震设计规范：GB 50011-2010[S]. 中国建筑工业出版社, 2016.

[5] 中华人民共和国国家标准. 混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S]. 中国建筑工业出版社, 2015.

[6] 中华人民共和国国家标准. 建筑结构荷载规范：GB 50009-2012[S]. 中国建筑工业出版社, 2012.

[7] Chen Xiong, Xiangbin Deng, Yanmei Liang, Qiangsheng Li, Jin Huang, Xuchuan Lin, Dawang Li. Regional Seismic Damage Simulation of Corroded RC Frame Structures: A Case Study of Shenzhen City[J]. Applied Sciences, 2020,10(14): 4818.

[8] 中国地震学会团体标准. 基于强震动记录的地震破坏力评估：T/SSC 1-2021[S]. 中国地震学会, 2021.

[9] Federal Emergency Management Agency (FEMA). Multi-hazard loss estimation methodology HAZUS-MH 2.1 Advanced Engineering Building Module (AEBM) technical and user’s manual. Washington, DC: 2012.

往期回顾

1. Rapid seismic damage state assessment of RC frames using machine learning methods, Journal of Building Engineering, 2023, 65: 105797.（新论文 | 基于机器学习的RC框架结构震损快速评估）

2. Prediction of failure modes, strength, and deformation capacity of RC shear walls through machine learning, Journal of Building Engineering, 2022, 50: 104145.（新论文 | 基于机器学习的RC剪力墙破坏模式、承载力和变形能力预测）

3. Experimental and numerical investigation of the progressive collapse of precast reinforced concrete frame substructures with wet connections, Engineering Structures, 2022, 256: 114010.（新论文 | 湿式装配式梁柱子结构抗连续倒塌性能研究）

4. Dynamic mechanical properties of rooled thin-walled steel plates (TWSPs) used for W-beam guardrails under low and medium strain rates, Materials, 2022, 15(19): 6504.（新论文 | 护栏波形梁材料中、低应变率下动态力学性能研究）

5. Punching and post-punching shear failure behaviors of laterally-restrained and eccentrically loaded flat plate slab-column joints with drop panels, Engineering Structures, 2023, 279: 115585.（新论文 | 偏心加载和面内约束下托板-柱节点冲剪受力全过程研究）

延伸阅读，2月6日土耳其地震相关分析工作

1. RED-ACT | 2月6日土耳其两次7.8级地震破坏力分析
   

2. 远超中国规范最高设防水平！| 恐怖的土耳其7.8级地震破坏力

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4. 死亡0~50人 vs 死亡1.9万人 | 美、日、土耳其6次七级以上地震对比
   

第一次7.8级地震3123台站的地震动记录可以从以下链接下载

https://cloud.tsinghua.edu.cn/f/034f73abd2ed419ba3ec/?dl=1

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