日本九州熊本“416” 7.3级地震破坏力分析 (2): 超高层建筑

日本九州熊本“416”7.3级地震的震中附近地震动强度非常的大，地面峰值加速度达到了1.157g（我国抗震规范规定的最强地震作用——9度罕遇——的地面峰值加速度只有0.62g）。4月16日程庆乐同学完成的反应谱分析已经表明（图1），由于这个地震是近场记录，在周期2s以内地震反应谱强度非常大，且竖向地震动作用也非常的强。而当周期超过2s之后，地震动衰减得比较明显。之前分析已经表明这样的地震动对多层结构具有很强的破坏作用，下面将重点讨论一下该地震动对超高层建筑的破坏。

图1 日本九州熊本“416” 7.3级地震KMMH161604160125地震动反应谱

特别值得注意的是，如果将两个水平地震作用的反应谱做矢量和（当然矢量和未必很合理，这里只是做初步讨论），则其反应谱如图2所示。从图中可以看出，在0.7-1.5s这一频率段（也是很多超高层建筑第二或者第三平动周期段），其反应谱值已经和地面峰值加速度达到2g的El-Centro地震动相当。而之前Lu et al. (2011)的研究表明，如果El-Centro地震动达到2g以后，可以对我国的超高层建筑造成非常严重的破坏，因此，田源同学将上述地震动输入到我国两个典型超高层建筑中，分析其导致的破坏情况。

图2 日本“416” 7.3级地震KMMH161604160125地震动水平地震作用与2g PGA的El-Centro地震动对比

分析的两栋超高层建筑为一栋528m的8度设防超高层巨柱－核心筒－巨型支撑结构和一栋632m的7度设防超高层巨柱－伸臂－核心筒结构，以下分别称为超高层A和超高层B，根据Lu et al. (2013)的方法，建立其结构有限元模型示意图如图3和图4所示。

图3 结构A有限元模型

图4 结构B有限元模型

田源同学将KMMH161604160125的三向地震动输入结构A和结构B，得到其损伤情况及分析如下：

首先将KMMH161604160125的三向地震动输入结构A，得到结构破坏模式如图5所示。观察到中上部巨型支撑出现大量塑性区，第五至第七节段核心筒连梁大量破坏，核心筒墙体也出现比较严重的破坏。特别是顶部塔冠由于顶部的鞭梢效应和刚度突变而发生了明显破坏，对整个结构安全性造成不利影响。

图5 结构A塑性区分布，以及连梁破坏和顶部塔冠的局部破坏

类似分析得到结构B在KMMH161604160125的三向地震动输入下，在第5节段底部墙肢发生了严重破坏，如图6、图7所示（之前连梁已经发生了严重破坏）。可能对结构的安全性造成较大影响。

图6 结构B在KMMH161604160125的三向地震动输入下的破坏情况

图7 结构B在KMMH161604160125的三向地震动输入下的动力时程结果（这是一个GIF动画，希望播放顺利）

初步结论：虽然KMMH161604160125的长周期分量相对较小，但是其2s周期以内的地震作用仍然可能造成超高层建筑严重的破坏。另外KMMH161604160125地震动的竖向作用非常强烈，其对结构安全造成的不利影响有待进一步深入研究。

参考文献：

Lu X, Lu XZ, Zhang WK, Ye LP. (2011) Collapse simulation of a super high-rise building subjected to extremely strong earthquakes. Science China Technological Sciences, 54(10): 2549-2560.

Lu X, Lu XZ, Guan H, Ye LP, (2013). Collapse simulation of reinforced concrete high-rise building induced by extreme earthquakes, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 42(5): 705-723.