02.06花莲地震震中附近地面运动破坏力分析
02.06花莲地震震中附近地面运动破坏力分析
1. 02.06花莲地震简介
北京时间2018年02月06日23时50分，台湾花莲县附近海域发生6.5级地震，震源深度11千米。截至7日15时30分，地震已造成5人遇难，254人受伤，仍有88人失联。
2. 花莲地震动频谱分析
台湾有关专业部门发布了本次地震近场加速度时程报告（图1），其中花莲HWA台站距离震中19.90km（图2），其地面运动强度较大（图3）。
图1 台湾有关专业部门发布的近场加速度时程（感谢NARLabs提供资料）
图2 花莲HWA台站位置（感谢NARLabs提供资料）
图3 花莲市HWA台站记录（感谢NARLabs提供资料）
清华大学团队根据报告中有关图像，通过图像处理获得了本次地震中破坏力较强的花莲市HWA台站时程。图像处理获得的时程与实测记录波形及反应谱对比如图4-5所示。
图4 图像处理得到的加速度时程
图5 图像处理得到的加速度时程反应谱与实测反应谱对比
将该地震动与中国大陆设计反应谱及近年来中国大陆典型强震地面运动对比，如图6所示，可见该地震动在1.0s后的反应谱强度显著高于设计反应谱及历史地震动。
图6 花莲市HWA台站记录和我国近年来震中附近强震记录对比
3. 花莲市HWA台站记录对典型框架和典型砌体建筑破坏力分析
3.1 花莲市HWA台站记录对典型框架破坏力分析
本文采用施炜设计的三个钢筋混凝土框架结构为研究对象。该钢筋混凝土框架结构共6层，结构平面和立面布置如图7所示。结构底层层高4.1m，其他层高3.7m，总高22.6m，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，设防烈度分别为6度、7度和8度。
(a) 平面布置
(b) 立面布置
图7 框架结构布置图（单位：mm）
对以上3个框架输入花莲市HWA台站记录，采用经典的Rayleigh 阻尼进行弹塑性时程分析，阻尼比取5%。分析得到的框架层间位移角包络图如图8所示。
图8 框架层间位移角包络图
6度设防和7度设防框架层间位移角已经显著超过1/50，已经进入倒塌状态。8度设防框架层间位移角稍大于1/50，存在倒塌的可能性。可见，花莲市HWA台站记录对6度和7度混凝土框架结构破坏力较强，对8度框架有一定破坏力。
3.2 花莲市HWA台站记录对典型砌体结构破坏力分析
将花莲市HWA台站记录输入图9所示典型多层砌体结构，得到最大层间变形已经超过1/10，结构将倒塌。
图9 典型砌体结构
4. 花莲市HWA台站记录对典型城市区域破坏能力分析
本研究选取类似震中附近的城市区域（唐山市，当然花莲市2500年一遇地震反应谱更接近大陆8.5度区），采用城市地震动力弹塑性分析方法，分析花莲市HWA台站记录对区域建筑的破坏能力。
本节分析采用城市抗震动力弹塑性分析方法，该方法基于多自由度非线性集中质量层模型，其基本思路是把建筑物简化成不同楼层组成的一系列的“糖葫芦串”，其中单层、多层建筑采用多自由度剪切层模型，高层建筑采用多自由度弯剪耦合层模型（如图10所示），并建议了如何基于有限的建筑属性信息（结构类型、高度、层数、建造年代、楼层面积），来确定城市内成千上万建筑物的集中质量模型的有关参数。具体的模型说明和参数标定方法可以参考Lu XZ, Guan H, Earthquake Disaster Simulation of Civil Infrastructures: From Tall Buildings to Urban Areas, Singapore: Springer, 2017。
图10 城市地震动力弹塑性分析中的建筑分析模型
对建立的典型区域建筑分析模型输入花莲市HWA台站记录，采用城市抗震动力弹塑性分析方法，通过非线性时程分析可以得到该地震下不同类型建筑的破坏情况，如图11所示，图中每类结构有三列，分别为结构抗力取中位值和加减一倍方差的预测结果。 （说明：由于每个结构的实际抗震能力都是有一定不确定性的，所以我们在新版的程序当中加入了对结构抗力不确定性的考虑，具体方法可以参考Parametric sensitivity study on regional seismic damage prediction of reinforced masonry buildings based on time-history analysis, Bulletin of Earthquake Engineering, 2017）
图11 花莲市HWA台站记录下典型区域建筑破坏情况
从图中可以看出，该地震动的破坏力较强，对8度设防框架结构，有超过60%达到中等破坏，如果考虑结构抗力的不确定性，当结构抗力减一倍方差后，可能会有少数框架结构发生倒塌。由于该地震的长周期分量较大，因此对高层框剪结构破坏力也比较强。未设防砌体和土木结构在该地震动下基本都会达到毁坏状态。设防砌体的变异性较大，当结构抗力取中位值时基本在严重破坏状态，但是结构抗力加一倍方差后可能是中等破坏，减一倍方差则会达到毁坏状态。
5. 结论
本次花莲地震震中附近地面运动较强，破坏力较高，对于8度设防框架结构，在抗力均值减一倍方差情况下可能出现倒塌。
6. 补充说明
本次花莲地震分析由孙楚津、程庆乐、顾栋炼等同学完成，对上述研究生在寒假期间牺牲休息时间表示感谢。由于寒假期间同学们都在家里，所以报告完成得慢了。
城市抗震弹塑性分析的应用实例
一、城市抗震弹塑性分析方法用于震害预测
二、城市抗震弹塑性分析方法用于应急评估
三、城市抗震弹塑性分析方法用于次生灾害及经济损失预测
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