2017.08.08四川九寨沟7.0级地震震中附近地面运动破坏力分析 | 见《工程建设标准化》第8期
说明：我们课题组在2017年8月9日发表了四川九寨沟7.0级地震分析报告后，《工程建设标准化》期刊向我们约稿。本文是正式发表的论文，对8月9日分析报告中的一些技术细节做了具体介绍。
2017.08.08四川九寨沟7.0级地震震中附近地面运动破坏力分析
《工程建设标准化》，2017, 8, 68-72
陆新征1，顾栋炼1，林旭川2，程庆乐 ，张磊1，田源1，曾翔1
（1. 清华大学土木工程系，北京 100084；2. 中国地震局工程力学研究所，哈尔滨，150080）
摘要：2017年8月8日，北京时间21时19分46秒，四川省北部阿坝州九寨沟县发生7.0级地震（震中北纬33.20度，东经103.82度）。本文对该地震中震中附近强地震动记录—九寨百河强震台（51JZB）记录进行了频谱分析。并将此地震动记录输入中国典型6层钢筋混凝土框架和两栋典型超高层结构（上海中心大厦和中国尊大厦）的有限元模型，进行了非线性动力时程分析和损伤分析；输入阿坝地区典型村镇和典型农村进行了区域建筑震损分析。分析结果表明：此次四川九寨沟地震对框剪结构、6层及6层以上框架结构和中国典型超高层结构的破坏力较小，对阿坝地区非设防结构、低矮短周期结构破坏力较大。
关键词：九寨沟地震，震害分析，框架结构，高层建筑，农村建筑
1.8·8九寨沟地震简介
2017年8月8日，北京时间21时19分46秒，四川省北部阿坝州九寨沟县发生7.0级地震（震中北纬33.20度，东经103.82度）。此次地震震源深度约20千米，震中位于九寨沟核心景区，震中东距九寨沟县城永乐镇39公里、南距松潘县66公里、东北距舟曲县83公里、东南距文县85公里、西北距若尔盖县90公里，东偏北距陇南市105公里，南距成都市285公里。截至2017年8月11日19时，地震已致24人死亡，493人受伤[1]。
2.8·8九寨沟地震动频谱分析
依据中国地震局工程力学研究所“国家强震动台网中心”对8·8九寨沟地震强震动观测简讯，截至2017年8月8日23时50分，共获取17组强震动观测记录。公布的数据中，九寨百河强震台（51JZB）震中距最小，震中距为30.50公里。台站位置为北纬33.2度，东经104.1度，台站位置示意图如图1所示。
九寨百河强震台地震动记录的东西、南北以及垂直向加速度峰值分别为-129.5 cm/s2、-185.0 cm/s2和-124.7cm/s2，其地震动时程曲线如图2所示。对51JZB地震动记录的三个分量（东西方向，南北方向和竖直方向）求加速度反应谱（阻尼比5%），并将加速度反应谱与我国8度Ⅱ类场地设计反应谱和我国近年来震中附近强震记录对比，如图3和图4所示。可见，与我国近年来记录到一些强震记录相比，此次8·8九寨沟地震的反应谱值明显较低。
图1 九寨百河强震台位置
(a)NS方向分量
(b)EW方向分量
(c)UD方向分量
图2九寨百河强震台（51JZB）地震动记录
图3九寨百河强震台记录加速度反应谱
图4 九寨百河强震台记录和我国近年来震中附近强震记录加速度反应谱对比
3.九寨百河强震台记录对典型框架和典型超高层建筑破坏力分析
3.1．九寨百河强震台记录对典型框架破坏力分析
钢筋混凝土框架结构是震中附近主要建筑结构类型之一。本文采用施炜[2]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5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5 框架结构布置图(单位：mm)
对以上3个框架输入九寨百河强震台地震动记录，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6所示。
图6 框架层间位移角包络图
可见，8度框架基本无损伤，6度和7度框架的框架柱截面尺寸相同，且小于8度框架，故最大层间位移角约为1/500，刚刚超过《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[3]规定的弹性层间位移角限值1/550，损伤程度较轻。这是因为九寨百河强震台地震动记录主要为短周期分量，0.3s以上周期分量很小，而分析所用6层钢筋混凝土框架的一阶周期均显著大于0.3s，故此地震动对上述框架的破坏力较弱。
3.2. 九寨百河强震台记录对中国典型超高层破坏力分析
根据《国家防震减灾规划（2006—2020年）》[4]，“到2010年，大城市及城市群率先达到基本抗御6.0级地震的目标要求”。《北京市“十三五”时期防震减灾规划》[5]进一步提出：“十三五”期间，应“确保北京地区一旦发生6-7级地震，达到伤亡不大、城市不瘫、社会不乱、应对有力、安置有序的要求；发生7级以上地震，基本实现首都核心功能不受太大影响的目标。”因此，在遭遇8·8九寨沟地震这样的7.0级地震时，北京、上海等大城市的重要高层建筑应确保结构安全。基于上述背景，本文以我国两栋典型超高层建筑—上海中心大厦和中国尊大厦为例，进行弹塑性时程分析，研究其结构响应和地震损失情况。
上海中心大厦和中国尊大厦，分别位于我国抗震设防烈度7度区（上海）和8度区（北京）。上海中心大厦主体塔楼共124层，塔顶建筑高度为632m，结构高度为580m[6]，为“巨柱—核心筒—伸臂桁架”的混合抗侧力结构体系，卢啸等[7]基于2010年1月上海中心设计方案，采用通用有限元软件MSC.Marc 2007，建立了其有限元模型（如图7）；中国尊大厦（在建）塔楼共108层，建筑高度528米，采用了“巨型支撑框架－核心筒”的混合抗侧力体系，卢啸等[8]同样采用通用有限元软件MSC.Marc 2007，建立了其有限元模型（如图8）。
图7 上海中心大厦有限元模型
图8 中国尊大厦有限元模型
对以上两超高层模型输入九寨百河强震台记录，采用经典的Rayleigh 阻尼进行弹塑性时程分析，阻尼比取5%。两超高层的楼层层间位移角包络图如图9所示。从图9可以看出，无论是上海中心大厦还是中国尊大厦，在九寨沟-NS地震动记录下的层间位移角均较小，均远小于《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[3]中钢筋混凝土框架-剪力墙结构1/800弹性层间位移角的限值。可见，两超高层结构在此地震下的抗震安全性均有较好的保证。此外，根据时程分析结果，上海中心大厦和中国尊大厦的顶层楼面绝对加速度分别为0.11g和0.24g，两超高层的整体楼面绝对加速度均较小。
基于上述层间位移角和楼面绝对加速度的分析结果，根据美国新一代性能化设计指南《FEMA P-58-1》[9]基于构件抗震性能的易损性数据库（Fragility Database），可以得出结论：上海中心大厦的非结构构件基本保持完好，中国尊大厦极少数非结构构件（如楼顶的制冷机）发生轻微破坏。两超高层结构在此地震下的使用功能基本保持完好。
可见，上海中心和中国尊大厦在此地震下的安全性和使用功能都有很好的保障，此地震动对中国典型超高层结构的破坏力较弱。
(a) 上海中心层间位移角包络图
(b) 中国尊层间位移角包络图
图9 九寨百河强震台记录下上海中心和中国尊层间位移角包络图
注：上海中心大厦的层间位移角包络图不包括大厦顶部桁架。
4.九寨百河强震台记录对典型城市区域破坏能力分析
本文基于《第六次全国人口普查》及《中国城市统计年鉴》[10]等数据，通过线性规划构建了四川阿坝地区的典型村镇区域和典型农村区域的建筑模型，包括不同建造年代、不同结构类型、不同层数的建筑；将九寨沟-NS和九寨沟-EW地震动记录输入阿坝地区典型村镇和典型农村区域建筑模型，采用城市地震动力弹塑性分析方法[11, 12]，分析九寨百河强震台记录对阿坝地区典型村镇和典型农村建筑的破坏能力。下面详细介绍具体分析流程和方法。
本文建筑分析模型采用城市地震动力弹塑性分析方法[11, 12]，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文献[11]、[12]。
图10 城市地震动力弹塑性分析中的建筑分析模型
对建立的阿坝地区建筑分析模型输入九寨百河强震台记录，采用城市地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阿坝地区典型村镇和典型农村不同建筑类型的破坏情况，如图11所示。图11中各个破坏等级的具体数值如表1和表2所示。
(a)阿坝地区典型村镇建筑破坏情况
(b)阿坝地区典型农村建筑破坏情况
图11 九寨百河强震台记录下阿坝地区典型村镇和典型农村建筑破坏情况
表1 九寨百河强震台记录对阿坝地区典型村镇建筑的破坏力
表2 九寨百河强震台记录对阿坝地区典型农村建筑的破坏力
从表1和表2可以看出：阿坝地区典型村镇的中等以上破坏率约为70%，典型农村的中等以上破坏率约为98%，农村建筑破坏情况较为严重。从图11可以看出，阿坝地区破坏较严重的建筑类型为未设防砌体、设防砌体和土木结构，而框剪结构破坏程度较轻，农村的框架结构受到一定程度的破坏。进一步分析框架结构的破坏情况可以得出：发生中等破坏的框架结构多为6层以下低矮短周期框架，而6层及6层以上框架破坏程度较轻。这与前文单体框架分析结果保持一致。
可见，本次地震对非设防砌体、低矮短周期结构破坏力较大，而对框剪结构和6层及6层以上钢筋混凝土框架的破坏能力较小。
5.结语
本文对8·8九寨沟地震中较强地震动记录——九寨百河强震台（51JZB）记录进行了频谱分析，发现与我国近年来的一些强震记录相比，8·8九寨沟地震破坏力有限；在此基础上，本文将九寨百河强震台站记录输入6层钢筋混凝土框架结构和中国两座典型超高层结构—上海中心大厦和中国尊大厦有限元模型，进行了动力时程分析和损伤分析，发现在此地震下：8度区框架基本保持完好，6度和7度区框架轻微破坏，上海中心大厦和中国尊大厦结构构件和非结构构件均基本保持完好，建筑安全性和功能性均基本不受影响。此外，本文还构建了阿坝地区典型村镇和典型农村建筑模型，对阿坝地区进行了区域建筑震损分析，分析结果表明：本次地震对非设防砌体、低矮短周期结构破坏力较大，而对框剪结构和6层及6层以上框架的破坏能力较小。
致谢
中国地震局工程力学研究所“国家强震动台网中心”为本研究提供强震动观测数据支持。
参考文献
[1]凤凰资讯，九寨沟熊猫海附近发现一位死者遗体 死亡人数增至24人 [EB/OL]. http://news.ifeng.com/a/20170811/51614941_0.shtml?_zbs_baidu_dk，2017-8-11/2017-8-11.
[2]施炜, 叶列平, 陆新征,等. 不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力的研究. 工程力学, 2011, 28(3): 41-48..
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.
[4]中国地震局. 国家防震减灾规划（2006—2020年）[R]. 北京：国务院办公厅，2006.
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相关资料