2017年11月13日伊拉克7.8级地震破坏力分析

2017年11月13日伊拉克7.8级地震破坏力分析

2017-11-15 程庆乐,顾栋炼等 陆新征课题组 陆新征课题组

1. 11.13伊拉克地震简介

2017年11月13日,北京时间11月13日2时18分,伊拉克-伊朗边境地区发生7.8级地震,震中位于北纬34.9度、东经45.75度,震源深度20千米。截至北京时间14日20时,地震已造成至少530人死亡,超过7200人受伤。


2. 伊拉克地震动频谱分析

获取了本次地震PGA最大的台站(Sarpolezahab)地震动记录,其L、V、T三个方向的加速度峰值分别为-684.42cm/s2、-385.24cm/s2和553.62cm/s2,其地震动时程曲线如图1所示。对Sarpolezahab强震台记录的三个分量求加速度反应谱(阻尼比5%),并将加速度反应谱与我国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2和图3所示。可见,此次伊拉克地震的反应谱值较高。

 

(a) L方向分量

(b) V方向分量

 

(c) T方向分量

图1 Sarpolezahab强震台记录


图2 Sarpolezahab强震台记录加速度反应谱

 

图3 Sarpolezahab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. Sarpolezahab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 Sarpolezahab强震台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4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4 框架结构布置图(单位:mm)


对以上3个框架输入Sarpolezahab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%。分析得到的框架层间位移角包络图如图5所示。

  

图5 框架层间位移角包络图


8度框架最大层间位移角约为1/75,超过《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)规定的弹性层间位移角限值1/550,低于弹塑性层间位移角限值1/50,有一定损伤,但不至于倒塌。6度和7度最大层间位移角均发生在底层,分别约为1/27和1/31,已远超过弹塑性层间位移角限值1/50,损伤严重。可见,Sarpolezahab强震台记录对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 Sarpolezahab强震台记录对中国典型超高层破坏力分析

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,为“巨柱—核心筒—伸臂桁架”的混合抗侧力结构体系,卢啸等基于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6);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7)。

 

图6 上海中心大厦有限元模型

图7 中国尊大厦有限元模型


对以上两超高层模型输入Sarpolezahab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8可以看出,上海中心大厦和中国尊大厦的最大层间位移角分别约为1/226和1/153,均远超过《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)中钢筋混凝土框架-核心筒结构1/800弹性层间位移角的限值,小于弹塑性层间位移角限值1/100。可见,两超高层结构在此地震下均遭受一定损伤,但仍能保证抗震安全。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达到1.08g和1.50g,加速度放大效应明显。

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》基于构件抗震性能的易损性数据库(Fragility Database),可以得出结论:上海中心大厦顶层隔墙出现一定破坏,顶层天花板和地板出现大面积破坏,小直径水管和消防喷淋水管发生破坏,电梯丧失功能,楼顶冷冻机、冷却塔、空气压缩机、HVAC以及空气处理装置等设备均发生严重破坏;中国尊大厦顶层隔墙和楼梯出现一定破坏,顶层天花板和地板出现大面积破坏,水管和消防喷淋水管发生破坏,电梯丧失功能,楼顶冷冻机、冷却塔、空气压缩机、HVAC以及空气处理装置等设备均发生严重破坏。

可见,上海中心和中国尊大厦在此地震下的安全性尚且有一定保障,但非结构构件破坏严重,此地震动对中国典型超高层结构有一定破坏力。

(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8 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. Sarpolezahab强震台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,采用城市地震动力弹塑性分析方法,分析Sarpolezahab强震台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9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9 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Sarpolezahab强震台记录,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建筑类型的破坏情况,如图10所示。图10中各个破坏等级的具体数值如表1所示。

 

图10  Sarpolezahab强震台记录下典型区域建筑破坏情况


表1 Sarpolezahab强震台记录对典型区域建筑的破坏力

从表1可以看出:该区域建筑物中等以上破坏率约为95%,建筑破坏情况严重。从图10可以看出,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。

5. 结论

本次伊拉克地震震中附近地面运动较强,破坏力较高,会造成非设防结构大量倒塌,设防结构和高层建筑也可能遭受严重破坏。


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

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二、城市抗震弹塑性分析方法用于应急评估

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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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