工程地震灾变模拟——从高层建筑到城市区域

Earthquake Disaster Simulation of Civil Infrastructures:
from Tall Buildings to Urban Areas

陆新征

科学出版社

2015

内容简介

  我国是世界上地震灾害最为严重的国家之一。与此同时,我国也是世界上高层建筑数量最多、城市化进程最快的国家。准确模拟高层建筑及城市区域建筑群的地震灾变行为,深入揭示灾变倒塌机理,科学预测地震损失并采取安全可靠的工程对策,对减轻我国地震灾害具有重要意义。

  本书介绍了作者近十余年来在高层建筑和城市区域建筑群地震灾变模拟方面的相关研究工作,全书共分十三章,主要内容包括:高层建筑地震灾变模拟的精细模型、高性能求解及可视化方法,高层建筑地震灾变模拟案例,高层建筑地震灾变模拟的简化模型,高层建筑地震灾变模拟的工程应用,中美典型高层建筑抗震设计对比及性能化评价,城市区域建筑群震害模拟的精细化建模、高真实感可视化、数据获取和高性能计算方法,典型城市区域震害的精细化模拟和地震损失的精细化预测等。

  本书可供广大土木工程专业、地震工程专业人员在工程地震灾变模拟研究和工程设计中参考。

前言

  我国是世界上地震灾害最为严重的国家之一,深入开展地震工程研究,切实提高建筑和城市的抗震防灾能力,是保障我国人民生命财产安全的重大问题。由于我国工程建设和城市化发展非常迅速,再加上地震的偶发性,特别是我国中、东部人口密集的大城市自唐山地震后已经有近40年未曾经历过重大地震灾害,现有的震害调查经验显然难以满足工程建设和城市发展的需要。考虑到试验能力的局限,发展数值模拟技术,科学模拟工程结构和城市区域的地震场景和地震破坏,深入揭示灾变机理并提出安全可靠的抗震对策,对提升我国工程抗灾能力和应急救援能力都具有非常重要的价值。

  本书作者近十余年来,在工程结构地震灾变模拟方面开展了很多的研究工作。特别是在2008年汶川地震后,相关研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部等机构的大力支持,在高层建筑和城市区域建筑群的灾变模拟方面承担了多项重要科研项目。为了向广大的研究人员和设计人员介绍相关研究成果,特撰写本书。全书共13章,主要介绍了高层建筑和城市区域建筑群地震灾变模拟的新型数值模型、高性能计算方法、高真实感可视化方法、性能化设计与损失评价方法、以及典型工程应用等相关方面的工作。由于工程地震灾变模拟内容很丰富,国内外很多研究者都做出了许多杰出的研究工作,限于篇幅所限,本书主要介绍作者及合作者在相关领域开展的工作,读者可以参阅相关文献了解其他研究者的工作。

  本书的主要内容源于以下科研项目的部分成果:国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(编号:51222804),国家自然科学基金重大研究计划重点项目(编号:90815025)和集成项目(编号:91315301),国家自然科学基金重大国际(地区)合作研究项目(编号:51261120377),国家自然科学基金面上项目(编号:511782495137829951578320),国家科技支撑计划课题(编号:2006BAJ03A022009BAJ28B012012BAJ07B0122013BAJ08B022015BAK17B00),北京市自然科学基金项目(编号:8142024),教育部新世纪优秀人才支持计划(编号:NCET-10-0528),霍英东教育基金会第十三届高等院校青年教师基金(编号:131071),中国地震局地球物理研究所基本科研专项(编号:DQJB14C01),清华大学自主研究项目(编号:2010THZ02-1)等。

  本书的成果是作者与国内外合作者及研究生共同完成的,主要包括:清华大学叶列平、任爱珠、岑松教授,澳大利亚Griffith University H. Guan教授,日本University of Tokyo M. Hori教授,美国Stanford University K. H. Law教授,中国地震局工程力学研究所林旭川博士,北京建筑设计研究院齐五辉、杨蔚彪、甄伟教授,Arup公司的黄羽立博士,以及课题组的研究生汪训流、缪志伟、马千里、曲哲、许镇、卢啸、施炜、熊琛、解琳琳、曾翔、林楷奇、田源、张万开、韩博、李梦珂、王丽莎、刘斌、杨哲飚等。此外,感谢清华大学钱稼茹、刘晶波、赵作周、潘鹏、纪晓东、冯鹏教授,美国Ohio State University H. Sezen教授,加拿大University of British Columbia T. Yang教授,美国University of North Texas C. Yu教授等在相关研究中提出的很多宝贵建议。并感谢中国建筑科学研究院、北京建筑设计研究院、中国地震局工程力学研究所、中国地震局地球物理研究所、西安建筑科技大学等单位的大力协助和支持。

  本书的计算分析工作和试验研究工作得到清华大学“力学计算与仿真实验室”和“土木工程安全与耐久教育部重点实验室”的大力支持,也在此表示衷心的感谢。

  由于作者水平有限,本书内容只是相关领域诸多研究成果中的沧海一粟,一定存在很多不足和错误之处,衷心希望有关专家和读者批评指正。

作者

20157

北京清华园

目录

第一章 绪论

1.1 研究的背景

1.2 工程地震灾变模拟的内涵和意义

1.3 本书的研究思路和主要研究内容

第二章 高层建筑地震灾变模拟的精细模型

2.1 概述

2.2 纤维梁模型

2.3 分层壳模型

2.4 基于构件和截面的模型

2.5 多尺度建模方法

2.6 单元生死方法与倒塌模拟

第三章 高层建筑地震灾变模拟的高性能求解及可视化

3.1 概述

3.2 GPU高性能矩阵求解器

3.3 地震灾变模拟的高性能可视化

第四章 高层建筑地震灾变模拟案例

4.1 概述

4.2 某巨柱-核心筒-伸臂超高层建筑地震灾变模拟

4.3 某巨柱-核心筒-巨型支撑超高层建筑地震灾变模拟

第五章 高层建筑地震灾变模拟的简化模型

5.1 概述

5.2 弯剪耦合模型

5.3 鱼骨模型

第六章 高层建筑地震灾变模拟的工程应用

6.1 概述

6.2 地震动强度指标

6.3 超高层建筑最小剪力系数研究

6.4 剪力墙内支撑布置方案比选

第七章 中美典型高层建筑抗震设计对比及性能化评价

7.1 概述

7.2 中美典型高层建筑抗震设计对比

7.3 中美典型高层建筑抗震性能对比

7.4 本章小结

第八章 城市区域建筑震害模拟的精细化建模

8.1 概述

8.2 多层建筑剪切层模型

8.3 高层建筑弯剪耦合模型

第九章 城市地震灾变模拟的可视化和数据获取

9.1 概述

9.2 城市建筑群震害场景的2.5D模型

9.3 城市建筑群震害场景的3D-GIS模型

9.4 基于物理引擎的城市建筑群震害倒塌模拟

第十章 城市区域震害模拟的高性能计算方法

10.1 概述

10.2 基于GPU粗颗粒度并行的城市区域震害模拟

10.3 基于云计算的城市区域震害模拟

10.4 多尺度区域建筑震害模拟的分布式计算

第十一章 典型城市区域震害的精细化模拟

11.1 概述

11.2 鲁甸地震极震区震害场景再现

11.3 清华校园建筑震害预测与讨论

11.4 我国某中等城市的震害模拟

11.5 我国特大城市建筑群震害模拟

第十二章 典型城市区域地震损失的精细化预测

12.1 概述

12.2  基于新一代性能化设计的城市区域地震损失预测

12.3 碎片坠落次生灾害及应急区域规划

第十三章 结论和展望

13.1 结论

13.2 展望

1 绪论

1.1 研究的背景

  我国位于世界两大地震带--环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位,是世界上地震灾害最为严重的国家之一。我国660个大中型城市中,位于地震区的占74.5%,约有50%位于基本烈度7度及其以上地区。118个百万以上人口的大城市中,有85.7%位于地震区,近2/3位于基本烈度7度及其以上地区(江见鲸, 2005)。我国历史上曾经发生过多次重大地震灾害,造成了非常严重的人员伤亡和经济财产损失。历次地震灾害均表明,土木工程结构是地震灾害的主要承灾体,也是造成人员伤亡和经济损失的最主要原因。深入研究工程结构的灾变演化机理,进而提出科学有效的抗震减灾对策,是减轻地震灾害最重要的手段之一。

  世界地震工程经过一百余年的努力,在工程结构抗震方面已经取得了很多重要的研究成果。近年来几次重大地震灾害都表明,当实际地震作用没有显著超出设防罕遇地震水准时,经过科学抗震设计的常规工程结构基本都能够成功避免倒塌破坏,防止出现重大人员伤亡。这是地震工程界非常了不起的成就。但是,由于地震的复杂性以及社会的发展,地震工程仍然面临着许多重要的挑战,包括:

(1) 新型工程结构的抗震防灾问题

  目前各国规范所采用的抗震设计方法,很多内容是历史上大量震害经验的积累。地震是一个天然的试验场,经过实际地震考验的抗震设计是最为可靠的。但是,由于地震的偶发性和土木工程的迅速发展,工程建设不可能等到实际强烈地震考验后再开展。例如,近年来非常突出的一个问题就是超高层建筑的抗震防灾问题。世界各国都在建或建成了很多超高层建筑,但是很少有超高层建筑真正经历过实际强烈地震的考验。这些建设在地震区的400m,500m甚至600m级超高层建筑,其地震响应究竟如何?会是怎样的一个破坏模式?抗震措施效果到底怎样?这些问题都亟待深入展开研究。

(2) 城市区域的综合抗震防灾问题

  抗震设计方法的进步不能完全解决城市区域的综合抗震防灾问题,因为就像谚语所说:"罗马不是一天建成的"。每个城市都有着漫长的历史。城市里面有大量不同历史时期遗留下来的工程结构。特别是对于中国,由于近代地震工程开始较晚,加上我国是从落后、不发达阶段逐步发展过来的,过去因为经济、科技水平的限制而遗留下来大量低抗灾能力的基础工程设施和房屋建筑,是我国现代城市防灾能力的重要软肋。按照现在城市建筑物的更新换代速度,在未来很长一段时间内,一旦地震发生在人口密集的城市区域,仍然不可避免的会造成很大的破坏和损失。如果不能科学、准确的预测城市区域的地震灾害并采取科学的防灾预案和应急对策,则抢险救灾既不可能及时,也不可能高效。灾后的重建,生产和生活的恢复也更加困难。

(3) 超出设防水准的极罕遇地震作用问题

  虽然我国的地震区划已经经历了四、五次重大修订,对地震风险的认识一直在不断加深,但是由于地震的复杂性,超出设防水准的极罕遇地震作用在历史上多次出现,且未来也难以完全避免。类似这样的极端灾害事件,一旦发生,往往后果极其严重,因此必须给予必要的考虑。对极罕遇地震的抗震设计,显然不能依照常规的抗震设计方法来进行。它需要将一个工程结构,或者一个城市区域,视为一个系统,通过科学的体系能力设计,充分发挥系统中每个零件的作用,实现整体大于局部之和,以求得防灾投入和抗灾能力之间的平衡。这是对现行工程结构设计方法的重要发展,国内外很多学者在此领域开展了大量的研究(叶列平等, 2008a, 2008b; 王亚勇等, 2010; 姚攀峰, 2011),但还有很多工作有待进一步开展。

1.2工程地震灾变模拟的内涵和意义

  由于土木工程结构自身体量庞大、造价高昂、结构复杂,加上地震作用的"突发性、区域性和毁灭性"的特点。完全依赖物理试验手段研究其地震灾变过程难度很大。即使采用缩比模型,也依然存在尺寸效应、相似比设计等诸多困难。与此同时,土木工程也是城市功能的主要载体,当工程结构的灾变研究从单体发展到城市区域规模时,采用物理实验手段更是无能为力。因此,计算机数值模拟作为一种重要的科学研究手段,在工程结构抗震防灾领域得到日益广泛的应用。

  工程结构计算机数值模拟的核心工作,是将工程结构的各种复杂行为(力学、热学等),建立相应的数学方程,而后通过计算机对这些方程进行求解,以预测相应的工程结构响应。工程结构数值模拟包括三个主要的构成部分:

(1) 工程结构的数值计算模型;

(2) 数学方程的求解算法;

(3) 完成工程结构数值模拟所需的计算机硬件平台。

  其中高性能的硬件平台是基础,高效的求解算法是重要手段,而工程结构的数值计算模型是核心研究内容。

  由于土木工程结构自身体量的庞大和行为的复杂,使得准确描述其复杂非线性受力行为的数值模型的计算量非常大。例如,虽然研究早已发现,实体单元是描述三维物体受力行为最为合适的单元类型,但是基于实体单元的建筑结构非线性计算,即便是利用当前最先进的计算平台,也只能完成一些简单的多、高层单体结构的非线性分析。例如,Yamashita等(Yamashita et al., 2011)利用实体单元建立了一座高129.7m的规则高层钢结构的计算模型,单元总数超过了1600万,这样的计算量,即便是对于E-simulator这样的超级计算机,也是一个非常有挑战性的工作。计算机有限的计算能力与工程结构数值模拟几乎无限的计算量需求,构成了工程结构数值模拟的一个主要矛盾,同时也成为工程结构数值模拟不断进步的一个重要源动力。

  实际上,科学研究/工程应用的需求与试验能力(包括物理试验和数值模拟试验)的限制之间的矛盾,无论是对于物理试验还是对于数值模拟试验都同样存在。然而,计算机技术日新月异的发展,为突破数值模拟计算能力限制不断提供新的手段。与此相对的,物理试验能力的发展却遇到了巨大的困难。例如,以振动台试验为例,目前世界上最大的振动台为建于1995年的日本E-Defense振动台。此后近20年,振动台试验能力都很难进一步得到提高。而世界上最快的超级计算机的头衔,几乎每年都在变化。甚至家家户户使用的桌面电脑的速度,已经可以和15年前世界上最快的超级计算机相媲美。日趋庞大而廉价的计算机数值计算能力,正沿着摩尔定律飞快发展,并不断为工程结构的数值模拟提供强有力的推动力。2009年,中国住建部、美国国家科学基金会(NSF)和日本文部省组织中美日三国50余位地震工程和结构工程知名专家在广州举行"中美日建筑结构抗震减灾研讨会",探讨未来结构工程和地震工程的发展方向。与会专家一致认定:"基于超大规模计算的区域综合震害预测是未来地震工程领域具有重大价值的研究方向"。

1.3 本书的研究思路和主要研究内容

  针对前文所述目前工程抗震防灾领域比较突出的问题:高层建筑和城市区域的抗震防灾问题,本书主要通过数值模拟手段,研究高层建筑和城市区域的灾变演化机理,特别是在极罕遇地震作用下的倒塌行为,进而提出相应的防震减灾对策。全书的研究思路和各章的主要内容简要介绍如下:

  本书第2章到第7章主要介绍高层建筑的地震灾变模拟问题。

  由于高层建筑体量庞大,结构复杂,提出合理准确的计算模型是研究其灾变机理的基础,因此,本书第2章首先介绍了以纤维梁单元和分层壳单元为基础的高层建筑地震灾变模拟的精细有限元模型。并通过一系列构件试验的模拟,验证了所提出模型的准确性和可靠性。

  采用纤维梁单元和分层壳单元等精细有限元模型带来的一个新的挑战就是模型规模和计算量急剧增加,因此,本书第3章提出了基于图形处理器(GPU)的高性能矩阵求解策略和灾变模拟结果可视化策略。通过使用新的软硬件工具,满足精细化灾变模拟对计算能力的需求。

  基于第2章的精细化有限元模型和第3章的高性能计算方法,本书第4章通过两个比较有代表性的超高层建筑地震灾变模拟,研究了新型超高层结构的倒塌过程和破坏机理,并提出了相应的工程设计建议。

  利用精细化有限元模型实现结构地震响应分析虽然精度高,但是毕竟代价较大,不便于在工程设计初期使用。因此,本书第5章提出了高层建筑地震灾变模拟的简化模型,从而可以以非常小的计算代价,取得和精细化有限元模型相近的计算结果,为工程前期设计和方案比选提供参考。

  基于前述高层建筑精细化有限元模型及简化计算模型,本书第6章选取了高层建筑设计中几个比较受关注的问题,包括地震动强度指标的选取,最小地震剪力系数的规定,剪力墙抗震措施设计等,说明了地震灾变模拟在工程设计中的具体应用。

  前面几章高层建筑地震灾变研究主要偏重于其结构性能。而国际上最新的性能化设计方法除了对结构性能提出要求外,还关注非结构构件破坏,以及相应的经济损失和修复时间等。因此,本书第7章利用所提出的灾变演化模型,通过两个典型中美高层建筑对比,介绍了新一代性能化设计方法,并研究了案例中美高层建筑的综合抗震性能。

  本书第8章到第12章主要介绍城市区域的地震灾变模拟问题。

  针对目前城市区域建筑群地震灾害模拟存在的不足,本书第8章提出了利用多自由度层模型和非线性时程分析来实现城市区域建筑群的精细化地震灾变模拟,并给出了多层砌体、多层混凝土框架和高层框架-剪力墙/核心筒结构的计算模型和参数确定方法。

  由于城市建筑群地震灾变模拟的用户将不仅仅是土木工程专业人员,因此高真实感的灾变场景可视化模拟对非土木工程专业人员非常重要。本书第9章基于第8章城市区域建筑群精细化地震灾变模拟的结果,结合2D城市GIS模型或者3D城市多边形模型,实现城市区域建筑群震害模拟的高真实感可视化,以及基于物理引擎的区域建筑倒塌灾变行为的模拟。

  精细化的城市区域震害模拟带来的同样是计算量过大的问题。因此本书第10章分别介绍了通过GPU并行计算、云计算及多尺度分布式计算来实现城市区域建筑群震害高性能计算模拟。

  基于前述8、9、10章提供的方法,本书第11章分别讨论了五个典型的区域建筑群震害分析案例,其建筑数量,从几十、到几百、到几千、再到几万。通过这些案例对比,说明了本书建议方法的优势。

  本书前几章的模拟主要是针对城市建筑群的结构震害。本书第12章进一步讨论了基于精细化城市区域震害模拟和新一代性能化设计方法来预测区域地震损失。以及利用精细化城市建筑群非线性时程分析来预测碎片坠落次生灾害及应急区域规划方法。

  最后,本书第13章对相关研究工作进行了总结,并对灾变模拟未来的发展提出展望。  

13 结论和展望

13.1 结论

  Reitherman指出,地震工程学所面临的三个主要困难在于"风险、非弹性和动力学(Risk, inelasticity and dynamics)"(Reitherman,2012)。虽然地震工程很多重要思想,在20世纪中期、甚至19世纪末期,就已经提出来了。但是离开了计算机的帮助,定量且精确的研究上述三个问题中的任何一个都是非常困难的。而自从计算机出现后,结构工程和地震工程的研究取得了翻天覆地的巨大变化。Roesset and Yao评价:"20世纪及未来若干年结构工程学最主要的改变是因为数字计算机的发展,包括将计算机作为一个强大的工具进行繁琐的计算以及作为一个新的通讯工具供设计团队、教授和学生、及其他人员开展交"(Roesset & Yao,2002)。充分利用计算机科学和技术方面取得的最新成果,加深对工程结构和城市在强烈地震下的灾变演化规律和机理的理解,进而提出高效可靠的工程对策,对工程防灾减灾有着重大而深远的意义。

13.2 展望

  工程地震灾变模拟,是一个多学科交叉,有着丰富内涵和广阔前景的研究方向。很多科研管理机构都要求,对申请的研究课题要求说明其"STEM"的价值。"S"就是科学(Science),"T"就是技术(Technology),"E"就是工程(Engineering),"M"就是数学(Mathematic)。正如图13.2-1所示,对于工程地震灾变模拟来说,首先需要提出工程结构的数值模型,这就是其科学价值。提出数值模型后,要通过精心设计的试验来对数值模型的准确性进行验证,这就是其技术价值。在深入理解工程灾变的机理上,可以提出一系列抗震减灾的设计方法和工程措施,这就是其工程价值。而工程结构灾变模拟中,需要开发一系列新的数值计算方法,这就是其数学价值。因此,工程地震灾变模拟绝不是简单的数字或计算机游戏,而是多学科前沿的交叉、融合与升华。正如美国国家科学基金委(NSF)报告指出:"很少有如此多的独立研究得出这样一个共识:计算机模拟成为在工程和科学上取得进步的关键要素(Seldom have so many independent studies been in such agreement: simulation is a key element for achieving progress in engineering and science.)"(NSF,2006)。

  本书仅对超高层建筑及城市区域建筑群的地震灾变模拟问题进行了讨论。实际上,广义的工程地震灾变模拟,囊括了从断层到场地的工程强地震动模拟,到各类建筑、桥梁、生命线、地下工程等大大小小的工程设施地震响应,再到防灾避难、应急疏散、经济活动等各种社会响应等,还有很多问题尚未得到研究。随着信息技术的进步和工程抗震防灾研究的进步,工程地震灾变模拟势必会在未来获得更大的发展。

   

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