汶川、芦山、鲁甸地震极震区地面运动破坏力
对比及其思考

陆新征1 林旭川2 田源1 叶列平1

1土木工程安全与耐久教育部重点试验室,清华大学土木工程系,北京,1000842 中国地震局工程力学研究所,河北三河,065201

工程力学/Engineering Mechanics, 2014, 33(23): 145-149.

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摘 要:本文收集了汶川、芦山、鲁甸地震极震区的强震地面运动记录,并简要介绍了鲁甸地震的震害情况。以6组二维钢筋混凝土框架结构和1组三维钢筋混凝土框架为例,对比了这些地面运动对不同结构的破坏作用。分析结果表明,汶川地震极震区的地面运动破坏力最强,鲁甸地震次之,而芦山地震极震区的地面运动破坏力则明显较小。基于上述对比,对我国的地震应急响应依据、宏观烈度评定、地震动强度指标及工程抗震研究提出一些讨论和建议。

关键词:汶川地震;芦山地震;鲁甸地震;地面运动;倒塌

中图分类号TU352    文献标识码A

COMPARISON AND DISCUSSION ON DESTRUCTIVE POWER OF THE GROUND MOTIONS RECORDED IN THE HARDEST-HIT REGIONS OF WENCHUAN, LUSHAN AND LUDIAN EARTHQUAKES

LU Xinzheng 1, LIN Xuchuan 2, TIAN Yuan 1, YE Lieping 1

(1 Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing, P.R. China, 100084

2 Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Sanhe 065201, China)

Abstract:  In this work the ground motions recorded in the hardest-hit Regions of Wenchuan, Lushan and Ludian Earthquakes are collected. The seismic damage of Ludian Earthquake is briefly introduced. Six two-dimensional reinforced concrete (RC) frames and one three-dimensional RC frame are taken as examples to compare the destructive power of the ground motions. The analysis results show that the ground motion of Wenchuan Earthquake is the most destructive, followed closely by Ludian Earthquake, while that of Lushan Earthquake is the least destructive. Based on the above results, discussions and suggestions are presented on the important related issues, such as the emergency response of earthquake, evaluation of seismic intensity degrees, seismic intensity measures and structural seismic designs.

Key words:  Wenchuan Earthquake, Lushan Earthquake, Ludian Earthquake, Ground Motion, Collapse.



1  引言

地震的地面运动记录是工程抗震研究的重要基础。国际上地面运动记录研究始于19世纪80年代日本东京大学John Milne等的研究[1],在20世纪3040年代,陆续获取了多条强震地面运动记录,例如最为著名的El-Centro 1940地面运动记录。而我国由于历史原因,直到1988年澜沧-耿马地震,才首次记录到我国大陆地区的近场强地震地面运动记录[2]。而后,在汶川地震、芦山地震、特别是2014年的鲁甸地震中,连续获得了多条极震区近场强地面运动记录,对发展我国抗震事业提供了非常重要的基础资料。

在汶川地震、芦山地震和鲁甸地震中,都多次记录到峰值加速度(PGA)超过0.6g,甚至超过1.0g的强加速度记录[3,4,5]。图1给出了汶川地震什邡八角镇地震波、芦山地震宝兴地办地震波和鲁甸地震龙头山镇地震波的波形。图2给出了这三组地震波的NS分量的反应谱和规范II类场地9度罕遇地震反应谱的对比。从PGA上看,则芦山地震最大(达到1.005g),汶川地震最小(0.633g),鲁甸地震居中(0.949g)。从持时上看,则汶川最长,鲁甸最短。从反应谱上看,则鲁甸地震的频谱最宽,芦山地震反应谱的中长周期段明显较低。随着我国结构抗震研究越来越多的使用我国记录到的地震动,地震研究也将从表观烈度向仪器烈度发展。深入研究这三次地震得到的强震记录对工程结构的破坏作用强弱差异,进而分析其原因,具有重要的科学和工程价值。

汶川地震什邡八角镇地震波(NS、EW、UD分量)

汶川地震什邡八角镇地震波(NS、EW、UD分量)

汶川地震什邡八角镇地震波(NS、EW、UD分量)

(a) 汶川地震什邡八角镇地震波(NSEWUD分量)

芦山地震宝兴地办地震波(NS、EW、UD分量)

芦山地震宝兴地办地震波(NS、EW、UD分量)

芦山地震宝兴地办地震波(NS、EW、UD分量)

(b) 芦山地震宝兴地办地震波(NSEWUD分量)

鲁甸地震龙头山镇地震波(NS、EW、UD分量)

鲁甸地震龙头山镇地震波(NS、EW、UD分量)

鲁甸地震龙头山镇地震波(NS、EW、UD分量)

(c) 鲁甸地震龙头山镇地震波(NSEWUD分量)

1 汶川、芦山、鲁甸极震区地震动波形图

Figure 1 Ground motions recorded in the hardest-hit regions of Wenchuan, Lushan and Ludian Earthquakes

图2 地震动拟加速度反应谱对比(未调幅)

2 地震动拟加速度反应谱对比(未调幅)

Figure 2 Comparison of pseudo spectral accelerations (Original ground motion)

本文对鲁甸地震的建筑震害进行了简要介绍,并以汶川地震什邡八角镇地震波、芦山地震宝兴地办地震波和鲁甸地震龙头山镇地震波为输入,分别对按照规范7度设防设计的6组二维框架结构和1组三维框架结构进行弹塑性分析和IDA倒塌分析,以研究不同地震破坏能力的差别,并对我国地震应急响应策略和工程抗震研究等提出建议。

2  鲁甸地震建筑震害情况

发生在201483日的鲁甸地震虽然震级只有6.5级,但是造成的建筑震害极其严重,下面按照不同烈度区划,简要介绍一下鲁甸地震的建筑震害情况:

(1) 9度及以上地区,建筑损毁极其严重:

a) 龙头山镇部分框架结构发生较严重震害(图3),特别是龙头山镇博爱卫生院一座正在施工中的钢筋混凝土框架结构,仍然出现明显的“强梁弱柱”破坏形式;

b) 有圈梁构造柱的砌体结构出现墙体开裂等严重震害,个别极震区发生倒塌或部分倒塌(图4);

c) 无圈梁构造柱的砌体结构(包括实心粘土砖、混凝土砌块、石砌块)等大量出现倒塌或部分倒塌;

d) 生土(土木)结构(占灾区农村建筑总数的80%以上)基本全部倒塌。

图3 鲁甸县龙头山镇框架结构出现柱头、柱脚塑性铰震害

图3 鲁甸县龙头山镇框架结构出现柱头、柱脚塑性铰震害

图3 鲁甸县龙头山镇框架结构出现柱头、柱脚塑性铰震害

图3 鲁甸县龙头山镇框架结构出现柱头、柱脚塑性铰震害

3 鲁甸县龙头山镇框架结构出现柱头、柱脚塑性铰震害

Figure 3 Plastic hinges at the top and feet of frame columns in Longtoushan Town of Ludian County

鲁甸县龙头山镇有圈梁构造柱砌体结构倒塌

(a)

鲁甸县龙头山镇有圈梁构造柱砌体结构倒塌

(b)

4 鲁甸县龙头山镇有圈梁构造柱砌体结构倒塌

Figure 4 Collapse of confined masonry buildings in Longtoushan Town of Ludian County

 (2) 8度地区,有圈梁构造柱的砌体结构一般只出现轻微开裂。无圈梁构造柱砌体结构严重开裂,部分倒塌。生土(土木)结构大量倒塌或者严重开裂破坏(图5、图6)。

(3) 7度地区,砌体结构基本只有轻微震害,生土(土木)结构大量开裂(图7)。

图5 鲁甸县光明村生土结构大量倒塌破坏

5 鲁甸县光明村生土结构大量倒塌破坏

Figure 5 Collapse of adobe buildings in Guangming Village of Ludian County

图6 巧家县新店乡生土结构倒塌而砌体结构基本完好

6 巧家县新店乡生土结构倒塌而砌体结构基本完好

Figure 6 The adobe building collapsed while the masonry building exhibited minor damage in Xindian Village of Qiaojia County

图7 鲁甸县乐红镇生土结构大量开裂

7 鲁甸县乐红镇生土结构大量开裂

Figure 7 The cracks in the adobe building in Lehong Town of Ludian County

另外,本次地震地质次生灾害极其严重,大量建筑物破坏或人员伤亡是由于滑坡、崩塌、泥石流等导致(图8、图9)。

图8 鲁甸县甘家寨滑坡掩埋三十余户民居

8 鲁甸县甘家寨滑坡掩埋三十余户民居

Figure 8 More than 30 houses were buried due to the landslide in Ganjiazhai Village of Ludian County

图9 巧家县新店乡因崩塌滚石导致建筑物倒塌

9 巧家县新店乡因崩塌滚石导致建筑物倒塌

Figure 9 Collapse of buildings in Xindian Village of Qiaojia County due to falling rocks

从震害现象看,鲁甸地震的震级最小,记录到的地面运动加速度峰值也小于芦山地震,但是极震区的震害程度相当严重,甚至高于芦山地震极震区的震害。下面将进一步定量分析极震区地面运动的破坏水平。

3  二维钢筋混凝土框架算例

施炜[6]等为定量评价按照我国现行抗震设计规范设计的RC框架结构的抗地震倒塌能力,根据我国《建筑抗震设计规范》[7]和《高层建筑结构混凝土技术规程》[8],采用中国建筑科学研究院PKPM设计软件,设计了一系列多层等跨RC框架结构。算例结构按照“抗震设防分类-抗震设防烈度-层数-跨数-跨度-底层层高(其余层高)”的规则命名,其中抗震设防类别为C表示该结构按丙类(标准设防类)建筑进行抗震设计,抗震设防类别为B表示按乙类(重点设防类)建筑进行抗震设计[9]。本文从中选取了67度设防的平面框架,其结构原型如图10所示,设计参数如表1所示。


图10 二维框架结构算例平面布置示意图(单位:mm)

10 二维框架结构算例平面布置示意图(单位:mm

Figure 10 Plan layout of the two-dimensional frame structures (unit: mm)

1 二维框架结构算例参数

Table 1 Parameters for the two-dimensional frames

序号

编号

设防
类别

层数

T1/s

跨数

跨度

层高

CMR

(22条地震动)

首层

其余
楼层

1

C-7-4-3-6-4.2(3.5)

丙类

4

1.242

3

6m

4.2m

3.5m

1.999

2

C-7-6-3-6-4.2(3.5)

丙类

6

1.601

3

6m

4.2m

3.5m

2.122

3

C-7-8-3-6-4.2(3.5)

丙类

8

1.990

3

6m

4.2m

3.5m

2.314

4

B-7-4-3-6-4.2(3.5)

乙类

4

1.094

3

6m

4.2m

3.5m

2.164

5

B-7-6-3-6-4.2(3.5)

乙类

6

1.518

3

6m

4.2m

3.5m

2.732

6

B-7-8-3-6-4.2(3.5)

乙类

8

1.925

3

6m

4.2m

3.5m

2.798


对表1中的结构,根据结构朝向,输入汶川、芦山、鲁甸三个地震原始地震动记录的NS分量和UD分量,采用清华大学开发的TECS程序[10]进行弹塑性时程分析和倒塌IDA分析[11],得到这6组框架的损伤情况如表2所示。部分典型算例在不同地震动下的顶点位移时程曲线对比如图11所示。从结构响应来看,汶川地震作用下结构的响应最大,鲁甸地震次之,芦山地震又次之。汶川地震在1115s左右有一个强作用,鲁甸地震在56s左右有一个强作用,结构倒塌破坏多发生在这一时刻。特别是鲁甸地震,从强震作用开始到结构倒塌,时间非常短(56s),很难实现应急逃生。

通过对输入的地震动调幅,可以得到结构恰好发生倒塌时所对应的地震动强度,其调幅程度如表3所示。这个比例,也是这几个结构在上述地震作用下的倒塌安全储备(CMR)数值[12]

由于这几组地震记录均为近场记录,所以高频分量相对较多,而长周期分量相对较少(图2),且其反应谱幅值随周期延长的下降速度显著比规范曲线要快。因此,从表2可以看出,对于高度比较小,周期比较短的结构,其倒塌的概率较高,而对于8层框架结构,其倒塌概率则最小。类似的,从表3可以看出,在上述地震作用下,短周期结构的CMR值明显比较小,而长周期结构的CMR值明显较大。综合说来,汶川地震的破坏能力最强,特别是对短周期结构破坏力。鲁甸地震的破坏能力与汶川地震相近,而芦山地震的破坏能力显著较小。

2 框架算例原始强度地震动输入下结构的损伤情况

Table 2 Damage states of the frame cases under unscaled ground motions

序号

编号

地震动

汶川

芦山

鲁甸

1

C-7-4-3-6-4.2(3.5)

倒塌

未倒塌

未倒塌

2

C-7-6-3-6-4.2(3.5)

倒塌

未倒塌

未倒塌

3

C-7-8-3-6-4.2(3.5)

未倒塌

未倒塌

未倒塌

4

B-7-4-3-6-4.2(3.5)

倒塌

未倒塌

倒塌

5

B-7-6-3-6-4.2(3.5)

未倒塌

未倒塌

未倒塌

6

B-7-8-3-6-4.2(3.5)

未倒塌

未倒塌

未倒塌

7

三维框架算例

倒塌

未倒塌

倒塌

从表2、表3中还可以观察到一个特殊现象,即在某些情况下,丙类抗震措施的结构其抗倒塌CMR数值反而比乙类的要高。施炜等[6]通过22条地震动的IDA分析,得到不同结构的CMR如表1所示。从表1中可以看出,乙类抗震措施的结构的CMR是比丙类要高的。但是由于乙类抗震措施的提高,使得其周期比丙类抗震措施的结构短(表1),而本次分析的3组地震动,基本上短周期段的反应谱值都显著较高(图2)。因此,表3中的CMR个别数值的规律与表1存在差异。

3 框架算例的倒塌临界地震动调幅比例

Figure 3 The scaling factors of the critical ground motions when the collapses of the frames occur

序号

编号

地震动

汶川

芦山

鲁甸

1

C-7-4-3-6-4.2(3.5)

0.7

2.2

1.1

2

C-7-6-3-6-4.2(3.5)

1.0

3.0

1.1

3

C-7-8-3-6-4.2(3.5)

1.2

3.0

1.2

4

B-7-4-3-6-4.2(3.5)

0.6

2.6

0.9

5

B-7-6-3-6-4.2(3.5)

1.1

3.2

1.3

6

B-7-8-3-6-4.2(3.5)

1.4

3.2

1.1

7

三维框架算例

0.9

2.1

0.9


图11 二维框架算例顶点位移时程曲线对比 图11 二维框架算例顶点位移时程曲线对比

(a) B-7-4-3-6-4.2(3.5)                              (b) B-7-6-3-6-4.2(3.5)

图11 二维框架算例顶点位移时程曲线对比 图11 二维框架算例顶点位移时程曲线对比

       (c) C-7-4-3-6-4.2(3.5)                               (d) C-7-6-3-6-4.2(3.5)

11 二维框架算例顶点位移时程曲线对比

Figure 11 Comparison of the time history curves of roof displacements of the two dimensional frames


4  三维钢筋混凝土框架算例

选取林旭川等[13]分析的一个7度设防的6层真实钢筋混凝土框架结构。其三维模型如图12所示。在建模时,考虑了楼板的作用。沿框架短边的跨度为7.2+2.5+7.2m,并在两端各悬挑1m,长边方向9跨,每跨6m。框架结构部分的混凝土为C30,纵筋采用HRB335,柱截面400mm×500mm,沿结构短边框架梁截面250mm×720mm,沿结构长边框架梁截面200mm×620mm,楼板厚120mm

图12 三维框架模型

12 三维框架模型

Figure 12 The model of the three-dimensional frame

根据结构的实际朝向,输入汶川地震什邡八角镇地震波、芦山地震宝兴地办地震波和鲁甸地震龙头山镇地震波的三分量,得到结构的倒塌情况及的顶点位移时程曲线如表2及图13所示。与图9结论类似,汶川地震在1115s左右有一个强作用,鲁甸地震在56s左右有一个强作用,结构倒塌破坏多发生在这一时刻。

通过调整地震动输入的强度,得到其倒塌时地震动调幅比如表3所示。其结论与二维框架算例相近,即汶川地震动和鲁甸地震动的破坏能力相当,而芦山地震动的强度则明显要低于这两个地震动。

5  讨论和结论

汶川地震的震级为8.0级,死亡69227人遇难,失踪17923人。芦山地震的震级为7.0级,死亡196人,失踪21人。鲁甸地震的震级为6.5级,死亡617人,失踪114人。深入分析这三次地震得到的震害经验,对推动我国抗震防灾事业的发展具有重大意义。从本文分析极震区强震记录破坏能力的对比,有以下问题值得深入讨论:

(1) 从震级上看,即便不考虑受灾地区建筑抗震质量的差别,汶川地震和鲁甸地震的极震区地震作用破坏力都非常大,而芦山地震虽然震级达到了7.0级,但是其极震区破坏力明显偏低。因此,目前以震级作为地震应急响应的依据,显然存在明显不足(“当人口较密集地区发生7.0级以上地震,人口密集地区发生6.0级以上地震,初判为特别重大地震灾害”)[14]

(2) 从破坏力对比上可以看出,汶川地震什邡八角地震动的破坏能力与鲁甸地震龙头山镇的破坏能力相当,而根据宏观震害情况,什邡八角镇的评定烈度明显高于龙头山镇的IX度。由于不同地区建筑新旧、构造特点可能差异较大,根据宏观震害现象给出的烈度在衡量地震实际破坏力上具有一定的不准确性。

(3) PGA上看,则芦山地震最大(达到1.005g),而汶川地震最小(0.633g),鲁甸地震居中(0.949g),而破坏能力则恰好相反,足以看出采用PGA作为地震破坏能力强弱的依据,已经非常不合适[15]

(4) 同时也应该注意到,虽然鲁甸地震极震区的破坏能力非常大,但是由于震级比较小,高烈度区范围显著小于汶川地震,故而其伤亡人数要显著小于汶川地震。

因此,尽快加强、加密我国强震台网布局,完善台站场地信息,并通过可靠通讯网络,在地震后迅速获得震中附近的强震地震动记录。在快速分析强震动记录的基础上,给出科学合理的地震应急对策和震害评价,对发展我国抗震防灾事业有着极其重大的意义。

此外,从工程抗震的角度看,此次鲁甸地震震中地区的设防烈度只有7度,虽然震级只有6.5级,但是实际场地烈度已经超过9度。地震作用已经远远超过规范规定的罕遇地震的水准,这也是本次地震造成震中龙头山镇巨大损失的重要原因。我们国家提出的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计理念无疑是十分正确的。但是对“大震”的定义,是采用“最大可信地震(Maximum credible earthquake)”,或是“历史最大遭遇地震”,还是现行规范规定的“50年超越概率23%的罕遇地震”,还是值得进一步研究的[16]。特别是云南昭通地区1974年就曾经发生过7.1级地震,死亡1423人。按照7度罕遇进行工程结构的抗地震倒塌设计(图2),显然是偏低了。另外,在汶川地震中暴露出来的一些抗震技术问题,如框架结构的“强梁弱柱”问题[17],在本次鲁甸地震中仍没有得到根本解决(图3),工程结构抗震设计方法仍有待进一步完善。

图13 三维框架顶点时程曲线

(a) 短轴方向

图13 三维框架顶点时程曲线

(b) 长轴方向

13 三维框架顶点时程曲线

Figure 13 The time history curves of the roof displacement of the three-dimensional frame

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