“通过动力弹塑性时程分析预估花莲地震对广东汕头建筑结构的破坏情况”

2018年2月6日晚，中国台湾花莲县附近海域发生6.5级地震。目前已造成16人遇难，276人受伤。据台湾实验研究院NARLABS提供的数据可知，该6.5级地震在花莲县的PGA为434gal，其烈度稍大于我国规范的8度大震。

（图片来源：NARLABS）

该烈度的地震（434gal）在台湾花莲县约为1000年一遇。根据我国抗震设计规范，434gal地震在北京和汕头发生的50年超越概率约为2.6%，其重现期约为1900年；在上海、广州和深圳发生的50年超越概率约为0.007%，其重现期约为6500年。

清华大学陆新征课题组在推文02.06花莲地震震中附近地面运动破坏力分析和如果花莲地震发生在清华园？中利用MDOF模型和层间位移角指标，预估花莲地震对唐山市（8度设防）和北京清华园（8度设防）建筑结构的破坏情况。根据分析结果可知，绝大部分的框剪结构和大部分框架结构将发生严重破坏。

唐山市建筑结构损坏情况（图片来源：陆新征课题组）

同为8度设防区的汕头市，其建筑结构在花莲地震下的破坏情况又将何如？

本文将通过整体结构的弹塑性动力时程分析，并结合新一代抗震设计方法（基于构件性能的抗震设计），来预估花莲地震对广东汕头建筑结构的破坏情况。

花莲地震波频谱分析

清华大学陆新征课题组获取了花莲市（HWA）地震波数据，将其地震波反应谱与汶川等地震的反应谱进行对比，对比结果如下图所示。

各地震的频谱对比（图片来源：陆新征课题组）

由频谱对比图可知，虽然花莲地震地震烈度明显小于汶川地震，但其在长周期下（2s至3s）的幅值明显大于汶川地震，因此花莲地震对高层建筑有更大的破坏力。相反，汶川地震的反应谱峰值则集中在短周期（<1s）内，因此在汶川地震中，砌体结构及多层框架结构的破坏情况更为严重。

笔者尝试向清华大学获取花莲地震的地震波，未果，只能自己通过图片处理获取地震波。通过频谱分析获取反应谱，并与真实的反应谱进行对比，保证两者在统计意义上相符。

花莲地震波与反应谱

典型结构破坏情况

本次推文利用高层所同门提供的建筑结构模型，根据汕头市的设防烈度和基本风压进行重设计。本小节通过对典型结构进行弹塑性时程分析，并利用构件性能指标来判断构件的损伤情况，进而确定结构整体的破坏情况。

典型结构

整体结构弹塑性动力时程分析通过Perform3D进行。其中梁柱单元采用位移元纤维单元（【Perform3D】震惊！其纤维单元竟是位移元！？），墙单元采用MVLEM模型，阻尼采用瑞利阻尼。

华南理工大学高层建筑研究所通过大量试验数据，确定了构件损伤情况与构件实际破坏情况的对应关系。

• 框架结构

典型框架结构在花莲地震下的破坏情况

3层框架结构发生中等破坏。3层框架结构的框架柱和框架梁损伤程度低，仅有部分构件发生中等破坏，通过一般安全措施后即可恢复构件的正常使用功能。3层框架破坏程度较低的原因，一方面是由于该结构主要周期位于花莲地震反应谱幅值较小的频段内，另一方面则是由于楼层数少，结构质量小，因此输入的地震力也相对较小（F=ma）。

6层框架结构发生中等破坏。结构体现了良好的强柱弱梁抗震设计思想。虽然结构底部楼层仅有部分框架柱发生轻中等破坏，但由于2层有较多的框架梁发生严重破坏（承载力下降严重），因此认定该结构发生中等破坏。

9层框架结构发生较严重破坏。该结构也体现了强柱弱梁抗震设计思想。虽然损伤最为严重的框架柱仅为轻中等破坏，但结构中低部楼层（特别是第3层）已有大量框架梁发生严重破坏，结构需要大面积修复才能恢复正常使用功能，因此认定该结构发生较严重破坏。

• 剪力墙结构

典型剪力墙结构在花莲地震下的破坏情况

15层和20层剪力墙结构均发生严重破坏，存在结构倾斜、损坏的可能。连梁虽然在震中表现出良好的耗能能力，但由于其跨高比较小，因此在震中发生了剪切破坏；结构中低部楼层均有大量的梁单元发生严重破坏，需要大面积的拆除和修复；结构底层的剪力墙已发生严重破坏，难以稳定承担竖向承载力，因此结构发生严重破坏，且存在倾斜、损坏的可能。

25层剪力墙结构发生较严重破坏。结构中部楼层虽有大量框架梁发生严重破坏，但数量明显小于其他的剪力墙结构；除此之外，结构底部的剪力墙未发生严重破坏，仍能发挥出较好的承载力。

由于汕头市基本风压较大，结构高度的上升使风荷载在结构荷载中的比重逐渐上升，因此在地震中，25层剪力墙结构的破坏情况明显小于15层和20层的剪力墙结构。

• 框架-剪力墙结构

典型框剪结构在花莲地震下的破坏情况

20层框剪结构发生严重破坏，30层框剪结构发生较严重破坏。两类结构均在中部有较多梁单元发生严重破坏。20层框剪结构的底部剪力墙已发生严重破坏，腹板混凝土压溃；而30层框剪结构的底部仅有部分剪力墙发生较严重破坏，仍具备较好的承载力。

框剪结构体现了结构多道抗震设防的特点。在地震中，剪力墙作为第一道防线，承担大部分地震力。而框架柱则起到第二道防线的作用，当剪力墙屈服后分担地震力。因此在框剪结构中，框架柱的损伤情况明显小于剪力墙。

典型151m框剪结构在花莲地震下的破坏情况

50层框剪结构（151mB类建筑）仅发生轻中等破坏。结构所有框架柱处于完好的性能状态；结构仅有部分框架梁发生轻中等破坏和较严重破坏；底层仅有部分剪力墙发生轻微损坏，其余剪力墙处于完好的性能状态。因此该结构经过一般修复便可恢复其正常使用功能。

50层框剪结构损伤情况较小，一方面是因为结构较高，风荷载起主导作用；另一方面则是因为结构的主要周期均处于花莲地震反应谱的低幅值范围内。

将50层框剪结构单独列出还有另一重要原因。通过层间位移角可以发现，该结构的最大层间位移角已超过了规范的弹塑性位移角限值。然而从构件损伤的角度，结构仅为轻中等破坏。

这主要是由于结构层间位移角由有害层间位移计角（构件变形引起）和无害结构层间位移角（结构整体变形）组成，其中仅有有害层间位移角与结构破坏有关联性（之前推文【OpenSees】基于改进IMK塑性铰模型的性能分析中也有提及）。对于该151m的框剪结构，结构整体弯曲明显，因此通过层间位移角来评判结构的性能状态已然不尽合理。

真实结构破坏情况

笔者向广东某建筑设计院获取了汕头市某住宅小区的剪力墙结构模型。通过将其动力弹塑性时程分析结果与典型结构进行对比，论证通过典型结构预估震后建筑结构破坏情况的合理性。

汕头某住宅小区剪力墙结构在花莲地震下的破坏情况

与具有相同基本周期的25层典型剪力墙结构相似，该结构在花莲地震下发生较严重破坏。结构连梁耗能作用作用明显，但由于住宅的开间需要，结构存在较多小跨高比的梁单元，因此各楼层均有不少的梁单元发生剪切破坏。结构底部剪力墙破坏情况不一，仅有极少数剪力墙发生严重破坏。

将真实结构和与其对应的典型结构在花莲地震下的破坏情况和可修复性进行对比，验证通过典型结构预估震后建筑结构破坏情况的合理性。

总     结

通过前文花莲地震下的汕头市建筑结构的弹塑性分析结果，按结构高度进行划分，归纳结构及构件破坏情况和结构可修复性如下表所示。

如前文所提及，花莲地震波反应谱的频谱峰值集中在2s~3s之间，因此基本周期处于该范围内的建筑结构将发生严重的破坏。而由于汕头市基本风压较大，因此从表中可以发现，当结构到达一定高度后（85m~110m），即使结构基本周期仍处于2s~3s的范围内，但其破坏程度已明显降低。

由于花莲县相近于我国规范的8.5度设防，8.5度设防的设计反应谱峰值为8度设防区设计反应谱峰值的1.5倍，因此花莲地震对花莲县的破坏情况将明显轻于花莲地震对汕头市的破坏情况。

感谢侯兆熔师兄提供的框架结构，感谢张垒师兄提供的剪力墙结构，感谢杨光师兄提供的框架剪力墙结构！

点击“阅读原文”可下载NARLABS提供的花莲地震概要。

需要花莲地震波的朋友可留言个人邮箱。