为什么要大力发展城市抗震弹塑性分析?

日期:2019-06-20浏览:252次来源:

 

2019年17日22时55分,四川宜宾市长宁县发生6.0级地震。截至18日16时,地震已造成宜宾市和乐山市8县(区)9.75万人受灾,因灾死亡13人,受伤199人,其中6人危重。地震还造成部分房屋、道路、电力、通讯等设施受损,目前灾区仍有余震发生。

愿所有在宜宾长宁地震中逝去的生命,

都能在天堂安息。

愿所有生者,

都能更加坚强。


地震频频发生,往往引起大家广泛关注。2017年发生的九寨沟7.0级地震,虽然震级很大,但只有76间房屋倒塌。而半个月以后,意大利发生了一起4.3级地震,此次地震却导致很多建筑物倒塌,2人遇难。不难发现这次意大利遭受的灾情也很严重。于是大家不禁要产生一些疑惑:不是说破坏性地震一般要到5.0级以上么?不是说地震震级差1级,能量相差30多倍么?(也就是说,理论上7.0级的地震要比4.3级的地震能量大几千倍)。为什么意大利4.3级的地震居然看起来和7.0级的地震差不多?



意大利4.3级地震建筑物破坏

地震的一个重要指标是震级,地震的破坏力,除了震级以外,还有一个很常用的指标,就是“烈度”,它表示地面晃动的强弱。很多人说的“8级设防”,实际上是“8度设防”。每次地震都是一次能量释放,所释放的能量是一个确定的数值,而地面运动的强弱(即“烈度”)确是不一样的“里氏震级”它根据离震中一定距离所观测到的地震波幅度和周期,并且考虑从震源到观测点的地震波衰减,经过一定公式,计算出来的震源处地震的大小

里氏震级表

通过对地震中地面运动的“烈度”进行了分析,把“烈度”分为若干等级,中国采用12个等级,日本采用7个等级。知道某个地区的烈度是多少,就可以大概知道某个地区的地面运动强弱。这样就可以对地震破坏进行较为合理的估计。我国每次地震后,一般都会把不同受灾地区,标记上从6度到10度不同的烈度区。我国的抗震设计,也是覆盖了从6度到9度不同的烈度。比如北京就是8度设防,九寨沟地震的受灾区也是8度设防。注意,老师敲黑板了,是“8度”,不是“8级”

 

那“8度”和“8级”到底是一个什么关系呢?这个倒真是一个非常有趣的问题。一般说,震中地区的烈度大概是震级+1.5~2。也就是说,6级地震,震中烈度大概是7.5到8度。换句话说,北京8度设防,对应的大概是6.5级左右地震的震中附近地面运动。但是,这个“大概”可是非常非常的不准确。这也就终于说到我们今天的主旨话题:为什么需要大力发展城市抗震弹塑性分析?

我们对比九寨沟7.0级地震和意大利4.3级地震中测得的震中附近地面运动和反应谱(图3、图4)。虽然从理论上来说,九寨沟7.0级地震引起的地面运动应该比意大利4.3级地震要强很多,但事实却并非如此,真实的地震往往更加复杂,意大利4.3级地震的地面运动要显著强于8.8九寨沟7.0级地震引起的地面运动。如果我们采用城市抗震弹塑性分析方法,把这两个地面运动同时输入阿坝地区典型乡镇,可以看到震害对比如图5所示。所以图1中意大利建筑物遭受的严重破坏,从科学上是可以解释的。因此,从这个对比案例就可以看出,用震级来判断地震的破坏力大小,实际上很多时候是不准确的,可能导致错误的震害预测结论。

图3 地震震中附近反应谱对比

图4 地震震中附近地面运动对比

图5 采用城市抗震弹塑性分析方法对比九寨沟7.0级地震和意大利4.3级地震震中附近乡镇建筑物破坏

房屋的破坏程度除了和地震动强度相关以外,还和房屋的抗震能力密切相关。同样的地面运动,性能差的房屋破坏得多,性能好的房子破坏得少,如何将实测地面运动强度和结构的破坏建立起关系来,这个是一个很复杂的话题。国内外很多课题组包括我们课题组都做了很多研究,但是目前来说还没有一个很好的答案。不过至少大家已经公认地面峰值加速度这个指标是存在比较大的问题的,比如日本2011年“311”大地震实测到峰值加速度2.9g(将近3倍重力加速度)的地面运动,但是现场震害却非常轻。也就是说,地面峰值加速度大的地方,震害未必一定严重。

那有没有更好的解决方案呢?我们认为,城市抗震弹塑性分析就是一个可供考虑的解决办法。所谓城市抗震弹塑性分析,就是把地震真实测得的地震动,输入到城市建筑模型里面去进行弹塑性动力时程分析,进而直接可以得到地面运动对不同建筑的破坏情况Earthquake Disaster Simulation of Civil Infrastructures: From Tall Buildings to Urban Areas, Springer, 2017城市抗震弹塑性分析通过将真实或模拟的地震动逐个输入不同的建筑物,可以得到建筑群地震动力响应的全过程。看着整个城市高高低低的建筑物在那里“群魔乱舞”,相比起利用震级或根据震级推断的震中附近烈度来预测震害而言,城市抗震弹塑性分析用的是真实的地震动,其精度的提升显而易见。与仪器烈度相比,城市抗震弹塑性分析综合考虑了地震动的幅值、频谱、持时特性和建筑物的抗震性能自然也更加的合理。



图6 典型城市抗震弹塑性分析结果

但是,从科学研究和防震减灾的角度上说,仅仅这样一个晃动过程模拟其实还很不够。因为我们需要知道这样的晃动会引起建筑物多大程度的破坏,进而才能有针对性的提出相应的防震减灾对策。

城市抗震弹塑性分析存在两个制约条件:(1) 真实地震动是否可以及时准确获取,以及(2)城市建筑模型是否准确可靠。真实地震动的获取依赖于地震台网的布设以及通讯网络的建设,但是随着技术的进步,这个问题有望得到逐步解决,大家想想我们身边无处不在的手机信号,应该可以对未来充满希望。

们认为城市抗震弹塑性分析在城市地震灾害分析等方面有着广阔的应用前景。而且,除了建筑震害以外,在次生灾害分析、疏散模拟等方面也都有很多发展空间。特别是在地震台网越来越健全、通讯手段越来越发达、计算机越来越快速的情况下,发展城市抗震弹塑性分析已经具备了非常良好的条件。


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