02.06花蓮地震震中附近地面運動破壞力分析

最新 02-09

02.06花蓮地震震中附近地面運動破壞力分析

1. 02.06花蓮地震簡介

北京時間2018年02月06日23時50分，台灣花蓮縣附近海域發生6.5級地震，震源深度11千米。截至7日15時30分，地震已造成5人遇難，254人受傷，仍有88人失聯。

2. 花蓮地震動頻譜分析

台灣有關專業部門發布了本次地震近場加速度時程報告（圖1），其中花蓮HWA台站距離震中19.90km（圖2），其地面運動強度較大（圖3）。

圖1 台灣有關專業部門發布的近場加速度時程（感謝NARLabs提供資料）

圖2 花蓮HWA台站位置（感謝NARLabs提供資料）

圖3 花蓮市HWA台站記錄（感謝NARLabs提供資料）

清華大學團隊根據報告中有關圖像，通過圖像處理獲得了本次地震中破壞力較強的花蓮市HWA台站時程。圖像處理獲得的時程與實測記錄波形及反應譜對比如圖4-5所示。

圖4 圖像處理得到的加速度時程

圖5 圖像處理得到的加速度時程反應譜與實測反應譜對比

將該地震動與中國大陸設計反應譜及近年來中國大陸典型強震地面運動對比，如圖6所示，可見該地震動在1.0s後的反應譜強度顯著高於設計反應譜及歷史地震動。

圖6 花蓮市HWA台站記錄和我國近年來震中附近強震記錄對比

3. 花蓮市HWA台站記錄對典型框架和典型砌體建築破壞力分析

3.1 花蓮市HWA台站記錄對典型框架破壞力分析

本文採用施煒設計的三個鋼筋混凝土框架結構為研究對象。該鋼筋混凝土框架結構共6層，結構平面和立面布置如圖7所示。結構底層層高4.1m，其他層高3.7m，總高22.6m，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第二組，設防烈度分別為6度、7度和8度。

(a) 平面布置

(b) 立面布置

圖7 框架結構布置圖（單位：mm）

對以上3個框架輸入花蓮市HWA台站記錄，採用經典的Rayleigh 阻尼進行彈塑性時程分析，阻尼比取5%。分析得到的框架層間位移角包絡圖如圖8所示。

圖8 框架層間位移角包絡圖

6度設防和7度設防框架層間位移角已經顯著超過1/50，已經進入倒塌狀態。8度設防框架層間位移角稍大於1/50，存在倒塌的可能性。可見，花蓮市HWA台站記錄對6度和7度混凝土框架結構破壞力較強，對8度框架有一定破壞力。

3.2 花蓮市HWA台站記錄對典型砌體結構破壞力分析

將花蓮市HWA台站記錄輸入圖9所示典型多層砌體結構，得到最大層間變形已經超過1/10，結構將倒塌。

圖9 典型砌體結構

4. 花蓮市HWA台站記錄對典型城市區域破壞能力分析

本研究選取類似震中附近的城市區域（唐山市，當然花蓮市2500年一遇地震反應譜更接近大陸8.5度區），採用城市地震動力彈塑性分析方法，分析花蓮市HWA台站記錄對區域建築的破壞能力。

本節分析採用城市抗震動力彈塑性分析方法，該方法基於多自由度非線性集中質量層模型，其基本思路是把建築物簡化成不同樓層組成的一系列的「糖葫蘆串」，其中單層、多層建築採用多自由度剪切層模型，高層建築採用多自由度彎剪耦合層模型（如圖10所示），並建議了如何基於有限的建築屬性信息（結構類型、高度、層數、建造年代、樓層面積），來確定城市內成千上萬建築物的集中質量模型的有關參數。具體的模型說明和參數標定方法可以參考Lu XZ, Guan H, Earthquake Disaster Simulation of Civil Infrastructures: From Tall Buildings to Urban Areas, Singapore: Springer, 2017。

圖10 城市地震動力彈塑性分析中的建築分析模型

對建立的典型區域建築分析模型輸入花蓮市HWA台站記錄，採用城市抗震動力彈塑性分析方法，通過非線性時程分析可以得到該地震下不同類型建築的破壞情況，如圖11所示，圖中每類結構有三列，分別為結構抗力取中位值和加減一倍方差的預測結果。（說明：由於每個結構的實際抗震能力都是有一定不確定性的，所以我們在新版的程序當中加入了對結構抗力不確定性的考慮，具體方法可以參考Parametric sensitivity study on regional seismic damage prediction of reinforced masonry buildings based on time-history analysis, Bulletin of Earthquake Engineering, 2017）

圖11 花蓮市HWA台站記錄下典型區域建築破壞情況

從圖中可以看出，該地震動的破壞力較強，對8度設防框架結構，有超過60%達到中等破壞，如果考慮結構抗力的不確定性，當結構抗力減一倍方差後，可能會有少數框架結構發生倒塌。由於該地震的長周期分量較大，因此對高層框剪結構破壞力也比較強。未設防砌體和土木結構在該地震動下基本都會達到毀壞狀態。設防砌體的變異性較大，當結構抗力取中位值時基本在嚴重破壞狀態，但是結構抗力加一倍方差後可能是中等破壞，減一倍方差則會達到毀壞狀態。

5. 結論

本次花蓮地震震中附近地面運動較強，破壞力較高，對於8度設防框架結構，在抗力均值減一倍方差情況下可能出現倒塌。

6. 補充說明

本次花蓮地震分析由孫楚津、程慶樂、顧棟煉等同學完成，對上述研究生在寒假期間犧牲休息時間表示感謝。由於寒假期間同學們都在家裡，所以報告完成得慢了。

城市抗震彈塑性分析的應用實例

一、城市抗震彈塑性分析方法用于震害預測

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