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          為什么要大力發展城市抗震彈塑性分析?

          日期:2019-06-20瀏覽:1473次來源:

           

          2019年17日22時55分,四川宜賓市長寧縣發生6.0級地震。截至18日16時,地震已造成宜賓市和樂山市8縣(區)9.75萬人受災,因災死亡13人,受傷199人,其中6人危重。地震還造成部分房屋、道路、電力、通訊等設施受損,目前災區仍有余震發生。

          愿所有在宜賓長寧地震中逝去的生命,

          都能在天堂安息。

          愿所有生者,

          都能更加堅強。


          地震頻頻發生,往往引起大家廣泛關注。2017年發生的九寨溝7.0級地震,雖然震級很大,但只有76間房屋倒塌。而半個月以后,意大利發生了一起4.3級地震,此次地震卻導致很多建筑物倒塌,2人遇難。不難發現這次意大利遭受的災情也很嚴重。于是大家不禁要產生一些疑惑:不是說破壞性地震一般要到5.0級以上么?不是說地震震級差1級,能量相差30多倍么?(也就是說,理論上7.0級的地震要比4.3級的地震能量大幾千倍)。為什么意大利4.3級的地震居然看起來和7.0級的地震差不多?



          意大利4.3級地震建筑物破壞

          地震的一個重要指標是震級,地震的破壞力,除了震級以外,還有一個很常用的指標,就是“烈度”,它表示地面晃動的強弱。很多人說的“8級設防”,實際上是“8度設防”。每次地震都是一次能量釋放,所釋放的能量是一個確定的數值,而地面運動的強弱(即“烈度”)確是不一樣的,“里氏震級”它根據離震中一定距離所觀測到的地震波幅度和周期,并且考慮從震源到觀測點的地震波衰減,經過一定公式,計算出來的震源處地震的大小。

          里氏震級表

          通過對地震中地面運動的“烈度”進行了分析,把“烈度”分為若干等級,中國采用12個等級,日本采用7個等級。知道某個地區的烈度是多少,就可以大概知道某個地區的地面運動強弱。這樣就可以對地震破壞進行較為合理的估計。我國每次地震后,一般都會把不同受災地區,標記上從6度到10度不同的烈度區。我國的抗震設計,也是覆蓋了從6度到9度不同的烈度。比如北京就是8度設防,九寨溝地震的受災區也是8度設防。注意,老師敲黑板了,是“8度”,不是“8級”。

           

          那“8度”和“8級”到底是一個什么關系呢?這個倒真是一個非常有趣的問題。一般說,震中地區的烈度大概是震級+1.5~2。也就是說,6級地震,震中烈度大概是7.5到8度。換句話說,北京8度設防,對應的大概是6.5級左右地震的震中附近地面運動。但是,這個“大概”可是非常非常的不準確。這也就終于說到我們今天的主旨話題:為什么需要大力發展城市抗震彈塑性分析?

          我們對比九寨溝7.0級地震和意大利4.3級地震中測得的震中附近地面運動和反應譜(圖3、圖4)。雖然從理論上來說,九寨溝7.0級地震引起的地面運動應該比意大利4.3級地震要強很多,但事實卻并非如此,真實的地震往往更加復雜,意大利4.3級地震的地面運動要顯著強于8.8九寨溝7.0級地震引起的地面運動。如果我們采用城市抗震彈塑性分析方法,把這兩個地面運動同時輸入阿壩地區典型鄉鎮,可以看到震害對比如圖5所示。所以圖1中意大利建筑物遭受的嚴重破壞,從科學上是可以解釋的。因此,從這個對比案例就可以看出,用震級來判斷地震的破壞力大小,實際上很多時候是不準確的,可能導致錯誤的震害預測結論。

          圖3 地震震中附近反應譜對比

          圖4 地震震中附近地面運動對比

          圖5 采用城市抗震彈塑性分析方法對比九寨溝7.0級地震和意大利4.3級地震震中附近鄉鎮建筑物破壞

          房屋的破壞程度除了和地震動強度相關以外,還和房屋的抗震能力密切相關。同樣的地面運動,性能差的房屋破壞得多,性能好的房子破壞得少,如何將實測地面運動強度和結構的破壞建立起關系來,這個是一個很復雜的話題。國內外很多課題組包括我們課題組都做了很多研究,但是目前來說還沒有一個很好的答案。不過至少大家已經公認地面峰值加速度這個指標是存在比較大的問題的,比如日本2011年“311”大地震實測到峰值加速度2.9g(將近3倍重力加速度)的地面運動,但是現場震害卻非常輕。也就是說,地面峰值加速度大的地方,震害未必一定嚴重。

          那有沒有更好的解決方案呢?我們認為,城市抗震彈塑性分析就是一個可供考慮的解決辦法。所謂城市抗震彈塑性分析,就是把地震真實測得的地震動,輸入到城市建筑模型里面去進行彈塑性動力時程分析,進而直接可以得到地面運動對不同建筑的破壞情況Earthquake Disaster Simulation of Civil Infrastructures: From Tall Buildings to Urban Areas, Springer, 2017。城市抗震彈塑性分析通過將真實或模擬的地震動逐個輸入不同的建筑物,可以得到建筑群地震動力響應的全過程??粗麄€城市高高低低的建筑物在那里“群魔亂舞”,相比起利用震級或根據震級推斷的震中附近烈度來預測震害而言,城市抗震彈塑性分析用的是真實的地震動,其精度的提升顯而易見。與儀器烈度相比,城市抗震彈塑性分析綜合考慮了地震動的幅值、頻譜、持時特性和建筑物的抗震性能,自然也更加的合理。



          圖6 典型城市抗震彈塑性分析結果

          但是,從科學研究和防震減災的角度上說,僅僅這樣一個晃動過程模擬其實還很不夠。因為我們需要知道這樣的晃動會引起建筑物多大程度的破壞,進而才能有針對性的提出相應的防震減災對策。

          城市抗震彈塑性分析存在兩個制約條件:(1) 真實地震動是否可以及時準確獲取,以及(2)城市建筑模型是否準確可靠。真實地震動的獲取依賴于地震臺網的布設以及通訊網絡的建設,但是隨著技術的進步,這個問題有望得到逐步解決,大家想想我們身邊無處不在的手機信號,應該可以對未來充滿希望。

          們認為城市抗震彈塑性分析在城市地震災害分析等方面有著廣闊的應用前景。而且,除了建筑震害以外,在次生災害分析、疏散模擬等方面也都有很多發展空間。特別是在地震臺網越來越健全、通訊手段越來越發達、計算機越來越快速的情況下,發展城市抗震彈塑性分析已經具備了非常良好的條件。


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