汶川地震斷裂帶附近建筑物的災害效應模擬研究

蘇生瑞，張永雙，郝莉莉，李 松

(1.長安大學地質工程系，陜西 西安 710054;2.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081)

汶川地震斷裂帶附近建筑物的災害效應模擬研究

蘇生瑞1，張永雙2，郝莉莉1，李 松1

(1.長安大學地質工程系，陜西 西安 710054;2.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081)

位于汶川地震破裂帶附近的汶川水磨鎮(zhèn)硅業(yè)公司廠房在地震中產(chǎn)生了獨特的破壞現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和測繪資料，建立了二維有限元模型，進行了斷裂帶附近建筑物災害效應的數(shù)值模擬。模擬結果很好地解釋了廠房在地震中產(chǎn)生的獨特破壞現(xiàn)象的機理。研究表明，斷層的形成改變了局部的應力場條件和加速度特征，從而使位于斷層上盤的樓房發(fā)生差異性破壞，緊鄰斷層一側破壞強烈。地震時樓體主梁的破壞是軸向應力和剪應力同時作用造成的。

斷裂帶;建筑物;災害效應;數(shù)值模擬

0 引言

近斷層大地震 (如:1994年美國North Ridge地震、1995年日本Kobe地震、1999年中國臺灣集集地震、1999年土耳其Kocaeli地震、2003年伊朗Bam地震)獨特的運動特征及其對工程結構的嚴重影響引起了地震工程界的密切關注［1～6］。Somerville等的研究表明，由于近斷層地震動經(jīng)常包含強烈的動態(tài)長周期脈沖和永久地面位移，其運動特征與遠場地震動明顯不同［1～2］。

汶川“5.12”震后調(diào)查表明:地震斷裂帶附近大量建筑物發(fā)生了破壞［7～13］，斷層上下盤的建筑物在地震時的破壞程度不同，而且即使位于斷層同一側，由于與斷層位置關系的差異，地表建筑物的破壞情況也不盡相同。因此，研究斷層在地震作用下對地表建筑物的災害效應，揭示地表破裂的致災機理對抗震設計和災害預防具有重要的理論意義和實用價值。

1 地震引發(fā)的建筑物差異性破壞

汶川“5.12”地震在汶川縣水磨鎮(zhèn)西側斜坡上形成了產(chǎn)狀為331°∠54°的地表破裂 (斷層)，同時使位于斷層上盤的硅業(yè)公司主樓 (距離斷層約25 m)發(fā)生了差異性破壞現(xiàn)象，近斷層一側和遠離斷層一側的破壞程度明顯不同。

水磨鎮(zhèn)硅業(yè)公司主樓走向北東—南西向，長35 m，寬12 m，高12 m，樓梯位于中部東南側，廠房平面圖見圖1，其受地震的破壞表現(xiàn)為西北側的梁、柱破壞較輕，僅一個柱 (圖1中18號柱)發(fā)生向東南方向錯動，最大錯動距離約3 cm(見圖2);而東南側的梁、柱破壞嚴重，其中4個鋼筋混凝土柱 (圖1中9、10、13和14號柱)受到垂向擠壓破壞并發(fā)生水平剪切，鋼筋彎曲 (見圖3、圖4)。

圖2 位于角部的柱體錯動Fig.2 Dislocation of the pile

圖3 靠近斷層一側鋼筋混凝土柱破壞Fig.3 Failure of concrete pile adjacent to the fault

圖4 鋼筋混凝土柱遭擠壓、剪切破壞(圖1中14號柱)Fig.4 Sheared and compressed failure of the pile

本文基于對位于斷層上盤的汶川縣水磨鎮(zhèn)硅業(yè)公司的實地調(diào)查，采用數(shù)值模擬方法研究了水磨鎮(zhèn)硅業(yè)公司主樓在地震動作用下的動力響應特點，并分析了樓體破壞與斷裂的關系。

2 研究區(qū)地質概況

汶川縣水磨鎮(zhèn)硅業(yè)公司位于龍門山構造帶中南段的北端、水磨河河谷西北岸的高階地上，其西北側緊鄰一個高度約35 m斜坡的坡腳。場地出露的地層有:泥盆系養(yǎng)馬壩組(D2y)泥灰?guī)r，厚度為89～137 m;第四系沖洪積物，覆蓋于養(yǎng)馬壩組之上，厚度為0～7.3 m，由砂、礫石組成，其與基巖的接觸界面傾向東南側;第四系殘坡積物，位于廠房東南側的陡坎下部，厚度為0～2.9 m。場地地質剖面圖見圖5。

圖5 場地地質剖面圖Fig.5 Geological profile of the site

3 研究模型的建立

3.1 基本假設

在建立模型時假設:①平面應變狀態(tài);②周圍巖石為均勻的彈性各向同性材料;③斷裂為無厚度的接觸面;④巖石服從摩爾-庫侖破壞準則，樓房梁單元為彈性。

圖6 幾何模型Fig.6 Geomertrical model

3.2 模型的幾何形狀和邊界條件

模擬采用二維模型，模型走向為310°。根據(jù)現(xiàn)場實地觀測，考慮到邊界影響以及模擬的目的，建立地質模型見圖6。模型底部寬160 m，右側高137 m，左側高97 m，房高12 m，寬12 m(圖中所示為樓房的側剖面)，樓梯高2 m，距房主梁2 m。模型中斷層傾角54°。

模擬分為兩個階段:特征值分析和地震動力分析。在進行特征值分析時，通過點彈簧定義彈性邊界，模型的左右兩側及底部邊界均為彈簧邊界。對于動力分析，采用Lysmer和Wass(1972)提出的粘性邊界 (viscous boundary)。鑒于該模擬的目的是研究斷裂在地震作用時對地表建筑物的破壞作用，模擬時只對模型加載地震波時程荷載，不施加其他應力邊界條件。

3.3 材料參數(shù)及地震動參數(shù)

本研究區(qū)的巖性為泥盆系養(yǎng)馬壩組 (D2y)泥灰?guī)r，表層為第四系沖洪積物和殘坡積物。參考《工程地質手冊 (1992)》并結合前人大量的數(shù)值模擬經(jīng)驗，采用工程地質類比法，確定材料的力學參數(shù)如表1。

表1 材料參數(shù)Table 1 Parameters of the materials

地震動的數(shù)值模擬是通過輸入地震記錄 (加速度時程記錄)來實現(xiàn)的。該區(qū)選擇距離最近的臥龍地震臺在龍門山發(fā)生地震時的監(jiān)測資料進行動力模擬。地震作用全過程歷時135 s。

4 模擬結果分析

4.1 最大主應力分布規(guī)律

模擬結果表明:最大主應力值沿斷層自下而上逐漸降低，但在斷層上盤，廠房下伏的基巖 (泥質灰?guī)r)中出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。而在廠房下地基 (第四系沖洪積物)中應力值出現(xiàn)明顯的減小趨勢，這是由于第四系沖洪積物與基巖泥質灰?guī)r的材料參數(shù)相差很大，在地震時有減震的作用。

廠房左側 (靠近斷層一側)梁底部平面應變單元節(jié)點的最大主應力值大于右側，左側為83.9 MPa，右側為71.4 MPa，兩者數(shù)值相差12.5 MPa(見圖7)。

但是在房屋左側 (靠近斷層一側)第四系沖洪積物的厚度為4.6209 m，右側 (遠離斷層一側)第四系沖洪積物厚度為4.5364 m。按照抗震設計理論，左側梁單元受到的主應力值應該小于右側，但是模擬結果卻相反。這是因為房屋左側梁與斷層的垂直距離為24.8556 m，右側梁與斷層的垂直距離為84.4065 m，這也就解釋了左側梁單元的主應力大于右側梁單元主應力值的原因。

4.2 剪應力分布規(guī)律

斷層上盤剪應力值大于下盤，遠離斷層，剪應力值逐漸減小。

地基中，廠房左側 (靠近斷層一側)的剪應力值大于右側，左側為18.626 MPa，右側為17.629 MPa(見圖8)。

從梁單元軸向應力曲線圖 (見圖9)可以看出，梁單元 (圖中梁單元由下至上編號，每樓層分為4個單元，下同)底部所受的軸向應力最大，且梁單元的軸向應力自下而上減小，到第二層上部時已經(jīng)減小到底部的約二分之一，這與廠房底部柱體發(fā)生擠壓破壞 (見圖3、圖4)、而上部柱體沒有破壞的特征相對應。

從梁單元剪應力曲線圖 (見圖10)可以看出，左側梁單元剪應力最大值出現(xiàn)在樓梯與主體梁相交處 (3號梁單元處)，由12.008 MPa急劇增大到12.769 MPa，向上至第一層頂部 (4號梁單元處)時又急劇減小到11.905 MPa。梁單元剪應力的這種變化規(guī)律與圖3顯示的破壞特征一致。同時，可以看出，剪應力均為正值，反映其剪切方向為順時針轉動，與圖2—圖4顯示的柱體剪切破壞特征相對應。

圖7 廠房地基最大主應力分布圖Fig.7 Distribution of the maximum principal stress in base

圖8 廠房地基剪應力云圖Fig.8 Shear stress of the base

圖9 梁單元軸向應力曲線圖Fig.9 Axial stresses of the beam element

圖10 梁單元剪應力曲線圖Fig.10 Shear stresses of the beam element

根據(jù)梁單元軸向應力和剪應力特征及變化趨勢，地震時樓體主梁的破壞是軸向應力和剪應力同時作用造成的。

4.3 剪應變特征

斷層附近剪應變發(fā)生較為復雜的變化，斷層上盤和下盤的剪應變值有明顯的差別，從地面上剪應變的分布看，廠房區(qū)域剪應變值較大。

從廠房底部的最大剪應變圖 (見圖11)可以看出，在梁的底部出現(xiàn)應變集中區(qū)，而且左側 (靠近斷層一側)大于右側，左側為0.03728，右側為0.03079。

圖11 廠房底部最大剪應變分布圖Fig.11 Distribution of maximum shear strain in the base

4.4 加速度特征

4.4.1 斷裂帶上節(jié)點水平向加速度特征

斷層帶上節(jié)點水平向加速度值在斷層底部最小 (-4.457 cm/s2)，由底部向上增大，增大的幅度逐漸減小。斷層位置的加速度明顯增大，斷層頂部的加速度最大值達638.7 m/s2(臥龍臺記錄到的最大水平加速度為949.979 cm/s2)。

4.4.2 不同巖性中節(jié)點水平向加速度特征

泥灰?guī)r中一節(jié)點的最大水平加速度值為313.2 m/s2，沖洪積層中一節(jié)點最大水平加速度值為472.6 m/s2，殘坡積物中一節(jié)點最大水平加速度值為637.8 m/s2，表明在軟巖中，加速度明顯增大。

5 結論

(1)位于斷層上盤的廠房，靠近斷層一側的最大主應力值大于遠離斷層一側。

(2)斷層上盤剪應力值大于下盤，遠離斷層，剪應力值逐漸減小;廠房左側 (靠近斷層一側)的剪應力值大于右側。

(3)斷層附近剪應變發(fā)生較為復雜的變化，斷層上盤和下盤的剪應變值有明顯的差別，廠房底部出現(xiàn)應變集中區(qū)，而且左側 (靠近斷層一側)大于右側。

(4)加速度值在斷層底部最小，由底部向上增加。斷層位置的加速度明顯增大，斷層頂部的加速度最大值達637.8 m/s2。在軟巖中，加速度有明顯的放大。

(5)廠房所受的軸向應力在底部最大，向上逐漸減小，與廠房底部柱體發(fā)生擠壓破壞的特征相對應;廠房所受的剪應力值和剪切方向與柱體剪切破壞特征相對應。

(6)斷層的形成改變了局部的應力場條件和加速度特征，從而使位于斷層上盤的樓房發(fā)生差異性破壞，緊鄰斷層一側破壞強烈。地震時樓體主梁的破壞是軸向應力和剪應力同時作用造成的。

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NUMERICAL STUDY ON THE HAZARD EFFECT OF A BUILDING NEAR THE FAULT PRODUCED BY THE WENCHUAN EARTHQUAKE

SU Sheng-rui1，ZHANG Yong-shuang2，HAO Li-li1，LI Song1
(1.School of Geological Engineering and Surveying，Chang’an University，Xi’an 710054，China;2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China)

Particular destroy phenomena occurred in the main building of Shuimo Silicon Company near the fault produced by the 2008 Wenchuan earthquake.On the basis of site investigation，twodimensioanl finite element model is set up，and the hazard effect of a building caused by the faulting is simulated.The simulation result may be used to explain the mechanism for the formarion of the particular destroy phenomena of the building during the earthquake.It is thought that the formation of fault altered the local stress field and acceleration，thus led to the differential destroy of the building at the hanging wall of the fault which is characetrized by the stronger destroy near the fault.The destroy of the main beam is caused by the co-action of axial stress and shear stress.

fault zone;building;hazard effect;numerical modelling

P315.9

A

1006-6616(2011)04-0381-07

2011-04-27

中國地質調(diào)查局項目 (1212010914025)，國家自然科學基金重點項目 (41030749)聯(lián)合資助。

蘇生瑞 (1963-)，男，甘肅慶陽人，工學博士，長安大學地質工程系教授，從事地質工程教學和研究工作。