框架結(jié)構(gòu)典型震害模擬探究

趙 鵬 胡 峻

(上海市地震局，上海 200062)

地震是一種嚴(yán)重威脅人類生存安全及社會穩(wěn)定的自然災(zāi)害。根據(jù)國內(nèi)外破壞性地震的調(diào)查資料估計，至少95%以上的人員傷亡是由結(jié)構(gòu)破壞和倒塌這一原因造成的。目前我國城市化發(fā)展迅速，人口向城市集中。城市房屋建筑采用框架結(jié)構(gòu)比例較高，因此，一旦遭受到大地震,受傷害最多的就可能是生活在這類房屋結(jié)構(gòu)的人們。所以，總結(jié)分析框架結(jié)構(gòu)的破壞原因及類型對于科學(xué)避險從而保障人民群眾生命安全具有重要意義。

1 歷次大地震框架結(jié)構(gòu)典型震害類型

雖然建筑物千差萬別，但是特定的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞也是有規(guī)律可循的，地震中框架結(jié)構(gòu)哪些部位容易出現(xiàn)破壞，破壞結(jié)果如何。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)遭受破壞的位置，可以將其分為以下4種類型。

1.1 框架結(jié)構(gòu)底層倒塌

國內(nèi)外許多城市都有臨街的住宅、辦公樓等，這些建筑通常在底層設(shè)置商店、餐廳、銀行等公共設(shè)施，類似建筑都有一個共同點就是底層室內(nèi)需要有較大的空間,而上部又需布置成小開間。這樣的結(jié)構(gòu)上部填充墻多，下部填充墻少，造成了典型的“底層柔,上層剛”的結(jié)構(gòu)體系。早在1995年日本阪神地震中就有大量的底層空曠的框架結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，甚至倒塌。類似的情況在1999年土耳其伊茲米特地震、我國臺灣集集地震中仍然常見。直到2008年汶川地震中，我們并沒有吸取前面地震的教訓(xùn)，底層倒塌的震害在北川、映秀、漢旺等地區(qū)仍然屢見不鮮[1]。

1.2 框架結(jié)構(gòu)短柱破壞

城市中有許多框架結(jié)構(gòu)辦公樓或者商務(wù)樓因建筑采光需要，外墻通常采用半高填充墻。在辦公和教學(xué)等用途的建筑中一般形成帶型窗。由于墻體的約束而形成的短柱在地震中極易發(fā)生震害。在1968年日本Tokachi-oki地震中，大量的鋼筋混凝土短柱遭受了嚴(yán)重的破壞。1999年我國臺灣集集地震中，大量老教學(xué)樓中窗下填充墻約束形成的短柱因箍筋數(shù)量不足而發(fā)生剪切破壞。在1999年土耳其伊茲米特地震中伊茲米特市BekSA辦公樓大量短柱破壞，甚至因短柱壓潰導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)坍塌[2]。1994年美國北嶺地震7層辦公樓2層、3層柱受剪破壞，出現(xiàn)大的十字交叉裂縫。2008年的汶川地震中同樣也有大量的短柱破壞。

1.3 結(jié)構(gòu)立面變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞

在城市建筑中,經(jīng)常有一些建筑由于建筑設(shè)計要求出現(xiàn)立面開大洞，建筑大幅度外挑或內(nèi)收,也有一些高層建筑在頂部設(shè)置如樓梯間、電梯間、水箱間、設(shè)備間和其他設(shè)施等,有時也有凸出屋頂?shù)臉?gòu)筑物或裝飾結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外多次大地震震害表明,屋頂局部凸出結(jié)構(gòu)的震害普遍嚴(yán)重[3]。在遭遇強烈地震時,可能主體結(jié)構(gòu)尚未破壞或損傷很輕,而凸出物卻發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌。唐山地震中開平合成化學(xué)廠硭硝車間4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)第3層柱折斷，第4層坐落在第2層上。阪神地震中神戶，Chou Ward一建筑在立面上突變，即第5層開始縮進，造成該層倒塌。阪神地震中Kobe城一建筑在截面突變層發(fā)生倒塌。汶川地震中都江堰某建筑頂部出屋面結(jié)構(gòu)破壞。

1.4 框架強梁弱柱型倒塌

結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計其實就是破壞模式的設(shè)計，好的框架結(jié)構(gòu)破壞模式應(yīng)該給群眾逃生贏得時間，因此我們希望的框架結(jié)構(gòu)破壞模式是在地震中首先梁端產(chǎn)生破壞，消耗地震輸入能量，保護框架柱，以至于不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌，即使倒塌框架柱的支撐也可以留給群眾一定的生存空間。遺憾的是在多次地震中，框架柱首先破壞，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的整體倒塌。1999年土耳其伊茲米特地震中伊茲米特市4層RC框架結(jié)構(gòu)各層承重構(gòu)件全部破壞失效，房屋坍塌，層層樓板相迭。1999年我國臺灣集集地震中竹山鎮(zhèn)大明路的一家山產(chǎn)店6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)被強大的地震截成數(shù)段。2008年汶川地震中漩口中學(xué)5層框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，坍塌。

2 框架結(jié)構(gòu)不同震害類型剛體動力學(xué)模擬仿真

在總結(jié)震害經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用虛擬仿真三維建模技術(shù)建立虛擬場景的三維模型。進一步借助三維軟件動力學(xué)引擎模擬還原建筑的破壞過程，將枯燥的理論轉(zhuǎn)換為生動的影視作品可以給人們更深刻的印象。本文針對框架結(jié)構(gòu)的典型破壞，每種破壞形式選取一個真實震害進行了三維仿真模擬。

本文中結(jié)構(gòu)破壞三維模擬是通過Houdini軟件剛體動力學(xué)動畫來實現(xiàn)的。Houdini剛體動力學(xué)的基本構(gòu)成包括：物體(object)、解算器(solver)、力場(force)。一個動力學(xué)物體包括幾項必要參數(shù)，如物體的密度，初始位置，速度，摩擦系數(shù)等一些基本屬性。解算器(solver)是用來計算模擬物體該如何運動的，它會查看物體的模擬狀態(tài)并且在每一個時間步長上使用自己的內(nèi)部規(guī)則來修改物體的基本參數(shù)。力場(force)是賦予物體的外部作用，如一個物體在地震的作用下，這個物體的受力會受到影響。通過節(jié)點給物體添加力場數(shù)據(jù)(force data)。當(dāng)解算器在物體上檢測到力場數(shù)據(jù)時候，就知道在每個時間步長物體的運動方向。地震中結(jié)構(gòu)中有很多破碎的效果，Houdini中結(jié)構(gòu)破碎在物理層面其實就是一堆具有層次關(guān)系的剛體，通過約束連接到了一起，根據(jù)受力情況逐級的解體的過程。Houdini自帶的動力學(xué)引擎在給定的初始信息基礎(chǔ)上會計算模擬物體該如何運動，并且在每一個時間步長上使用自己的內(nèi)部規(guī)則來修改它，從而實現(xiàn)動畫對真實破壞的逼真模擬[4]。根據(jù)以上方法與步驟，分別對地震中框架結(jié)構(gòu)典型震害的四種類型進行了逼真模擬，模擬結(jié)果見圖1～圖4。

3 結(jié)語

地震給人們帶來的人員傷亡和經(jīng)濟損失是巨大的。在目前無法預(yù)測地震的前提下，總結(jié)歷史經(jīng)驗教訓(xùn)，通過生動形象的作品宣傳地震知識是減輕地震災(zāi)害的重要途徑。三維動畫可以將枯燥的理論知識形象化具體化，在地震科普中更容易被人接受。通過建筑結(jié)構(gòu)倒塌過程的模擬，以動畫的形式幫助人們識別地震中危險的建筑，在地震中采取合理的避震措施，最大程度的減輕人員傷亡。

參考文獻:

[1] 李碧雄,謝和平,鄧建輝,等.泣川地震中房屋建筑震害特征及抗震設(shè)計思考[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2009,29(2):225.

[2] 李碧雄,田明武,莫思特,等.地震中鋼筋混凝土短柱的成因及震害分析[J].工程抗震與加固改造,2014,36(3):121.

[3] 繆志偉,陸新征,葉列平.出屋面結(jié)構(gòu)震害分析與設(shè)計建議[R].汶川地震建筑震害調(diào)查與災(zāi)后重建分析報告,2008:308.

[4] 張寶榮.Houdini學(xué)習(xí)總動員[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.