河北唐山4.5級地震震中附近地面運(yùn)動破壞力分析

程慶樂，鄭 哲，趙鵬舉，費(fèi)一凡，陳星雨，陸新征

（木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)試驗室，清華大學(xué)土木工程系，北京 100084）

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2019年12月5日8時2分，中國河北省唐山市豐南區(qū)發(fā)生4.5級地震，震源深度10 km[1]。本文基于RED-ACT系統(tǒng)[2]對這次地震進(jìn)行了地震破壞力分析與對比，包括典型強(qiáng)震記錄的時程對比，典型強(qiáng)震記錄的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比，典型強(qiáng)震記錄對典型單體結(jié)構(gòu)的破壞力分析，震中附近臺站周圍的區(qū)域破壞力分析和人員加速度感受，并與實(shí)際地震災(zāi)情進(jìn)行了對比。通過分析和對比，揭示了這次地震的破壞力特征，為震后應(yīng)急輔助決策提供了重要參考，為普及公眾防震減災(zāi)知識提供了科技支撐。

1 強(qiáng)震記錄分析

地震震級和地震引起的地面運(yùn)動之間關(guān)系復(fù)雜，難以從震級大小簡單直接地評價地震的破壞力大小[3-5]，可依據(jù)強(qiáng)震臺網(wǎng)記錄得到的地震動時程記錄來評價地震破壞力的強(qiáng)弱。該地震收集到了50組地震動記錄，其中，HBB0024臺站（下述簡稱“典型臺站1”）和HBB0014臺站（下述簡稱“典型臺站2”）地震動記錄的地面峰值加速度（Peak ground acceleration, 簡稱“PGA”）較大，本文取其為典型臺站記錄。將2個典型臺站所記錄的水平方向與豎向分量的地震動加速度時程繪制成反應(yīng)譜（5%阻尼），2臺站對應(yīng)的地震動分量及反應(yīng)譜分別如圖1與圖2所示，其中，EW與NS表示水平方向臺站記錄，UD表示豎向臺站記錄。

從圖1可以看出，典型臺站1地震動NS分量對應(yīng)的反應(yīng)譜相較于EW分量更大，因此在后續(xù)典型結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)分析中，以典型臺站1地震動NS分量作為單體結(jié)構(gòu)分析用的地震動。同理，根據(jù)圖2，典型臺站2地震動EW分量在0～0.7 s周期時對應(yīng)的反應(yīng)譜相較于NS分量更大，在長周期段EW與NS兩水平方向反應(yīng)譜基本接近，因此在后續(xù)典型結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)分析中，以典型臺站2地震動EW分量作為分析用的地震動。

上述典型臺站地震動的反應(yīng)譜與中國8度（0.2 g）地震規(guī)范反應(yīng)譜的比較如圖1d、圖2d所示。從圖1d可以看出，典型臺站1的加速度反應(yīng)譜值在短周期段較大，峰值大概為8度罕遇規(guī)范反應(yīng)譜的2倍。從圖2d可以看出典型臺站2的加速度反應(yīng)譜低于8度多遇，地震反應(yīng)譜峰值接近當(dāng)?shù)囟嘤鏊疁?zhǔn)。

圖1 典型臺站1時程曲線與反應(yīng)譜

圖2 典型臺站2時程曲線與反應(yīng)譜

2 典型強(qiáng)震記錄對典型結(jié)構(gòu)破壞力分析

除了地震的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)自身動力特性的復(fù)雜性對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也有影響。采用RED-ACT單體分析模塊針對本次地震的典型強(qiáng)震記錄對典型單體結(jié)構(gòu)破壞力進(jìn)行了分析。

2.1 單體模型信息

RED-ACT單體分析模塊[6]中典型結(jié)構(gòu)包括：三層框架結(jié)構(gòu)[7]、六層框架結(jié)構(gòu)[8]、單層未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)[9]、五層簡易設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)[10]。其中三層框架立面布置如圖3所示，六層框架立面布置如圖4所示，單層未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)振動臺試驗?zāi)Ｐ腿鐖D5所示，五層簡易砌體結(jié)構(gòu)平面圖與立面圖如圖6所示。

圖3 典型三層框架結(jié)構(gòu)立面布置圖(單位：mm)[7]

圖4 典型三層框架結(jié)構(gòu)立面布置圖(單位：mm)[8]

圖5 單層未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)振動臺試驗?zāi)Ｐ蚚9]

本文基于OpenSees有限元平臺，建立了上述典型結(jié)構(gòu)的有限元模型。其中，采用基于材料的纖維梁模型[11]，按照中國規(guī)范設(shè)計的6度、7度、8度設(shè)防分別建立三層框架模型與六層框架模型，其中框架的梁柱構(gòu)件均采用分布塑性的dispBeamColumn單元模擬，考慮P-Δ效應(yīng)，該單元適合用于模擬框架結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件[12]。三層框架模型中6度和7度設(shè)防框架的設(shè)計地震動分組為第1組，8度設(shè)防框架的設(shè)計地震動分組為第2組，六層框架建筑類別為丙類，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震動分組為第2組。OpenSees纖維梁模型建立方法詳見參考文獻(xiàn)[12]。采用基于構(gòu)件的十參數(shù)滯回模型[6]建立單層砌體結(jié)構(gòu)與五層簡易設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)的剪切層模型，剪切層模型信息詳見參考文獻(xiàn)[6]，其中，剪切層中的剪切梁采用twoNodeLink單元模擬。利用OpenSees分析可得多層框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的基本自振周期如表1所示。

將圖1b和圖2a中所示的典型地震動分量作為激勵輸入結(jié)構(gòu)典型有限元模型中，可以研究典型結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。

2.2 典型多層框架結(jié)構(gòu)破壞力分析

在2個典型臺站地震動作用下，各設(shè)防烈度的三層框架與六層框架的最大層間位移角如表2所示，2結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)圖分別如圖7、8所示。

從不同設(shè)防烈度的三層框架結(jié)構(gòu)的層間位移角包絡(luò)圖和結(jié)構(gòu)最大層間位移角的比較可以看出：典型臺站1對8度設(shè)防的三層框架的破壞較6度設(shè)防與7度設(shè)防的三層框架更加嚴(yán)重，層間位移角最大值為3.34‰。其原因為8度設(shè)防的三層框架自振周期為0.48 s，相較于6度設(shè)防與7度設(shè)防框架，更接近典型臺站1的加速度反應(yīng)譜峰值。典型臺站2由于加速度反應(yīng)譜數(shù)值較小，在該臺站的地震動作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角（0.67‰）小于彈性層間位移角限值1/550[13]（約1.82‰），結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段。

表1 典型結(jié)構(gòu)的基本自振周期

表2 唐山地震作用下多層框架最大層間位移角

圖7 三框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角

圖8 六框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角

六層框架分析結(jié)果與三層框架分析結(jié)果類似，典型臺站1對8度設(shè)防的六層框架的破壞較6度設(shè)防與7度設(shè)防的六層框架更加嚴(yán)重，層間位移角最大值為3.05‰。其原因也是8度設(shè)防的六層框架自振周期為1.00 s，對應(yīng)于8度設(shè)防的六層框架自振周期的典型臺站1的加速度反應(yīng)譜更大。典型臺站2地震動作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角（0.48‰）小于彈性層間位移角限值1/550[13]，結(jié)構(gòu)處于彈性階段。

2.3 對典型砌體結(jié)構(gòu)的破壞力分析

在典型臺站1地震動作用下，單層未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)發(fā)生了中度破壞，五層砌體結(jié)構(gòu)發(fā)生了輕微破壞。在典型臺站2地震動作用下，砌體結(jié)構(gòu)處于完好狀態(tài)。單層未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)在臺站1地震動作用下發(fā)生中度破壞，破壞最嚴(yán)重，說明該結(jié)構(gòu)的抗震性能較差。五層簡易砌體結(jié)構(gòu)在臺站1地震動作用下發(fā)生輕微破壞，其抗震性能略強(qiáng)于單層未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)。

3 區(qū)域破壞分析及地震加速度人員感受分析

利用密布強(qiáng)震臺網(wǎng)在震后獲取的實(shí)時地震動信息，結(jié)合城市抗震彈塑性分析，就可以得到地震發(fā)生后不同地點(diǎn)的建筑破壞情況，為抗震救災(zāi)決策提供科學(xué)支撐。本節(jié)采用地震破壞力速報系統(tǒng)RED-ACT（Real-time Earthquake Damage Assessment using City-scale Time-history analysis）[2,6]區(qū)域分析模塊對本次地震的區(qū)域破壞力和地震加速度人員感受進(jìn)行了分析。

RED-ACT系統(tǒng)區(qū)域模塊采用基于非線性時程分析和多自由度(MDOF)模型的城市抗震彈塑性分析方法[14-15]作為區(qū)域建筑震害的分析方法，采用強(qiáng)震臺網(wǎng)在震后獲取的實(shí)時地震動信息作為分析模型的輸入，采用根據(jù)普查等宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)所建立的符合當(dāng)?shù)亟ㄖy(tǒng)計特征的建筑數(shù)據(jù)庫作為承災(zāi)體輸入，可以在震后快速給出不同地點(diǎn)的建筑破壞情況和地震時人員加速度感受，為抗震救災(zāi)決策提供科學(xué)支撐。目前該方法已經(jīng)在國內(nèi)外70多次地震的破壞力應(yīng)急評估中得到了成功應(yīng)用[7,14,16]。

本文共收集到唐山市豐南區(qū)4.5級地震的50組地震動。在此基礎(chǔ)上，采用RED-ACT系統(tǒng)進(jìn)行了地震區(qū)域破壞分析。將收集到的地震動記錄輸入到目標(biāo)區(qū)域典型的建筑數(shù)據(jù)庫中，可以得到各個臺站處建筑各個破壞狀態(tài)及人員加速度感受的比例。圖9和圖10分別為根據(jù)唐山市豐南區(qū)震中附近范圍內(nèi)臺站記錄分析得到的建筑震害分布示意圖和地震時人員加速度感受分布圖。其中藍(lán)色部分表示人口密度，典型臺站1、2處建筑破壞比例和人員加速度感受比例如表3、4所示。該分析結(jié)果可以直觀展示受損區(qū)域的分布，且能準(zhǔn)確考慮建筑、場地和地震動的特性，為震后應(yīng)急決策提供了重要參考。值得注意的是該區(qū)域臺站間距在10 km左右，密布強(qiáng)震臺網(wǎng)可為震后應(yīng)急提供重要輸入信息。

圖10 不同臺站人員加速度感受分布圖

表3 地震典型臺站記錄破壞比例對比

表4 地震典型臺站記錄破壞比例對比

實(shí)際震害調(diào)查表明，地震震中附近南部尖子沽鄉(xiāng)柳樹酄、黑沿子鎮(zhèn)震感強(qiáng)烈（圖10），但未收到震中人員傷亡和財產(chǎn)損失的報告[17]，這與本文的分析結(jié)果基本一致。區(qū)域破壞力分析結(jié)果總體上破壞較輕，與實(shí)際震害基本一致，需要注意的是典型臺站1的分析結(jié)果較其他臺站均嚴(yán)重，也比實(shí)際情況更為嚴(yán)重，因此，該臺站的地震動的準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步核查。

4 結(jié)論

本文基于RED-ACT地震震害評估系統(tǒng)，對2019年12月5日發(fā)生在河北唐山市豐南區(qū)的4.5級地震震中附近地面運(yùn)動的破壞力進(jìn)行了分析。分析包括：地震中典型強(qiáng)震記錄的分析；在典型強(qiáng)震記錄作用下典型單體結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和破壞情況；以及震中附近該次地震的破壞力分布和地震時人員加速度感受分布的評估。分析表明，唐山4.5級地震對于當(dāng)?shù)亟ㄖ餂]有造成嚴(yán)重?fù)p傷，但地震引起震中附近地區(qū)的震感明顯?；诔鞘锌拐饛椝苄苑治龇椒ê兔懿紡?qiáng)震臺網(wǎng)的實(shí)時震害評估方法為震后應(yīng)急提供了重要參考。

致謝 感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2018YFC1504401)，山東省高校土木結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)協(xié)同創(chuàng)新中心基金資助，感謝中國地震臺網(wǎng)中心為本研究提供地震動數(shù)據(jù)。