松原查干花震區(qū)抗震安置房有限元分析

劉宏巖，田 明，李龍師

（1. 吉林省地震局，吉林 長春 130117；2. 合肥市地震局，安徽 合肥 230041；3. 中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

松原市位于松遼盆地南部，存在有多組不同方向的斷裂且構(gòu)造復(fù)雜，具有發(fā)生中強(qiáng)地震的構(gòu)造背景，是國務(wù)院和省政府確定的地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)。近年來發(fā)生的2006 年前郭5.0級(jí)地震、2013 年前郭5.8 級(jí)震群（含5 次5 級(jí)以上破壞性地震）、2018 年松原寧江區(qū)5.7 級(jí)地震、2019 年寧江區(qū)5.1 級(jí)地震等多次破壞性的較強(qiáng)地震，對(duì)松原市城鄉(xiāng)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生了不同程度的地震破壞，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

本文以松原市前郭縣查干花鎮(zhèn)附近在2013年5.8 級(jí)震群后的抗震安置房圖紙為依據(jù)，利用有限元軟件ABAQUS 建立了查干花震區(qū)的抗震安置房有限元模型，依據(jù)與實(shí)際震害進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證模型的合理性，通過模型軟件輸出的損傷云圖和層間位移角評(píng)估抗震安置房的抗震性能，為該地區(qū)農(nóng)村舊房改造和新房建設(shè)提供參考，進(jìn)而提高當(dāng)?shù)胤课莸目拐鹉芰?，保證人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1 ABAQUS 有限元分析軟件簡介

由計(jì)算機(jī)仿真行業(yè)軟件公司達(dá)索SIMULIA公司研發(fā)的ABAQUS 有限元軟件具有良好的非線性計(jì)算能力和能夠模擬砌體破壞的材料庫和單元庫[1]，該軟件被不少學(xué)者用于砌體結(jié)構(gòu)的抗震分析[2]，其特有的混凝土損傷塑性模型可以模擬混凝土在往復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為，非常適合模擬地震荷載作用下的材料非線性性能。由于砌體結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)與混凝土相似，因此本文選用混凝土損傷塑性模型建立砌體和混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系。

選用有限元軟件ABAQUS 的整體式建模方法對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析。此方法不考慮砂漿和塊體之間材料的性能差異與相互作用，將砌塊與砂漿組成的墻體當(dāng)作一個(gè)連續(xù)均質(zhì)體進(jìn)行分析，這種建模方式適用于分析砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的宏觀反應(yīng)[3-5]。

2 抗震安置房有限元模型的建立

圖1 是按設(shè)計(jì)圖紙1：1 還原松原市前郭縣查干花鎮(zhèn)地區(qū)在2013 年5.8 級(jí)震群后政府籌建的典型抗震安置房平面布置圖，該安置房為單層砌體結(jié)構(gòu)，層高為3.8m，長短邊分別為8.1m和5.2m，所建模型中構(gòu)件的截面尺寸與材料強(qiáng)度如表1 和表2 所示，抗震安置房實(shí)物圖和有限元模型如圖2 所示?？拐鸢仓梅课萆w均采用鋼屋架頂鋪彩鋼板的形式，材質(zhì)與砌體結(jié)構(gòu)差異較大且剛度較小，對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析時(shí)去除屋架且不考慮屋蓋剛度的影響，僅將屋蓋自重及相應(yīng)質(zhì)量以2.0kN/m2的恒荷載形式均勻施加在對(duì)應(yīng)墻體上。而模態(tài)分析過程中需要考慮屋蓋質(zhì)量及相應(yīng)約束對(duì)整體振型的影響，故對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)采用10cm 混凝土面板代替原屋蓋，通過綁定約束將屋蓋與墻體連接[6-8]。

圖1 抗震安置房模型平面布置圖Fig.1 Model plan of earthquake resistant resettlement building

表1 模型構(gòu)件強(qiáng)度及尺寸

表2 材料強(qiáng)度及截面尺寸

圖2 查干花震區(qū)抗震安置房實(shí)物圖和有限元模型Fig.2 Physical drawing and finite element model of earthquake resistant houses in Chaganhua earthquake area

3 輸入地震動(dòng)的選取

松原市查干花地區(qū)地震設(shè)計(jì)分組為第一組，特征周期為0.35s，場地類別包含Ⅱ類和Ⅲ類建筑場地，根據(jù)以上條件選擇了EL-Centro 地震波的南北分量、Kobe 地震波的東西分量和吉林省地震局達(dá)里巴強(qiáng)震臺(tái)地震動(dòng)記錄的東西分量共3 條地震動(dòng)記錄進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程分析。EL-Centro 地震波是1940 年在美國得到的人類第一次捕捉到的最大加速度超過300 Gal 的強(qiáng)震記錄，Kobe 地震波是1995 年日本阪神地震的地震波，達(dá)里巴強(qiáng)震臺(tái)地震動(dòng)記錄是在2018年松原5.7 級(jí)地震動(dòng)記錄，都具有很強(qiáng)的代表性。上述地震動(dòng)記錄的加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜圖如圖3-5 所示。

圖3 EL-Centro 地震波加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜圖Fig.3 Acceleration time history curve and Fourier spectrum of EL-Centro seismic wave

圖4 Kobe 地震波加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜圖Fig.4 Acceleration time history curve and Fourier spectrum of Kobe seismic wave

圖5 達(dá)里巴強(qiáng)震臺(tái)地震波加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜圖Fig.5 Time history curve and Fourier spectrum of seismic wave acceleration at Daliba Strong Seismic Station

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010） 中表5.1.2-2 對(duì)地震波進(jìn)行調(diào)幅，將地震波的最大加速度調(diào)整為18 cm/s2和125 cm/s2，相當(dāng)于6 度的多遇和罕遇地震，持續(xù)時(shí)間均為15s，時(shí)間間隔為0.01s[9]。其中，EL-Centro 南北波的加速度峰值為0.281g，卓越頻率為1.489Hz；Kobe 東西波的加速度峰值為0.312g，卓越頻率為0.781Hz；達(dá)里巴強(qiáng)震臺(tái)東西波的加速度峰值為1.593g，卓越頻率為5.359Hz。模型采用雙向水平地震記錄輸入，加速度最大值采用1∶0.85 進(jìn)行了調(diào)整，在模型的兩個(gè)水平方向同時(shí)輸入調(diào)幅后的地震動(dòng)記錄，計(jì)算結(jié)構(gòu)的水平地震作用。

4 模型結(jié)構(gòu)的破壞模式分析

4.1 模型破壞損傷云圖分析

在地震作用下，砌體墻主要以拉伸開裂破壞為主。使用ABAQUS 對(duì)模型進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，通過輸入損傷因子輸出模型的受拉損傷（DAMAGET） 云圖，近似模擬墻體裂縫出現(xiàn)的位置及破壞趨勢。云圖塑性應(yīng)變大的位置材料所受拉應(yīng)力相應(yīng)就越大，墻體也就更容易產(chǎn)生破壞（圖6-8）。

圖6 模型在7 度（0.10g）地震作用下的受拉損傷云圖Fig.6 Tensile damage nephogram of the model under 7 degree（0.10g）earthquake

圖7 模型在7 度（0.15g） 地震作用下的受拉損傷云圖Fig.7 Tensile damage nephogram of the model under 7 degree（0.15g） earthquake

圖8 模型在8 度（0.20g） 地震作用下的受拉損傷云圖Fig.8 Tensile damage nephogram of the model under 8 degree（0.20g） earthquake

通過圖6-8 可知，損傷最先出現(xiàn)在右側(cè)屋角上檐，隨著地震烈度的增加，逐漸擴(kuò)展到山墻和門窗洞口，在縱墻和門窗洞口的損傷均呈現(xiàn)倒八字型，與地震現(xiàn)場實(shí)際震害調(diào)查結(jié)果接近（圖9）?？拐鸢仓梅吭O(shè)置了圈梁、構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施，在7 度（0.10g） 地震作用之前，基本沒有損傷，在8 度（0.20g） 地震作用下，模型仍沒有出現(xiàn)大面積連續(xù)損傷，表明房屋具有良好的抗震能力。

圖9 松原查干花2013 年5.8 級(jí)震群實(shí)際震害Fig.9 Actual damage of Chaganhua earthquake swarm with MS5.8 in 2013 in Songyuan

4.2 模型破壞層間位移角分析

熊立紅[10]分別對(duì)不同類型的砌塊結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)與變形限制對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了定義，本文為了更清晰的描述砌體結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)，將砌體結(jié)構(gòu)層間位移角進(jìn)行了區(qū)間劃分，如表3 所示。

表3 砌體結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)與層間位移角對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過計(jì)算得到模型在不同地震加速度作用下的頂部最大位移值（圖10） 和層間位移角（表4-5），最后根據(jù)表3 判斷各模型在不同地震烈度作用下的破壞狀態(tài)。

圖10 模型在不同地震加速度作用下的最大位移（mm）Fig.10 Maximum displacement of the model under different earthquake accelerations

表4 模型在多遇地震作用下的層間位移角及破壞狀態(tài)

表5 模型在罕遇地震作用下的層間位移角及破壞狀態(tài)

通過表4 可知，模型在6 度（0.05g）、7 度（0.10g、0.15g） 和8 度（0.20g） 多遇地震作用下層間位移角依次增大，但均未大于1/2000，墻體處于基本完好（D1） 狀態(tài)，證明抗震安置房的抗震能力較好，能夠達(dá)到“小震不壞”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

通過表5 可知，模型在遭遇6 度罕遇地震作用時(shí)，墻體在EL-Centro 地震波和Kobe 地震波作用下，墻體處于基本完好（D1） 狀態(tài)，在達(dá)里巴強(qiáng)震臺(tái)地震波作用下，墻體處于輕微破壞狀態(tài)，因此認(rèn)為模型的墻體處于基本完好狀態(tài)；當(dāng)模型遭遇7 度（0.10g） 罕遇地震作用時(shí)，墻體處于輕微破壞階段；當(dāng)遭受7 度（0.15g） 和8 度（0.20g） 罕遇地震作用時(shí)，墻體處于中等破壞階段；當(dāng)遭受8 度（0.20g） 罕遇地震作用時(shí)，墻體處于嚴(yán)重破壞階段；這表明模型能達(dá)到“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬和彈塑性時(shí)程分析，得到如下結(jié)論：

（1）總結(jié)了松原地區(qū)新建抗震安置房的抗震構(gòu)造特點(diǎn)，基于Abaqus 軟件模擬了其地震時(shí)程響應(yīng)，總結(jié)了新建抗震安置房的地震損傷特征和規(guī)律；

（2）依據(jù)地震損傷和層間位移角分布規(guī)律，表明建筑物在遭遇低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響下不會(huì)損壞，在遭遇高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)不至倒塌，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的“小震不壞”和“大震不倒”水準(zhǔn)目標(biāo)，安置房抗震能力較強(qiáng)。