基于地震動參數的城市建筑物震害模擬
——以蘭州市城關區(qū)為例

張 燦, 陳文凱, 林旭川(. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000;. 中國地震局工程力學研究所, 黑龍江 哈爾濱 50080)

0 引言

隨著中國社會經濟的快速發(fā)展,城市人口和經濟高度集中,一旦城市發(fā)生破壞性地震,所造成的人員傷亡和經濟損失都會遠遠超過其他區(qū)域。因此,提前做好地震災害風險評估,了解城市建筑的抗震能力,識別城市建筑物抗震性能薄弱環(huán)節(jié),有針對性地對城市建筑物進行維修和加固,可以有效地減少人員傷亡和財產損失。

城市建筑物的震害損失程度通常可以結合當地的地震烈度來衡量。目前,我國的震后烈度分布主要根據現(xiàn)場實地調查得到,這將花費大量的人力、物力和較長的時間。除了傳統(tǒng)的實地調查方法,還可以采用區(qū)域烈度衰減規(guī)律或地震動參數(峰值加速度PGA、峰值速度PGV)等方法得到地震烈度分布[1]。地震烈度和地震動參數的相關性研究起源于1888年[2],經過百年的發(fā)展[3-5],日本[6]和美國[7-8]分別得出了與烈度相關性最高的地震動參數為PGA、PGV、SI(譜烈度)以及烈度與地震動參數轉換關系。我國的劉恢先于1980年通過對多次地震的震害和烈度實際經驗的總結,編制了《中國地震烈度表(1980)》[9],首次給出了不同烈度所對應的PGA和PGV。隨著地震烈度評定經驗的不斷豐富,2008年發(fā)布的《中國地震烈度表(GB/T 17742—2008)》[10]和2020年發(fā)布的《中國地震烈度表(GB/T 17742—2020)》[11]都相繼做了不同程度的擴展和修訂。

強地面震動造成的建筑物損毀或倒塌是造成地震人員傷亡的最主要因素之一,因此,開展地震動與建筑物損毀研究是地震工程領域重要的研究課題。日本從1964年新潟大地震后,經過十年的分析與研究,建立了地震動與建筑結構損失率之間的關系[12]。我國最早于1989年開始建筑物震害預測的研究[13],經過數十年的研究與探索[14-22],相關的研究方法與技術已較為成熟。隨著計算機技術的快速發(fā)展,三維技術逐步被應用到震害模擬中。2002年日本基于地理信息空間技術,通過超級計算機構建了東京市建筑物三維可視化模型來模擬大城市地震災害[23],我國的楊澤[24]、胡長理[25]、趙鵬[26]及陳相兆等[27]也分別基于3DS MAX和CityEngine等技術和方法進行了建筑物單體和群體震害三維模擬。陸新征等[28-29]和林旭川等[30-31]也都在地震災害模擬技術方面進行了大量研究。

綜上所述,有關建筑物震害模擬的研究已經相對成熟,但以往的研究都是通過設定固定的地震加速度值或地震烈度來模擬建筑物的破壞情況,沒有考慮到同一地震所產生的地震動參數分布是不同的,實際地震應用性不足。本文運用地震烈度衰減模型模擬兩次地震的地震動參數分布,計算建筑物在不同地震動下的破損情況,結果與實際更為吻合。研究結果也可以為我國首次開展的地震災害風險普查工作提供技術支撐。

1 研究區(qū)與數據介紹

1.1 研究區(qū)概況

本文所選取的研究區(qū)為甘肅省蘭州市城關區(qū)(圖1)。研究區(qū)地處蘭州河谷盆地的東部,隴西黃土高原西部地區(qū)與青藏高原的交界地區(qū),平均海拔高度約為1 520 m。區(qū)域內地質條件復雜,南北兩山相夾,地形復雜多變,易受地質構造控制,是甘肅省自然災害最為嚴重的地區(qū)之一[32-33]。城區(qū)南部分布有馬銜山斷裂、興隆山斷裂等多條規(guī)模較大的斷裂帶,且地震活動性較強。根據《建筑抗震設計規(guī)范》[34]的有關要求,蘭州市城關區(qū)的建筑物抗震設防等級為8度,設計基本地震加速度值為0.20g。

1.2 數據介紹

研究區(qū)建筑物數據通過2018年蘭州市城關區(qū)的高分二號遙感影像、實地調查和在線地圖相結合的方式進行獲取,共有7萬余座建筑,數據包含建筑物輪廓、層數、總面積和街道名稱等信息。不同結構類型的建筑物在同一烈度下破損程度差異較大。本文根據陳晉等[35]總結的各類建筑物遙感影像解譯標志(表1)對2018年拍攝的高分二號遙感影像(空間分辨率0.8 m)進行解譯,結合實地調查和在線地圖將建筑物的結構類型分為框架結構、磚混結構、磚木結構、土木結構和未設防磚混結構5類(圖2)。 >

從圖2可以看出,城關區(qū)絕大多數建筑物為框架和磚混結構,磚木結構的房屋主要分布于城關區(qū)南部的山區(qū),未設防磚混結構主要分布于城中村內。對各類結構的建筑物面積進行匯總,結果列于表2。蘭州市城關區(qū)框架結構占建筑物總面積的73.83%,磚混結構占建筑物總面積的24.96%,磚木結構占建筑物總面積的1.02%,未設防磚混結構占建筑物總面積的0.19%,土木結構房屋的面積占比可以忽略不計。

2 研究方法

本文采用設定地震方法,模擬兩次地震后的建筑物破壞災害場景,并進行對比分析。分別設定地震發(fā)生在馬銜山南緣斷裂和興隆山北緣斷裂上。由于馬銜山南緣斷裂上曾發(fā)生過1125年7.0級地震,則直接將此次地震震中作為模擬地震震中。為了更好地模擬高烈度下建筑物破壞情況,興隆山北緣斷裂上的設定地震震中選擇距離城關區(qū)最近的位置。

表1 建筑物遙感影像解譯標志(據文獻[35])

表2 蘭州市城關區(qū)建筑物結構類型占比

首先,利用最短斷層法烈度衰減模型計算模擬地震Ⅰ(1125年蘭州7.0級地震)烈度的空間分布,通過歷史震例極震區(qū)與模擬烈度空間分布的對比,驗證最短斷層法烈度衰減模型的可靠性,之后再采用此模型計算模擬地震Ⅱ烈度的空間分布。利用基于彈塑性時程分析方法的城市震害模擬器對兩次地震進行建筑震害損傷的模擬,通過對它們的模擬結果進行對比分析來研究不同地震烈度下城關區(qū)建筑物的破壞情況。具體流程如圖3所示。

2.1 地震烈度衰減模型

本文采用司宏俊等[3]研究的最短斷層法地震烈度衰減模型進行地震峰值加速度的模擬計算。該方法以震中位置為中心,生成一定范圍的公里格網與格網點,通過尋找距離每個格網點最近的地表破裂點,計算每個公里格網的PGA值,其公式為:

lgPGA=b-lg(X+c)-kX

(1)

式中:PGA為地震的峰值加速度,單位為m/s2;k為黏彈性衰減的系數,該系數是按地區(qū)來設定適當的值,本文取值0.003;

c為使地震的最大加速度值在斷層距離較小的地方飽和的系數值,表達式為:

c=0.005 5×100.50MW

(2)

式中:MW為地震矩震級。

X為斷層最短距離,單位為km,表達式為:

X={[(x1-x2)2+(y1-y2)2+1]1/2+1}1/2

(3)

式中:x1、y1分別為格網點的經度和緯度值,單位為km;x2、y2為距離每個格網點最近的斷裂點的經度和緯度值,單位為km。

b為支配距離衰減曲線的絕對值的回歸系數,表達式為:

b=aMW+hD+∑diSi+e+∈

(4)

式中:a、h、di均為回歸系數,本文分別取值0.58、0.004 3、0;Si為虛擬變量,表示斷層的類型;D為地震震源深度,單位為km;MW為地震矩震級;e和∈分別為常數和標準偏差,本文e取值0.61。

2.2 基于彈塑性時程分析的震害模擬

本文采用城市震害模擬器[30]對建筑物進行震害模擬。該系統(tǒng)以建筑物自動化建模為核心,基于彈塑性時程分析方法獲取每棟建筑物在地震動作用下的樓層響應和統(tǒng)計信息,選用《建(構)筑物地震破壞等級劃分》[36]中的建筑物損傷指標定義建筑物的損傷等級,最后生成VTK格式的可視化數據文件,在Paraview等可視化軟件上展現(xiàn)三維可視化結果。

圖3 技術流程圖Fig.3 Technical flow chart

彈塑性時程分析法一般公式為:

(5)

3 結果分析

3.1 地震動參數分布模擬

(1) 最短斷層法烈度衰減模型適用性驗證

以震中位置為中心生成300 km×300 km的格網(附帶格網點),尋找距離每個格網點最近的斷裂點,計算每個公里格網的PGA值。根據中國地震烈度表(表3)進行分類顯示,結果如圖4所示。

由圖4可以看出,1125年7.0級地震模擬烈度的最大烈度為Ⅹ度,分布于現(xiàn)蘭州市的西固區(qū)、七里河區(qū),臨夏回族自治州和定西市;Ⅸ度區(qū)分布于現(xiàn)蘭州市的西固區(qū)、安寧區(qū)、七里河區(qū)、紅古區(qū)、皋蘭縣和永登縣,臨夏回族自治州和定西市。將歷史地震極震區(qū)與模擬地震Ⅸ度(重災區(qū))以上區(qū)域的面積、范圍進行統(tǒng)計,如表4所列。

表3 地震烈度對照表(據文獻[10])

1125年7.0級地震的極震區(qū)為現(xiàn)今的河口鄉(xiāng)、關山鄉(xiāng)、阿甘鎮(zhèn)、西固一帶[37-38],均位于模擬地震Ⅰ的Ⅸ度及以上的區(qū)域內,與模擬烈度的結果相符。從面積上看,二者相差較大,分析有以下幾點原因:(1)本文以整個馬銜山南緣斷裂帶作為破裂帶來模擬地震烈度,而真實地震發(fā)生的破裂度有可能小于整個斷裂帶長度,因此模擬的烈度范圍會大于真實的烈度范圍;(2)1125年7.0級地震的極震區(qū)范圍是根據史料記載得出的大致范圍,存在一定的偏差。因此,綜合分析來看,最短斷層法烈度衰減模型是研究歷史地震烈度空間分布的一個較好模型。

圖4 模擬地震Ⅰ烈度(1125年7.0級地震)峰值加速度分布Fig.4 Peak ground acceleration distribution of simulated earthquake Ⅰ (1125 MW7.0 earthquake)

面積/km2范圍1125年7.0級地震極震區(qū)931.32河口鄉(xiāng)、關山鄉(xiāng)、阿甘鎮(zhèn)、西固一帶模擬地震Ⅰ Ⅸ度以上區(qū)域1803西固區(qū)、七里河區(qū)、永靖縣、臨洮縣等

(2) 模擬地震Ⅱ峰值加速度模擬

模擬地震Ⅱ的震中設定于興隆山北緣斷裂上,位于蘭州市城關區(qū)的正南部。從圖5可以看出,模擬地震Ⅱ的最高烈度為Ⅹ度,分布于蘭州市的七里河區(qū)和榆中縣,Ⅸ度區(qū)分布于蘭州市的城關區(qū)、安寧區(qū)、七里河區(qū)、榆中縣,臨夏回族自治州和定西市。相較于同矩震級的模擬地震Ⅰ,城關區(qū)所在區(qū)域的地震烈度提高1度。因此,下一步將基于兩次地震的模擬烈度結果,模擬和分析城關區(qū)建筑物分別在Ⅷ度和Ⅸ度烈度下的破壞情況。

3.2 建筑物震害模擬

首先,將建筑物的位置和外形數據轉化為建筑樓層和質量信息,結合歷史震害經驗、抗震設防規(guī)定以及參數標定工作,給出建筑結構物理參數以及計算模型的所有參數。然后,根據衰減關系獲得PGA分布以及與當地設計反應譜匹配的地震波形,采用彈塑性時程分析方法得到每棟建筑的地震響應,包括結構位移、變形、損傷等級等。最后,導出每棟建筑的破壞清單,并將結果進行三維動態(tài)可視化展示(圖6)。

模擬結果的可視化信息主要包括全方位視角下的城關區(qū)建筑物的變形、位移過程以及損壞指標的分布,實現(xiàn)了每棟建筑在不同時間、固定地震動條件下的地震響應結果。在可視化中,將基本完好的建筑物定義為灰白色,輕微破壞的建筑物定義為藍色,中度破壞的建筑物定義為黃色,嚴重破壞的建筑物定義為橙色,完全毀壞的建筑物定義為紅色。

從圖6(a)可以看出,在Ⅷ度烈度下,城關區(qū)建筑物輕微破壞的居多,基本均勻的分布于整個城區(qū);中度破壞的建筑物較多分布在城區(qū)的西南部以及北部;嚴重破壞以及嚴重毀壞的建筑物主要是未設防磚混結構、城中村區(qū)域以及廠房,主要分布于東部和南部的山區(qū)。從圖6(b)可以看出,在Ⅸ度烈度下,城關區(qū)建筑的影響較為嚴重。城區(qū)內沒有基本完好的建筑,大部分建筑為中度破壞,輕微破壞的基本為

圖5 模擬地震Ⅱ峰值加速度分布Fig.5 Peak ground acceleration distribution of simulated earthquake Ⅱ

圖6 不同烈度區(qū)城關區(qū)建筑物震害模擬三維圖Fig.6 Three dimensional simulation of earthquake damage of buildings in different intensity areas of Chengguan District

框架結構的超高層建筑,嚴重破壞的建筑物主要為城中村以及工業(yè)廠房,毀壞的建筑集中分布于南部的山區(qū)。對城關區(qū)建筑物破壞的模擬結果進行數據提取分析,結果如圖7以及表5所示。

圖7 不同烈度區(qū)城關區(qū)建筑物震害結果分類Fig.7 Classification of earthquake damage results of buildings in different intensity areas of Chengguan District

烈度破壞等級無損傷面積/m2占比%輕微破壞面積/m2占比%中度破壞面積/m2占比%嚴重破壞面積/m2占比%完全毀壞面積/m2占比%Ⅷ度919 978.80.6794 783 449.769.2839 653 757.528.98745 627.40.54713 216.80.52Ⅸ度0018 708 662.213.7599 129 518.672.3816 774 045.512.321 495 559.31.10

(1) Ⅷ度烈度下建筑物震害模擬分析

從圖7(a)可以看出,當烈度達到Ⅷ度時,建筑物以輕微破壞和中度破壞為主。從破壞面積來看,輕微破壞和中度破壞的建筑占比最多,分別為69.28%和28.98%,其余破壞類型的建筑占比均勻。從建筑結構來看,基本完好的建筑全部屬于框架結構,高度基本在100 m以上,屬于超高層建筑;輕微破壞的建筑以框架結構和3層以下的磚混結構為主,包含少部分6層以上的磚混結構;中度破壞的建筑以磚混結構為主,包含少量的8～28層的框架結構;嚴重破壞的建筑以磚木結構為主,包含少量的未設防磚混結構;毀壞的建筑基本為未設防磚混結構以及少量的磚木結構和土木結構。從位置分布來看,基本完好的建筑分布相對分散,主要集中于新建的商業(yè)地帶,輕微破壞和中度破壞的建筑均勻分布于整個城區(qū),嚴重破壞的建筑集中分布在城區(qū)南部的山區(qū),毀壞的建筑主要分布于城區(qū)各處的城中村內。

(2) Ⅸ度烈度下建筑物震害模擬分析

從圖7(b)可以看出,當烈度達到Ⅸ度時,建筑物以中度破壞為主,沒有基本完好的建筑。從破壞面積來看,中度破壞的建筑占比最多,為72.38%;輕微破壞和嚴重破壞的建筑占比分別為13.75%和12.32%;毀壞的建筑占比為1.10%。從建筑結構來看,輕微破壞的建筑以框架結構為主,包含少部分低層的磚混結構;中度破壞的建筑以磚混結構為主,包含少部分8～28層的框架結構;嚴重破壞的建筑全部為3層以下的磚木結構以及未設防磚混結構;毀壞的建筑基本為未設防磚混結構、磚木結構、土木結構以及少量的低層磚混結構,該部分的磚混結構基本分布于震中附近,受到的地震動作用較強,因此,造成的破壞較為嚴重。從位置分布來看,中度破壞和嚴重破壞的建筑均勻分布于整個城區(qū);輕微破壞的建筑除了分散于城區(qū)各處外,還集中分布于距離震中位置較遠的城區(qū)北部,該部分區(qū)域位于8度烈度下,因此,對建筑物造成的破壞相對較輕;毀壞的建筑集中分布于城區(qū)南部的山區(qū)。

(3) 對比分析

由圖7(a)、(b)對比可見,當烈度達到Ⅸ度時,城關區(qū)建筑的破壞程度遠高于在Ⅷ度區(qū)的破壞程度。隨著模擬地震的地震動作用的增強,基本完好的建筑消失,輕微破壞的建筑大幅減少,中度破壞和嚴重破壞的建筑急劇增多,城區(qū)南部山區(qū)的建筑破壞等級更是整體提高。根據《建筑地震破壞等級劃分標準》,中等破壞的建筑即有可能造成人員傷亡。以上兩次地震的震害模擬結果都表明,框架結構的抗震能力普遍較好,3～7層的磚混結構是設防以及震后救援的重點。而該部分的建筑中,包含大量的居民樓以及商業(yè)區(qū),是人員集中的區(qū)域,所以應在這樣的區(qū)域完善突發(fā)事件的相關應急預案,如人員撤離以及周圍避難場所的建設等。城區(qū)南部的商業(yè)用房、工業(yè)廠房也是需要重點關注的區(qū)域。該部分建筑包含了較多的物流園區(qū)以及各種工廠,是人員的高度聚集區(qū),建筑的嚴重破壞或者毀壞,首先就會造成大量的人員傷亡。而由于該部分建筑有化工產業(yè)等特殊用途,可能引起火災、爆炸以及有害氣體泄露等嚴重的次生災害。城區(qū)內多處城中村區(qū)域均出現(xiàn)了中度破壞以及嚴重破壞,而這些區(qū)域內老人、孩子數量較多,房屋設施比較老舊,也可能出現(xiàn)較多的人員傷亡,因此應當著重于城中村區(qū)域的房屋修繕加固以及日常的地震科普知識宣傳工作。

4 結論與討論

本文采用最短斷層法烈度衰減模型,模擬兩次地震的地震動參數空間分布,首先通過與實際地震高烈度區(qū)分析比較,驗證了該模型模擬地震烈度的可靠性;然后利用區(qū)域彈塑性時程分析法,分別給出兩次模擬地震對城關區(qū)建筑物造成的破壞情況。主要結論如下:

(1) 本文中使用的地震烈度衰減模型所模擬的地震烈度與歷史地震極震區(qū)較吻合,說明該方法是研究歷史地震烈度空間分布的一個較好的模型;

(2) 當地震烈度達到Ⅷ度時,城關區(qū)的建筑物總體抗震性能較好,符合8度設防的建筑要求;

(3) 當地震烈度達到Ⅸ度時,破壞嚴重的建筑結構類型主要為以居民樓和商業(yè)為主3～7層的磚混結構;城區(qū)南部的山區(qū)以及城區(qū)內的城中村破壞嚴重。

本文研究可以為自然災害綜合風險普查工作、震前風險評估以及震后救援工作提供科學依據。本研究采用的地震烈度衰減模型是針對日本地區(qū)提出的,需要根據區(qū)域地理環(huán)境進行改進。下一步,我們將采用近年來獲得的強震觀測數據和實際現(xiàn)場調查烈度,詳細分析典型地震烈度衰減模型,通過統(tǒng)計學方法獲得適合我國西部地區(qū)的地震烈度衰減模型。