框架結構典型震害模擬探究

趙 鵬 胡 峻

(上海市地震局，上海 200062)

地震是一種嚴重威脅人類生存安全及社會穩定的自然災害。根據國內外破壞性地震的調查資料估計，至少95%以上的人員傷亡是由結構破壞和倒塌這一原因造成的。目前我國城市化發展迅速，人口向城市集中。城市房屋建筑采用框架結構比例較高，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構的人們。所以，總結分析框架結構的破壞原因及類型對于科學避險從而保障人民群眾生命安全具有重要意義。

1 歷次大地震框架結構典型震害類型

雖然建筑物千差萬別，但是特定的結構發生破壞也是有規律可循的，地震中框架結構哪些部位容易出現破壞，破壞結果如何。根據框架結構遭受破壞的位置，可以將其分為以下4種類型。

1.1 框架結構底層倒塌

國內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置商店、餐廳、銀行等公共設施，類似建筑都有一個共同點就是底層室內需要有較大的空間,而上部又需布置成小開間。這樣的結構上部填充墻多，下部填充墻少，造成了典型的“底層柔,上層剛”的結構體系。早在1995年日本阪神地震中就有大量的底層空曠的框架結構發生傾斜，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，底層倒塌的震害在北川、映秀、漢旺等地區仍然屢見不鮮[1]。

1.2 框架結構短柱破壞

城市中有許多框架結構辦公樓或者商務樓因建筑采光需要，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重的破壞。1999年我國臺灣集集地震中，大量老教學樓中窗下填充墻約束形成的短柱因箍筋數量不足而發生剪切破壞。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，甚至因短柱壓潰導致的結構坍塌[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 結構立面變化導致結構破壞

在城市建筑中,經常有一些建筑由于建筑設計要求出現立面開大洞，建筑大幅度外挑或內收,也有一些高層建筑在頂部設置如樓梯間、電梯間、水箱間、設備間和其他設施等,有時也有凸出屋頂的構筑物或裝飾結構。國內外多次大地震震害表明,屋頂局部凸出結構的震害普遍嚴重[3]。在遭遇強烈地震時,可能主體結構尚未破壞或損傷很輕,而凸出物卻發生嚴重破壞甚至倒塌。唐山地震中開平合成化學廠硭硝車間4層鋼筋混凝土框架結構第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生倒塌。汶川地震中都江堰某建筑頂部出屋面結構破壞。

1.4 框架強梁弱柱型倒塌

結構的抗震設計其實就是破壞模式的設計，好的框架結構破壞模式應該給群眾逃生贏得時間，因此我們希望的框架結構破壞模式是在地震中首先梁端產生破壞，消耗地震輸入能量，保護框架柱，以至于不會導致結構整體倒塌，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，導致了結構的整體倒塌。1999年土耳其伊茲米特地震中伊茲米特市4層RC框架結構各層承重構件全部破壞失效，房屋坍塌，層層樓板相迭。1999年我國臺灣集集地震中竹山鎮大明路的一家山產店6層鋼筋混凝土框架結構被強大的地震截成數段。2008年汶川地震中漩口中學5層框架結構教學樓，坍塌。

2 框架結構不同震害類型剛體動力學模擬仿真

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

本文中結構破壞三維模擬是通過Houdini軟件剛體動力學動畫來實現的。Houdini剛體動力學的基本構成包括：物體(object)、解算器(solver)、力場(force)。一個動力學物體包括幾項必要參數，如物體的密度，初始位置，速度，摩擦系數等一些基本屬性。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并且在每一個時間步長上使用自己的內部規則來修改物體的基本參數。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。通過節點給物體添加力場數據(force data)。當解算器在物體上檢測到力場數據時候，就知道在每個時間步長物體的運動方向。地震中結構中有很多破碎的效果，Houdini中結構破碎在物理層面其實就是一堆具有層次關系的剛體，通過約束連接到了一起，根據受力情況逐級的解體的過程。Houdini自帶的動力學引擎在給定的初始信息基礎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部規則來修改它，從而實現動畫對真實破壞的逼真模擬[4]。根據以上方法與步驟，分別對地震中框架結構典型震害的四種類型進行了逼真模擬，模擬結果見圖1～圖4。

3 結語

地震給人們帶來的人員傷亡和經濟損失是巨大的。在目前無法預測地震的前提下，總結歷史經驗教訓，通過生動形象的作品宣傳地震知識是減輕地震災害的重要途徑。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。通過建筑結構倒塌過程的模擬，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計思考[J].防災減災工程學報,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.出屋面結構震害分析與設計建議[R].汶川地震建筑震害調查與災后重建分析報告,2008:308.

[4] 張寶榮.Houdini學習總動員[M].北京：清華大學出版社，2010.