松原查干花震區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造復雜，具有發生中強地震的構造背景，是國務院和省政府確定的地震重點監視防御區。近年來發生的2006 年前郭5.0級地震、2013 年前郭5.8 級震群（含5 次5 級以上破壞性地震）、2018 年松原寧江區5.7 級地震、2019 年寧江區5.1 級地震等多次破壞性的較強地震，對松原市城鄉建筑和基礎設施產生了不同程度的地震破壞，造成了巨大的經濟損失。

本文以松原市前郭縣查干花鎮附近在2013年5.8 級震群后的抗震安置房圖紙為依據，利用有限元軟件ABAQUS 建立了查干花震區的抗震安置房有限元模型，依據與實際震害進行對比驗證模型的合理性，通過模型軟件輸出的損傷云圖和層間位移角評估抗震安置房的抗震性能，為該地區農村舊房改造和新房建設提供參考，進而提高當地房屋的抗震能力，保證人民的生命和財產安全。

1 ABAQUS 有限元分析軟件簡介

由計算機仿真行業軟件公司達索SIMULIA公司研發的ABAQUS 有限元軟件具有良好的非線性計算能力和能夠模擬砌體破壞的材料庫和單元庫[1]，該軟件被不少學者用于砌體結構的抗震分析[2]，其特有的混凝土損傷塑性模型可以模擬混凝土在往復荷載作用下的力學行為，非常適合模擬地震荷載作用下的材料非線性性能。由于砌體結構的破壞特點與混凝土相似，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關系。

選用有限元軟件ABAQUS 的整體式建模方法對砌體結構進行抗震性能分析。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作一個連續均質體進行分析，這種建模方式適用于分析砌體結構在地震作用下的宏觀反應[3-5]。

2 抗震安置房有限元模型的建立

圖1 是按設計圖紙1：1 還原松原市前郭縣查干花鎮地區在2013 年5.8 級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構，層高為3.8m，長短邊分別為8.1m和5.2m，所建模型中構件的截面尺寸與材料強度如表1 和表2 所示，抗震安置房實物圖和有限元模型如圖2 所示。抗震安置房屋蓋均采用鋼屋架頂鋪彩鋼板的形式，材質與砌體結構差異較大且剛度較小，對房屋結構進行彈塑性時程分析時去除屋架且不考慮屋蓋剛度的影響，僅將屋蓋自重及相應質量以2.0kN/m2的恒荷載形式均勻施加在對應墻體上。而模態分析過程中需要考慮屋蓋質量及相應約束對整體振型的影響，故對模型進行模態分析時采用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 模型構件強度及尺寸

表2 材料強度及截面尺寸

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

3 輸入地震動的選取

松原市查干花地區地震設計分組為第一組，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里巴強震臺地震動記錄的東西分量共3 條地震動記錄進行結構的動力時程分析。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 的強震記錄，Kobe 地震波是1995 年日本阪神地震的地震波，達里巴強震臺地震動記錄是在2018年松原5.7 級地震動記錄，都具有很強的代表性。上述地震動記錄的加速度時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 達里巴強震臺地震波加速度時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《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010） 中表5.1.2-2 對地震波進行調幅，將地震波的最大加速度調整為18 cm/s2和125 cm/s2，相當于6 度的多遇和罕遇地震，持續時間均為15s，時間間隔為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；達里巴強震臺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 進行了調整，在模型的兩個水平方向同時輸入調幅后的地震動記錄，計算結構的水平地震作用。

4 模型結構的破壞模式分析

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 對模型進行時程分析時，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的位置及破壞趨勢。云圖塑性應變大的位置材料所受拉應力相應就越大，墻體也就更容易產生破壞（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，損傷最先出現在右側屋角上檐，隨著地震烈度的增加，逐漸擴展到山墻和門窗洞口，在縱墻和門窗洞口的損傷均呈現倒八字型，與地震現場實際震害調查結果接近（圖9）。抗震安置房設置了圈梁、構造柱等抗震構造措施，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，模型仍沒有出現大面積連續損傷，表明房屋具有良好的抗震能力。

圖9 松原查干花2013 年5.8 級震群實際震害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]分別對不同類型的砌塊結構性能水準與變形限制對應關系進行了定義，本文為了更清晰的描述砌體結構的破壞狀態，將砌體結構層間位移角進行了區間劃分，如表3 所示。

表3 砌體結構破壞狀態與層間位移角對應關系

通過計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），最后根據表3 判斷各模型在不同地震烈度作用下的破壞狀態。

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

表5 模型在罕遇地震作用下的層間位移角及破壞狀態

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，證明抗震安置房的抗震能力較好，能夠達到“小震不壞”的抗震設防目標。

通過表5 可知，模型在遭遇6 度罕遇地震作用時，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，在達里巴強震臺地震波作用下，墻體處于輕微破壞狀態，因此認為模型的墻體處于基本完好狀態；當模型遭遇7 度（0.10g） 罕遇地震作用時，墻體處于輕微破壞階段；當遭受7 度（0.15g） 和8 度（0.20g） 罕遇地震作用時，墻體處于中等破壞階段；當遭受8 度（0.20g） 罕遇地震作用時，墻體處于嚴重破壞階段；這表明模型能達到“大震不倒”的抗震設防目標。

5 結論

通過數值模擬和彈塑性時程分析，得到如下結論：

（1）總結了松原地區新建抗震安置房的抗震構造特點，基于Abaqus 軟件模擬了其地震時程響應，總結了新建抗震安置房的地震損傷特征和規律；

（2）依據地震損傷和層間位移角分布規律，表明建筑物在遭遇低于本地區設防烈度的多遇地震影響下不會損壞，在遭遇高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時不至倒塌，滿足《建筑抗震設計規范》的“小震不壞”和“大震不倒”水準目標，安置房抗震能力較強。