翁旭然

(中國地震局工程力學研究所, 哈爾濱150080)

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建筑結構地震倒塌及存活空間分布規(guī)律研究

翁旭然

(中國地震局工程力學研究所, 哈爾濱150080)

國內(nèi)外歷次大地震表明， 建筑物的破壞倒塌是造成人員傷亡的主要原因， 提高結構的抗倒塌能力、 震時采取有效的避難策略和震后安全快速的救援則是減少人員傷亡的重要途徑。 本文通過地震廢墟現(xiàn)場調(diào)查、 地震模擬倒塌試驗、 結構倒塌的有限元數(shù)值模擬和理論分析相結合的手段， 研究了3類典型建筑結構在地震中的倒塌機理與倒塌規(guī)律， 并對廢墟結構特點及其內(nèi)部存活空間的類型和分布規(guī)律做出總結， 結合實際地震情況， 對震時人員的應急避難方法和搜索救援策略提出了建議。 本論文主要完成了以下6個方面的工作：

(1) 基于實際震害分析， 初步給出了3類典型建筑結構地震倒塌模式及建筑廢墟類型劃分原則、 存活空間分布規(guī)律。 收集查閱了大量實際震害資料， 并在汶川特大地震造成的北川地震遺址詳細調(diào)查的基礎上， 從北川老縣城大量建筑廢墟中篩選出28個典型案例， 對其體型尺寸、 格局布置、 倒塌方向、 支撐構件及可能的存活空間分布規(guī)律進行了詳細研究， 總結給出了建筑廢墟類型的劃分原則， 初步揭示了廢墟中存活空間的分布規(guī)律。

(2) 設計完成了RC框架結構、 底框砌體結構、 磚混砌體結構3類8個代表性結構縮尺模型的地震模擬倒塌試驗， 獲得了上述3類結構地震作用下動力特性變化、 破壞性裂縫產(chǎn)生、 發(fā)展及最終倒塌全過程的系統(tǒng)認識， 在與實際震害交互驗證對比分析的基礎上， 進一步總結了3類房屋結構的倒塌機制及其廢墟中可能的存活空間分布規(guī)律。

(3) 以RC框架結構振動臺倒塌試驗結果為基準， 總結建議了一套利用顯式動力有限元軟件對結構地震倒塌進行數(shù)值模擬的高效分析方法。 采用ANSYS軟件中的非線性顯式有限元動力分析模塊， 通過對RC框架結構進行大量的倒塌模擬分析并與試驗結果進行對比， 給出了倒塌數(shù)值模擬過程中需要注意的“重力預應力化”、 “沙漏控制”、 “應變率效應”、 “侵蝕接觸”、 “材料選擇”等關鍵問題的處理方法， 指出了采用不同模擬方法之間的優(yōu)缺點， 建議了一套高效模擬方法。

(4) 通過10組不同頻譜特性、 不同輸入方向的地震動作用下典型RC框架結構的倒塌數(shù)值模擬分析對比， 總結給出了地震動輸入對典型RC框架結構倒塌模式的影響規(guī)律； 通過對典型砌體結構、 底框砌體結構兩類不同形式建筑的倒塌數(shù)值模擬分析， 進一步驗證了由RC框架結構倒塌分析得到的地震動對倒塌模式的影響規(guī)律； 通過對內(nèi)廊式RC框架結構、 多跨外廊式RC框架結構兩類不同布置形式結構的倒塌數(shù)值模擬， 分析了這兩類結構與雙跨外廊式RC框架結構在倒塌特點上的異同； 對倒塌模擬過程中發(fā)現(xiàn)的RC框架結構的“扭轉異?！焙汀靶】绲顾奔岸嗫鏡C框架結構的“上部樓層扭轉”和“上部傾斜方向改變”4類特殊倒塌模式進行了深入分析， 并揭示了其產(chǎn)生機制。

(5) 基于本研究大量的倒塌試驗與倒塌模擬分析結果， 提出了“地震動致塌方向”的概念， 并建立了用于判別結構倒塌模式的新方法----“M值”法。 通過分析8個模型倒塌試驗以及倒塌數(shù)值模擬過程中地震動作用方向與倒塌模式之間的關系， 證明了水平地震動分量在對結構倒塌的方向影響上具有定向性， 由此提出了“地震動致塌方向”的概念， 深入探討了其產(chǎn)生機理及影響因素； 以此為基礎， 結合對結構倒塌全過程的理論分析， 提出了結構倒塌模式的“M值”判別法， 并通過倒塌試驗及倒塌數(shù)值模擬結果驗證了方法的合理性及可行性。

(6) 結合實際震害、 典型結構地震模擬試驗以及數(shù)值模擬分析結果， 對3類典型建筑廢墟的結構特征進行了深入剖析， 進一步給出了地震致塌的建筑廢墟中存活空間的分布規(guī)律。 基于建筑倒塌模式及存活空間分布規(guī)律研究結果， 對實際地震中人員逃生路徑、 應急避難位置以及震后應急搜索、 救援中的安全應對措施提出了原則性建議。

關鍵詞倒塌數(shù)值模擬； 倒塌規(guī)律； 地震動致塌方向； “M值”法； 存活空間

(作者電子信箱， 翁旭然： 422732971@qq.com)

中圖分類號：TU311.3；

文獻標識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.015