翁旭然

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

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建筑結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)的抗倒塌能力、 震時(shí)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(yàn)、 結(jié)構(gòu)倒塌的有限元數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的手段， 研究了3類典型建筑結(jié)構(gòu)在地震中的倒塌機(jī)理與倒塌規(guī)律， 并對廢墟結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其內(nèi)部存活空間的類型和分布規(guī)律做出總結(jié)， 結(jié)合實(shí)際地震情況， 對震時(shí)人員的應(yīng)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(gè)方面的工作：

(1) 基于實(shí)際震害分析， 初步給出了3類典型建筑結(jié)構(gòu)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(shí)際震害資料， 并在汶川特大地震造成的北川地震遺址詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上， 從北川老縣城大量建筑廢墟中篩選出28個(gè)典型案例， 對其體型尺寸、 格局布置、 倒塌方向、 支撐構(gòu)件及可能的存活空間分布規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)研究， 總結(jié)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(shè)計(jì)完成了RC框架結(jié)構(gòu)、 底框砌體結(jié)構(gòu)、 磚混砌體結(jié)構(gòu)3類8個(gè)代表性結(jié)構(gòu)縮尺模型的地震模擬倒塌試驗(yàn)， 獲得了上述3類結(jié)構(gòu)地震作用下動(dòng)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(rèn)識， 在與實(shí)際震害交互驗(yàn)證對比分析的基礎(chǔ)上， 進(jìn)一步總結(jié)了3類房屋結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)制及其廢墟中可能的存活空間分布規(guī)律。

(3) 以RC框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺倒塌試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)， 總結(jié)建議了一套利用顯式動(dòng)力有限元軟件對結(jié)構(gòu)地震倒塌進(jìn)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?jiǎng)恿Ψ治瞿K， 通過對RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的倒塌模擬分析并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比， 給出了倒塌數(shù)值模擬過程中需要注意的“重力預(yù)應(yīng)力化”、 “沙漏控制”、 “應(yīng)變率效應(yīng)”、 “侵蝕接觸”、 “材料選擇”等關(guān)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(diǎn)， 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(dòng)作用下典型RC框架結(jié)構(gòu)的倒塌數(shù)值模擬分析對比， 總結(jié)給出了地震動(dòng)輸入對典型RC框架結(jié)構(gòu)倒塌模式的影響規(guī)律； 通過對典型砌體結(jié)構(gòu)、 底框砌體結(jié)構(gòu)兩類不同形式建筑的倒塌數(shù)值模擬分析， 進(jìn)一步驗(yàn)證了由RC框架結(jié)構(gòu)倒塌分析得到的地震動(dòng)對倒塌模式的影響規(guī)律； 通過對內(nèi)廊式RC框架結(jié)構(gòu)、 多跨外廊式RC框架結(jié)構(gòu)兩類不同布置形式結(jié)構(gòu)的倒塌數(shù)值模擬， 分析了這兩類結(jié)構(gòu)與雙跨外廊式RC框架結(jié)構(gòu)在倒塌特點(diǎn)上的異同； 對倒塌模擬過程中發(fā)現(xiàn)的RC框架結(jié)構(gòu)的“扭轉(zhuǎn)異?！焙汀靶】绲顾奔岸嗫鏡C框架結(jié)構(gòu)的“上部樓層扭轉(zhuǎn)”和“上部傾斜方向改變”4類特殊倒塌模式進(jìn)行了深入分析， 并揭示了其產(chǎn)生機(jī)制。

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

(6) 結(jié)合實(shí)際震害、 典型結(jié)構(gòu)地震模擬試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析結(jié)果， 對3類典型建筑廢墟的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了深入剖析， 進(jìn)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(jié)果， 對實(shí)際地震中人員逃生路徑、 應(yīng)急避難位置以及震后應(yīng)急搜索、 救援中的安全應(yīng)對措施提出了原則性建議。

關(guān)鍵詞倒塌數(shù)值模擬； 倒塌規(guī)律； 地震動(dòng)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(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.015