框架结构典型震害模拟探究

赵 鹏 胡 峻

(上海市地震局，上海 200062)

地震是一种严重威胁人类生存安全及社会稳定的自然灾害。根据国内外破坏性地震的调查资料估计，至少95%以上的人员伤亡是由结构破坏和倒塌这一原因造成的。目前我国城市化发展迅速，人口向城市集中。城市房屋建筑采用框架结构比例较高，因此，一旦遭受到大地震,受伤害最多的就可能是生活在这类房屋结构的人们。所以，总结分析框架结构的破坏原因及类型对于科学避险从而保障人民群众生命安全具有重要意义。

1 历次大地震框架结构典型震害类型

虽然建筑物千差万别，但是特定的结构发生破坏也是有规律可循的，地震中框架结构哪些部位容易出现破坏，破坏结果如何。根据框架结构遭受破坏的位置，可以将其分为以下4种类型。

1.1 框架结构底层倒塌

国内外许多城市都有临街的住宅、办公楼等，这些建筑通常在底层设置商店、餐厅、银行等公共设施，类似建筑都有一个共同点就是底层室内需要有较大的空间,而上部又需布置成小开间。这样的结构上部填充墙多，下部填充墙少，造成了典型的“底层柔,上层刚”的结构体系。早在1995年日本阪神地震中就有大量的底层空旷的框架结构发生倾斜，甚至倒塌。类似的情况在1999年土耳其伊兹米特地震、我国台湾集集地震中仍然常见。直到2008年汶川地震中，我们并没有吸取前面地震的教训，底层倒塌的震害在北川、映秀、汉旺等地区仍然屡见不鲜[1]。

1.2 框架结构短柱破坏

城市中有许多框架结构办公楼或者商务楼因建筑采光需要，外墙通常采用半高填充墙。在办公和教学等用途的建筑中一般形成带型窗。由于墙体的约束而形成的短柱在地震中极易发生震害。在1968年日本Tokachi-oki地震中，大量的钢筋混凝土短柱遭受了严重的破坏。1999年我国台湾集集地震中，大量老教学楼中窗下填充墙约束形成的短柱因箍筋数量不足而发生剪切破坏。在1999年土耳其伊兹米特地震中伊兹米特市BekSA办公楼大量短柱破坏，甚至因短柱压溃导致的结构坍塌[2]。1994年美国北岭地震7层办公楼2层、3层柱受剪破坏，出现大的十字交叉裂缝。2008年的汶川地震中同样也有大量的短柱破坏。

1.3 结构立面变化导致结构破坏

在城市建筑中,经常有一些建筑由于建筑设计要求出现立面开大洞，建筑大幅度外挑或内收,也有一些高层建筑在顶部设置如楼梯间、电梯间、水箱间、设备间和其他设施等,有时也有凸出屋顶的构筑物或装饰结构。国内外多次大地震震害表明,屋顶局部凸出结构的震害普遍严重[3]。在遭遇强烈地震时,可能主体结构尚未破坏或损伤很轻,而凸出物却发生严重破坏甚至倒塌。唐山地震中开平合成化学厂硭硝车间4层钢筋混凝土框架结构第3层柱折断，第4层坐落在第2层上。阪神地震中神户，Chou Ward一建筑在立面上突变，即第5层开始缩进，造成该层倒塌。阪神地震中Kobe城一建筑在截面突变层发生倒塌。汶川地震中都江堰某建筑顶部出屋面结构破坏。

1.4 框架强梁弱柱型倒塌

结构的抗震设计其实就是破坏模式的设计，好的框架结构破坏模式应该给群众逃生赢得时间，因此我们希望的框架结构破坏模式是在地震中首先梁端产生破坏，消耗地震输入能量，保护框架柱，以至于不会导致结构整体倒塌，即使倒塌框架柱的支撑也可以留给群众一定的生存空间。遗憾的是在多次地震中，框架柱首先破坏，导致了结构的整体倒塌。1999年土耳其伊兹米特地震中伊兹米特市4层RC框架结构各层承重构件全部破坏失效，房屋坍塌，层层楼板相迭。1999年我国台湾集集地震中竹山镇大明路的一家山产店6层钢筋混凝土框架结构被强大的地震截成数段。2008年汶川地震中漩口中学5层框架结构教学楼，坍塌。

2 框架结构不同震害类型刚体动力学模拟仿真

在总结震害经验的基础上，利用虚拟仿真三维建模技术建立虚拟场景的三维模型。进一步借助三维软件动力学引擎模拟还原建筑的破坏过程，将枯燥的理论转换为生动的影视作品可以给人们更深刻的印象。本文针对框架结构的典型破坏，每种破坏形式选取一个真实震害进行了三维仿真模拟。

本文中结构破坏三维模拟是通过Houdini软件刚体动力学动画来实现的。Houdini刚体动力学的基本构成包括：物体(object)、解算器(solver)、力场(force)。一个动力学物体包括几项必要参数，如物体的密度，初始位置，速度，摩擦系数等一些基本属性。解算器(solver)是用来计算模拟物体该如何运动的，它会查看物体的模拟状态并且在每一个时间步长上使用自己的内部规则来修改物体的基本参数。力场(force)是赋予物体的外部作用，如一个物体在地震的作用下，这个物体的受力会受到影响。通过节点给物体添加力场数据(force data)。当解算器在物体上检测到力场数据时候，就知道在每个时间步长物体的运动方向。地震中结构中有很多破碎的效果，Houdini中结构破碎在物理层面其实就是一堆具有层次关系的刚体，通过约束连接到了一起，根据受力情况逐级的解体的过程。Houdini自带的动力学引擎在给定的初始信息基础上会计算模拟物体该如何运动，并且在每一个时间步长上使用自己的内部规则来修改它，从而实现动画对真实破坏的逼真模拟[4]。根据以上方法与步骤，分别对地震中框架结构典型震害的四种类型进行了逼真模拟，模拟结果见图1～图4。

3 结语

地震给人们带来的人员伤亡和经济损失是巨大的。在目前无法预测地震的前提下，总结历史经验教训，通过生动形象的作品宣传地震知识是减轻地震灾害的重要途径。三维动画可以将枯燥的理论知识形象化具体化，在地震科普中更容易被人接受。通过建筑结构倒塌过程的模拟，以动画的形式帮助人们识别地震中危险的建筑，在地震中采取合理的避震措施，最大程度的减轻人员伤亡。

参考文献:

[1] 李碧雄,谢和平,邓建辉,等.泣川地震中房屋建筑震害特征及抗震设计思考[J].防灾减灾工程学报,2009,29(2):225.

[2] 李碧雄,田明武,莫思特,等.地震中钢筋混凝土短柱的成因及震害分析[J].工程抗震与加固改造,2014,36(3):121.

[3] 缪志伟,陆新征,叶列平.出屋面结构震害分析与设计建议[R].汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告,2008:308.

[4] 张宝荣.Houdini学习总动员[M].北京：清华大学出版社，2010.