松原查干花震区抗震安置房有限元分析

2021-04-08刘宏岩李龙师

防灾减灾学报 2021年1期

刘宏岩，田明，李龙师

（1. 吉林省地震局，吉林长春 130117；2. 合肥市地震局，安徽合肥 230041；3. 中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨 150080）

0 引言

松原市位于松辽盆地南部，存在有多组不同方向的断裂且构造复杂，具有发生中强地震的构造背景，是国务院和省政府确定的地震重点监视防御区。近年来发生的2006 年前郭5.0级地震、2013 年前郭5.8 级震群（含5 次5 级以上破坏性地震）、2018 年松原宁江区5.7 级地震、2019 年宁江区5.1 级地震等多次破坏性的较强地震，对松原市城乡建筑和基础设施产生了不同程度的地震破坏，造成了巨大的经济损失。

本文以松原市前郭县查干花镇附近在2013年5.8 级震群后的抗震安置房图纸为依据，利用有限元软件ABAQUS 建立了查干花震区的抗震安置房有限元模型，依据与实际震害进行对比验证模型的合理性，通过模型软件输出的损伤云图和层间位移角评估抗震安置房的抗震性能，为该地区农村旧房改造和新房建设提供参考，进而提高当地房屋的抗震能力，保证人民的生命和财产安全。

1 ABAQUS 有限元分析软件简介

由计算机仿真行业软件公司达索SIMULIA公司研发的ABAQUS 有限元软件具有良好的非线性计算能力和能够模拟砌体破坏的材料库和单元库[1]，该软件被不少学者用于砌体结构的抗震分析[2]，其特有的混凝土损伤塑性模型可以模拟混凝土在往复荷载作用下的力学行为，非常适合模拟地震荷载作用下的材料非线性性能。由于砌体结构的破坏特点与混凝土相似，因此本文选用混凝土损伤塑性模型建立砌体和混凝土材料的本构关系。

选用有限元软件ABAQUS 的整体式建模方法对砌体结构进行抗震性能分析。此方法不考虑砂浆和块体之间材料的性能差异与相互作用，将砌块与砂浆组成的墙体当作一个连续均质体进行分析，这种建模方式适用于分析砌体结构在地震作用下的宏观反应[3-5]。

2 抗震安置房有限元模型的建立

图1 是按设计图纸1：1 还原松原市前郭县查干花镇地区在2013 年5.8 级震群后政府筹建的典型抗震安置房平面布置图，该安置房为单层砌体结构，层高为3.8m，长短边分别为8.1m和5.2m，所建模型中构件的截面尺寸与材料强度如表1 和表2 所示，抗震安置房实物图和有限元模型如图2 所示。抗震安置房屋盖均采用钢屋架顶铺彩钢板的形式，材质与砌体结构差异较大且刚度较小，对房屋结构进行弹塑性时程分析时去除屋架且不考虑屋盖刚度的影响，仅将屋盖自重及相应质量以2.0kN/m2的恒荷载形式均匀施加在对应墙体上。而模态分析过程中需要考虑屋盖质量及相应约束对整体振型的影响，故对模型进行模态分析时采用10cm 混凝土面板代替原屋盖，通过绑定约束将屋盖与墙体连接[6-8]。

图1 抗震安置房模型平面布置图Fig.1 Model plan of earthquake resistant resettlement building

表1 模型构件强度及尺寸

表2 材料强度及截面尺寸

图2 查干花震区抗震安置房实物图和有限元模型Fig.2 Physical drawing and finite element model of earthquake resistant houses in Chaganhua earthquake area

3 输入地震动的选取

松原市查干花地区地震设计分组为第一组，特征周期为0.35s，场地类别包含Ⅱ类和Ⅲ类建筑场地，根据以上条件选择了EL-Centro 地震波的南北分量、Kobe 地震波的东西分量和吉林省地震局达里巴强震台地震动记录的东西分量共3 条地震动记录进行结构的动力时程分析。EL-Centro 地震波是1940 年在美国得到的人类第一次捕捉到的最大加速度超过300 Gal 的强震记录，Kobe 地震波是1995 年日本阪神地震的地震波，达里巴强震台地震动记录是在2018年松原5.7 级地震动记录，都具有很强的代表性。上述地震动记录的加速度时程曲线及傅里叶谱图如图3-5 所示。

图3 EL-Centro 地震波加速度时程曲线及傅里叶谱图Fig.3 Acceleration time history curve and Fourier spectrum of EL-Centro seismic wave

图4 Kobe 地震波加速度时程曲线及傅里叶谱图Fig.4 Acceleration time history curve and Fourier spectrum of Kobe seismic wave

图5 达里巴强震台地震波加速度时程曲线及傅里叶谱图Fig.5 Time history curve and Fourier spectrum of seismic wave acceleration at Daliba Strong Seismic Station

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中表5.1.2-2 对地震波进行调幅，将地震波的最大加速度调整为18 cm/s2和125 cm/s2，相当于6 度的多遇和罕遇地震，持续时间均为15s，时间间隔为0.01s[9]。其中，EL-Centro 南北波的加速度峰值为0.281g，卓越频率为1.489Hz；Kobe 东西波的加速度峰值为0.312g，卓越频率为0.781Hz；达里巴强震台东西波的加速度峰值为1.593g，卓越频率为5.359Hz。模型采用双向水平地震记录输入，加速度最大值采用1∶0.85 进行了调整，在模型的两个水平方向同时输入调幅后的地震动记录，计算结构的水平地震作用。

4 模型结构的破坏模式分析

4.1 模型破坏损伤云图分析

在地震作用下，砌体墙主要以拉伸开裂破坏为主。使用ABAQUS 对模型进行时程分析时，通过输入损伤因子输出模型的受拉损伤（DAMAGET）云图，近似模拟墙体裂缝出现的位置及破坏趋势。云图塑性应变大的位置材料所受拉应力相应就越大，墙体也就更容易产生破坏（图6-8）。

图6 模型在7 度（0.10g）地震作用下的受拉损伤云图Fig.6 Tensile damage nephogram of the model under 7 degree（0.10g）earthquake

图7 模型在7 度（0.15g）地震作用下的受拉损伤云图Fig.7 Tensile damage nephogram of the model under 7 degree（0.15g） earthquake

图8 模型在8 度（0.20g）地震作用下的受拉损伤云图Fig.8 Tensile damage nephogram of the model under 8 degree（0.20g） earthquake

通过图6-8 可知，损伤最先出现在右侧屋角上檐，随着地震烈度的增加，逐渐扩展到山墙和门窗洞口，在纵墙和门窗洞口的损伤均呈现倒八字型，与地震现场实际震害调查结果接近（图9）。抗震安置房设置了圈梁、构造柱等抗震构造措施，在7 度（0.10g）地震作用之前，基本没有损伤，在8 度（0.20g）地震作用下，模型仍没有出现大面积连续损伤，表明房屋具有良好的抗震能力。

图9 松原查干花2013 年5.8 级震群实际震害Fig.9 Actual damage of Chaganhua earthquake swarm with MS5.8 in 2013 in Songyuan

4.2 模型破坏层间位移角分析

熊立红[10]分别对不同类型的砌块结构性能水准与变形限制对应关系进行了定义，本文为了更清晰的描述砌体结构的破坏状态，将砌体结构层间位移角进行了区间划分，如表3 所示。

表3 砌体结构破坏状态与层间位移角对应关系

通过计算得到模型在不同地震加速度作用下的顶部最大位移值（图10）和层间位移角（表4-5），最后根据表3 判断各模型在不同地震烈度作用下的破坏状态。

图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层间位移角及破坏状态

表5 模型在罕遇地震作用下的层间位移角及破坏状态

通过表4 可知，模型在6 度（0.05g）、7 度（0.10g、0.15g）和8 度（0.20g）多遇地震作用下层间位移角依次增大，但均未大于1/2000，墙体处于基本完好（D1）状态，证明抗震安置房的抗震能力较好，能够达到“小震不坏”的抗震设防目标。

通过表5 可知，模型在遭遇6 度罕遇地震作用时，墙体在EL-Centro 地震波和Kobe 地震波作用下，墙体处于基本完好（D1）状态，在达里巴强震台地震波作用下，墙体处于轻微破坏状态，因此认为模型的墙体处于基本完好状态；当模型遭遇7 度（0.10g）罕遇地震作用时，墙体处于轻微破坏阶段；当遭受7 度（0.15g）和8 度（0.20g）罕遇地震作用时，墙体处于中等破坏阶段；当遭受8 度（0.20g）罕遇地震作用时，墙体处于严重破坏阶段；这表明模型能达到“大震不倒”的抗震设防目标。