假如土耳其地震发生在深圳......

▉ ▏引言 2023年2月6日凌晨4点，土耳其南部与叙利亚交界处地区，突发7.8级的大地震。在首次地震后的两天内，发生了多次严重的余震，最大的余震有7.8级。截止到2023年3月7号为止，土耳其大地震至少造成了土耳其境内超5万人的死亡，160,000栋建筑及520,000栋公寓倒塌或者发生极其严重的破坏。联合国开发计划署官员说，“地震仅在土耳其国内造成的损失据估算就超过1000亿美元。” 图1、图2展示了土耳其建筑倒塌的情况示意图。

▉ ▏引言

2023年2月6日凌晨4点，土耳其南部与叙利亚交界处地区，突发7.8级的大地震。在首次地震后的两天内，发生了多次严重的余震，最大的余震有7.8级。截止到2023年3月7号为止，土耳其大地震至少造成了土耳其境内超5万人的死亡，160,000栋建筑及520,000栋公寓倒塌或者发生极其严重的破坏。联合国开发计划署官员说，“地震仅在土耳其国内造成的损失据估算就超过1000亿美元。” 图1、图2展示了土耳其建筑倒塌的情况示意图。

⊙图1 建筑倒塌鸟瞰图

⊙图2 局部建筑倒塌示意图

当地震发生在人口密集的大城市的时候，因地震带来的损失是难以估量的。 这不禁会引起我们的深思，当土耳其地震动发生在深圳的话，又会带来多大的影响？又会有多少建筑发生倒塌？ 为此，我们对深圳市光明区施工当中的三栋150米剪力墙住宅进行评估，判断如果深圳发生土耳其地震会有什么样情况？

为什么选择这类超高层住宅作评估，是因为以下原因 ：

1）近十年深圳大量建设超过100m高的超高层住宅，此类建筑人员密集，一栋建筑40~50层，少说有近千人在内生活；

2）深圳大量多层农民房正处于城市更新，不远的将来会被拆迁新建成超高层住宅，且高度达180~250m；

3）超高层住宅设计经过广东省严格的抗震超限专项审查，采用了性能化设计，采取了高于国家规范的抗震措施，绝大部分施工也比较规范，在经历不确定的大地震时表现如何，是我们大家关注的重点，也可作为其它建筑的评判依据。

本次测评计算采用的地震动时程波为编号3123、3138、4614地震台站提供的记录 ；各组地震动加速度时程曲线如下图3~5所示。其中EW、NS、UD分别表示东西向、南北向以及竖向的地震动方向。

⊙图3 3123地震台地震动加速度时程曲线

⊙图4 3138地震台地震动加速度时程曲线

⊙图5 4614地震台地震动加速度时程曲线

▉ ▏案例分析

3栋150米高的纯剪力墙住宅项目，分别为1栋、2栋、3栋，平面图如下图6所示。 塔楼共50层，带3层地下室，采用钢筋混凝土剪力墙结构体系。底部墙厚300~350mm，到上部收为200mm厚，底部混凝土强度等级C60。采用SAUSAGE分析软件，对上述3栋塔楼施加上述三组土耳其地震动，采用弹塑性时程分析的方法，对分析结果进行评估。



1栋	2栋	3栋

⊙图6 标准层平面及三维模型图

各栋塔楼前三阶自振周期如下表1所示：

表1 各塔楼前三阶自振周期

以下展示了各结构模型在弹塑性时程分析中随着时间的推移，竖向构件的破坏损伤情况如下图7所示。图7从左到右分别为1栋~3栋竖向构件损伤结果。

⊙图7 塔楼竖向构件损伤图

以下图8为3栋塔楼在3组地震动作用下塔楼顶部楼层竖向构件节点的水平位移图。图8从上到下分别为1栋~3栋顶点水平位移时程曲线。

⊙图8 塔楼顶部水平位移图

从图中可以看出1栋塔楼在3138地震波最大位移2.46m，3123最大位移1.7m，2条地震波均偏于一侧，说明建筑物已有较大倾斜，有了不可恢复变形；地震波4614效应最小。最大顶点位移/总高为1/65。

图9为3栋塔楼在3组地震动作用下塔楼楼层层间位移角图。


1栋	2栋	3栋

⊙图9 塔楼层间位移角图

表2 层间位移角图

⊙图10 结构竖向位移时程曲线

图10为3栋塔楼在3组地震动作用下塔楼顶层竖向位移图。可以看出，各栋塔楼在3138地震波下竖向沉降达0.25~0.3m,说明建筑已有较大倾斜。

▉ ▏倒塌了吗？

我国《建筑抗震设计规范》的设防目标：小震不坏、中震可修、大震不倒。 大震作用下层间位移角不大于1/120,根据图9或表2，层间位移角均大于1/120,是否就可以直接判定该楼就倒了呢？恐怕未必！在计算分析中怎样才能判断一栋楼倒塌了呢？以下结合相关规范依据及有限元计算结果两个方面去判断结构是否倒塌。

1.规范相关条文：

1）新颁布的 《建筑结构抗倒塌设计标准》（T/CECS 392-2021） 第5.4.3条很清楚的定义了会发生倒塌的技术标准。

2） 美国性能化设计标准（Guidelines for performance-basedseismic design of tall building) 第6.7.1节规定了对地震动的不可接受的响应应包括以下任何一种：

美国标准中对于第2条第3条关于构件层面的失效是不可接受的，这在我国规范中未有明确。个人认为关键竖向构件变形超出变形能力或关键竖向构件抗剪超出承载能力会造成构件失效或局部倒塌，分析结果时也应重点关注。

从表2中可知，仅2栋在3123地震波下的层间位移角超过了0.045，在模型中查找该数值发生的位置，为塔楼1层剪力墙位置。按上述标准，在3123地震波下，2栋结构发生了倒塌。

⊙图11 2栋塔楼最大层间位移角定位

2. 有限元计算结果

以2栋塔楼为例，查看计算结果后发现结构损伤主要集中在首层，现给出在各地震波下首层墙体钢筋及混凝土最大应变分布情况，见图12。

在3123地震波作用下大部分墙体的钢筋最大应变与屈服应变的比值超过40倍，混凝土最大压应变与峰值应变的比值超过46倍；在3138地震波作用下大部分墙体钢筋最大应变与屈服应变的比值达到并超过46倍，部分墙体钢筋最大应变达到屈服应变的170倍。混凝土最大压应变与峰值应变的比值超过52倍，部分墙体的最大应变达到峰值应变的170倍；在4146地震波作用下结构的损伤最小，仅有少部分墙肢的钢筋应变和混凝土应变超过了钢筋屈服应变和混凝土峰值应变。


钢筋最大应变/屈服应变	混凝土最大压应变/峰值应变

3123地震波


钢筋最大应变/屈服应变	混凝土最大压应变/峰值应变

3138地震波


钢筋最大应变/屈服应变	混凝土最大压应变/峰值应变

4146地震波

⊙图12 各地震波下底层墙体的应变发展

将1~3栋塔楼在各地震波下的基底剪力与结构在7度大震下的基底剪力进行对比，如表3所示。其中，括号内表达的数字为相应地震波下的基底剪力与7度罕遇地震下基底剪力的比值。从对比结果可知，1栋结构在土耳其地震波下的基底剪力与7度罕遇地震结果相比平均约为1.6倍；2栋结构在土耳其地震波下的基底剪力与7度罕遇地震结果相比平均约为1.4倍；3栋结构在土耳其地震波下的基底剪力与7度罕遇地震结果相比平均约为1.7倍。

表3 基底剪力对比单位/kN

对塔楼底层一片受力较大墙肢进行正截面承载力验算，如图13所示。图中的数据点为该墙体在地震作用下的时程数据点，从图中可以看出墙体的内力已经超过了用材料极限值所计算的构件承载力曲线所包围的范围。

3123地震波

3138地震波

4146地震波

⊙图13 墙体正截面承载力验算

对2栋首层墙体进行抗剪验算，见图14。从图中可知，2栋塔楼在各地震波下的受剪截面均满足，但是在3123和3138地震波下剪力已经超过抗剪承载力极限值，在4146地震波下也有部分墙体的剪力超过抗剪承载力极限值。


剪压比验算	抗剪承载力验算

3123地震波


剪压比验算	抗剪承载力验算

3138地震波


剪压比验算	抗剪承载力验算

4146地震波

⊙图14 底部墙体抗剪验算

综上，2栋塔楼在3123和3138地震波下大部分墙体钢筋已经压屈，混凝土的最大应变也已远超混凝土极限压应变，底层大部分墙体发生了严重损坏，可判定为结构倒塌。

▉ ▏地震波因素

关于地震波，4614波的最大瞬时加速度达到1.96m/s ² ，4614地震波反应明显小于其它2条波，是什么原因？

如果我们把这三条波转化为加速度谱曲线，见图15。从图中可知，4614波地震影响系数是7度大震的10倍即加速度峰值是7度大震的10倍，其它2条波加速度峰值是4614波的1/2~1/3,4614波加速度峰值发生在Tg之内，而其他2条波加速度峰值是1~2秒间，在前3周期点上，3123的加速度最大，3138其次，最小4614。与建筑物的本身的固有周期相关。

⊙图15 土耳其地震动反应谱

▉ ▏算准了吗？

数值模拟最重要的是计算模型能否符合实际情况，计算是否准确及软件模型未考虑的因素是否影响结果。

1）地下室未建入整体模型，多层地下室对建筑的影响未考虑，建筑与土相互影响被忽略。按经验，若地下室周围土体密实，建入地下室后，周期会加长，顶点位移会加大，影响二阶效应；

2）目前构件承载力、塑性铰均按材料的标准值定义，实际上应考虑材料的超强系数。对钢材来说，抗拉强度高于屈服强度，规范规定的是最小值，实际供材时的强度大于规范强度；对混凝土而言，可以采用平均强度；

3）软件算的对吗？SAUSAGE采用显式分析法，对于大变形时的阻尼比取值问题等是否准确？

综合以上因素，由于结构变形、极限应变、构件承载力等远超限值，个人认为以上因素不影响结果判定。

▉ ▏几点启示

1）作为150m的超高层，设计时已采用性能化设计，采取了比规范更严格的抗震措施；但是当土耳其地震来时，依然无法避免倒塌；

2）深圳地区有大量的农民房，一般6~12层，大部分均未经正规设计，且其自振周期约1s~2s，正是土耳其地震波的峰值周期，可能的破坏会更严重；

3）大震或超大震的数值模拟或有改善空间，应构建符合实际的模型进行分析并应进行承载力复核;

4）我国建筑结构抗倒塌设计标准中应对构件层面的损坏引起结构倒塌应作出相应规定；

5）当地震发生在人口密集的大城市的时候，因地震带来的损失是难以估量的；一线城市的超高层建筑采取比规范更严格的抗震措施非常有必要；

6）深圳地区没有处于活跃地震带上，地质结构稳定，多年来未发生大地震，故大家不必恐慌。

来源：HUAYI华艺结构