2月6日,土耳其東南部的卡赫拉曼馬拉什省發(fā)生兩次7.8級地震和數(shù)百次余震。敘利亞國家地震中心表示,這次地震是敘利亞國家地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)1995年建成以來監(jiān)測到的最強烈地震。根據(jù)中國地震臺網(wǎng)消息,此次地址震中位于土耳其東南城市加濟安泰普以西約40千米的東安納托利亞斷裂帶,地震破壞強度高達9度。據(jù)稱,加濟安泰普市幾乎被夷為平地,以西的卡赫拉曼馬拉什、阿達納、奧斯曼尼耶等地也受到了不同程度的影響。此次地震破壞力為何如此巨大?
高震級加淺震源
破壞力約等于130顆原子彈發(fā)生爆炸
英國開放大學(xué)行星地球科學(xué)教授戴維·羅瑟里說,超過7.0級的地震平均每年不到20次,此次地震的最初地質(zhì)斷裂發(fā)生在東安納托利亞斷層,震源深度較淺。英國南安普敦大學(xué)結(jié)構(gòu)與地震工程學(xué)副教授穆罕默德·卡沙尼指出,高震級加上淺震源使這次地震極具破壞性。
這次地震震源深度約為24公里。地震學(xué)上,震源深度小于70公里的地震被稱為淺源地震;震源深度越淺,地震對人類活動造成的傷害就越大。2008年中國汶川地震的震源深度為14公里。2017年,兩場震源深度50公里左右的7.1級和8.1級地震襲擊墨西哥,造成全國性破壞和數(shù)百人死亡。
7.5級左右的淺源地震,嚴(yán)重影響的范圍約為距震中50公里到100公里之內(nèi)。2020年墨西哥南部瓦哈卡州的7.4級地震,震源深度10公里,但震中只有6個村鎮(zhèn),距離主要城市超過100公里,所以未造成嚴(yán)重傷亡。而這一次,距離震中40公里的加濟安泰普市就有約210萬人口,包括數(shù)十萬敘利亞難民。同時,震中距離敘利亞西北部邊境僅50公里,那里的難民營中還有超過170萬流離失所者。
據(jù)土耳其地震專家表示,地震災(zāi)區(qū)的斷層積累了500年的應(yīng)力平衡被打破,這次地震也是土耳其過去百年來第二大地震,破壞力約等于130顆原子彈持續(xù)爆炸了43秒。
地震動反應(yīng)譜遠超設(shè)計反應(yīng)譜
從建筑抗震角度來看,如何理解這130顆原子彈的威力?日前,北京工業(yè)大學(xué)李易教授團隊基于若干中國規(guī)范設(shè)計建筑,對做土耳其地震破壞力進行了系統(tǒng)的分析。
李易教授團隊通過選用此次地震中三組地震臺站記錄數(shù)據(jù),對三條地震動記錄的反應(yīng)譜與我國規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜進行了對比,得出結(jié)論:本次土耳其地震作用遠超過了用于一般抗震分析的8度罕遇地震作用,甚至也超過了最高的9度罕遇地震作用,超過了一般設(shè)計考慮的場景。要知道,我國抗震規(guī)范設(shè)防烈度最高也就是9度,超過9度地區(qū)即用“9度+”表示。
地震動反應(yīng)譜(來
源:北工大結(jié)構(gòu)抗倒塌課題組)
什么是地震動反應(yīng)譜?根據(jù)專業(yè)定義,是指在給定的地震加速度作用期間內(nèi),單質(zhì)點體系的最大反應(yīng)位移、速度反應(yīng)和加速度反應(yīng)隨質(zhì)點自振周期變化的曲線??梢酝ㄋ椎乩斫鉃椋總€建筑都有自己的振動頻率,在一次確定的地震作用下,各個振動頻率不同的建筑分別達到最大的變形情況。
設(shè)計反應(yīng)譜則是根據(jù)大量實際地震記錄分析得到的地震反應(yīng)譜進行統(tǒng)計分析并結(jié)合震害經(jīng)驗綜合判斷給出的一條共用反應(yīng)譜,用作計算在地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。
通過對比可以看出,此次土耳其的三組地震動反應(yīng)譜在0~4秒的周期內(nèi)基本包絡(luò)了設(shè)計反應(yīng)譜,自振周期在0~4秒內(nèi)的建筑最大反應(yīng)位移、速度和加速度都高于正常設(shè)計值。
建筑未按規(guī)范設(shè)計
土耳其96%的國土位于地震帶上,98%的人口生活在地震帶上。1999年,土耳其西北部的伊茲米特市附近發(fā)生7.4級地震,造成超1.6萬人死亡、25萬人無家可歸。這場悲劇發(fā)生后,土耳其政府出臺了新的建筑法規(guī)和強制性地震保險制度。目前,該地區(qū)的抗震建筑規(guī)范要求,建筑應(yīng)該能夠承受強烈地震(地面加速度為正常重力的 30% 至 40%,即0.3g至0.4g)而不會發(fā)生完全破壞。本次地震可能引起20%到50%重力范圍內(nèi)的震動,大部分建筑物應(yīng)不至于倒塌。而據(jù)總統(tǒng)埃爾多安稱,土耳其此次遇難人數(shù)超過了1999 年地震造成的死亡人數(shù)。
由此可見,新規(guī)的執(zhí)行并不理想。雖然有消息表示,2月6日地震中受到影響的許多建筑物都是在2000年之前建造的,但一項由中東技術(shù)大學(xué)于2021年發(fā)布的研究顯示,在加濟安泰普的11萬棟建筑中,只有11%的建筑完全符合建筑規(guī)范,多達38%的建筑不符合抗震建筑規(guī)范,許多5至8層的公寓樓通常在沒有正式批準(zhǔn)的情況下建造。
據(jù)悉,此次倒塌的建筑多為抗震能力差的無筋磚砌體結(jié)構(gòu)。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù),土耳其南部居民生活在抗震能力較差的建筑物中,這些建筑物多采用無鋼筋磚砌體結(jié)構(gòu)和低層混凝土框架,因此在震動中十分脆弱,易坍塌。土耳其中東科技大學(xué)去年3月在《土壤動力學(xué)與地震工程》雜志上發(fā)表的研究中指出,土耳其南部最大城市加濟安泰普中心地區(qū)的建筑物,在6.5級地震中就會受到中等至嚴(yán)重的破壞,這是因為大多數(shù)現(xiàn)有建筑物都采用低層磚砌體結(jié)構(gòu),彼此間距又非常近。
除了設(shè)計沒有達到抗震標(biāo)準(zhǔn),材料與施工質(zhì)量也沒有任何保障。在土耳其東部農(nóng)村,因為成本低廉、可以就地取材,用土坯、石塊等砌成的簡單磚石結(jié)構(gòu)建筑占據(jù)主流,在地震中不堪一擊。在城市中,許多建筑物使用的混凝土質(zhì)量事實上未達到政府規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)。
土耳其薩卡里亞應(yīng)用科學(xué)大學(xué)相關(guān)論文指出,城市公共建筑普遍使用的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計,在實際施工中存在混凝土強度差、鋼筋無肋(帶肋可以增加鋼筋和水泥的結(jié)合能力)、細節(jié)不達標(biāo)等問題,但至今未有顯著改觀。
國內(nèi)規(guī)范設(shè)計建筑能經(jīng)得起土耳其地震考驗嗎?
在此次地震中倒塌的建筑很多是砌體結(jié)構(gòu),對此,李易教授團隊選取20世紀(jì)80年代上海某建成的5層砌體結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)進行有限元建模模擬分析。通過前期試驗,該有限元模型可以較準(zhǔn)確地模擬砌體結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)。在該模型的基礎(chǔ)上輸入土耳其的三條地震動,分析結(jié)果:該結(jié)構(gòu)在土耳其三條地震動作用下均發(fā)生了倒塌破壞。也就是說,中國上世紀(jì)規(guī)范設(shè)計的砌體房屋在如果放在這次地震中也很可能倒塌。
框架結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)如何呢?李易教授團隊依據(jù)中國規(guī)范設(shè)計了45組代表性混凝土框架結(jié)構(gòu),共建立了675個典型混凝土框架結(jié)構(gòu)分析模型,進行三組地震動作用下?lián)p傷情況模擬分析。這45個建筑主要有三類設(shè)計參數(shù)的不同:結(jié)構(gòu)總層數(shù)分別取值2、4、6;結(jié)構(gòu)跨度分別取值4.5、6、7.5、9、12米;抗震設(shè)防烈度分別取值6度(0.05g)、7度(0.1g)、8度(0.2g)。進一步考慮0%、5%、10%、15%與20%五種鋼筋銹蝕率及1978年前、1978-1989年、1989年后三種建造年代。建筑平立面規(guī)則布置,橫向四跨,縱向八跨,結(jié)構(gòu)底層層高為4.5 米,其他層層高為3.6 米。建筑抗震設(shè)防類別為丙類,場地類別為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第一組。分析結(jié)果顯示,中長期地震動的破壞力遠大于短期地震動,三種建造年代的框架結(jié)構(gòu)在中長期地震動下全部發(fā)生倒塌,在短期地震動下沒有全部倒塌,出現(xiàn)了中等破壞及嚴(yán)重破壞的情況;此外,年代越近的框架結(jié)構(gòu)在短期地震動作用下發(fā)生倒塌破壞的比例越低,由此可以反映出,隨著時間推移、結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全儲備越高,結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞的可能性會降低。怎么理解中長期與短期的破壞結(jié)論?通俗地說,在一定范圍內(nèi),自振周期越短、剛性越強、越“硬”的房子比自振周期越短、柔性越好、越“軟”的房子受到的破壞要稍微小一些。
抗震能力更強的框剪結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)會好一點嗎?李易教授團隊設(shè)計了3個代表性框架剪力墻結(jié)構(gòu),建立有限元模型,對其進行地震響應(yīng)分析。結(jié)構(gòu)采用橫向四跨,縱向八跨。結(jié)構(gòu)底層層高為4.5 米,其他層層高為3.6 米。建筑抗震設(shè)防類別為丙類,場地類別為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第一組。3個模型的抗震設(shè)防烈度均為8度,跨度選取6 、9 、12 米,層數(shù)均為8層。團隊將三個臺站三個方向的地震動記錄(共計9條地震動)分別輸入到上述3個框剪結(jié)構(gòu)中,共計27個算例。計算分析結(jié)果顯示:3棟框剪架結(jié)構(gòu)基本周期介于0.59s ~ 0.66s,也是中長周期地震動的破壞力遠大于短周期地震動。三棟建筑在中長周期地震動作用下均發(fā)生倒塌破壞,在短周期地震動作用下發(fā)生嚴(yán)重破壞或中等破壞。
通過對砌體、框架、框剪三種結(jié)構(gòu)在土耳其地震動下的模擬分析,震損情況均較為嚴(yán)重,尤其是中長期地震動下結(jié)構(gòu)大多發(fā)生了倒塌,對于強度最大的短周期地震動,結(jié)構(gòu)也發(fā)生了從輕微到倒塌的不同程度的損傷。李易教授團隊的模擬分析結(jié)果仍是保守的,是基于單次地震作用分析所得,土耳其地震是發(fā)生了多次強烈地震動,其結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與單次地震動有較大的差別,且更為復(fù)雜。
減隔震建筑未來可期
令人想不到的是,目前世界上最大的單體隔震建筑也在土耳其,位于伊斯坦布爾的巴沙克謝希爾松櫻都市醫(yī)院。由于地震距離伊斯坦布爾很遠,沒有對擁有2682張病床的巴沙克謝希爾松櫻都市醫(yī)院造成什么影響。這棟全球最大隔震建筑的設(shè)防目標(biāo)是“大震后立即使用”。能否真正實現(xiàn)這一目標(biāo),尚有待實際地震的檢驗。
而在土耳其東部、距離加濟安泰普約250公里的隔震建筑馬拉蒂亞醫(yī)院則受到了地震的影響。地震預(yù)警軟件廠商QuakeLogic日前在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布一段視頻顯示,隔震層上部結(jié)構(gòu)像浮在軟墊上一樣前后左右上下晃動,雖然晃動的幅度不大,但毫無疑問的是,隔震層開始工作了。不過由于距震中較遠,當(dāng)?shù)亓叶茸罡邽?.5度,并不高,但隔震層的正常啟動起碼說明它的隔震構(gòu)造措施得當(dāng)。
隔震技術(shù)被美國地震專家稱為“40年來世界地震工程最重要的成果之一”,它利用隔震層將建筑物基礎(chǔ)與地基上下隔斷,使絕大多數(shù)的地震能量不能傳遞上來。減震技術(shù)是通過在建筑某些部位設(shè)置耗能裝置來耗散或吸收地震能量,從而減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。
自汶川大地震之后,我國對房屋抗震安全性能愈加重視,減隔震技術(shù)也被更多地應(yīng)用到建筑中來。目前建成總量超1萬棟,位列世界第一,但在我國比例不高。解決建筑抗震問題的思路主流仍是傳統(tǒng)的抗震技術(shù)。2021年5月我國頒布《建設(shè)工程抗震管理條例》后,減隔震技術(shù)備受關(guān)注。對重點設(shè)防類、特殊設(shè)防類等建筑,國家推廣政策口徑也由“鼓勵”變“應(yīng)當(dāng)采用”,甚至有的地方要求“強制采用”,并鼓勵利用減隔震技術(shù)開展抗震加固。
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