河北唐山4.5级地震震中附近地面运动破坏力分析

程庆乐，郑 哲，赵鹏举，费一凡，陈星雨，陆新征

（木工程安全与耐久教育部重点试验室，清华大学土木工程系，北京 100084）

0 引言

据中国地震台网测定，2019年12月5日8时2分，中国河北省唐山市丰南区发生4.5级地震，震源深度10 km[1]。本文基于RED-ACT系统[2]对这次地震进行了地震破坏力分析与对比，包括典型强震记录的时程对比，典型强震记录的反应谱与规范反应谱对比，典型强震记录对典型单体结构的破坏力分析，震中附近台站周围的区域破坏力分析和人员加速度感受，并与实际地震灾情进行了对比。通过分析和对比，揭示了这次地震的破坏力特征，为震后应急辅助决策提供了重要参考，为普及公众防震减灾知识提供了科技支撑。

1 强震记录分析

地震震级和地震引起的地面运动之间关系复杂，难以从震级大小简单直接地评价地震的破坏力大小[3-5]，可依据强震台网记录得到的地震动时程记录来评价地震破坏力的强弱。该地震收集到了50组地震动记录，其中，HBB0024台站（下述简称“典型台站1”）和HBB0014台站（下述简称“典型台站2”）地震动记录的地面峰值加速度（Peak ground acceleration, 简称“PGA”）较大，本文取其为典型台站记录。将2个典型台站所记录的水平方向与竖向分量的地震动加速度时程绘制成反应谱（5%阻尼），2台站对应的地震动分量及反应谱分别如图1与图2所示，其中，EW与NS表示水平方向台站记录，UD表示竖向台站记录。

从图1可以看出，典型台站1地震动NS分量对应的反应谱相较于EW分量更大，因此在后续典型结构破坏状态分析中，以典型台站1地震动NS分量作为单体结构分析用的地震动。同理，根据图2，典型台站2地震动EW分量在0～0.7 s周期时对应的反应谱相较于NS分量更大，在长周期段EW与NS两水平方向反应谱基本接近，因此在后续典型结构破坏状态分析中，以典型台站2地震动EW分量作为分析用的地震动。

上述典型台站地震动的反应谱与中国8度（0.2 g）地震规范反应谱的比较如图1d、图2d所示。从图1d可以看出，典型台站1的加速度反应谱值在短周期段较大，峰值大概为8度罕遇规范反应谱的2倍。从图2d可以看出典型台站2的加速度反应谱低于8度多遇，地震反应谱峰值接近当地多遇水准。

图1 典型台站1时程曲线与反应谱

图2 典型台站2时程曲线与反应谱

2 典型强震记录对典型结构破坏力分析

除了地震的复杂性，结构自身动力特性的复杂性对结构的地震响应也有影响。采用RED-ACT单体分析模块针对本次地震的典型强震记录对典型单体结构破坏力进行了分析。

2.1 单体模型信息

RED-ACT单体分析模块[6]中典型结构包括：三层框架结构[7]、六层框架结构[8]、单层未设防砌体结构[9]、五层简易设防砌体结构[10]。其中三层框架立面布置如图3所示，六层框架立面布置如图4所示，单层未设防砌体结构振动台试验模型如图5所示，五层简易砌体结构平面图与立面图如图6所示。

图3 典型三层框架结构立面布置图(单位：mm)[7]

图4 典型三层框架结构立面布置图(单位：mm)[8]

图5 单层未设防砌体结构振动台试验模型[9]

本文基于OpenSees有限元平台，建立了上述典型结构的有限元模型。其中，采用基于材料的纤维梁模型[11]，按照中国规范设计的6度、7度、8度设防分别建立三层框架模型与六层框架模型，其中框架的梁柱构件均采用分布塑性的dispBeamColumn单元模拟，考虑P-Δ效应，该单元适合用于模拟框架结构梁柱构件[12]。三层框架模型中6度和7度设防框架的设计地震动分组为第1组，8度设防框架的设计地震动分组为第2组，六层框架建筑类别为丙类，场地类别为Ⅱ类，设计地震动分组为第2组。OpenSees纤维梁模型建立方法详见参考文献[12]。采用基于构件的十参数滞回模型[6]建立单层砌体结构与五层简易设防砌体结构的剪切层模型，剪切层模型信息详见参考文献[6]，其中，剪切层中的剪切梁采用twoNodeLink单元模拟。利用OpenSees分析可得多层框架结构和砌体结构的基本自振周期如表1所示。

将图1b和图2a中所示的典型地震动分量作为激励输入结构典型有限元模型中，可以研究典型结构在地震作用下的响应。

2.2 典型多层框架结构破坏力分析

在2个典型台站地震动作用下，各设防烈度的三层框架与六层框架的最大层间位移角如表2所示，2结构层间位移角包络图分别如图7、8所示。

从不同设防烈度的三层框架结构的层间位移角包络图和结构最大层间位移角的比较可以看出：典型台站1对8度设防的三层框架的破坏较6度设防与7度设防的三层框架更加严重，层间位移角最大值为3.34‰。其原因为8度设防的三层框架自振周期为0.48 s，相较于6度设防与7度设防框架，更接近典型台站1的加速度反应谱峰值。典型台站2由于加速度反应谱数值较小，在该台站的地震动作用下结构最大层间位移角（0.67‰）小于弹性层间位移角限值1/550[13]（约1.82‰），结构仍处于弹性阶段。

表1 典型结构的基本自振周期

表2 唐山地震作用下多层框架最大层间位移角

图7 三框架结构最大层间位移角

图8 六框架结构最大层间位移角

六层框架分析结果与三层框架分析结果类似，典型台站1对8度设防的六层框架的破坏较6度设防与7度设防的六层框架更加严重，层间位移角最大值为3.05‰。其原因也是8度设防的六层框架自振周期为1.00 s，对应于8度设防的六层框架自振周期的典型台站1的加速度反应谱更大。典型台站2地震动作用下结构最大层间位移角（0.48‰）小于弹性层间位移角限值1/550[13]，结构处于弹性阶段。

2.3 对典型砌体结构的破坏力分析

在典型台站1地震动作用下，单层未设防砌体结构发生了中度破坏，五层砌体结构发生了轻微破坏。在典型台站2地震动作用下，砌体结构处于完好状态。单层未设防砌体结构在台站1地震动作用下发生中度破坏，破坏最严重，说明该结构的抗震性能较差。五层简易砌体结构在台站1地震动作用下发生轻微破坏，其抗震性能略强于单层未设防砌体结构。

3 区域破坏分析及地震加速度人员感受分析

利用密布强震台网在震后获取的实时地震动信息，结合城市抗震弹塑性分析，就可以得到地震发生后不同地点的建筑破坏情况，为抗震救灾决策提供科学支撑。本节采用地震破坏力速报系统RED-ACT（Real-time Earthquake Damage Assessment using City-scale Time-history analysis）[2,6]区域分析模块对本次地震的区域破坏力和地震加速度人员感受进行了分析。

RED-ACT系统区域模块采用基于非线性时程分析和多自由度(MDOF)模型的城市抗震弹塑性分析方法[14-15]作为区域建筑震害的分析方法，采用强震台网在震后获取的实时地震动信息作为分析模型的输入，采用根据普查等宏观统计数据所建立的符合当地建筑统计特征的建筑数据库作为承灾体输入，可以在震后快速给出不同地点的建筑破坏情况和地震时人员加速度感受，为抗震救灾决策提供科学支撑。目前该方法已经在国内外70多次地震的破坏力应急评估中得到了成功应用[7,14,16]。

本文共收集到唐山市丰南区4.5级地震的50组地震动。在此基础上，采用RED-ACT系统进行了地震区域破坏分析。将收集到的地震动记录输入到目标区域典型的建筑数据库中，可以得到各个台站处建筑各个破坏状态及人员加速度感受的比例。图9和图10分别为根据唐山市丰南区震中附近范围内台站记录分析得到的建筑震害分布示意图和地震时人员加速度感受分布图。其中蓝色部分表示人口密度，典型台站1、2处建筑破坏比例和人员加速度感受比例如表3、4所示。该分析结果可以直观展示受损区域的分布，且能准确考虑建筑、场地和地震动的特性，为震后应急决策提供了重要参考。值得注意的是该区域台站间距在10 km左右，密布强震台网可为震后应急提供重要输入信息。

图10 不同台站人员加速度感受分布图

表3 地震典型台站记录破坏比例对比

表4 地震典型台站记录破坏比例对比

实际震害调查表明，地震震中附近南部尖子沽乡柳树酄、黑沿子镇震感强烈（图10），但未收到震中人员伤亡和财产损失的报告[17]，这与本文的分析结果基本一致。区域破坏力分析结果总体上破坏较轻，与实际震害基本一致，需要注意的是典型台站1的分析结果较其他台站均严重，也比实际情况更为严重，因此，该台站的地震动的准确性需要进一步核查。

4 结论

本文基于RED-ACT地震震害评估系统，对2019年12月5日发生在河北唐山市丰南区的4.5级地震震中附近地面运动的破坏力进行了分析。分析包括：地震中典型强震记录的分析；在典型强震记录作用下典型单体结构的动力响应和破坏情况；以及震中附近该次地震的破坏力分布和地震时人员加速度感受分布的评估。分析表明，唐山4.5级地震对于当地建筑物没有造成严重损伤，但地震引起震中附近地区的震感明显。基于城市抗震弹塑性分析方法和密布强震台网的实时震害评估方法为震后应急提供了重要参考。

致谢 感谢国家重点研发计划(2018YFC1504401)，山东省高校土木结构防灾减灾协同创新中心基金资助，感谢中国地震台网中心为本研究提供地震动数据。