新论文 | 传感器质量和密度对震后快速评估影响的成本效益分析(A cost-benefit analysis of sensor quality and spatial density for rapid regional post-event seismic damage assessment: Application to Istanbul, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2022)
新论文 | 强震台网密度对震害评估的影响 (Influence of sensor density on seismic damage assessment: a case study for Istanbul, Bulletin of the Seismological Society of America, 2022)
2月6日土耳其7.8级地震发生后，引起了广泛的关注，大量建筑倒塌的图片和视频资料给了人们巨大的震撼，作为专业研究人员，自然会好奇：
图8 中国规范8度37层钢框架-支撑结构
为什么这次地震的破坏如此严重？
中国的建筑是否具备抵御这个规模地震的能力？
随着采集和传感仪器的飞速进步，在地震后我们已经可以获得大量的震中附近强震记录，从而为定量分析不同地震的破坏力，揭示地震破坏机理提供了至关重要的资料。
2月6日拿到两次7.8级地震动已经是半夜了，直接启动RED-ACT程序分析了一下拿到的地震动，然后居然就看到了此前极少看到的恐怖结果（表1）。
表1 第一次7.8级地震典型建筑和桥梁分析结果
在3138台站地震动输入下，居然所有的分析案例都是”毁坏“，于是赶紧把这几个地震动的反应谱绘制出来，如图1所示。
图1 第一次7.8级地震典型台站反应谱
从图1中可以看出，这次土耳其地震，提供了从短周期（4614台站）、中周期（3138台站）到长周期（3123台站）的全频段覆盖。特别值得一提的是，图1中的红线是中国规范9度罕遇的设计反应谱。熟悉地震工程的读者都知道，9度罕遇是中国抗震设计的最高标准，只有极个别地区或工程达到这样的标准，而这次土耳其地震实际发生的地震动强度远远超过了这个最高标准，可见地震动破坏力之强大。
一、土耳其建筑和城区震损分析
那土耳其的建筑能扛得住这么大的地震动么？正好我们课题组此前和土耳其方面合作开展过土耳其伊斯坦布尔城区的区域震害研究，详见：
新论文 | 传感器质量和密度对震后快速评估影响的成本效益分析(A cost-benefit analysis of sensor quality and spatial density for rapid regional post-event seismic damage assessment: Application to Istanbul, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2022)
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有相应的土耳其单体和区域建筑模型（图2）。我们就把实测的地震动输入土耳其的典型单体和城区建筑，看看破坏情况。
图2 土耳其伊斯坦布尔的单体建筑和区域建筑模型
首先看看单体建筑的破坏情况，我们分析了3个土耳其多/高层钢筋混凝土框架的模型（分别为2层、5层、13层）在3123台站记录下的响应，结果不出预料，3个框架都非常干脆的垮了（图3）。所以，土耳其的建筑看来是很难抵御本次地震震中附近的强烈地面运动的。
图3 土耳其多/高层框架在3123台站记录下的响应
进一步，我们采用城市抗震弹塑性分析方法，来研究不同台站地震记录对区域建筑的震害作用。由于我们没有震中附近地区的建筑数据，所以我们暂时用图2中伊斯坦布尔的区域建筑数据来代替。
我们将第一次7.8级地震的地震动数据输入区域模型，由城市抗震弹塑性分析方法得到的震中附近建筑震害如图4、图5所示。图中，红色圆点为第一次7.8级地震的震中，蓝色圆点为第二次7.8级地震的震中。
图4 第一次7.8级地震记录下区域建筑震害分布
图5 局部放大后第一次7.8级地震记录下区域建筑震害分布
从图4、5可见，在地图南侧的震害是非常严重的，大部分建筑都进入了倒塌或者严重破坏的状态（红色或橙色）。
这里肯定有读者会问：图4只是一次7.8级地震引起的破坏，北侧蓝点（第二次7.8级地震震中）附近在第二次7.8级地震后肯定会遭到很严重的破坏啊！
确实，第二次7.8级地震发生后，建筑震害肯定会进一步的变化。但是这种破坏肯定和直接遭受一次7.8级地震作用的结果不一样。因为第一次地震已经引起了破坏，第二次地震再来，建筑的破坏会进一步发展，而两次地震叠加会使得问题更加复杂。
那两次地震叠加后的区域建筑震害该怎么分析呢？不急，我们有专门研究，请听下回分解。今天我们只讨论第一次7.8级地震的影响。
二、中国建筑震损分析
那中国的建筑有可能顶住这次地震的地面运动么？正好课题组此前积累了不少建筑分析模型，于是我们就把这次土耳其地震的地震动输入进去分析了一下。
(1) 钢筋混凝土框架结构
华东院、北京院曾经设计了一个7层钢筋混凝土框架，设计条件为8度设防，三类场地，用于中美抗震规范设计结果对比（图6）。我们课题组张弛同学建立了其非线性有限元模型，结构一阶周期约为1.3-1.4s。
图6 中国规范8度7层钢筋混凝土框架
我们将3123台站地震动记录输入该框架，得到结构的倒塌过程如图7所示。
图7 中国规范8度7层钢筋混凝土框架在3123台站地震动记录输入下的倒塌过程
(2) 钢框架-支撑结构
中国建筑科学研究院设计了一栋高度166m、37层的钢框架-支撑结构，首层层高12.9m，其余层4.2m，平面尺寸50.2mx48.6m，核心筒尺寸21.8mx20m。按8度、三类场地设计，用于中美抗震规范设计结果对比（图8）。我们课题组张弛同学建立了其非线性有限元模型，结构一阶周期约为5.9s。
我们将3123台站地震动记录输入该框架，得到结构的动力响应过程如图9所示。
图9 中国规范8度37层钢框架-支撑结构在3123台站地震动记录输入下的倒塌过程
该钢框架-支撑结构在地震下剧烈振动，中部支撑（普通矩形钢管支撑，非BRB）发生受压屈曲和破坏，最后整体结构失稳破坏（图10）。
图10 中国规范8度37层钢框架-支撑结构在3123台站地震动记录输入下的破坏情况
(3) 钢框架结构
电子院和中建西南院共同设计了一个钢框架结构，为一座6层的办公楼（附加1层出屋面屋顶），首层与屋顶层高5.0 m，其余层层高3.6 m。设防烈度为8度，场地类别为II类，用于中美抗震规范设计结果对比（图11）。我们课题组张弛同学（张弛同学的优秀硕士论文当之无愧！）建立了其非线性有限元模型，结构一阶周期约为2.2s。
图11 中国规范8度6层钢框架结构
我们将3123台站地震动记录输入该框架，得到结构的损伤状况和层间位移角包络如图12所示，层间位移角也已经远超中国抗震设计规范的限值（中国规范限值2%，计算结果为6.7%）。
图12 中国规范8度6层钢框架结构损伤状况和层间位移角包络
三、小结
本次土耳其地震，第一次7.8级地震引起的地震动就具有恐怖的破坏力，其震中附近地面运动强度远超中国规范最高设防水平的要求。即便是按照中国规范8度设防设计的结构，在本次地震下也很可能会发生倒塌或发生远超规范限值的严重变形。
自2008年汶川地震后，超设防水准地震抗倒塌的研究热度逐年降低。而近几次国外强震都再次提醒我们，现阶段人类对地震的认识还非常有限，发生远超设防罕遇地震水平的极端地震作用的风险客观存在。在此我们特向周建龙大师等专家表示诚挚的谢意，感谢他们在编制中国勘察设计协会标准《建筑结构抗震性能化设计标准T/CECA 20024-2022》中，支持我们撰写了“结构防地震倒塌性能设计”一章，为抗地震倒塌设计提供了参考依据。但现阶段抗地震倒塌的研究和工程实践还远不能满足需求，还需要学术界、工程界继续关注和推动。