基于非线性动力分析的RC建筑填充墙地震倒塌致道路阻断评估工具开发

推荐：针对地震中RC(钢筋混凝土)建筑填充墙倒塌导致道路阻断的评估难题，研究人员通过非线性动力分析(Nonlinear Dynamic Analyses)构建评估工具，量化不同地震强度下倒塌体量及碎片抛射距离，为应急车辆通行性评估及城市韧性提升提供关键参数。

　　

地震灾害中，道路网络的畅通性直接关系到人员疏散和救援效率，而建筑物非结构构件（如填充墙）的倒塌是导致道路功能性中断的主要原因之一。现有研究多聚焦于砌体建筑或宏观估算，对钢筋混凝土(RC)框架结构填充墙倒塌产生的碎片分布缺乏精确预测工具。这一问题在意大利等地震高风险地区尤为突出，当地大量建于20世纪的RC建筑采用较薄的填充墙，其地震易损性可能显著影响城市应急响应能力。

为填补这一空白，研究人员通过精细化数值模拟，系统研究了不同年代、高度和构造特征的RC建筑填充墙在地震作用下的破坏机制。研究选取1950s-1990s设计的3层和6层典型意大利RC框架结构作为案例，采用OpenSees软件建立考虑填充墙面内-面外耦合响应的非线性模型。通过多条纹分析(MSA)方法，模拟20组双向地震动作用下填充墙倒塌过程，量化碎片体积和抛射距离随地震强度(0.029-3.520g)的变化规律。

关键技术包括：1) 采用四斜杆模型模拟填充墙面内响应，结合集中质量法刻画面外振动；2) 基于Ricci模型实现面外倒塌位移阈值设定(0.8倍墙厚)；3) 应用抛物线运动学公式计算碎片抛射距离δ_leaf=√(2v_OOP²h/g)；4) 按66%参与质量比估算可抛射碎片体积。

研究结果揭示：

1. 案例建筑动力特性

   模态分析显示填充墙使结构周期缩短40%-50%，1980s建筑因墙厚增加(15cm vs 12cm)具有更强面外抗力。

2. 碎片产生阈值

   当Sa(1.0s)<0.15g(PGA≈0.10g)时无碎片产生；1950s-1970s建筑在Sa=1.217g时最大抛射体积达外墙总量的30%，1980s建筑仅20%。

3. 抛射距离规律

   碎片主要堆积在建筑高度10%-25%距离处，1980s建筑因更高抗倒塌能力使抛射距离达老建筑的2倍。84%分位值显示极端情况下碎片可覆盖50%建筑高度范围。

4. 简化评估工具

   提出包含施工年代因子的预测方程：(V_projected/V_tot)=2√(Sa-0.15)/SF_V，其中1980s建筑形状因子SF_V取9，较老建筑(SF_V=7)更保守。

该研究首次通过精细化数值模拟建立了RC建筑填充墙碎片分布预测模型，其创新性体现在：1) 揭示面外倒塌碎片抛射距离与建筑总高度而非层高相关，修正了既有规范假设；2) 量化不同年代建筑性能差异，1980s建筑碎片量减少33%但抛射距离增加100%；3) 开发工具可直接用于评估道路阻断条件，当碎片量>15m³或覆盖25%路宽时判定为中断。研究成果为修订《NTC 2018》等规范提供了实验依据，尤其适用于意大利等具有大量非抗震老建筑地区的震害预测。未来研究可扩展至其他结构体系，并引入碎片空气动力学效应以提升预测精度。

（注：全文基于原文数据，专业术语如MSA、Sa、PGA等均保留原文表述，模型参数如0.8倍墙厚、66%参与质量等均引自作者假设）