艾米利亚-罗马涅地震中Roncole钟楼的地震行为：一种基于数值场景的方法

《Buildings》：Seismic Behavior of the Roncole Bell Tower During the Emilia-Romagna Earthquake: A Numerical Scenario-Based Approach

　　

摘要：历史砌体塔楼是世界建筑遗产的标志性组成部分，但其抗震脆弱性仍有待深入研究，特别是竖向地面运动的影响尚不明晰。本研究以意大利艾米利亚-罗马涅地区一座高约35 m的细长砌体结构——Roncole钟楼为对象，该塔楼在2012年艾米利亚地震序列中遭受严重损伤，推测与5月29日主震有关（震中距塔楼约5 km）。在无现场实测记录的情况下，研究人员利用两座邻近台站的加速度记录，基于对数衰减关系插值重建了简化地震场景。研究人员在Abaqus中建立了含约263,000个四面体单元的三维精细模型，采用混凝土损伤塑性(Concrete Damage Plasticity, CDP)本构描述砌体材料，考虑了四种砌体弹性模量及多种含/不含竖向地震分量的输入工况。模态分析表明塔楼响应由前两阶水平弯曲振型及参与质量占比较高的显著竖向振型控制。结果表明：水平激励主导整体侧移，但竖向分量显著放大塔楼底部附近的轴力波动与竖向位移，并控制塔楼抗弯能力；非线性时程分析显示多数场景下残余侧移接近倒塌阈值侧移，模拟裂缝模式与实际震害（塔底、窗洞周边及倾斜侧立面）吻合良好。研究证明，对承受近源地震作用的历史细长砌体塔楼，必须采用三向分量地震分析方可获得可靠评估。

《艾米利亚-罗马涅地震中Roncole钟楼的地震行为：一种基于数值场景的方法》论文解读

本文研究对象为意大利艾米利亚-罗马涅大区San Giacomo Roncole村的Roncole钟楼（附属Santi Filippo e Giacomo Apostoli教堂），建于1772年，高约35 m，壁厚约80 cm（底部4 m加厚），存在约0.8°倾斜，在2012年艾米利亚地震（5月29日Mw 6.0，震中距约2.3–5 km）中于塔底、窗洞及倾斜侧立面出现明显裂缝。历史砌体塔楼（ bell tower、defense tower、lighthouse、minaret、clock tower、obelisk、monumental column、chimney、water tower等）作为重要文化遗产，通常被视为悬臂梁以水平荷载控制设计，竖向地震作用常被忽略，且既有研究缺乏近源强震下含竖向分量的实测震害与数值对照案例，加之场地无直接强震记录、土-结构相互作用(Soil-Structure Interaction, SSI)数据缺失，使得该类结构的近源三向地震响应评估存在空白。为此，研究人员通过开展基于相邻台站插值的地震场景重建、精细化三维有限元非线性动力分析，探讨竖向地震分量对细长砌体塔楼抗震性能及损伤模式的影响，验证三向输入必要性，论文发表于《Buildings》。

为开展本研究，研究人员采用如下关键技术方法：以2012年艾米利亚地震第二主震（IT-2012-0011）为对象，选取距震中不同远近的MIR01（近场）与MIRE（远场）两站强震记录（C类场地，无需土放大修正），基于对数Ground Motion Prediction Equation(GMPE)对两站峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration, PGA)作对数空间线性内插得到塔楼处插值PGA，按分量分别缩放加速度时程并构建最小/中值/最大三种均匀缩放工况，共形成6组三向加速度时程；依据意大利规范取砌体抗压强度f_c=4.80 N/mm²、抗拉强度f_t=0.20 N/mm²，设E=1500/1800/2100/2235 MPa四组弹性模量；在Abaqus中建立含拱顶、十字穹顶、窗洞、楼梯的精确三维模型，采用C3D4四面体单元（约263,000个，经网格敏感性验证），砌体本构选用Concrete Damage Plasticity(CDP)模型（考虑受拉/受压损伤变量、Drucker–Prager屈服准则、非关联流动法则，引入粘度参数μ=0.0001以处理软化段收敛），基底固结约束，排除SSI；进行模态分析获取自振周期及有效参与质量，继而开展共48组非线性时程分析（4种E×3种缩放×2个台站记录×含/不含竖向分量），提取基底反力、顶层位移动时程、截面轴力-弯矩耦合及CDP拉伸损伤分布并与实际震害对照。

2. The Tower of Roncole (Emilia-Romagna Region, Italy)

介绍Roncole钟楼历史沿革（1772年新建替代旧钟楼，1863年覆铜穹顶）、几何尺寸（高≈35 m，方形平面，壁厚80 cm，底4 m加厚，0.8°倾斜，含筒壳拱顶与十字拱顶 bell chamber）及材料属性推定（因无现场试验，依意大利规范LC2知识等级取f_c=4.80 N/mm²，f_t=0.20 N/mm²，E取四值以涵盖1500 MPa规范参考值上下限，全塔均质各向同性，未考虑劣化与施工分期）。数值建模采用Abaqus CDP本构，给出膨胀角ψ=30°、偏心率e=0.1、f_b0/f_c0=1.16、K_c=0.667及粘度参数，应力–应变关系参照Kaushik模型。网格敏感性分析对比6套网格（10.7万～45.1万单元），263,000单元模型与最细网格相比基底反力、顶层位移误差<1.5%，损伤模式无显著差异，兼顾计算效率与精度故采纳。

3. Seismic Hazard

2012年艾米利亚地震第二主震（Mw 6.0，震中距塔楼~2.3 km）为主要致损事件，选用MIR01（距震中近）与MIRE（距震中远）两站三向记录。因两站与塔楼间距已知，按ln(PGA)=a?b·R线性衰减在对数空间做两点线性内插得塔楼处各分量PGA，再以(目标PGA/记录PGA)为分量独立缩放因子生成插值加速度时程；另定义最小（取各分量缩放因子最小值统一作用于三向）、中值（取北向分量缩放因子）、最大（取各分量缩放因子最大值统一作用）三种均匀缩放场景，共6组三向输入，分别与4种E组合并开展含/不含竖向分量对比。

4. FE Numerical Simulation

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  4.1. Modal Analysis：前两阶为水平弯曲振型（X、Y向各参与约47%与46%总质量，塔楼旋转45°对称），第三阶为显著竖向振型（参与质量≈70%）。反应谱对比显示竖向谱加速度在塔楼基频附近高于水平谱，竖向有效质量约为前两水平振型合计有效质量的3倍余，提示近源地震竖向分量不可忽略。
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  4.2. Peak Results of the Nonlinear Time-History Simulations：顶层北向残余侧移接近最大侧移，最强工况残差侧移≈H/500（近倒塌阈值H/400～H/300），中值缩放下达≈H/650，说明该震下塔楼濒临极限。含竖向分量时塔底竖向位移明显增大，残差集中于塔底1–2层；基底剪力与弯矩峰值受竖向分量影响不显著。基底轴力波动大，最大压力达≈2.0倍恒载自重，最小可卸载至≈0.5倍自重，V/N比值约2（N为基底轴力，V为基底剪力）。
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  4.3. Simplified Bending Capacity of the Masonry Tower：基于空心截面受弯简化模型校核塔底截面：当计入地震竖向力（N取中值最小/最大）时，动力时程提取的合弯矩小于相应N下的极限抗弯承载力M_u（分别为N中值最小→M_u较大；N中值最大→M_u更大）；若不计竖向地震力（仅恒载N），相同水平弯矩超出无竖向力下的M_u，表明忽略竖向分量会低估轴力对抗弯承载力的贡献从而误判失效。峰值弯矩与极值轴力不同时出现，须考察时程耦合。
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  4.4. Time-History Top-Node Displacement：含竖向分量时顶层竖向位移时程较水平分量滞后约2 s，峰值竖向位移出现在卸载（拉力）相位。将竖向加速度反向后模拟显示渐进性失效加剧，说明加速度符号（拉/压相位）影响临界力组合，应在分析中涵盖。
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  4.5. Damage Patterns：取CDP拉伸损伤变量d_t=1的单元显示主裂缝位于塔底及倾斜侧（北、西）窗洞周边，与2012年实际震害照片吻合；远场记录（竖向PGA更大）塔底损伤更重，近场记录（强水平分量）bell chamber损伤略重；较高E轻微减轻损伤。模拟裂缝分布与实地一致，验证模型合理性。

讨论与结论翻译（Conclusions节浓缩与直译）

研究人员通过近源地震场景重建、模态分析及非线性有限元时程分析研究了Roncole砌体钟楼在2012年艾米利亚地震中的响应，重点考察竖向地震分量的作用。模态分析表明塔楼响应对水平弯曲振型及一显著竖向振型敏感，近源地震竖向谱值在塔楼自振周期范围超出水平谱值。非线性时程分析显示塔底最为薄弱，残差侧移接近倒塌限值；竖向分量虽未显著增大基底水平剪力与弯矩峰值，但明显放大塔底轴向力波动（达2倍自重）与竖向位移，快速轴力振荡对依赖压应力的砌体抗弯稳定性至关重要。模拟裂缝分布于塔底、倾斜侧及窗洞周边，与实际震害相符。结论：对近断层历史细长砌体塔楼的抗震评估不可仅依赖水平地震输入，必须开展三向分量动力分析；竖向加速度通过改变应力状态及诱发底部失稳可能起决定性作用。未来研究宜改进砌体本构、开裂与退化模拟及能捕捉轴力–弯矩–循环地震耦合作用的承载力评估方法。

（全文完）