2023年2月6日卡赫拉曼马拉什地震期间结构—土体特性背景下严重钢筋混凝土建筑倒塌的评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Evaluation of severe reinforced concrete building collapses in the context of structural–soil characteristics during the February 6, 2023 Kahramanmara? earthquakes

　　

摘要

2023年2月6日卡赫拉曼马拉什地震双震在全球地震史上属于罕见案例，两次矩震级大于7.0的重大地震在同一天发生于相邻地区。这些地震在土耳其11个省造成了广泛破坏，尤其是钢筋混凝土建筑发生严重倒塌。本研究考察了位于卡赫拉曼马拉什市中心受灾最严重区域119栋倒塌钢筋混凝土建筑的结构、建筑及几何特征。所有纳入调查的建筑均在大帕扎尔吉克矩震级7.7地震事件中倒塌，早于埃尔比斯坦矩震级7.6地震的发生。此外，分析了地震的频谱特征，并建立了三维有限元模型以确定其动力特性。评估了倒塌建筑与同一地块内其他结构之间的相互作用。同时分析了抗震规范的历史演变及建筑的设计原则。此外，评估了可用的区域和项目级岩土信息，以评估当地地面条件及基础-结构响应对所观察到的破坏机制的潜在贡献。研究结果表明，广泛破坏是结构缺陷、当地地面条件及土-结构相互作用共同作用的结果。特别是，现有建筑在软弱土壤条件下的性能被发现极不理想。其他加剧因素包括城市规划缺陷、建筑与结构系统设计中未遵守地震工程原则、施工实践不佳，以及用户随时间推移对承重系统所做的干预，从而增加了倒塌风险。尽管某些台站的频谱需求在某些周期范围内接近或超过了基于规范的设计频谱，但观察到的倒塌无法仅通过频谱需求来解释，而应在结构脆弱性、当地地面条件及基础-结构响应的综合框架内进行解释。此外，倒塌建筑名录中相当比例的建筑缺乏土壤调查报告，表明场地表征和岩土设计文档存在较大不确定性。这种文档缺陷不应被解释为土壤导致倒塌的直接证据。这些发现表明，不利的当地地面条件和土-结构相互作用可能起到了加剧作用，特别是在已存在严重结构和材料缺陷的建筑中。在此背景下，提出了建议以增强未来抗震规范中的结构鲁棒性和安全性，强调在抗震评估和设计中适当考虑当地地面条件和土-结构相互作用。

引言

地震长期以来被认为是破坏性最大的自然灾害之一，在城市地区造成重大生命和财产损失。特别是那些在规划、设计和施工阶段未得到充分工程服务的建筑结构，其地震行为可能更为脆弱。文献中已有大量震后破坏调查研究者报告了这一情况[[1], [2], [3], [4], [5]]。

地震，尤其是在人口稠密的城市地区，由于建筑群的脆弱性导致严重的人员伤亡和财产损失。快速且往往失控的城市化是增加地震风险的最关键因素之一。在此背景下，未得到适当工程服务或以不足监督条件下建造的钢筋混凝土结构，在地震荷载下的性能远低于预期[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。

震后现场观察表明，破坏不仅源于结构设计缺陷，还强烈受当地土壤条件影响。特别是，软弱土壤会放大地震加速度，对结构施加更高需求，从而增加脆弱性。文献中[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]已广泛研究了土-结构相互作用对地震性能的潜在影响。

尽管土耳其的抗震规范随时间不断演变，但实践中仍存在重大问题。1975年、1997年、2007年和2018年规范[[19], [20], [21], [22]]逐步纳入了更详细的土壤考虑；然而，现场应用往往未能满足这些要求。这一缺陷已被确定为卡赫拉曼马拉什地震期间观察到大范围倒塌的主要原因之一[[23], [24], [25], [26], [27]]。然而，这些评估通常依赖于观察数据和广泛推断，未得出精确且明确的结论。

钢筋混凝土结构在理论上设计为能承受地震荷载，但材料质量差、钢筋配置不当以及不恰当的建筑选择会增加地震期间的脆弱性。不规则结构系统和剪力墙使用不足可能导致突然且严重的倒塌。有趣的是，尽管受灾地区的建筑存量大体同质，但破坏集中在特定区域。更令人瞩目的是，这些区域并不位于震中附近。1985年墨西哥城地震中也观察到了类似现象[28]，突出了土壤特性对结构性能的关键影响。

通常，地震规范以简化方法处理上部结构与下部结构（基础）之间的相互作用（即土-结构相互作用），并未为这一复杂问题提供根本性解决方案。尽管如此，某些规范因土壤特性而在特定区域要求采取场地特定措施。卡赫拉曼马拉什地震期间观察到严重破坏的重要加剧因素之一是，在规划和设计过程中对当地地面条件和土-结构相互作用的考虑不足。这一问题已由不同研究者从地震-结构研究的各种视角进行了探讨[[15], [16], [17], [18], [23], [24], [25], [26], [27]]。

尽管由震后勘察队基于现场调查编制的震后破坏评估研究对于快速评估灾害十分重要，但有必要在这些评估中包含结构特征——特别是土壤剖面。利用实际设计项目、材料特性和土壤特征评估倒塌建筑对于识别主要失效原因至关重要。在文献中，采用这种全面范围的研究仍然有限。除了针对当地问题及在特定区域开展的研究[29, 30]外，还有土壤动力学领域的专门研究[[30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]]。

虽然2023年2月6日卡赫拉曼马拉什地震双震（矩震级7.7和矩震级7.6）发生后迅速涌现了大量文献，但其中绝大多数研究仅限于视觉震后破坏评估、宏观区域推断或对上部结构元素的孤立评估，使得定量和法医工程评估——即研究结构缺陷与局部土壤行为共同影响的研究——严重匮乏。为弥补文献中这一明确空白，本研究的主要目标是对卡赫拉曼马拉什市中心严重受损区域119栋倒塌的钢筋混凝土建筑进行综合、数据驱动的法学评估，将关注点从一般观察转向综合工程方法。本文的基本且明确的原创性在于其独特名录，其中现场文档和历史交叉核实确认所有119个调查结构均已在第一次主震（大帕扎尔吉克矩震级7.7事件）中完全倒塌，约在第二次埃尔比斯坦地震发生前9小时。因此，本文的多维度方法论通过严格分离第一次地震事件的地震需求，超越了定性现场观察和累积破坏模糊性，将原始建筑与结构设计蓝图的审查、直接从倒塌现场采集的混凝土芯样和钢筋样品的经验实验室测试、名录中每个个别结构的三维有限元建模和动力分析，以及当地岩土条件及其对观察到的失效机制潜在贡献的详细评估相结合。通过在此精确倒塌时间线框架下统一结构工程参数和场地特定土壤动力学，本文旨在为结构倒塌的多维原因提供明确见解，并为未来抗震评估和设计中土-结构相互作用的适当考虑提供建议。

受这一空白驱动，本研究考察了卡赫拉曼马拉什市中心最严重受损区域119栋倒塌钢筋混凝土建筑的结构、建筑及几何特征。此外，分析了地震的频谱特征，并建立了三维有限元模型以确定其动力特性。评估了倒塌建筑与同一地块内其他结构之间的相互作用。同时分析了抗震规范的历史演变及建筑的设计原则。特别关注了当地地面条件及其与现有结构脆弱性相结合对观察到的破坏机制的潜在贡献。

本研究探讨了抗震结构设计的所有阶段——从规划和项目开发到受控施工及终身维护。研究认为，通过持续、全球范围内的监测，可以显著降低结构脆弱性。本研究强调，只有当这一复杂工程链中的每一环都得到完全保障时，才能有效防止倒塌和减轻地震灾害——无论是对于建筑还是城市区域。在此背景下，研究还深入分析了未来抗震规范中应纳入的必要措施，特别是关于土-结构相互作用方面。

本文其余部分组织如下：第2节概述了区域地震构造，处理了地震双震期间记录的强震动数据，并呈现了反应谱计算及精确倒塌时间线。第3节详细介绍了卡赫拉曼马拉什市中心的地域地质特征，表征了受损区域下方的特定土壤剖面。第4节从土壤条件和结构-土壤相互作用角度全面概述了土耳其建筑抗震规范的历史演变，评估了全球过去的经验教训。第5节呈现了调查的119栋钢筋混凝土建筑的经验特征，详细说明了项目审查、材料实验室测试结果和三维有限元分析诊断结果。第6节提供了失效机制的综合讨论，概述了实用工程建议和结构-土壤相互作用的未来展望，最后，第7节总结了本研究得出的主要结论。

各节节选

区域地震构造及2023年2月6日土耳其卡赫拉曼马拉什地震特征

土耳其位于阿尔卑斯-喜马拉雅地震带内，构成一个由阿拉伯板块、非洲板块、欧亚板块和安纳托利亚板块之间复杂构造相互作用控制的活跃变形区。阿拉伯板块向北运动在安纳托利亚东部产生压缩构造机制，触发安纳托利亚板块向西逃逸。这一构造逃逸运动主要通过右旋走滑北安纳托利亚断裂带和左旋走滑...

卡赫拉曼马拉什市中心地质特征

卡赫拉曼马拉什省位于土耳其构造最活跃的区域之一，处于东安纳托利亚断裂带、死海断裂带和塞浦路斯弧的相互作用区（图6）。这一构造环境形成了一个复杂的变形区域，文献中通常称为"马拉什三向交汇"，这是造成该地区高地震危险性的原因[[45], [46], [47], [48]]。市中心坐落在...

从全球过去地震中学习到的土-结构相互作用经验教训

地震工程领域的研究表明，结构破坏不能仅由地震震级或结构系统特征来解释。当地地面条件显著影响地震波的传播和放大，以及结构的动态响应。因此，土-结构相互作用目前被认为是地震性能评估中的一个基本参数[51]。

研究建筑场地的岩土特征

2023年2月6日卡赫拉曼马拉什地震后对Oniki?ubat区和Dulkadiro?lu区受损或倒塌结构进行的调查和现场评估表明，结构破坏不能仅由结构系统特征来解释。当地地面条件是影响结构在地震荷载下地震性能的最重要因素之一[45, 46, 58, 62]。

调查区域...

卡赫拉曼马拉什市中心钢筋混凝土建筑特征

对卡赫拉曼马拉什地震后市中心倒塌的119栋钢筋混凝土结构进行了名录研究。检查了建筑的许可证文件、分区状态、钢筋混凝土与建筑项目、震后现场的建筑材料测试结果、土壤调查与分析，使用STA4-CAD v14.1程序创建了建筑的有限元模型，并在水平...下进行了分析。

因果性与局限性

在解释本研究中确定的当地场地效应与建筑倒塌之间的关系时，应承认某些关于因果性的局限性。

由于所调查的数据库仅包含119栋经历完全倒塌的钢筋混凝土建筑，因此无法建立由具有可比结构特征且遭受相似地震作用的未倒塌建筑组成的系统对照组。因此，结论与最终意见：2023年2月6日的双重地震为全球地震工程史提供了关于钢筋混凝土结构损伤的大量数据。讨论结构损伤的原因、机理及与规范相关的建议对实际工程具有重要意义。观测到的倒塌不能归因于单一主导因素。相反，研究结果表明，不利局部场地条件和土-结构相互作用共同作用CRediT作者贡献声明?brahim Hakk? Erkan：软件，数据整理。Mustafa Ba?ar：软件，方法学，调查。Ensar Suci：撰写——初稿，软件。Mustafa Ko?er：验证，形式化分析，数据整理。Murat ?ztürk：撰写——审阅与编辑，监督，调查。Murat Olgun：撰写——初稿，资源。Musa Hakan Arslan：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，概念化。利益冲突声明作者声明不存在利益冲突。?brahim Hakk? Erkan|Mustafa Ba?ar|Ensar Suci|Mustafa Ko?er|Murat ?ztürk|Murat Olgun|Musa Hakan Arslan科尼亚技术大学，工程与自然科学学院，土木工程系，科尼亚，42250，土耳其