陈一文:忽视高层建筑对地震加速度放大作用!


 
国外强震期间高层建筑监测数据证明:顶层的峰值加速度值较地面峰值加速度值高,能够达到地面峰值加速度值的三倍以上,以至更高!因而,建筑的性能以及可能的损害必须在这样的设计水平进行评估。这种效应在松软沉积带比露出地面岩床要严重!
 
忽视高层建筑对地震加速度放大作用!
    --央视新楼是“世界第一危楼”“第十一次征求意见稿”(依据十一)
 
印度专业地震学家阿伦·帕巴特(Arun Pabat,他的重要工作包括震后灾害破坏考察,包括建筑物的破坏,从中总结有关的经验教训。
 
    研究了央视新楼结构图及其说明后,他表示了几点意见如下:[1]

1)具有U、L、E、C型结构的连续建筑对地震稳定性来说不可取。
 
2)依据地震学规范,加速度值取0.2g是可以的。但是,该值仅适合于最高达3或4层的建筑。当建筑高度超过50公尺,加速度值在更高层被放大。
 
1967年,在Koyna地区(孟买以南大约240公里)发生了一次6.5级地震。震中距离90公尺高的Koyna大坝大约800公尺。震前我们在大坝的底部、中部与顶部装设了地震加速度仪。对地震加速度的理论分布进行计算时我们发现地震加速度的放大作用。但是,由于三台记录仪联在一起,只要其中一台开始工作就触发另外两台同时工作,因此我们未能够获得大坝上三个不同部位的加速度值。
 
但是,(日本)Okamoto教授通过数学与机械工程计算发现大坝底部的加速度值为0.37g时,大坝顶部的加速度值为0.67g。
 
3)理论上讲,倾斜构造比垂直构造更易于遭受地震破坏。
4)在倾斜结构情况下顶层还具有悬臂结构,这更加危险。在地震破坏现场,我见到建筑物的悬臂结构造成严重的破坏,包括屈服破坏、相扣、弯曲等。
 
对于某些地震破坏现场进行考察后,我观察后的看法:“正是建筑的美化方面对结构造成了最大的破坏……”.

    第一届欧洲地震工程与地震学会议(2006年9月3-8日)期间,罗马尼亚国家地震风险减灾中心索林·德米蒂里乌(Sorin Demetriu)、亚历山大·阿勒迪亚(Alexandru Aldea)提交的论文(777号)《布加勒斯一座特装设仪器的高层加强混凝土建筑的地震响应记录》介绍了相同的结论:[2]

罗马尼亚国家地震风险减灾中心2003年对布加勒斯特一座现代银行总部建筑装设了地震监测记录仪器。该建筑于2001-2003年建造,具有双向加强混凝土结构(内部防剪切墙管与围绕建筑的框架),地下三层,地面层与上边18层。总高度74m,是布加勒斯特第二高建筑。

两次地震(2005-05-14,Mw=5.1;2005-12-13,Mw=4.8)期间的地震加速度值实测记录显示,顶层的峰值加速度值较地面峰值加速度值高,为地下三层峰值加速度值的三倍以上。
 
日本京都大学灾害防御研究所Yulin Chung et. al.向第14届世界地震工程大会提交的论文《高层建筑长时间地面运动影响下的抗震能力》也强调:[3]

历史资料中,沿着日本西南部俯冲地带地区发生的超过八级强震有很好的记录。重复发生的期限非常有规则,21世纪中期强震袭击日本的可能性较高。这样的俯冲地带地区地震已知在地面上造成长时间的地面运动,其影响突出的时间到达10秒以至5分钟 (Mochizuki et al. 2003; Kamae et al. 2004; Nakashima et al. 2006)。
 
这种情况下,对高层建筑的能量输入能够达到设计值的十倍,而且最大与累积变形可能相当大,楼层反应可能显著强化(JSCE, AIJ. 2006)。……然而,高层建筑在长时间地面运动影响下的行为,到目前为止缺乏观察或物理试验实际数据。

日本兵库县国家地震科学与减灾研究所Takuya Nagae et. al.向第14届世界地震工程大会提交的论文《高层建筑地震活动响应中非结构性部分的反应地震防御摇摆试验台试验》也强调:[4]

在日本对高层建筑的设计中,地震活动性能由动态相应分析来估计,认为地面活动峰值为地面加速度0.5 m/s。然而,在1995年神户地震中甚至记录到地面加速度峰值1 m/s。事实明确未来地面活动的强度可能达到设计水平的2倍。因而,建筑的性能以及可能的损害必须在这样的设计水平进行评估。

中国地震局地震预测研究所W. Wang et. al.向向第14届世界地震工程大会提交的论文强调:[5]

长期以来已认识强烈的地面运动以及而后造成的地震损失通常在松软沉积带比露出地面岩床要严重。北京地区位于北京平原,它是一个大型的扇形冲积带,中心区的北京位于地堑状的很深松软沉积的盆地,某些钻孔数据表明某些位置的第四纪沉积层达到超过800公尺的深度。

此外,中国科学院研究生院石耀林院士向2008年向中国地球物理学会第二十四届年会提交的论文《汶川地震北京市东部为何震感更强的分析》披露:[6]

2008年5月12日,在103°E、31°N的四川省汶川市发生了8.0级大地震。此次地震破坏力强大,波及面甚广,震中区汶川市映秀镇的地震破裂度达9度,震中50km范围内的县城和200km范围内的大中城市收到地震影响,云南、重庆、河南、河北、宁夏、上海、北京等10多个省区市均有不同程度的震感,并且北京市东部有明显更强的震感,而其它地区震感相对较弱
 
分析其两个主要原因:
 
一是这次地震震级大,强震的长周期地震波衰减相对较小,可进行长距离穿越,S波与长周期面波到达北京市仍然保持有相当的能量;
 
二是由于北京市东部高楼林立,建筑物的场地条件与其结构性质决定了建筑物本身对地震的响应程度。对于场地条件,松软的充填区和含水饱和度较大的地区会加大其上建筑物在地震中的摇晃程度。
 
1964年日本新泻地震中,因其地震后的沙土液化导致建该区的楼房大面积倾斜,部分楼房倾斜角度达到60度。对于建筑物本身,高层建筑的自振周期较长,如果其自振固有频率正好在地震波的频率范围之内,将会产生共振,进而会放大该建筑物的地震响应。
 
本文并不对原因之一做出详细探讨,主要考虑原因之二,将重点以坐落在北京建国门外的中国国际贸易中心大厦这一代表性高层建筑为研究对象,对该大厦对汶川地震的响应进行了有限元分析。
……
初步计算结果可显示地震波从楼底到顶部传播的细节,不同高度楼层对地震波逐步响应的过程,这一点又与风载荷的整体加载响应不同。
 
分析不同高度楼层的振动曲线可知,对同一建筑物,不同的高度楼层对地震的响应不同,楼层越高,振动幅度越大,并且随着振动持时的增加,振动的幅度有逐步增大的趋势。并且在一段时间之后,作为边界条件施加的简谐波在传播到各楼层时将会与反射波以及建筑物自身以故有频率振动的产生叠加,使波形发生畸变。
 
对各楼层的振动曲线进行频谱分析,可得到边界条件入射波的频率和楼层自振的固有频率。结合不同建筑物的振动曲线分析可知,不同长宽比,不同建筑结构,不同的材料参数的建筑物(如混凝土结构建筑、钢结构建筑),其同一高度楼层的地震响应也不相同。

本研究报告《依据之十二》证明央视新楼不仅恰恰“选址在北京市地震破坏更严重风险较大区域!”而且《依据之十三》证明央视新楼“选址在北京市缺乏成积层勘探数据的区域”,充分证明央视新楼的整体设计与选址对于最不应该忽视的问题的忽视,即对于央视两万职工生命安全及其家人幸福的忽视!
 
试问央视新楼的国外概念设计单位(荷兰大都会建筑事务所)、国内结构工程设计单位上海现代设计(集团)有限公司)、工程施工单位(中建三局钢结构公司)、建筑安全审查单位(建设部全国超限高层建筑审查委员会),你们如若不接受这个结论,请你们公开说明你们的理由!
 
从到目前为止披露的情况来看,央视新楼的国外设计单位荷兰大都会建筑事务所打破中国设计规范的所有规则”的概念设计方案,以及承担央视新楼国内结构工程设计工作的上海现代设计(集团)有限公司,没有与国内外地震工程界专家密切合作,造成他们设计方案及其“精密计算的框架结构”计算机程序无视北京地区沉积粘土层上建造的高层建筑对地震加速度的上述放大作用,使他们自以为“已经安全”的设计方案,实际上加剧“安全存在致命问题”的工程设计方案
 
参考文献:
 
[1] 阿伦·帕巴特Arun Pabat[email protected])致陈一文电子邮件,2008-10-8
 
[2] Sorin DemetriuAlexandru AldeaRecorded seismic response of an instrumented high-rise reinforced-concrete building in BucharestFirst European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva, Switzerland, 3-8 September 2006, Paper Number: 777
 
[3] Yulin Chung et. al., Seismic Resistance Capacity of High-Rise Buildings subjected to Long-Period Ground Motions - E-Defense Shaking Table Test, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China
 
[4] Takuya Nagae et. al., Behaviors of nonstructural components in seismic responses of high-rise buildings – earthquake defense shaking table test, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China
 
[5] W. Wang et. al., Site responses and sediment structures along the NW and NE profiles in Beijing area revealed by mircrotremor H/V sprectral ratio studies, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China
 
[6] 石耀林,汶川地震北京市东部为何震感更强的分析,中国地球物理学会编,中国地球物理2008,第二十四届年会,中国大地出版社,北京,p280

下篇:依据十二:选址在北京市地震破坏更严重风险较大区域!