熟悉我們課題組的朋友們都知道，我們組總是很缺錢的，所以經常有各種土法上馬的招數。

比如我們用不銹鋼飯盒做的沙土液化實驗裝置

還有用麻將牌做的砌體抗震實驗裝置

以及用乒乓球做的邊坡錨桿實驗裝置

所以有”雙十一“這樣薅羊毛的機會，怎么不拿來充分利用呢？于是在2016年，我們乘”雙十一“搶了幾百個紙箱，構成了這篇論文的主要試驗用材。

”雙十一“搶了幾百個紙箱做什么？請看下文分解

圖3 2011年東日本大地震建筑外部墜物影響人員逃生

此外，墜物覆蓋了道路，在建筑密集區域嚴重阻礙了交通。如圖4所示，2011年新西蘭基督城地震造成填充墻墜物，基本覆蓋了一條車道寬的路面。 

圖4 2011年新西蘭基督城地震墜物阻塞道路

       目前，國內外在地震次生墜物和對人員疏散影響方面的研究還很少，幾乎是一個空白。此前我們課題組就墜物對應急避難場所的影響開展過研究（詳見：如何減輕建筑外圍護結構脫落地震次生災害？）。本文重點對地震次生墜物分布和人員疏散問題展開研究。

       針對地震次生墜物情形下的人員疏散模擬，本文提出了包含以下四個模塊的模擬框架，如圖5所示，

圖5 次生墜物疏散模擬框架

       首先，獲取建筑宏觀參數和道路信息，在GIS平臺建立基礎數據庫，為建筑地震響應計算和疏散情境構建提供數據支持。

       其次，采用城市抗震彈塑性分析的多自由度模型（MDOF）對建筑進行非線性時程分析，計算得到每個建筑各層的位移時程和速度時程。

       然后，考慮到填充墻等非結構構件在達到一定的層間位移角時會發生破壞形成墜物，采用LS-DYNA模擬墜物運動和碰撞的過程，在此基礎上確定墜物在地面上的分布。

       最后，根據模塊一和模塊三數據，建立有墜物分布的疏散場景并考慮人員經過墜物覆蓋區域時行進速度的變化，采用社會力模型進行人員疏散的模擬。

        其中，關鍵需要解決兩個問題：1）如何考慮砌塊落地后的運動和分布；2）如何考慮墜物對人員行進速度的影響。

       對于第1個問題，我們采用砌塊拋擲試驗驗證LS-DYNA有限元模擬參數的合理性（圖6），在此基礎上建立各樓層填充墻的有限元模型，模擬地震中破壞后的運動和碰撞（圖7），統計擬合確定墜物分布密度公式。

圖6 砌塊拋擲試驗

圖7 LS-DYNA填充墻墜物模擬

       對于第2個問題，我們進行了人員運動試驗，如圖8所示，在跑道上設置4種障礙物密度的情形，記錄人員通過時間，擬合得到障礙物密度對人員行進速度的影響。

(a) 行走情形

(b) 跑步情形

圖8 人員運動試驗

       下面以清華校園教學區為例，說明采用該方法得到的結果。教學區包含15棟建筑和1個操場（圖9），根據中國規范要求，將操場等處劃分為緊急避難場所，因此選擇操場作為教學區內人員的疏散終點，疏散模擬的人員總計6230人。

圖9 疏散場景示意圖

       研究建立了三種疏散情境，分別為：

       1）無墜物情形下的人員疏散；

      2）有墜物情形下的人員疏散，填充墻發生破壞時層間位移角限值取1/100；

       3）有墜物情形下的人員疏散，填充墻發生破壞時層間位移角限值取1/200。

       算例區域的墜物分布如圖10所示，在兩種有墜物情形下，A處寬度為7m的通道都完全被堵塞，說明該通道的安全風險極大。需要說明的是，該區域的墜物落地處距離建筑小于2.3m，但是由于落地后碎片的碰撞和彈跳，最終導致整個7m寬的道路都被碎片覆蓋。

(a) 層間位移角限值1/100

(b) 層間位移角限值1/200

圖10 墜物分布示意圖

       圖11是疏散過程的動圖，可以發現建筑1附近人員易出現擁堵。

圖11 教學區人員疏散過程

       由于建筑1和建筑3周圍墜物堵塞情況較嚴重，這兩棟建筑內的人員疏散距離也發生顯著變化，疏散結果對比如圖12所示。建筑1處的人員平均疏散距離由無墜物情形時的343m增加到有墜物情形時的494m，增加幅度達到44%。對于建筑3內的人員，1/100層間位移角限值時的疏散距離比無墜物情形下增加7%，而時間則增加25%，原因在于墜物導致了人員減速，使得人員在路程上花費了更多時間。

(a) 平均疏散距離

(b) 平均疏散時間

圖12 疏散結果對比

       （1）本文通過砌塊拋擲實驗和LS-DYNA有限元模擬，給出了砌塊墜物落地后的運動和分布規律；通過人員運動試驗，給出了考慮墜物分布的人員行走和跑動速度變化規律。

       （2）建筑密集區域的道路處于高墜物風險中，對于附近建筑內的部分人員來說，墜物的存在會顯著增加疏散距離和疏散時間；

       （3）當考慮砌塊落地后的運動時，墜物的范圍遠大于未考慮時的情形，因此有必要在計算墜物分布時加以考慮。

       （4）本文提出的方法能夠計算地震下建筑的墜物分布情況，識別高墜物風險的道路并量化墜物對人員疏散的影響，可以為震后應急疏散、城市規劃提供決策依據和技術支持。

本文作者：楊哲飚