結(jié)構(gòu)地震易損性分析的研究

邱柏淞 張亮泉 毛晨曦

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

結(jié)構(gòu)地震易損性分析的研究

邱柏淞1張亮泉1毛晨曦2

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

介紹了地震易損性分析在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，基于結(jié)構(gòu)易損性分析的必要性，從結(jié)構(gòu)易損性分析的原理、分析方法、分析流程等方面，對結(jié)構(gòu)易損性分析進行了研究，指出該研究對結(jié)構(gòu)抗震安全性的評定、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計等具有重要的意義。

結(jié)構(gòu)，地震易損性，地震風險

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性分析是評估建筑在地震后的破壞以及震后經(jīng)濟損失估計的基礎(chǔ),同時也在對建筑物震害進行預(yù)測中占有著非常重要的地位。對結(jié)構(gòu)易損性更深入的研究可以用來對結(jié)構(gòu)在震后的破壞程度和經(jīng)濟損失進行預(yù)測，以及對震后的恢復(fù)重建工作起到十分重要的作用。同時對結(jié)構(gòu)進行地震易損性分析還可以預(yù)測結(jié)構(gòu)在不同強度等級的地震作用下發(fā)生各級破壞的概率,由于地震造成的人員傷亡、直接和間接經(jīng)濟損失主要是建筑物的倒塌和使用功能的喪失，綜上所述對建筑物進行結(jié)構(gòu)易損性分析的研究，不但可以用于在地震之前對結(jié)構(gòu)進行災(zāi)害的預(yù)測，還可以用于對建筑物的結(jié)構(gòu)進行震后損失評估，為地震災(zāi)害損失評估提供依據(jù)。

1 地震易損性分析的國內(nèi)與國外的研究現(xiàn)狀

1.1 地震易損性分析的國外研究現(xiàn)狀

地震易損性分析的概念最早由美國學(xué)者Comell在20世紀60年代末首次提出，并于70年代初將該方法用于實際建筑物中進行地震易損性分析。隨后Pasticier等人又引入增量動力分析方法來評估結(jié)構(gòu)的易損性。在大量研究者研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，美國地震損失評估軟件HAZUS采用性能設(shè)計理論和能力譜方法,計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),給出了不同類型建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線，用于工程實踐。

1.2 地震易損性分析的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

崔杰等人采用PERFORM-3D有限元分析軟件對典型框剪結(jié)構(gòu)的地震易損性及經(jīng)濟性分析研究，以典型框剪結(jié)構(gòu)為例，建立纖維截面模型，對不同的框剪結(jié)構(gòu)進行整體性能指數(shù)的評價，即對每個框架結(jié)構(gòu)進行地震易損性分析以及地震經(jīng)濟損失分析。劉詩語等人對廣東省惠州市和陽江市的通信樞紐建筑中的通信設(shè)備和通信塔架進行了震害預(yù)測和地震易損性分析研究，利用ABAQUS有限元分析軟件建立典型通信塔架結(jié)構(gòu)有限元結(jié)構(gòu)模型，并對其進行模態(tài)分析，分別得出典型塔架結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)振型和塔架的曲線用超立方采樣技術(shù)，其中塔架所用鋼材抗拉極限強度的隨機性、鋼材延伸率的隨機性，都在其考慮范圍內(nèi)，對輸入地震動的隨機性，對塔架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的效果進行統(tǒng)計和分析，得到該塔架地震反應(yīng)概率分布的特征，并列出結(jié)構(gòu)在不同損傷破壞程度下的易損性曲線。

2 結(jié)構(gòu)易損性分析的必要性及原理

對易損性分析的目的主要是為了獲得地震強度大小與建筑物在震后結(jié)構(gòu)上破壞的程度之間的關(guān)系，從而獲得結(jié)構(gòu)的地震危險性以及震后的經(jīng)濟損失。建筑的地震風險指的是在規(guī)定的時間內(nèi),在所研究的區(qū)域內(nèi),地震災(zāi)害對社會和經(jīng)濟的危害大小。它反映了地震災(zāi)害對承災(zāi)體的破壞程度以及對震后的連帶破壞所帶來的其他相關(guān)損失。地震風險的表達式：地震風險=地震危險性×地震易損性×震后經(jīng)濟損失。

結(jié)構(gòu)易損性分析不但可對某一結(jié)構(gòu)在地震動的作用下的損傷情況進行預(yù)測，也可對該地區(qū)的其他潛在風險進行預(yù)測，做好前期的準備，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計指標。在不同地震作用下對結(jié)構(gòu)進行易損性分析，主要工作是處理結(jié)構(gòu)在不同強度的地震動作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度破壞的可能性，也可以說是結(jié)構(gòu)承受超過本身極限狀態(tài)下的破壞概率。

3 結(jié)構(gòu)易損性的分析方法

3.1 判斷易損性法

主要基于專家和工程人員的個人經(jīng)驗，對房屋進行大范圍的估計判斷。該分析方式最早由美國學(xué)者Whiteman提出，首次使用超過50位專家并且對36棟不同級別但處于同一地區(qū)的房屋，通過對該地區(qū)其他建筑地震損傷分析的基礎(chǔ)上給出這36棟建筑的損傷估計系數(shù)。

3.2 經(jīng)驗易損性分析

此方法針對以往地震后，對現(xiàn)場進行檢測得到的房屋損傷狀況的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將結(jié)構(gòu)在不同地面的震動強度下?lián)p傷狀況的數(shù)據(jù)進一步進行分析匯總并給出易損性曲線，此方法第一次的應(yīng)用是由日本學(xué)者Miyakoshi和Hayashi通過檢測分析1995年日本的阪神大地震后房屋的受損情況數(shù)據(jù)，得到該地區(qū)的房屋損傷檢測數(shù)據(jù)。該方法主要基于對地震震害經(jīng)驗的統(tǒng)計匯總，可以反映出地震破壞的實際情況，但是對于經(jīng)驗的統(tǒng)計這種方法只能得出建筑物損傷率的均值和方差，且可以參考的可估計建筑的地震易損性數(shù)據(jù)是有限的。

3.3 試驗易損性法

該方法的優(yōu)點是可以自由選擇符合應(yīng)用的模型，首先建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，將結(jié)構(gòu)進行簡化，用簡化的模型代替原本建筑來進行地震反應(yīng)的分析。該方法可以盡可能簡化結(jié)構(gòu)動力分析的優(yōu)點,可以將結(jié)構(gòu)試驗得出的地震反應(yīng)形變值同理論上的結(jié)構(gòu)反應(yīng)形變允許值進行對比，并對建筑物進行抗震性能的評價。但是該方法容易受到樣本數(shù)量、實驗環(huán)境、設(shè)備、材料等條件的限制，導(dǎo)致實驗法研究結(jié)構(gòu)易損性的結(jié)果存在一定的誤差。

3.4 理論分析易損性法

該方法通過對結(jié)構(gòu)進行有限元模型的建立，選擇實際發(fā)生過或人工假設(shè)構(gòu)造的地震波對結(jié)構(gòu)進行彈塑性分析，增量動力分析，時程分析等相關(guān)分析，得出結(jié)構(gòu)的能力曲線，進一步得到易損性矩陣。理論分析方法的優(yōu)點:在對結(jié)構(gòu)施加地震波時可以控制加載水平，更加容易實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)的研究。

4 易損性分析流程

分析結(jié)構(gòu)的易損性首先要明確建筑設(shè)計初期對結(jié)構(gòu)抗震性能的目標，建立結(jié)構(gòu)模型，選擇地震動強度參數(shù)對模型進行施壓，通過判斷結(jié)構(gòu)的最大層間位移角或最大層間位移變形來衡量結(jié)構(gòu)整體性能的基礎(chǔ)上建立基于建筑整體性能指標的可靠度極限狀態(tài)下的方程，并對所選取的結(jié)構(gòu)進行基于有限元的建模和相應(yīng)狀態(tài)下的概率分析，將基于結(jié)構(gòu)可靠度原理計算的理論值與結(jié)構(gòu)有限元反應(yīng)分析所得出的模擬值進行對比分析，再通過改變模型的地震動強度參數(shù)的輸入值，反復(fù)加載模擬計算并進行增量動力分析，得到結(jié)構(gòu)在不同強度地震動作用下的條件失效概率矩陣。基本原理流程如圖1所示。

5 結(jié)構(gòu)破壞等級與性能水平的劃分

我國把房屋的破壞劃分為五個等級：倒塌、嚴重破壞、中等破壞、輕微破壞和基本完好，以及“小震不壞，中震可修，大震不倒”3個標準的抗震設(shè)防理念。在土木工程結(jié)構(gòu)中一般把結(jié)構(gòu)的變形大小用作衡量結(jié)構(gòu)整體性能高低的標準，我們一般取最大層間位移角或者是最大層間相對變形作為結(jié)構(gòu)的整體性能指標。最大層間變形[θ]1/R,其中R為常數(shù),對于框架結(jié)構(gòu),R=500,對于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu),R=1 000。其三者之間的關(guān)系如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)破壞等級與最大層間位移角、層間變形之間的關(guān)系

6 結(jié)語

結(jié)構(gòu)的地震易損性分析是土木工程結(jié)構(gòu)在地震風險分析中的一個重要組成部分，此研究對結(jié)構(gòu)的抗震安全性的評定以及相應(yīng)防災(zāi)措施的制定、結(jié)構(gòu)抗震性能的預(yù)測、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計等具有重要的意義并提供相應(yīng)的理論參考依據(jù)。以地震烈度，地震峰值加速度及地震參數(shù)作為輸入項對結(jié)構(gòu)進行易損性分析，可使地震破壞和震后的經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)上的損失預(yù)測更加完善。

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On analysis of earthquake vulnerability of structures

Qiu Baisong1Zhang Liangquan1Mao Chenxi2

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.InstituteofEngineeringMechanics,ChinaSeismologicalBureau,Harbin150040,China)

The paper introduces the research on the earthquake vulnerability at home and abroad, researches the structural vulnerable analysis from the principle, methods, and analyzing procedure for the structure vulnerability based on the its necessity, and points out the research is meaningful for the evaluation of the structural seismic safety and the structural seismic design.

structure, earthquake vulnerability, seismic risk

1009-6825(2017)22-0030-03

2017-05-26

邱柏淞(1993- )，男，在讀碩士； 張亮泉(1974- )，男，副教授； 毛晨曦(1974- )，女，研究員

TU311.3

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