淺談建筑結構地震易損性分析與抗震性能評估

何 鑫 胡俊凱

（中南林業科技大學土木工程學院 長沙 410004）

1 引言

近十幾年來，在全球范圍內，地震所造成的災害和發生的頻率都有明顯增加，究其原因包括人口的增長和城市區域的不斷蔓延，這些原因必將導致人類在地震災害來臨是生命和財產安全受到威脅。我國地處歐亞板塊與太平洋板塊交界面，是一個地震多發國家，20世紀以來，僅七級以上的大地震就發生了十幾次，尤其是以2008年5月發生的汶川大地震強度最高、造成的破壞最大。如何減少地震引起的建筑結構破壞己成為地震災害的風險分析的必要內容。

地震災害的風險分析主要包括三方面[1]：地震易損性分析、地震災害損失估計和地震危險性分析。真實地震波輸入的不確定性和建筑結構在施工過程中的隨機性，從概率的角度進行結構抗震性能評估是未來的一個趨勢，在概率的基礎上對建筑結構進行易損性分析是十分科學有效的。

2 建筑結構的地震易損性分析方法

建筑結構的地震易損性是指結構在可能遭遇到的不同強度的地震波作用下達到損傷狀態的概率值，對不同強度地震作用下結構造成的破壞進行定量分析。傳統的易損性分析是針對以往地震中的大量震害資料統計分析的結果，專家根據自己的經驗，在此基礎上對現有的建筑結構進行易損性分析評估。但是高層建筑結構的興起，高層建筑結構沒有經歷地震，故沒有足夠的震害數據對這些新的建筑結構進行易損性分析與評價，傳統的易損性分析方法已經不具有實用性。隨著這些結構的不斷涌現，新的易損性評價方法在地震風險評估中也發揮著不可替代的作用。

評定結構易損性的方法歸納概括起來有三種：專家經驗評估法、試驗法、基于IDA的分析方法。專家經驗評估法是指專家通過統計具體某地區的某種類型結構所經歷的震害，通過分析匯總，根據自己個人的經驗對影響建筑物進行易損性的經驗評估并對結構性能進行綜合分析。此法簡單易行，但專家個人的主觀因素在評價中也會起到一定的影響，導致該法具有一定的局限性。

試驗法是以大量縮尺建筑結構模型模擬地震動后的實驗結果為基礎，通過對數據的理論分析，確定該類結構的地震易損性能。由于制作建筑結構的縮尺模型造價昂貴，且缺乏合適的試驗器械進行地震波的真實模擬，故在建筑結構易損性研究領域應用不多。

基于逐步增量時程分析（Incremental Dynamic Analysis，IDA）方法是近些年來新出現的一種用于對各類結構的抗震性能評估的分析方法，簡單來說，先對所選的某條地震波的地震動參數進行調幅，對建筑結構模型依次輸入調幅后的地震動，并通過彈塑性動力時程分析得到結構的動力響應。根據輸入調幅后地震動的試驗結果繪制出IDA曲線簇，并對其進行有效的概率統計分析，從而得出結構各極限狀態下的超越概率曲線。

3 基于IDA方法的地震易損性分析

增量非線性動力時程分析法基于動力彈塑性時程分析，與靜力彈塑性分析法相比，IDA方法可以真實反映模擬的建筑結構在地震作用下地震動響應的整個過程。通常來說，在建立準確合理的結構模型的情況下，輸入滿足場地條件等要求的地震波的IDA分析法是最全面有效模擬結構抗震性能的手段。

在對建筑結構進行易損性分析時，需要考慮的一個重要內容就是分析過程中各項因素的不確定性。這些不確定性主要來源于兩個方面：①結構本身，主要包括結構材料強度的不確定性、幾何尺寸的不確定性和建立模型過程中的不確定性等；②作用于結構的地震動，主要包括場地類別等的不確定性，地震模擬和地震作用的隨機性。

結構的地震反應不僅取決于結構的動力特性，還取決于地震動的特性。加速度普遍被認為是表示地震動強弱的一個物理量，在分析研究過程中，峰值加速度是最常用來描述地震動強度的參數，我國《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[2]也采用峰值加速度作為建筑物設防烈度的劃分依據。專家從不同角度對地震動強度參數（Intensity Measure，IM）展開研究，總結地震動強度參數IM所應具備的基本性質[3～4]，提出適用于不同情況下的地震動強度參數，主要可分為兩大類：標量型和矢量型．標量型指通過一個參數表征的地震動強弱．如峰值加速度（Peak Ground Motion Acceleration，PGA）等．矢量型指由兩個或者兩個以上參數綜合表示的地震動強弱，后者與前者相比，考慮的影響因素更多，得到的結果所具有的參考價值更大。

地震需求參數（Engineering Demand Parameter，EDP）則根據研究的內容來選擇結構在地震動作用下的各項地震動響應。由于結構的損傷與位移有最直接的聯系，因此，一般選用的工程需求參數有：節點轉動角、結構頂點位移、最大層間位移角等，也可以選擇多項參數的組合來研究結構的各項性能。地震需求參數EDP最為常見的就是選用最大層間位移作為整體性能指標，建立結構損傷等級與性能水平的對應關系。

在基于IDA法繪制結構易損性曲線時，首先必須定義建筑結構在地震作用下的不同性能水準以及量化各極限狀態（Limit States LS）。JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[5]中將結構宏觀損壞程度分為5個抗震性能水準：①完好、無損壞；②基本完好、輕微損壞；③輕度損壞；④中度損壞；⑤比較嚴重損壞。繪圖過程中，通常以某一物理量來定量劃分和描述結構的各個性能水準。常用的量化指標有層間位移角、頂點位移角等，其中，層間位移角能直觀的反映結構模態的全部特征，為提高分析效率，所選取的量化指標往往需和地震需求參數相匹配。

地震動具有隨機性，所選的地震波要求與場地條件相符、與設計反應譜一致，這樣能夠大大降低分析結果的離散型，用有限元軟件對結構進行非線性動力時程分析，得到結構以地震需求參數為橫軸，地震動強度參數為縱軸的IDA曲線簇。基于文獻[6]的研究，地震動強度與地震動參數指標均服從對數正態分布，通過數值擬合分析，分別建立兩個參數指標間的函數關系，便可得到分析結果。

4 建筑結構抗震性能評估的研究

近幾年來，設計人員逐漸認識到不斷增加建筑結構的強度并不能有效提升結構的安全性，同時，對建筑結構在大震作用下的損傷幫助不大，因此，近幾年建筑結構抗震性能評估得到了高度重視。其本質是比較抗震能力與地震需求，建筑結構抗震性能的評定方法分為兩大類：確定性評定方法和非確定性評定方法。其關鍵在于是否通過確定的地震動作用進行評估，考慮到地震的不確定性，所以最為理想的方案就是通過隨機作用于結構的地震動來評估其抗震性能，但目前對于隨機振動的理論研究還不夠成熟，與實際的地震動情況相差太大，還是以確定的地震動作用分析為主。確定結構抗震性能評估方法歸納起來有五種：經驗法、振動測量法、規范校核法、能量法、需求能力系數法。

值得一提的是需求能力系數法[（7]Demand and capacity factor method，簡稱DCFM），該法是從兩個方面考慮其隨機性和不確定性：①結構在所選地震動作用下的地震需求；②結構相應于各性能目標的抗震能力，從而得到不同性能目標下的置信系數，使設計人員對把握結構的抗震性能有的放矢。該方法思路清晰，突出了問題的主要矛盾，結果真實、科學，但需建立在較多的數據模擬的基礎上，不過，隨著計算機的迅猛發展，這已經不在是問題。