淺談建筑結(jié)構(gòu)地震易損性分析與抗震性能評估

何 鑫 胡俊凱

（中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410004）

1 引言

近十幾年來，在全球范圍內(nèi)，地震所造成的災(zāi)害和發(fā)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(qū)域的不斷蔓延，這些原因必將導(dǎo)致人類在地震災(zāi)害來臨是生命和財產(chǎn)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(fā)國家，20世紀(jì)以來，僅七級以上的大地震就發(fā)生了十幾次，尤其是以2008年5月發(fā)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(jié)構(gòu)破壞己成為地震災(zāi)害的風(fēng)險分析的必要內(nèi)容。

地震災(zāi)害的風(fēng)險分析主要包括三方面[1]：地震易損性分析、地震災(zāi)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(jié)構(gòu)在施工過程中的隨機性，從概率的角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能評估是未來的一個趨勢，在概率的基礎(chǔ)上對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析是十分科學(xué)有效的。

2 建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性分析方法

建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性是指結(jié)構(gòu)在可能遭遇到的不同強度的地震波作用下達(dá)到損傷狀態(tài)的概率值，對不同強度地震作用下結(jié)構(gòu)造成的破壞進(jìn)行定量分析。傳統(tǒng)的易損性分析是針對以往地震中的大量震害資料統(tǒng)計分析的結(jié)果，專家根據(jù)自己的經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析評估。但是高層建筑結(jié)構(gòu)的興起，高層建筑結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)歷地震，故沒有足夠的震害數(shù)據(jù)對這些新的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析與評價，傳統(tǒng)的易損性分析方法已經(jīng)不具有實用性。隨著這些結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，新的易損性評價方法在地震風(fēng)險評估中也發(fā)揮著不可替代的作用。

評定結(jié)構(gòu)易損性的方法歸納概括起來有三種：專家經(jīng)驗評估法、試驗法、基于IDA的分析方法。專家經(jīng)驗評估法是指專家通過統(tǒng)計具體某地區(qū)的某種類型結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的震害，通過分析匯總，根據(jù)自己個人的經(jīng)驗對影響建筑物進(jìn)行易損性的經(jīng)驗評估并對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)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(dǎo)致該法具有一定的局限性。

試驗法是以大量縮尺建筑結(jié)構(gòu)模型模擬地震動后的實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，通過對數(shù)據(jù)的理論分析，確定該類結(jié)構(gòu)的地震易損性能。由于制作建筑結(jié)構(gòu)的縮尺模型造價昂貴，且缺乏合適的試驗器械進(jìn)行地震波的真實模擬，故在建筑結(jié)構(gòu)易損性研究領(lǐng)域應(yīng)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(xiàn)的一種用于對各類結(jié)構(gòu)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(shù)進(jìn)行調(diào)幅，對建筑結(jié)構(gòu)模型依次輸入調(diào)幅后的地震動，并通過彈塑性動力時程分析得到結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。根據(jù)輸入調(diào)幅后地震動的試驗結(jié)果繪制出IDA曲線簇，并對其進(jìn)行有效的概率統(tǒng)計分析，從而得出結(jié)構(gòu)各極限狀態(tài)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(jié)構(gòu)在地震作用下地震動響應(yīng)的整個過程。通常來說，在建立準(zhǔn)確合理的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗震性能的手段。

在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析時，需要考慮的一個重要內(nèi)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(jié)構(gòu)本身，主要包括結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)不僅取決于結(jié)構(gòu)的動力特性，還取決于地震動的特性。加速度普遍被認(rèn)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(shù)，我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[2]也采用峰值加速度作為建筑物設(shè)防烈度的劃分依據(jù)。專家從不同角度對地震動強度參數(shù)（Intensity Measure，IM）展開研究，總結(jié)地震動強度參數(shù)IM所應(yīng)具備的基本性質(zhì)[3～4]，提出適用于不同情況下的地震動強度參數(shù)，主要可分為兩大類：標(biāo)量型和矢量型．標(biāo)量型指通過一個參數(shù)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(shù)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(jié)果所具有的參考價值更大。

地震需求參數(shù)（Engineering Demand Parameter，EDP）則根據(jù)研究的內(nèi)容來選擇結(jié)構(gòu)在地震動作用下的各項地震動響應(yīng)。由于結(jié)構(gòu)的損傷與位移有最直接的聯(lián)系，因此，一般選用的工程需求參數(shù)有：節(jié)點轉(zhuǎn)動角、結(jié)構(gòu)頂點位移、最大層間位移角等，也可以選擇多項參數(shù)的組合來研究結(jié)構(gòu)的各項性能。地震需求參數(shù)EDP最為常見的就是選用最大層間位移作為整體性能指標(biāo)，建立結(jié)構(gòu)損傷等級與性能水平的對應(yīng)關(guān)系。

在基于IDA法繪制結(jié)構(gòu)易損性曲線時，首先必須定義建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的不同性能水準(zhǔn)以及量化各極限狀態(tài)（Limit States LS）。JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]中將結(jié)構(gòu)宏觀損壞程度分為5個抗震性能水準(zhǔn)：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(yán)重?fù)p壞。繪圖過程中，通常以某一物理量來定量劃分和描述結(jié)構(gòu)的各個性能水準(zhǔn)。常用的量化指標(biāo)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(jié)構(gòu)模態(tài)的全部特征，為提高分析效率，所選取的量化指標(biāo)往往需和地震需求參數(shù)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(shè)計反應(yīng)譜一致，這樣能夠大大降低分析結(jié)果的離散型，用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動力時程分析，得到結(jié)構(gòu)以地震需求參數(shù)為橫軸，地震動強度參數(shù)為縱軸的IDA曲線簇。基于文獻(xiàn)[6]的研究，地震動強度與地震動參數(shù)指標(biāo)均服從對數(shù)正態(tài)分布，通過數(shù)值擬合分析，分別建立兩個參數(shù)指標(biāo)間的函數(shù)關(guān)系，便可得到分析結(jié)果。

4 建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評估的研究

近幾年來，設(shè)計人員逐漸認(rèn)識到不斷增加建筑結(jié)構(gòu)的強度并不能有效提升結(jié)構(gòu)的安全性，同時，對建筑結(jié)構(gòu)在大震作用下的損傷幫助不大，因此，近幾年建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評估得到了高度重視。其本質(zhì)是比較抗震能力與地震需求，建筑結(jié)構(gòu)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(guān)鍵在于是否通過確定的地震動作用進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗震性能評估方法歸納起來有五種：經(jīng)驗法、振動測量法、規(guī)范校核法、能量法、需求能力系數(shù)法。

值得一提的是需求能力系數(shù)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(jié)構(gòu)在所選地震動作用下的地震需求；②結(jié)構(gòu)相應(yīng)于各性能目標(biāo)的抗震能力，從而得到不同性能目標(biāo)下的置信系數(shù)，使設(shè)計人員對把握結(jié)構(gòu)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(jié)果真實、科學(xué)，但需建立在較多的數(shù)據(jù)模擬的基礎(chǔ)上，不過，隨著計算機的迅猛發(fā)展，這已經(jīng)不在是問題。