典型砌體結構震害預測方法對比分析及改進建議

黃海波，王明振，高霖

（重慶文理學院 建筑工程學院，重慶 402160）

地震是一種破壞力很大的突發性自然災害。我國位于環太平洋地震構造帶與歐亞地震帶之間，地震活動頻度高、強度大、分布廣。據統計，近百余年來，我國共發生七級及以上強烈地震130余次。強烈地震會引起大面積房屋倒塌，并造成大量人員傷亡和巨大經濟損失。砌體結構類建筑因材料來源方便、造價低、施工簡單等特點在我國的建筑物中被大量采用，但其抗震性能較差。2008年汶川地震中，北川縣城、汶川縣漩口鎮、映秀鎮等極震區80%～90%的砌體結構建筑物發生倒塌或嚴重破壞，一些建筑群或臨街建筑成片倒塌，部分結構即便未倒塌但也因破壞相當嚴重而不能繼續使用。在地震中砌體建筑的倒塌是造成人員傷亡和經濟損失的直接原因。在地震發生前對建筑結構進行震害預測是減輕和預防地震災害的前沿工作，也是制定城市防震減災規劃和地震應急預案的基礎工作[1-2]。

本文在分析比較文獻[1-8]中所提出砌體結構震害預測方法的基礎上，針對影響砌體結構抗震性能的主要因素，結合類比法提出了典型砌體結構震害預測方法的改進建議。

1 典型砌體結構震害預測方法

本文總結了3種典型的砌體結構震害預測方法，包括墻體抗剪承載力法、震害特征類比預測方法和超越強度倍率法。

1.1 墻體抗剪承載力法

（1）單位面積內墻體抗剪承載力R計算公式如式（1）所示：

（2） 震害指數Ds計算

根據《建筑抗震設計規范（GB50011-2010）》和《砌體結構設計規范（GB 50003-2011）》中的要求，砌體結構需要進行強度驗算，即驗算遭遇多遇地震下結構在彈性階段內的工作情況。震害預測時按照小震作用計算，得到震害指數計算表達式如下[2-5]：

Ⅵ度：Ds=1.864-0.007Rs；Ⅶ度：Ds=1.977-0.006Rs；

Ⅷ度：Ds=1.975-0.005Rs；Ⅸ度：Ds=1.866-0.004Rs。

（3）震害等級的確定

得到各層震害指數后，由表1可查得砌體結構各層所對應的震害等級，用震害指數最高的樓層震害等級來表示整個結構的破壞情況[6]。

1.2 震害特征類比預測方法

表1 結構震害等級和相應的震害指數

震害特征類比預測方法的技術路線如圖1所示。

圖1 震害特征類比預測方法系統圖

其中，相似度計算公式如式（2）所示：

式中，f(X,Y)表示海明距離；X和Y分別為2幢不同的建筑物；xi，yi表示建筑物需要類比的參數；ωi(i=1,2,L,n)為參數的權重，即每個因素對預測結果的重要程度；n為類比參數個數。

已知N幢建筑物單體Sj(j=1,2,L,N)的震害預測結果，要使建筑物X的震害預測結果與建筑物Sβ的震害結果類似（β?[1,N]），則需要滿足式（3）的要求[7]。

震害特征類比參數選取房屋的結構類型、高度、建設年代、用途和現狀質量，根據它們對建筑物易損性的影響程度分別取不同的權重值[8]。各個震害因子的權重和量化方案可參見參考文獻[2]中的表1，通過對待預測建筑物和樣本庫中具有的相同類型結構的建筑物進行類比，可以得到多個海明距離，f=

很明顯，最小的幾個值所對應的震害情況從公式上看是與待預測建筑物最相似的，故應取最小值作為待預測建筑物的震害預測結果。但考慮到系統誤差和樣本庫中的樣本震害結果具有一定的不確定性，有可能對測量結果產生誤差，為減少誤差，取最小的5個海明距離值，把這5個值對應的震害指數進行算術平均，以達到減少誤差的目的。

以Ii(i=1,2,3,4,5)分別表示取得的5個最小海明距離所對應的建筑物的震害指數，得到待測建筑物的震害指數I，如公式（4）所示：

為了保證2棟建筑物具有很高的相似度，在進行比較的時候還應該考慮設防烈度和場地類別對建筑震害的影響。

要成功預測建筑物震害情況，樣本的可靠度是非常重要的，為了保障樣本庫的可靠，可以選擇由震害實例和抽樣調查計算兩部分來構成樣本庫，震害實例可以在唐山、海城、麗江、汶川等多次地震中大量實際震害例子中選取典型實例作為樣本。通過對建筑物破壞狀態的描述確定其震害情況，并根據其震害情況對震害指數進行量化。由于不同的待預測建筑物在建筑平立面布局及建筑材料使用方面均具有其自身的特點，為了保證樣本庫具有較好的針對性且滿足不同城市各類建筑物多樣化的需求，對預測地中具有典型特點的建筑物也要進行抽樣預測，并用成熟的預測方法進行震害預測，將其結果作為樣本庫的一部分，達到提高樣本庫質量的目的。

1.3 超越強度倍率法

結構在遭受地震破壞時，可以根據超越強度的倍率來判斷結構的破壞情況，第i層結構的超越強度倍率公式如下[9]。

上面各式中：n為樓層數；s為計算層數；Rτ為墻體標準抗剪強度(N·cm-2)；Rk為非抗震設計的砌體結構的標準抗剪強度(N·cm-2)；Rs為抗剪強度(N·cm-2)；Fs為墻的面積（m2）；As為建筑面積（m2）；d為樓層重力代表值的修正系數；c為考慮設防標準、抗震措施等對砌體結構強度影響的修正系數；Sa為地震加速度反應譜值；ay為結構的屈服加速度。

震害等級和E值的關系詳見表2[10]，表2是由我國幾次大地震的震害經驗總結而來。根據我國大量的震害資料和實驗數據，統計得到了磚墻抗剪強度開裂值和極限值的變異系數為0.2，地震加速度的變異系數取0.26，最終得到磚墻的超越強度倍率變異系數為0.3。

表2 E值與砌體建筑震害等級的關系

2 震害預測方法分析與對比

從預測工作的基本步驟和3種方法間的聯系與區別兩個角度對3種典型方法進行分析和對比。

2.1 預測方法的基本步驟

3種砌體結構典型震害預測方法的基本步驟如下所述。

（1）墻體抗剪承載力法

（a）統計各個樓層基本信息，包括建筑面積、樓層數、總樓層數、建筑砂漿強度等。（b）計算各個樓層的抗剪承載力，并分別計算在各烈度下的震害指數，由震害指數表查得建筑物的破壞情況，最終用震害預測中抗力最薄弱的樓層的破壞情況作為整棟建筑物的震害預測結果。

（2）震害特征類比預測法

（a）統計待預測的建筑物基本信息，包括待預測建筑物的建設年代、現狀質量、高度、用途等。（b）通過近些年來的震害實例和成熟的震害預測方法得到的當地典型建筑物的預測結果，建立樣本庫。（c）將統計得到的基本數據與樣本庫中的數據進行對比，得到相似度最大的幾個樣本數據，通過樣本的破壞情況來預測城市建筑物的震害情況。

（3）超越強度倍率法

（a）統計建筑物各個樓層的基本信息，包括建筑面積、樓層數、總樓層數、建筑砂漿強度等。（b）由相應的規范查得地震加速度反應譜值。（c）通過基本信息計算被預測建筑物達到破壞強度極限時的屈服加速度，并得到地震加速度反應譜值和屈服加速度的比值，最終用得到的比值查表得到建筑物的破壞情況。

2.2 幾種預測方法的聯系與區別

墻體抗剪承載力法先計算了建筑物每層結構的抗震指數，后用樓層中震害指數最大的值代表的破壞狀況作為整棟建筑物的震害預測結果。震害特征類比預測法是先計算出兩棟建筑物的相似程度，后把相似建筑物的震害結果作為被預測結構的震害預測結果。超越強度倍率法則是先計算出每層的超越強度倍率，最后把所有樓層中最大的超越強度倍率作為整棟建筑物的震害預測依據。綜上可以看出，3種典型方法的主體思想不同，墻體抗剪承載力法和超越強度倍率法依靠的是精準的公式，除了計算公式不同外，其他步驟類似，震害預測結果可靠性主要建立在所使用的公式算法。這兩種方法采集的數據相對比較精細；而震害特征類比預測法則采用類比的方法，震害預測結果主要依賴于樣本的可靠性和完整性，樣本數據的采集相對廣泛。

從震害預測的研究對象角度分析，墻體抗剪承載力法是基于單位墻體抗剪承載力來確定基本算法，超越強度倍率法則是基于地震加速度反應譜與建筑物屈服加速度的比值來確定算法。這兩種方法有很多相似之處，例如最基本的數據采集以及取建筑物的抗力最薄弱層作為整棟建筑物的震害預測側重點。

然而無論哪種方法，要想獲得準確的震害預測數據都必須要以所采集到數據的完整性和準確性作為前提，只有完整準確的基本數據才能保證震害預測結果的可靠性。

3 砌體結構震害預測方法改進建議

3.1 典型預測方法的不足

墻體抗剪承載力法和超越強度倍率法兩種方法均把墻體作為影響砌體結構抗震性能最主要的因素作為編制算法的基本依據，考慮了砌體結構的主要受力特征。但墻體抗剪承載力法并沒有考慮布置構造柱和圈梁對建筑物抗震性能的影響。根據楊玉成等人的分析結果[11]，構造柱和圈梁等抗震措施的布置對建筑物的抗裂和抗倒塌會起到關鍵的作用，即抗震能力指數會隨著構造柱和圈梁的布置而增大，也即結構的抗震性能得到提高。

上述兩種預測方法均無法將建筑物的環境納入到考慮的范圍中。這里所說的環境包括地基地質、周邊建筑物、各種自然因素等。很顯然，不同的建筑環境對建筑物的抗震性能有很大的影響，故建筑環境也應作為一個影響系數。同時，這兩種預測方法也無法考慮使用年限對建筑物抗震性能的影響，使用年限作為一個建筑物抗震性能的重要參數也應被考慮。

震害特征類比預測法將類比思想作為主要預測的思路，避開了復雜的公式推導和計算。該方法的重點是建立一個具有參考價值的數據庫，其它步驟均相對簡易。該方法綜合考慮了建設年代、現狀質量、高度、用途等主要因素對建筑物的影響，但缺少了建筑物本身的結構特點對抗震性能的影響，如樣本和被預測建筑物的受力墻面積，樓層數，圈梁和構造柱的布置情況等。這些影響因素在建筑物的震害預測中雖不是簡單的相加理論，但合理地設置每個因素的權重就會使得分析出的預測結果具有更高的準確度。該方法最大的特點就是突破算法的束縛，使建筑物的震害預測步驟變得相對簡單。

3.2 震害預測方法構想思路

圖2 樣本庫建立過程圖

基于類比思想并考慮到影響砌體結構抗震性能的主要因素，提出的震害預測方法構想，其樣本庫的建立如圖2所示。

在樣本庫的建立過程中，主要考慮了地震動加速度、樓層數、建筑材料類型及強度、地基狀態、構造柱和圈梁設置、現狀質量、單位建筑面積內受力墻面積七個主要因素的影響，并把一些因素進行了10個等級的劃分，劃分為10等級主要是考慮到等級太少會造成樣本和被預測建筑物相似度較小，等級太多會給基礎數據的收集帶來困擾，最后可以根據實際情況給出每個等級的定義。

建立起樣本庫后，可以編制相應的程序，隨著樣本庫的增大，被預測的砌體結構均可以通過程序查詢到與其結構相似的砌體結構在遭受地震破壞后的情況，甚至獲得樣本建筑物遭受破壞后的震害照片，達到預測建筑物震害情況的目的。且隨著樣本庫在今后的不斷完善，震害預測的準確度會越來越高，且震害預測過程也會變得更快捷簡便。紹，并結合認知和新規范規定對以往震害預測方法中存在的問題進行了剖析。

（2）考慮對砌體結構抗震性能影響程度較大的幾個因素，并結合成熟的震害預測方法提出了砌體結構震害預測方法改進建議。

4 結語

（1）本文對三種典型的砌體結構震害預測方法進行了系統詳細的總結，對確定震害等級的各個參數進行了具體的介

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