基于天際線查詢的高層建筑損傷快速評估研究

(華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510640)

一、引言

在現(xiàn)在的城市生活中，高層建筑作為商業(yè)和辦公等功能用地，在社會經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。在城市面對地震、臺風(fēng)等重大災(zāi)害后，高層建筑是否能夠繼續(xù)投入生產(chǎn)使用，是災(zāi)后城市重建所需要考慮的問題之一，而作為城市財(cái)產(chǎn)的一部分，如果能夠迅速對高層建筑做出災(zāi)后的損傷評估，也有助于做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修復(fù)方案來挽回經(jīng)濟(jì)損失。

在國外，美國和日本最早進(jìn)行了災(zāi)后建筑物損傷快速評估。FEMA154是美國的建筑物抗震能力快速觀察判斷手冊，在1988年由美國聯(lián)邦應(yīng)急事務(wù)管理局頒布[1]。而日本的損傷快速評估體系可以實(shí)現(xiàn)對建筑物短時(shí)間完成粗略評估，以保證建筑物的損傷情況能夠迅速得到改善[2]。

在國內(nèi)也有學(xué)者對結(jié)構(gòu)損傷快速評估進(jìn)行研究。陸新征等人[3]利用云平臺并行處理進(jìn)行區(qū)域震害分析，可以大大提高計(jì)算效率。此類方法也是針對大范圍對災(zāi)后建筑物進(jìn)行快速初步檢查。李靜等人[4]基于典型框架單體結(jié)構(gòu)的易損性，應(yīng)用模糊相似理論分析得到待預(yù)測單體與典型單體的相似度，進(jìn)而推測得到目標(biāo)單體的易損性評估。

隨著科技和理論的發(fā)展，我們可以預(yù)先建立符合該場地條件的地震動數(shù)據(jù)庫，在地震發(fā)生時(shí)通過少量的儀器監(jiān)測到場地地面運(yùn)動加速度，提取地震波特征與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，迅速輸出與實(shí)測地震動相近的模擬地震動對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果及損傷評估信息，從而達(dá)到在震后迅速及合理地了解結(jié)構(gòu)的損傷狀況的目的。因此本文選定廣州D8-C3高層建筑結(jié)構(gòu)作為研究對象，建立地震動數(shù)據(jù)庫，分析其動力響應(yīng)，并與目標(biāo)地震動對比以探討這種方法的可行性。

二、結(jié)構(gòu)與模型概況

本文所研究的結(jié)構(gòu)(圖1)為廣州D8-C3，位于廣州市天河區(qū)金穗路與海業(yè)路交匯處，南面面向珠江公園。結(jié)構(gòu)總高度為140m，長47.5m寬16.9m，地下4層，地上39層，結(jié)構(gòu)體系采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。模型采用PERFORM-3D軟件建立，PERFORM-3D軟件建立結(jié)構(gòu)的彈塑性分析模型。圖2為PERFORM-3D軟件所建立的模型。

圖1 結(jié)構(gòu)實(shí)景圖

圖2 PERFORM-3D計(jì)算模型

三、結(jié)構(gòu)震后損傷快速評估研究

(一)基于天際線查詢的地震動參數(shù)匹配方法

天際線查詢技術(shù)是一種計(jì)算機(jī)算法，旨在實(shí)現(xiàn)從數(shù)量龐大的樣本集合中匹配篩選出滿足目標(biāo)需求的小部分?jǐn)?shù)據(jù)，以達(dá)到迅速找到目標(biāo)樣本。其原理是通過定義集合中不同樣本之間的支配關(guān)系，將被支配的樣本去除掉，留下不被支配的樣本，從而對樣本集合中的樣本進(jìn)行篩選的。利用該理論領(lǐng)域最著名的Nassau旅館例子：假設(shè)去Nassau海灘旅游，旅客對酒店所要考慮的因素只有距離和價(jià)格兩個(gè)因素，一般情況下越靠近海灘的旅館價(jià)格越高，而我們可以將海灘附近的所有酒店都視為一個(gè)集合S，目標(biāo)是從中選出距離最近而且價(jià)格最低的酒店，但往往無法同時(shí)滿足。當(dāng)酒店p的距離不比酒店q的遠(yuǎn)，而酒店p的價(jià)格比酒店q的低，則稱酒店p支配酒店q。天際線即是保留支配酒店，剔除被支配酒店，這樣會得到幾個(gè)目標(biāo)酒店，形成一個(gè)子集SS，子集中相鄰兩個(gè)元素相連即為天際線。圖3為天際線定義示例。[5]

圖3 天際線定義示例

天際線查詢的有關(guān)算法在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展得相對成熟，其中包括Block-nested-loops Algorithm、Divide and Conquer Algorithm、Sequential Forward Selection Algorithm等。由于BNL(Block-nested-loops)算法簡單有效，因此本文采用BNL算法用于地震波數(shù)據(jù)庫的天際線查詢以匹配到目標(biāo)地震動。

(二)地震動強(qiáng)度參數(shù)選取

地震波的特征主要體現(xiàn)在反應(yīng)譜、幅值、持時(shí)、頻域能量分布(功率譜)等方面。地震動的特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有著密切的聯(lián)系。一般地震動特征參數(shù)用的最為廣泛的是PGA，但當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下進(jìn)入了彈塑性變形階段，PGA與結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的相關(guān)性則顯得比較弱，因此選用結(jié)構(gòu)的第一階自振周期作為對應(yīng)的譜加速度值Sa(T1)。即使如此，標(biāo)量指標(biāo)由于采用單一指標(biāo)，只能夠考慮結(jié)構(gòu)處于某種特定狀態(tài)之下的響應(yīng)，而向量指標(biāo)綜合考慮多個(gè)強(qiáng)度參數(shù)，可以彌補(bǔ)標(biāo)量指標(biāo)這方面的不足。本文在根據(jù)施煒等人的研究后使用了6維向量指標(biāo)：

IMΔ=[Sa(T1),Sa(T2),Sa(T3),Sa(T5),Sa(1.2T1),Ted]

其中參數(shù)Sa(T1)、Sa(T2)、Sa(T3)、Sa(T5)、Sa(1.2T1)和Ted分別為結(jié)構(gòu)一階自振、第二、第三、第五階周期、1.2倍一階周期對應(yīng)的擬譜加速度和有效持時(shí)。

(三)結(jié)構(gòu)震后損傷快速評估

本文將PEER NGA-West2 Database作為地震波數(shù)據(jù)庫的來源，從中選擇了257條未條幅的地震波記錄建立地震動數(shù)據(jù)庫作為天際線查詢的總集合S。根據(jù)《廣州珠江新城D8-C3地震安全性評估報(bào)告》，將其中依據(jù)地質(zhì)勘查的參數(shù)擬合出的結(jié)構(gòu)所在場地的地震地面運(yùn)動作為目標(biāo)地震動，根據(jù)目標(biāo)加速度時(shí)程，分別計(jì)算對應(yīng)結(jié)構(gòu)周期的擬譜加速度Sa與基于Arias指標(biāo)的能量持時(shí)Ted，得到目標(biāo)地震動的6維向量指標(biāo)[Sa(T1),Sa(T2),Sa(T3),Sa(T5),Sa(1.2T1),Ted]為：[0.0783，0.0992，0.0842，0.295，0.0732，10.88]。

以257條地震波組成的數(shù)據(jù)作為總集S，采用6維向量指標(biāo)對總集S進(jìn)行天際線查詢，目的是尋找到與目標(biāo)地震動最接近的天際線子集SS。從總集中共篩選到28條與目標(biāo)地震動的強(qiáng)度參數(shù)最接近的地震動記錄組成天際線子集SS。

在PERFORM-3D中導(dǎo)入28條經(jīng)過篩選的地震波并對模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出天際線子集的結(jié)構(gòu)最大層間位移角，表1給出了天際線子集所有工況的最大層間位移角及對應(yīng)的破壞等級。從統(tǒng)計(jì)表中可以看出，28個(gè)工況中除了2個(gè)工況，其余26個(gè)工況中結(jié)構(gòu)的彈塑性變形均達(dá)到了嚴(yán)重破壞的程度，所有工況的平均最大層間位移角為0.0049，對應(yīng)的破壞等級也屬于嚴(yán)重破壞。因此根據(jù)天際線子集對應(yīng)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，判定結(jié)構(gòu)在目標(biāo)地震動的作用下發(fā)生了嚴(yán)重破壞。

表1 天際線子集工況的最大層間位移角及對應(yīng)的破壞等級

圖4 天際線子集以及目標(biāo)地震動的最大層間位移角曲線

圖4是天際線子集以及目標(biāo)地震動的最大層間位移角曲線，天際線子集中的地震工況中，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)總體上是比較集中的，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均位于結(jié)構(gòu)的頂部樓層，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角的值為0.0034-0.006，目標(biāo)地震動的結(jié)構(gòu)最大層間位移角曲線與天際線子集的曲線較為貼合，目標(biāo)地震動作用下的結(jié)構(gòu)最大層間位移角為0.0051，與天際線子集對應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大層間位移角平均值的差距在5%以內(nèi)。目標(biāo)地震動作用下結(jié)構(gòu)破壞等級屬于嚴(yán)重破壞，整體損傷評估結(jié)果與天際線子集工況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果評估一致。

四、結(jié)論

以結(jié)構(gòu)所在場地的《地震安全性評估報(bào)告》中的地面運(yùn)動加速度時(shí)程為目標(biāo)，根據(jù)六維向量式強(qiáng)度指標(biāo)對備選地震波數(shù)據(jù)庫進(jìn)行天際線查詢，經(jīng)過篩選得到的28條地震動記錄作為天際線子集，將子集中的地震動記錄導(dǎo)入PERFORM-3D的模型中進(jìn)行計(jì)算，得到的最大層間位移角曲線集合覆蓋了目標(biāo)地震動的最大層間位移角曲線，并且子集平均值與目標(biāo)地震動相差在5%以內(nèi)，可以視為吻合良好。

根據(jù)上述的分析可以看到，基于天際線查詢的子集可以有效的作為目標(biāo)地震動損傷評估的樣本集。因此，通過預(yù)先建立結(jié)構(gòu)地震動響應(yīng)和地震動數(shù)據(jù)庫可以作為損傷快速評估的一種應(yīng)對手段：預(yù)先建立結(jié)構(gòu)地震動響應(yīng)和地震動數(shù)據(jù)庫，在地震發(fā)生后通過儀器測得實(shí)際的地震動信息，通過天際線查詢確定地震動子集，并且通過子集可以迅速得到地震動響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而對結(jié)構(gòu)損傷作出快速評估。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Technology B,Inc,Spring S,et al.A Guidebook to FEMA 154——Rapid Visual Screening of Buildings for Potential Seismic Hazards.A Handbook for Use in the Screening of School Buildings.[J].1994:52.

[2]湯朝暉,牟彥茗,楊曉川.日本災(zāi)后建筑應(yīng)急危險(xiǎn)度判定系統(tǒng)初探[J].城市建筑,2009(3):15-17.

[3]陸新征,陳磊,曾翔,等.基于云計(jì)算的工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)數(shù)值模擬[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(5):769-777.

[4]李靜,陳健云,溫瑞智.框架結(jié)構(gòu)群體震害易損性快速評估研究[J].振動與沖擊,2012,31(7):99-103.

[5]周紅福.基于索引的Skyline算法研究[D].復(fù)旦大學(xué),2007.