結構抗震韌性理論研究現狀

楊 陽，晏育雄，劉 婷

（1.湖南湘江新區投資集團有限公司，湖南 長沙 410000；2.長沙湘江通用航空發展有限公司，湖南 長沙 410000；3.湖南湘江智能科技創新中心有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

我國是地震大國，地震災害嚴重。20 世紀以來，我國大陸地區發生7.0 級及以上地震80多次[1]，重大地震造成了大量的人員傷亡和經濟損失[2-4]。隨著現代工程抗震理論的發展，結構抗震設計理念從強度設計、性能設計、性態設計，發展到現在各國爭相研究的韌性設計階段；抗震設計的對象也從構件、單體結構，擴展到工程系統、城市建筑群。

隨著城市功能愈加復雜，非結構構件的破壞、內部設施地損壞以及城市功能的失效等問題影響愈發顯著。城市防震減災不應是僅著眼于降低人員傷亡和減少結構構件破壞，而是應追求地震后維持或者快速且經濟地恢復原有功能。傳統的“中震可修，大震不倒”將難以滿足未來社會的發展要求，與社會、經濟的高速發展相對應的，未來城市建筑應該是可快速修復以及“大震可修”，故研究結構抗震韌性理論、探討結構抗震韌性設計方法、發展“韌性”抗震具有重大的學術和社會價值。

1 抗震韌性的起源與發展

韌性（resilience），又稱為可恢復性、復原力等。2003 年，Bruneau[5]首次提出了地震韌性的概念框架，以定義社區的抗震韌性和韌性的量化方法，并提出了社區韌性的四個維度，即技術、組織、社會和經濟。Bruneau 將抗震韌性定義為降低結構破壞概率、減輕結構破壞程度、減少結構的恢復時間的能力，同時概括了韌性的四個特性，包括魯棒性、快速性、冗余性和智能性。

地震韌性概念的提出，使得基于“韌性”的抗震理論與設計成為研究熱點，不斷有學者提出新的韌性評估方法和韌性抗震技術，各國和各類組織也在不斷出臺與抗震韌性相關的指導方案和法則。2003 年，美國地震工程學會（EERI）在防震減災規劃中首次“將增強社區韌性”作為工作重點[6]。2008 年，美國地震災害減災計劃NEHRP（National Earthquake Reduction Program）將提升工程地震可恢復性作為其未來三大目標之一[7]。2009 年，NEES/E-Defence 會議將可恢復功能城市確定為美日在地震工程領域未來的主要合作方向[8]。2013年，奧雅納公司在《面向下一代建筑的基于韌性抗震設計的倡議》報告中，以城市停止運作的時間為評價指標，提出了建設韌性城市的建議[9]。2016 年召開的美國太平洋地震工程研究中心的年會將可恢復性功能定為下一代基于性能的地震工程的核心。2017 年，第16 屆世界地震工程大會將“韌性”作為土木工程的新挑戰，并從結構、社區、城市等不同層次探討了可恢復功能體系的建設與評估。

2017 年，中國地震局提出了“透明地殼、解剖地震、韌性城鄉和智慧服務”四項地震科學重點研究計劃。其中“韌性城鄉”是指一個城鄉系統一旦遭受地震災害，在不超過一定閾值情況下，無需或在外界稍加干預下，在最短的時間內城鄉能夠依賴本身的自康復能力將城鄉的正常功能甚至城鄉的一切秩序恢復到震前的狀態，甚至超過震前的水平。同年，中國將“韌性城鄉”列為“國家地震科技創新工程”四大計劃之一[10]，也是“自然災害防治九大工程”建設的重點指導方向[11]。“韌性城鄉”旨在讓我國的地震災害風險評估、工程韌性抗震和社會韌性支撐等領域達到國際先進水平，對于提高我國城市抵御地震風險和災后恢復能力，保障國家重大戰略的實施和人民生命財產安全，降低地震災害的影響具有重大意義。

2 建筑結構抗震韌性評估方法

2.1 韌性評價方法與模型

自抗震韌性提出以來，學者們在不斷地改進原有的韌性評估準則，并在其基礎上提出新的抗震韌性評估方法，但學術界至今還沒有公認的社區城市抗震韌性的評價框架。Bruneau等[5-12]將抗震韌性的概念引入社區建設和醫療系統的同時，還提出了定量評估社區抗震韌性的方法（圖1），其數學表達式為：

其中，R 表示社區的韌性指數，Q（t）為隨時間變化的社區的功能函數（100%表示社區基礎設施功能完好，0%表示社區基建功能完全退化），t0和t0E表示事件發生時刻，t1為社區完成修復的時刻，L 為損失函數，F 表示恢復函數，TRE為地震后的社區恢復期，αR為功能恢復系數。

Cimellaro 等[13-15]認為社區韌性的評估應包含七個方面：人口和人口統計學、環境和生態系統、組織化的政府服務、基礎設施、生活方式和社區能力、經濟發展和社會文化資本，同時對Bruneau 的評估方法進行了改進。Cimellaro等認為韌性評價不應只在事件發生到恢復完成這個時間區間內進行考慮，應用功能函數在控制時間內的平均值來衡量，韌性指數定義為：

其中，Q（t）為隨時間變化的社區的功能函數，t0E表示地震發生時刻，TLC為控制時間。

圖2 Cimellaro 改進的抗震韌性評價方法模型圖（摘自文獻[16]）Fig.2 Improved model of assessing seismic resilience[16]

目前的韌性定量評估方法多為在Bruneau的評估方法的基礎上改進，主要區別為評估模型中性能恢復函數曲線的確定，經典的性能恢復曲線有線性函數[12]、三角函數[17]和指數函數[13，18-20]。

2.2 現行的建筑抗震韌性評估標準評價

性能恢復函數考慮多種影響因素，較為復雜和抽象，還未能很好地應用于建筑結構的建設和修復過程。對此，中、英、美等國的多個組織機構對現有的韌性評估方法進行了歸納和改進，主要以人員傷亡、建筑修復費用、建筑修復時間作為抗震韌性評價指標，推出了可應用于實際分析的韌性評估標準與指南。

美國聯邦緊急事務管理署（Federal Emergency Manage Agency，FEMA）開發了第二代抗震性能評估方法FEMA P-58。它以構件的易損性為基礎，采用了概率評估方法，充分考慮了建筑物的各組成要素對抗震韌性的影響，同時以工程需求參數矩陣擴充和蒙特卡洛模擬來降低地震動隨機性引起的結構響應的不確定性[21]。該方法包含了基于地震動強度的評估（Intensitybased assessments）、基于場景的評估（Scenariobased assessments）和基于時間的抗震性能評估方法（Time-based assessments），采用了人員傷亡、修復或重建成本、能源消耗和碳排放量、居住中斷時間等作為評估指標，更便于實際應用。

2013 年，英國奧康納公司提出了REDi（Resilience-based Earthquake Design Initiative for the Next Generation of Buildings）建筑韌性評價體系[9]，它主要選用修復時間、直接經濟損失和人員安全性作為評價指標，并根據不同的抗震目標將建筑抗震韌性進行了分級。

2015 年，美國韌性委員會USRC（U.S.Resiliency Council）[22]發布了USRC Building Rating System 韌性評估集成評估平臺，從安全、損傷和恢復三個維度評價建筑抗震韌性，每個維度又細分為5 個等級，形成三維五星制系統。USRC 體系本身并不采用新的抗震韌性評估方式，而是基于REDi 和FEMA P-58 等現行標準的評估結果，將最終抗震韌性評估結果分等級管理認證。其中最低等級要求建筑能夠保證居住者的生命安全，在重大地震發生時，損壞程度不能超過可修復水平，震后恢復時間不能超過一年，并且要求將修復成本限制在40%以內。可以看出即便是最低等級的要求也已經超過了目前“中震可修、大震不倒”的抗震要求水平。

我國第一部抗震韌性方面的標準——《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T38591-2020）于2020 年3 月31 日發布，并于2021 年2 月1 日起正式實施[23]。該標準將建筑抗震韌性定義為建筑在設定水準地震作用后，維持與恢復原有建筑功能的能力，其中，“設定水準地震作用”指設防地震和和罕遇地震，“維持與恢復原有建筑功能”指建筑完全保持或恢復到震前狀態。標準從我國的建筑實情出發，結合我國已有的抗震設防標準，規定了建筑抗震韌性評價的要求、建筑損傷狀態判定、建筑修復費用計算、建筑修復時間計算、人員傷亡計算、建筑抗震等級評價，適用于新建和既有建筑的抗震韌性評價。在建筑損傷狀態判定中，考慮了結構構件和非結構構件的損傷，并分別將它們的損傷狀態分為5 級和4 級。計算建筑修復時間時，不計開工前準備工作耗費的時間。《建筑抗震韌性評價標準》以修復費用、修復時間和人員傷亡作為建筑抗震韌性評估指標，并將每個指標分為了三級，對應不同的地震水準和參數要求，進行評價時應綜合考慮三項指標，取其中的最低等級作為建筑的抗震韌性等級。

與歐美等國大量引入不確定性不同，《建筑抗震韌性評價標準》（GB/T38591-2020）結合中國的抗震設防規范和要求，針對我國的具體國情進行了相應的改進，在指標計算步驟中采取確定性計算策略，在抗震韌性評級上指標取值更為嚴格。毫無疑問，該標準是現階段最適用于中國的建筑抗震韌性評估方法。

3 提高結構抗震韌性的技術與方法

根據建筑抗震韌性的定義，可將其細分為“抵抗”和“恢復”兩個部分，即地震發生時結構抵抗地震作用和地震后修復破壞的結構。相應的，提高結構抗震韌性的技術也可大致分為兩類——減隔震技術和可恢復性技術。除此之外，也可通過建筑材料[24]和結構形式的選擇、高性能構件的開發[25]來增強結構的抗震能力。

3.1 減隔震技術

減隔震技術是通過在結構上增設耗能支撐、隔震支座和阻尼器等來降低結構的地震響應，減少結構的破壞。

建筑隔震技術是通過設置隔震層將建筑基礎或下部結構與上部結構分隔開，從而延長結構的周期，阻隔地震能量的傳播，避免結構發生共振。目前常用的隔震類型主要有疊層橡膠支座、摩擦擺支座、滑移隔震、滾動隔震、擺動隔震、懸吊隔震等。減震技術包括吸能減震和耗能減震技術，其原理為通過減震裝置的摩擦、彈塑性變形、滯回運動等來消耗和吸收地震能量。耗能減震裝置主要有金屬阻尼器、粘滯阻尼器、屈曲約束支撐[26]、防屈曲鋼板剪力墻等。吸能減震技術通過附加子結構，使地震能量重新分配，常用裝置有調諧質量阻尼器（TMD）、調頻質量阻尼器（TLD）等。

賈皓迪[27]提出了一種裝配式防屈曲鋼板剪力墻，指出該構件可以改善結構的變形性能，提高結構的抗震性能。Gobbo 等[28]通過設置粘滯阻尼器降低了結構構件和非結構構件的震后維修成本，優化了建筑物的抗震性能。Pollini等[29]提出了一種利用非線性流體粘滯阻尼器實現抗震加固最小成本設計的方法。魯亮等[30]進行了基底懸擺隔震結構的振動臺試驗，驗證了該種結構具有優異的隔震性能。在實際應用中，單獨的隔震或減震技術不一定能滿足抗震要求或經濟要求，組合使用多種減隔震技術便成為了更有效的方法。丁潔民、吳宏磊等[31-33]研究減隔震組合技術的減震效率，指出該技術具有良好的減震效果，可有效提高結構的抗震韌性。

3.2 可恢復性技術

可恢復功能結構[34-35]是指震后不需要修復或稍加修復即可恢復使用功能的結構，主要通過搖擺結構、自復位結構和可更換構件結構實現。

搖擺結構[36]是通過釋放基礎對上部結構或構件的部分約束，形成搖擺界面，當地震發生時，搖擺界面上部結構通過抬升或轉動來消耗地震能量，從而減少整體結構的破壞。曲哲等[37]采用搖擺墻對一混凝土框架進行了抗震加固，并對比分析了加固前后的結構抗震性能，結果表明搖擺墻體系能有效降低結構的地震反應。杜永峰等[38]提出了一種輕型自復位消能搖擺架，通過使用該搖擺架，有效降低了鋼筋混凝土框架在地震中的位移峰值響應和震后的殘余位移。

自復位結構具有強大的變形恢復能力和較好的耗能能力，是一種抗震韌性高的結構類型，其最顯著的特征在于震后幾乎沒有殘余變，從而不用修繕就能繼續使用。自復位結構的實現手段總體分為基于預應力技術（PT）和基于形狀記憶合金（SMA）。邱燦星等[39]總結了自復位結構的研究進展和應用現狀，并對其發展方向做出了展望。目前已有的自復位結構或構件有基于預應力技術的自復位節點、支撐、剪力墻，以及基于SMA 的自復位阻尼器、節點、剪力墻等。

可更換構件結構是指在結構容易變形和損壞的部位設置可更換的耗能構件，當地震發生時，該構件率先屈服并消耗地震能量，減少主體結構的破壞，震后又可快速將該損壞構件拆除和更換，盡可能降低對整個結構恢復正常使用狀態的影響。關于可更換構件結構的研究，主要集中在框架結構和剪力墻結構，包含可更換鋼板墻、可更換剪力墻連梁和墻角[40-41]、可更換節點[42]等。

隨著研究的深入，減隔震技術往往與可恢復性技術共同使用，并獲得了良好的減震效果。Pollino[43]等將搖擺框架與粘滯阻尼器和軟鋼屈服耗能裝置組合，提出了一種帶支撐的搖擺鋼框架。韓建平等[44]對比分析了自復位耗能支撐鋼框架（SC-BRB）和自復位屈曲約束支撐鋼框架（SCEDB）的震后恢復能力，并評估兩者的抗震韌性，包括震后的恢復時間和總損失，結果表明兩者均具有良好的抗震韌性。張國偉等[45]利用Open Sees 對比分析了傳統鋼筋混凝土框架、防屈曲支撐鋼筋混凝土框架（BRBF）、搖擺防屈曲支撐鋼筋混凝土框架（RBRBF）的抗震性能，后兩者的抗震性能都顯著優于傳統框架，而RBRBF 更是顯著降低了底柱拉力，抗震韌性更優越。

4 結論

本文從評估方法、研究現狀、提高技術等方面對建筑抗震韌性進行了闡述，通過對已有研究成果的歸納整理，總結出我國目前抗震韌性研究存在的問題。

（1）我國的抗震韌性標準雖在指標取值上較國外標準嚴格，但對不確定性的考慮卻不夠，且進行韌性評估時沒有區分開不同功能的建筑結構；

（2）現有的單體建筑結構抗震韌性研究集中于評估理論和方法研究，缺少對災變過程和恢復機理的研究；

（3）僅考慮“韌性建造”，缺乏“韌性改造”，大量老舊建筑的抗震隱患難以解決。

基于我國抗震韌性研究存在的問題，做出以下展望：

（1）應積累更多的基礎試驗數據，發展范圍更廣、分類更細的建筑構件和設備易損性數據庫，并根據我國的地震數據和相關規范標準，綜合社會經濟發展水平、建設水平等多種因素，增強《建筑抗震韌性評價標準》對不確定性的考慮；

（2）要針對不同結構類型、不同功能、不同重要性的建筑，細化抗震韌性評價標準，量化結構使用功能參數。同時能夠將評估結果通過大眾化的指標表示，在保證足夠可信度的同時，不影響非專業人士的決策；

（3）研發能夠保障震后安全、減少地震損失的新型結構體系和非結構體系，改進和發展減隔震技術和可恢復性技術以及改造加固技術，增強老建筑和新建筑的抗震韌性。

隨著我國經濟的不斷發展，對于建筑物的要求將不再局限于抗震安全性，而是要求安全和功能的雙保護。為與快速發展的現代城市、城市群建設適應，應將提高建筑抗震韌性作為未來防震減災工作的重點。