結構地震易損性分析的研究現(xiàn)狀及展望

周艷龍,張 鵬

(西南石油大學,四川成都 610500)

結構的地震易損性是指結構在確定的地震強度作用下,超越各種破壞極限狀態(tài)的條件概率。易損性分析作為災害風險分析的三個主要部分之一(致災因子的危險性分析、承災體的易損性分析、災情損失評估)可以預測結構(承災體)在不同等級的地震作用下發(fā)生各級破壞的概率。易損性從宏觀的角度描述了地震動強度與結構破壞程度之間的關系,從概率的意義上定量地刻畫了工程結構的抗震性能,相當于結構的“廣義抗力”。因此,分析結構的地震易損性對于評定結構的抗震安全性,制定防災措施有重要的意義。也是正確、合理地分析各類建筑物的抗震性能,提高結構的抗震能力、減少損失的有效途徑。

結構易損性分析是地震破壞和損失估計的基礎,也是震害預測的基本組成部分。它在地震破壞和損失預測中占有重要的地位,深入開展結構易損性分析的研究對于地震破壞和損失預測以及減輕地震災害具有十分重要的意義。

1 地震易損性國內外研究概況

1.1 地震易損性國外研究概況

以易損性曲線的形式來研究結構的地震易損性最早起源于 20世紀70年代初核電站的地震概率風險評估。簡單地說,他們把機械和結構系統(tǒng)的抗震能力以概率分布函數(shù)的形式表示出來。該函數(shù)以地面運動強度為參數(shù),通常采用PGA(峰值地面加速度)、Sa(譜加速度)等作為地震動參數(shù);該函數(shù)可以反映出結構和地震動參數(shù)所涉及的不確定性因素。例如,Ghiocel等人對美國東部地區(qū)的核電站考慮土-結構相互作用進行了地震反應分析和易損性評定。Ozaki等人針對日本核反應堆建筑的地震易損性分析,提出了改進的響應系數(shù)方法以考慮非線性效應及其變異特性。Bhargava等人對印度核電站中的貯水罐采用商業(yè)化軟COSMOS/M進行了三維有限元建模,在大量的非線性地震反應基礎上對其進行了易損性評定;Cho和Joe根據(jù)韓國的地震反應譜,對韓國的幾處核電站進行了地震易損性分析。

在建筑結構領域,美籍華人學者黃洪謀較早地開始了地震易損性的研究工作,他與合作者先后針對鋼框架結構、鋼筋混凝土框架結構和平板結構等進行了大量的地震易損性分析;Ellingwood對基于可靠度的概率設計、建筑結構的地震易損性和風險分析做出了很大貢獻。他與其博士生 Song JL研究了各種形式的焊接節(jié)點對特殊抗彎鋼框架的抗震可靠性和地震易損性的影響;與Rosowsky等人合作,在性能設計理論的框架下針對木結構(包括輕型木框架和工程木剪力墻)在地震和風作用下的易損性進行了系統(tǒng)深入的研究;此外,他還和Wen YK一起研究了易損性評定在“基于后果的工程”中的應用。Der Kiureghian系統(tǒng)地研究了各種不確定性因素對建筑結構地震易損性的影響,與其學生 Sasani建立了鋼筋混凝土剪力墻的概率位移需求與能力模型,應用Bayes統(tǒng)計推斷技術對鋼筋混凝土剪力墻地震易損性的不確定性進行了評估;與 Gardoni等人合作,根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù),建立鋼筋混凝土柱子的概率能力模型,并對其地震易損性進行估計。美國地震損失評估軟件 HAZUS在大量研究者成果的基礎上,基于地震動參數(shù)估計結構的破壞,采用性能設計理論和能力譜方法,計算結構的地震反應,給出了各類建筑結構的地震易損性曲線。

Tanaka在評估公路系統(tǒng)的地震易損性時,假定易損性曲線為兩參數(shù)正態(tài)分布的函數(shù)形式,利用 1995年神戶地震中獲得的橋梁損傷數(shù)據(jù)來估計未知參數(shù)(均值和標準差)。他把總計 3 685座橋劃分為 5種結構形式,損傷水準劃分為 5個等級。

經(jīng)驗易損性曲線來源于實際的震害和對應的地震動參數(shù)的統(tǒng)計結果,可信度較高。但由于受到具體條件的限制,經(jīng)驗易損性曲線原則上只適于與數(shù)據(jù)源類似的情況,而不同的地震環(huán)境、場地條件、結構情況卻不相同,因此,經(jīng)驗易損性曲線難以推廣使用。最重要的是經(jīng)驗易損性曲線獲得不易。因此,通過適當研究工作,建立可信賴的易損性曲線的理論估計方法是必要的。

理論易損性曲線通常從結構的地震動響應分析中得到。在形成易損性曲線的過程中,有幾種典型的分析方法可以用來獲得結構在地震地面運動下的響應,比如反應譜分析、非線性靜力分析、非線性時程分析。簡化的非線性靜力分析方法主要有能力譜方法、位移系數(shù)法以及割線法。

在對結構的地震易損性進行評估時,不同的研究者采用了不同的戰(zhàn)略與研究方法:對各種特定的結構模型采用Monte Carfo模擬法來進行易損性分析。其中,Hwang＆Huo提出了一種基于結構動力行為的數(shù)值模擬的分析方法來形成易損性曲線。地震-場地-結構系統(tǒng)的不確定性通過把系統(tǒng)中的參數(shù)考慮成隨機變量來定量。為了節(jié)省 Monte Carlo模擬法的計算時間,Kai＆Fukushima提出了一種利用頻域內的隨機振動理論來評估結構響應的易損性分析方法。

Shinozuka采用Monte Carlo模擬法檢驗橋梁的易損性曲線。結構的響應通過兩種不同的方法計算得到,一種是時程分析方法,另一種是根據(jù) ATC-40(1996)提出的能力譜方法。考慮到結構和地面運動的不確定性,采用了由 10座名義上一致而統(tǒng)計不同的橋梁以及 80個地面運動時程記錄組成的獨立樣本。通過兩種方法之間易損性曲線的比較,表明橋梁在嚴重破壞和倒塌這兩種狀態(tài)下,當非線性效應起決定作用時,易損性曲線的一致性不如輕微破壞狀態(tài)下的好。

Singhal＆Kiremidjian提出,采用貝葉斯原理分析觀察到的結構系統(tǒng)的損傷數(shù)據(jù),進行易損性估計。Singhal＆Kiremid jian采用Park-Ang地震損傷指數(shù)表示成結構能力與需求的函數(shù)形式來定量結構的損傷。隨后,易損性定義為在給定的地面運動下,損傷指標超過一定閾值的條件概率。Singhal＆Kirem idjian假設在特定的地面運動水準下,損傷指標的隨機性可以表示成均值未知而對數(shù)標準差為已知常量的對數(shù)正態(tài)分布。從過去發(fā)生的地震中獲得的損傷數(shù)據(jù)可以用來修正假定為對數(shù)正態(tài)分布的損傷指標其均值的分布。

Mande＆Basoz和 shinozuka采用能力譜方法(CSM)發(fā)展橋梁的易損性曲線。該方法的兩個關鍵因素是需求和能力。能力譜方法中需要確定的三個要素是:能力譜、需求譜與性能點。能力譜基于材料特性和結構屬性的不確定性,通過非線性靜力(推覆)分析獲得。需求譜通過考慮震源、場地條件和路徑衰減來建立。需求譜和能力譜疊加在一起。隨后,獲得性能點。Mander＆Basoz通過假定標準差來計算超越某一損傷狀態(tài)的概率,而Shinozuka等人估計了這兩個參數(shù)(均值和標準差)。

1.2 地震易損性國內研究概況

與國外相同,我國學者在地震易損性領域的研究工作也是從量大面廣的群體性房屋建筑震害預測開始的。尹之潛教授在國內較早開展了地震易損性和震害預測方面的研究工作,通過大量的震害調查數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù),建立了結構破壞狀態(tài)與超越強度倍率和延伸率的關系,并針對磚砌體房屋、廠房的排架結構以及多層鋼筋混凝土結構進行了系統(tǒng)的地震易損性研究工作,形成了關于結構易損性、地震危險性和地震損失估計的完整的理論。

楊玉成等人早在 20世紀 80年代初期就對多層房屋的易損性以及其震害預測做過較為系統(tǒng)的研究,在 20世紀 90年代初期通過和美國斯坦福大學 Blume地震工程中心的合作,利用三年多的時間開發(fā)了關于多層砌體房震害預測的專家系統(tǒng) PDSMSMB-1。

高小旺、鐘益樹等人研究了底層全框架磚房以及鋼筋混凝土框架房屋的震害預測問題。當中雖然沒有明確提出易損性的概念,但是他們已經(jīng)開始計算在不同地震烈度下結構失效的概率問題。

近年來,國內學者將地震易損性的研究重點放在了具體單體建筑的地震易損性分析上。張令心等人采用拉丁超立方體抽樣技術,利用多自由度滯變體系的時程分析方法,對多層住宅磚房的地震易損性進行了研究,分析中考慮了地震荷載,結構反應和結構承載力的不確定性。于德湖和王煥定對配筋砌體結構的地震易損性進行了初步的研究。

成小平、胡聿賢、帥向華提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型分析結構的易損性。神經(jīng)網(wǎng)絡模型輸入為反映結構抗震性能的參數(shù),如含墻率、砂漿強度、樓層參數(shù)等,輸出為指定烈度下的破壞狀況的概率分布。該模型綜合了理論計算法、專家系統(tǒng)法、綜合評判法、指標判別方法的特點,是一種綜合的結構易損性分析方法。清華大學的劉晶波教授與美國的黃洪謀教授合作開展了鋼筋混凝土橋梁結構的地震易損性研究。張海燕以位移為性能指標,提出了鋼筋混凝土梁式橋地震易損性的簡化分析方法。樓思展等人采用商業(yè)化軟件SAP2000,對上海浦東某醫(yī)院的鋼筋混凝土框架結構進行了非線性動力時程分析,采用延性破壞指標和強度破壞指標,繪制了不同地震烈度下建筑物的易損性曲線。喬亞玲等人開發(fā)了建筑物易損性分析計算系統(tǒng)。郭小東等人對城市抗震防災規(guī)劃中建筑物易損性評價方法進行了對比研究。姜淑珍和柳春光對城市交通系統(tǒng)的地震易損性進行了分析。陶正如和陶夏新結合性能設計思想,以地震動參數(shù)作為輸入,研究了根據(jù)地震易損性矩陣進行參數(shù)反演建立地震易損性曲線的方法。

呂大剛等人將可靠度引入了結構易損性分析中,并以鋼框架結構做為分析模型,做了基于可靠度的整體和局部易損性的分析,同時還將易損性分析置于風險分析的框架下,考慮了易損性分析中包含的隨機性信息。

2 結構地震易損性分析方法

為了進行地震損失估計,已經(jīng)提出了許多建筑物易損性估計方法。這些方法針對不同的對象、利用不同的資料或從不同的角度對建筑物抗震性能進行估計。

2.1 專家判斷的方法

專家判斷的易損性估計法是結構易損性分析的重要方式。它是根據(jù)建筑物設計圖紙、場地條件以及現(xiàn)場調查建筑物取得的資料,對建筑物的地震結構易損性進行經(jīng)驗估計。該類方法的特點是簡單易行,但對人員的專業(yè)知識要求較高,要求調查人員不僅要熟悉抗震設計規(guī)范,而且還要有豐富的地震現(xiàn)場考察經(jīng)驗。只有這樣的人材才能辨別出影響建筑物抗震性能的主要因素,并在建筑物地震易損性估計時進行適當?shù)募訖嗵幚怼撝赋龅氖?使用這種經(jīng)驗方法進行建筑物抗震性能估計也存在一些問題。該途徑主要依賴于專家的判斷,任何專家的經(jīng)驗和知識都有局限性和目前認識的不完備性,因此,采用這一途徑不同的專家所給出結果將存在差異,有時相差很大。2.2 經(jīng)驗統(tǒng)計的方法

震害經(jīng)驗統(tǒng)計方法是估計結構易損性的一種常用方法。許多經(jīng)驗統(tǒng)計的方法是基于對地震震害經(jīng)驗進行統(tǒng)計開展的。經(jīng)驗公式法是根據(jù)震害資料統(tǒng)計回歸給出的關系進行地震易損性估計。回歸公式的形式是根據(jù)理論確定的,而其參數(shù)是根據(jù)歷史震害經(jīng)驗確定的。該方法的優(yōu)點是反映了地震破壞的實際情況,包括建筑設計建造類型、建筑年代、建筑物的改造、維護情形及其現(xiàn)狀等因素。但從嚴格的意義上講,采用統(tǒng)計方法只能給出地震時建筑物破壞率的均值和方差,故該統(tǒng)計方法只能用于震害經(jīng)驗豐富的建筑物的易損性估計,不能用于震害經(jīng)驗缺乏或有限的建筑類型的地震易損性估計。目前積累的地震震害經(jīng)驗雖多,但嚴格地講,可用于統(tǒng)計的數(shù)量還是極其有限。

2.3 分析地震烈度表結構的易損性估計方法

使用地震烈度表估計某些類型建筑物的易損性也是結構易損性分析的主要途徑之一。地震烈度表是衡量地震時一定地點地震動強烈程度的尺度,通常以人的感覺、器物的反應、建筑物的破壞和地面破壞等現(xiàn)象來描述。烈度表對房屋進行了分類,對破壞程度也進行了分等級,也對在工程上6度到 9度之間不同類型建筑物各種破壞狀態(tài)出現(xiàn)的概率規(guī)定了具體的數(shù)量范圍。即地震烈度表包含了這些類型建筑物在不同烈度下出現(xiàn)不同破壞程度的地震易損性,故使用地震烈度表可以粗略地估計某些類型建筑的易損性。

2.4 簡化結構動力分析方法

簡化結構動力分析的途徑也是建筑物地震易損性估計使用的方法。該方法充分利用簡化結構動力分析的優(yōu)點,可以將結構的地震反應同結構反應的允許值進行比較,把結構破壞同工程參數(shù)及設計標準聯(lián)系起來,盡量利用試驗結果和地震震害的統(tǒng)計資料,對建筑物的抗震性能進行評價。該方法特別適合于沒有地震震害資料或地震震害資料有限的經(jīng)正規(guī)抗震設計的建筑物的易損性估計。

采用結構動力分析進行結構抗震性能估計,首先應建立結構的力學模型,將結構進行簡化,用簡化的理想模型研究多層建筑的地震反應;其次,建立理想化多層建筑模型的運動方程;第三,選擇合適的地震動輸入;第四,采用適當?shù)姆绞角蠼膺\動方程,確定結構的地震反應;第五,依據(jù)地震反應和結構狀態(tài)之間的關系,確定不同地震動下建筑物處于不同狀態(tài)的條件概率。

2.5 依據(jù)抗震設計規(guī)范的建筑物抗震性能評價方法

依據(jù)建筑物抗震設計規(guī)范對建筑物抗震性能進行評價也是結構易損性估計的一種重要途徑。因為建筑物抗震設計是依據(jù)現(xiàn)有的科學水平和經(jīng)濟條件制定的,規(guī)范對抗震設防原則、設計目標、地震作用,建筑物的平面和立面布置,抗震結構體系,非結構構件,材料和施工都作了明確規(guī)定。因此,通過比較結構的承載能力以及地震作用可以估計建筑物的易損性。

3 存在的問題及發(fā)展方向

利用經(jīng)驗模型進行結構易損性分析在很大程度上不得不依賴于對以往震害的理解和應用,震害經(jīng)驗易損性分析法仍然具有不可替代的作用。當然,震害經(jīng)驗易損性估計方法亦有弱點,其一是資料的饋乏和局限性,其二是震害資料豐富的結構往往未經(jīng)正規(guī)抗震設計。故這一方法目前主要用于震害經(jīng)驗較多但未經(jīng)正規(guī)設計建筑物的易損性估計中,很少用于經(jīng)正規(guī)設計但震害經(jīng)驗有限(或缺乏)的建筑物易損性估計中。建立于完整理論分析基礎上的易損性分析方法還有待于發(fā)展。

理論計算的易損性分析方法可以估計經(jīng)正規(guī)設計但震害經(jīng)驗有限(或缺乏)的建筑物易損性。該方法可以將結構的地震反應同結構反應的允許值進行比較,把結構破壞同工程參數(shù)及設計標準聯(lián)系起來,盡量利用試驗結果和地震震害的統(tǒng)計資料,對建筑物的抗震性能進行評價。

因此,發(fā)展一種既包括震害經(jīng)驗又包含理論分析的綜合易損性分析方法是必要的。應該充分利用已有的震害資料和試驗結果,盡可能將影響結構破壞的主要因素考慮在內,采用理論分析的方法、經(jīng)驗分析的方法或兩者結合的方式,估計建筑物的地震易損性;將能收集到的結構資料按對易損性最終結果的精度和可靠性貢獻的大小進行排序,優(yōu)先考慮對精度和可靠性貢獻大的因素。在滿足精度和可靠性的前提下,盡量使用影響較大的主要信息。當沒有什么資料可供使用時,也應該依據(jù)專家的判斷,或利用地震烈度表粗略地估計某些類型建筑物的易損性;對缺乏震害經(jīng)驗的經(jīng)正規(guī)設計的工程結構,使用理論分析的方法估計這類結構的地震易損性。也就是說,根據(jù)所能提供承災體資料的詳細程度及其易損性估計精度的要求,以不同層次的方式分別估計結構的易損性。

總之,應該發(fā)展一種能將理論計算的易損性分析和觀測資料的易損性分析方法的優(yōu)點結合在一起的綜合方法,對建筑物結構的地震易損性進行估計,以滿足不同精度不同層次的要求;應研究以地震烈度、地震動峰值加速度及其反應譜等地震動參數(shù)作為地震動輸入的結構易損性分析方法,將使結構易損性分析、地震破壞和損失預測更加完善。

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