結構地震易損性分析的研究

邱柏淞 張亮泉 毛晨曦

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

結構地震易損性分析的研究

邱柏淞1張亮泉1毛晨曦2

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

介紹了地震易損性分析在國內外的研究現狀，基于結構易損性分析的必要性，從結構易損性分析的原理、分析方法、分析流程等方面，對結構易損性分析進行了研究，指出該研究對結構抗震安全性的評定、結構抗震設計等具有重要的意義。

結構，地震易損性，地震風險

0 引言

建筑結構的地震易損性分析是評估建筑在地震后的破壞以及震后經濟損失估計的基礎,同時也在對建筑物震害進行預測中占有著非常重要的地位。對結構易損性更深入的研究可以用來對結構在震后的破壞程度和經濟損失進行預測，以及對震后的恢復重建工作起到十分重要的作用。同時對結構進行地震易損性分析還可以預測結構在不同強度等級的地震作用下發生各級破壞的概率,由于地震造成的人員傷亡、直接和間接經濟損失主要是建筑物的倒塌和使用功能的喪失，綜上所述對建筑物進行結構易損性分析的研究，不但可以用于在地震之前對結構進行災害的預測，還可以用于對建筑物的結構進行震后損失評估，為地震災害損失評估提供依據。

1 地震易損性分析的國內與國外的研究現狀

1.1 地震易損性分析的國外研究現狀

地震易損性分析的概念最早由美國學者Comell在20世紀60年代末首次提出，并于70年代初將該方法用于實際建筑物中進行地震易損性分析。隨后Pasticier等人又引入增量動力分析方法來評估結構的易損性。在大量研究者研究結果的基礎上，美國地震損失評估軟件HAZUS采用性能設計理論和能力譜方法,計算結構的地震反應,給出了不同類型建筑結構的地震易損性曲線，用于工程實踐。

1.2 地震易損性分析的國內研究現狀

崔杰等人采用PERFORM-3D有限元分析軟件對典型框剪結構的地震易損性及經濟性分析研究，以典型框剪結構為例，建立纖維截面模型，對不同的框剪結構進行整體性能指數的評價，即對每個框架結構進行地震易損性分析以及地震經濟損失分析。劉詩語等人對廣東省惠州市和陽江市的通信樞紐建筑中的通信設備和通信塔架進行了震害預測和地震易損性分析研究，利用ABAQUS有限元分析軟件建立典型通信塔架結構有限元結構模型，并對其進行模態分析，分別得出典型塔架結構前六階模態振型和塔架的曲線用超立方采樣技術，其中塔架所用鋼材抗拉極限強度的隨機性、鋼材延伸率的隨機性，都在其考慮范圍內，對輸入地震動的隨機性，對塔架結構地震反應的效果進行統計和分析，得到該塔架地震反應概率分布的特征，并列出結構在不同損傷破壞程度下的易損性曲線。

2 結構易損性分析的必要性及原理

對易損性分析的目的主要是為了獲得地震強度大小與建筑物在震后結構上破壞的程度之間的關系，從而獲得結構的地震危險性以及震后的經濟損失。建筑的地震風險指的是在規定的時間內,在所研究的區域內,地震災害對社會和經濟的危害大小。它反映了地震災害對承災體的破壞程度以及對震后的連帶破壞所帶來的其他相關損失。地震風險的表達式：地震風險=地震危險性×地震易損性×震后經濟損失。

結構易損性分析不但可對某一結構在地震動的作用下的損傷情況進行預測，也可對該地區的其他潛在風險進行預測，做好前期的準備，提高建筑結構的抗震設計指標。在不同地震作用下對結構進行易損性分析，主要工作是處理結構在不同強度的地震動作用下，結構發生不同程度破壞的可能性，也可以說是結構承受超過本身極限狀態下的破壞概率。

3 結構易損性的分析方法

3.1 判斷易損性法

主要基于專家和工程人員的個人經驗，對房屋進行大范圍的估計判斷。該分析方式最早由美國學者Whiteman提出，首次使用超過50位專家并且對36棟不同級別但處于同一地區的房屋，通過對該地區其他建筑地震損傷分析的基礎上給出這36棟建筑的損傷估計系數。

3.2 經驗易損性分析

此方法針對以往地震后，對現場進行檢測得到的房屋損傷狀況的數據為基礎，將結構在不同地面的震動強度下損傷狀況的數據進一步進行分析匯總并給出易損性曲線，此方法第一次的應用是由日本學者Miyakoshi和Hayashi通過檢測分析1995年日本的阪神大地震后房屋的受損情況數據，得到該地區的房屋損傷檢測數據。該方法主要基于對地震震害經驗的統計匯總，可以反映出地震破壞的實際情況，但是對于經驗的統計這種方法只能得出建筑物損傷率的均值和方差，且可以參考的可估計建筑的地震易損性數據是有限的。

3.3 試驗易損性法

該方法的優點是可以自由選擇符合應用的模型，首先建立結構的力學模型，將結構進行簡化，用簡化的模型代替原本建筑來進行地震反應的分析。該方法可以盡可能簡化結構動力分析的優點,可以將結構試驗得出的地震反應形變值同理論上的結構反應形變允許值進行對比，并對建筑物進行抗震性能的評價。但是該方法容易受到樣本數量、實驗環境、設備、材料等條件的限制，導致實驗法研究結構易損性的結果存在一定的誤差。

3.4 理論分析易損性法

該方法通過對結構進行有限元模型的建立，選擇實際發生過或人工假設構造的地震波對結構進行彈塑性分析，增量動力分析，時程分析等相關分析，得出結構的能力曲線，進一步得到易損性矩陣。理論分析方法的優點:在對結構施加地震波時可以控制加載水平，更加容易實現對結構損傷參數的研究。

4 易損性分析流程

分析結構的易損性首先要明確建筑設計初期對結構抗震性能的目標，建立結構模型，選擇地震動強度參數對模型進行施壓，通過判斷結構的最大層間位移角或最大層間位移變形來衡量結構整體性能的基礎上建立基于建筑整體性能指標的可靠度極限狀態下的方程，并對所選取的結構進行基于有限元的建模和相應狀態下的概率分析，將基于結構可靠度原理計算的理論值與結構有限元反應分析所得出的模擬值進行對比分析，再通過改變模型的地震動強度參數的輸入值，反復加載模擬計算并進行增量動力分析，得到結構在不同強度地震動作用下的條件失效概率矩陣。基本原理流程如圖1所示。

5 結構破壞等級與性能水平的劃分

我國把房屋的破壞劃分為五個等級：倒塌、嚴重破壞、中等破壞、輕微破壞和基本完好，以及“小震不壞，中震可修，大震不倒”3個標準的抗震設防理念。在土木工程結構中一般把結構的變形大小用作衡量結構整體性能高低的標準，我們一般取最大層間位移角或者是最大層間相對變形作為結構的整體性能指標。最大層間變形[θ]1/R,其中R為常數,對于框架結構,R=500,對于框架—剪力墻結構和剪力墻結構,R=1 000。其三者之間的關系如表1所示。

表1 結構破壞等級與最大層間位移角、層間變形之間的關系

6 結語

結構的地震易損性分析是土木工程結構在地震風險分析中的一個重要組成部分，此研究對結構的抗震安全性的評定以及相應防災措施的制定、結構抗震性能的預測、結構抗震設計等具有重要的意義并提供相應的理論參考依據。以地震烈度，地震峰值加速度及地震參數作為輸入項對結構進行易損性分析，可使地震破壞和震后的經濟、結構上的損失預測更加完善。

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On analysis of earthquake vulnerability of structures

Qiu Baisong1Zhang Liangquan1Mao Chenxi2

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.InstituteofEngineeringMechanics,ChinaSeismologicalBureau,Harbin150040,China)

The paper introduces the research on the earthquake vulnerability at home and abroad, researches the structural vulnerable analysis from the principle, methods, and analyzing procedure for the structure vulnerability based on the its necessity, and points out the research is meaningful for the evaluation of the structural seismic safety and the structural seismic design.

structure, earthquake vulnerability, seismic risk

1009-6825(2017)22-0030-03

2017-05-26

邱柏淞(1993- )，男，在讀碩士； 張亮泉(1974- )，男，副教授； 毛晨曦(1974- )，女，研究員

TU311.3

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