廊坊市重要建筑物易損性分析

呂國軍+張合+孫麗娜+劉志輝

摘要：采用PKPM SATWE結構空間有限元分析軟件建模計算法對廊坊市101棟重要建筑物進行結構易損性分析，以破壞等級為結果指標給出每棟抽樣建筑的震害預測結果，按照建筑物結構類型、建設年代和建設用途形成各自震害矩陣并給出所有重要建筑物的總震害矩陣，對各類建筑物的抗震能力進行綜合評價。

關鍵詞：空間有限元；易損性分析；震害矩陣；抗震能力

中圖分類號：P315.9文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0638-08

0引言

歷次地震用生命的代價為我們留下了寶貴的震害經驗，2008年汶川8級大地震全面檢驗了各類建筑物的抗震能力（高惠瑛等，2010），北川中學、映秀中心小學、北川多所黨政機關辦公樓倒塌，傷亡慘重。總結這些經驗教訓，可以為我們調查研究建筑物工程結構易損性提供示例從而更合理地進行震害預測。

本文運用PKPM SATWE結構空間有限元分析軟件建模計算法（吳桂芬，2012；段姣姣，2012）對廊坊市101棟重要建筑物進行結構易損性分析（尹之潛，1991），給出重要建筑物的震害矩陣（尹之潛，1994；常業軍，馬克儉，2000；常業軍，吳明友，2001），找出其薄弱環節，有針對性地采取預防措施。

1易損性分析方法

1.1PKPM SATWE結構空間有限元分析軟件建模計算法重要建筑物的分析工作主要為核查建筑物的抗震構造措施和采用有限元分析程序對建筑物進行建模分析。對于磚混結構和鋼筋混凝土框架結構采用PKPM結構抗震鑒定模塊進行結構的抗震驗算，對于鋼筋混凝土剪力墻結構和框架-剪力墻結構采用PKPM SATWE模塊進行驗算。具體步驟如下：

（1）根據收集到的廓坊市101棟重要建筑物的竣工圖紙資料，讀取結構的實際詳細設計信息，包括建筑物結構構件的布置情況、截面尺寸、材料強度、承重構件配筋情況、荷載分布情況等，其中混凝土強度采用圖紙注明的設計強度作為實際強度，對于進行了現場測試的建筑物采用混凝土的實測強度作為材料的實際強度，框架結構中混凝土柱內的鋼筋配置采用圖紙注明的配筋方式，然后按照《建筑抗震鑒定標準》（GB50023—2009）進行驗算鑒定。

（2）對于磚混結構建筑和鋼筋混凝土框架建筑，首先進行一級鑒定，即結構整體性態和抗震構造措施核查，主要內容包括：建筑總高度和層數、層高，建筑結構體系平立面的規則性，體系抗震薄弱環節，承重構件截面尺寸，構件連接和支撐情況，非結構構件布置情況，材料強度，地基類型和基礎形式等，根據核查的情況確定結構的體系影響系數和局部影響系數。然后進行二級鑒定：采用PKPM有限元軟件按照結構的實際設計方案建立三維計算模型。該結構模型的綜合抗震能力指數，代表了整個建筑結構綜合考慮其構造和承載力等因素所具有的抵抗地震作用的能力；相應于破壞指數，代表建筑物遇到地震時抵御地震災害的能力（張風華，2002），綜合考慮兩級鑒定的結果對結構進行抗震能力評估（白雪霜，2012）。對于鋼筋混凝土剪力墻結構和框架-剪力墻結構，直接根據建筑結構施工圖提取結構構件設計信息，采用PKPM有限元軟件建立三維計算模型，然后采用SATWE結構分析軟件計算結構的承載力和變形情況，根據計算結果分析結構的易損性。

（3）計算結果分析。按結構分析計算得到的樓層綜合抗震能力指數確定結構可能發生的震害等級。

1.2以廊坊市人民醫院門診樓框架結構為算例廊坊市人民醫院門診樓建于1998年，地上7層，局部8層。第一層高為6.3 m，其余層高3.3 m。室內外高差為0.6 m。結構型式為框架結構，現澆樓板，樓板厚為120 mm。地區抗震設防烈度為Ⅷ度（0.20 g），設計地震分組為第一組，框架抗震等級為二級，場地類別為Ⅲ類。本結構抗震設防類別為乙類。基本風壓為0.40 KN/m2。采用C30混凝土。

地震研究40卷第4期呂國軍等：廊坊市重要建筑物易損性分析采用PKPM軟件建立該工程結構計算的有限元模型，如圖1所示。根據《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068—2001），以綜合抗震能力指數為判斷指標，結合Ⅶ～Ⅸ度下的震害等級與綜合抗震能力指數的關系式（建筑抗震設計規范，GB50011—2010）。樓層綜合抗震能力指數計算式：β=ψ1ψ2ζy（1）ζy=Vy/Ve（2）Vy =∑Vcy+0.7∑Vmy+0.7∑Vwy（3）式中：β為平面結構樓層綜合抗震能力指數；ψ1為體系影響系數，取值1.25；ψ2為局部影響系數，取值0.85；ζy為樓層屈服強度系數；Vy為樓層的彈性地震剪力；Ve為樓層現有受剪承載力；∑Vcy為框架柱層間現有受剪承載力之和；∑Vmy為磚填充墻框架層間現有受剪承載力之和；∑Vwy為抗震墻層間現有受剪承載力之和。

樓層的彈性地震剪力，采用底部剪力法計算。地震作用按《建筑抗震鑒定標準》（GB50023—2009）3.0.5條的規定計算，地震作用分項系數取1.0。

鋼筋混凝土框架結構的樓層綜合抗震能力指數與震害破壞等級之間的關系如1所示。

在Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度地震作用下，該建筑的綜合抗震能力指數和破壞狀態如表2所示。

2.1重要建筑物調查情況在建筑物抗震防災的研究方面，根據建筑物的重要性將現有建筑物分為重要建筑和一般建筑物進行震害預測。重要建筑物包括黨政機關、抗震救災指揮部等部門的主要辦公樓；公安、消防、醫療救護、學校、影劇院等單位的主要建筑物；生命線工程系統的重要建筑物（地震災害預測及其信息管理系統技術規范，GB/T 19428—2013）。

在收集資料的基礎上，對廊坊市重要建筑物進行了實地調查，并填寫每棟建筑的完整信息，包括結構形式、建造年代、層數、面積、用途、薄弱環節以及現狀評價等，共調查重要建筑物101棟，總建筑面積為248 603 m2。從表3中可以看出鋼筋混凝土框架結構是目前廊坊市重要建筑物中使用最多一種結構形式，占調查總面積的49.81%、調查總棟數的46.53%，該框架結構采用現澆梁、板、柱，空間布置靈活，抗震性能較好；多層磚混結構建筑，占總調查棟數的43.56%，面積比為31.26%，僅次于框架結構比例；框架-剪力墻結構既有框架結構空間布置靈活的優點，又具有很好的抗震能力，2000年以后的建筑廣泛地采用該種結構形式；底層框架結構是在底下幾層使用框架結構，而框架上面各層使用磚混砌體的結構形式，其抗震能力較弱，具有“頭重腳輕、上剛下柔”的特點；20世紀80、90年代修建的建筑以學校和醫院居多，多為磚混結構，預制樓板，施工質量一般，抗震能力相對較差。2000年以后建的多層住宅樓也有一些是磚混結構，樓板為現澆鋼筋混凝土的，施工質量也較以前有所提高，抗震能力有所提高。endprint

2.2重要建筑物易損性分析結果

采用PKPM有限元建模分析計算法對101棟重要建筑物進行抗震能力分析。表4給出了廊坊市重要建筑物破壞狀態的震害預測結果。為了驗證該方法的可行性，我們隨意抽取25棟重要建筑物，其中磚混結構有12棟，框架結構10棟，框架-剪力墻結構3棟。采用震害因子法（仝永德，2008；高杰等，2007；孟紫陽等，2013）計算得到震害指數矩陣，根據震害指數矩陣得到了這25棟建筑物的震害預測結果，與PKPM有限元建模分析計算法結果進行對比（圖2），發現兩種方法的計算結果相符。表5～7 給出了重要建筑物按結構類型、建設年代和建設用途分類在不同烈度下發生各種破壞等級的面積和棟數震害矩陣。廊坊市抗震設防烈度為Ⅷ度（高孟潭等，2015），當遭遇Ⅷ度地震影響時，有8%的磚混結構房屋遭受嚴重破壞（表5）；20世紀80年代的建筑有13%房屋遭受嚴重破壞（表6）；有32.43%的住宅、6.25%的廠房、3.49%的醫院和0.43%的教學房屋面積發生嚴重破壞（表7）。當遭遇Ⅸ度地震時，這些遭遇Ⅷ度地震影響并發生嚴重破壞的重要建筑物會發生毀壞，因此這些類型房屋應該采取必要的抗震加固措施。

根據廊坊市重要建筑物不同類型易損性矩陣和所有重要建筑物易損性矩陣（表8），通過計算得到了不同類型重要建筑物平均的抗震能力指數分布圖和總平均震害指數圖（圖3），從圖3a、b中可以看到按照建設年代分：20世紀80年代所建建筑物抗震能力最弱，21世紀初所建建筑物抗震能力最強；按照結構類型分：磚混結構建筑物抗震能力最弱，框剪結構建筑物抗震能力最強；按照用途分：廠房抗震能力最差，住宅和通訊用的建筑物其次，醫院和學校抗震能力較強。

圖3c給出了廊坊市所有重要建筑物的總體平均震害指數（地震災害預測及其信息管理技術系統規范，GB/T 19428—2013），震害指數與房屋建筑破壞比是對應抽樣調查點或烈度區判定烈度的量化指標，也是定量研究某烈度區或調查點房屋建筑震害的重要依據（盧永坤等，2014）。結合表5，當建筑物遭受Ⅶ度（相當于50年超越概率63%，小震）地震影響時震害指數為0.12，56.58%的房屋面積為基本完好，計140 660 m2；40.92%的房屋面積受輕微破壞，計101 728 m2；2.50%的房屋面積為中等破壞，計6 215 m2。當建筑物遭受Ⅷ度（相當于50年超越概率10%，中震）地震影響時震害指數為0.29，0.57%房屋面積為基本完好，計1 417 m2；56.01%的房屋面積受輕微破壞，計139 243 m2；40.92%的房屋面積為中等破壞，計101 728 m2；2.50%的房屋面積為嚴重破壞，計6 215 m2。當建筑物遭受Ⅸ度（相當于50年超越概率2%，大震）地震影響時震害指數為0.53，0.57%房屋面積為輕微破壞，計1 417 m2；56.01%的房屋面積為中等破壞，計139 243 m2；40.92%的房屋面積為嚴重破壞，計101 728 m2；2.50%的房屋面積為毀壞，計6 215 m2。其破壞狀態基本上滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防標準。

3結論與建議

采用PKPM SATWE結構空間有限元分析軟件建模計算法對廊坊市101棟重要建筑物進行易損性分析，結果表明廊坊市重要建筑物基本符合“三水準”設計要求，有一定的抗震能力。特別是2000年以來新建的以鋼筋混凝土框架結構為主的建筑，抗震性能較好。但是2000年以前所建磚混結構房屋大多為預制樓板，抗震能力較差，相當一部分醫院、學校等重要建筑也采用抗震能力較弱的磚混結構，抗震能力明顯不足，安全隱患較多。

建議對磚混結構房屋進行加固處理，特別是醫院、學校等重要建筑要經過專門的抗震鑒定進行改造、加固或重建，在此過程中優先采用鋼筋混凝土結構體系，設計中注意平、立面規則，盡量避免出現室外樓梯、不同建筑間的連廊、笨重磚砌護欄等不利于抗震的設計。

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