武汉市公办幼儿园建筑物震害预测及抗震评价

江宜城， 吴如强， 聂肃非， 李江华， 李 黎

(1.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074;2.武汉市抗震办公室， 湖北 武汉 430023)

随着新一代工程建设标准的颁布实施，我国进入了新一轮抗震防灾规划的研究和编制时期，震害预测工作是抗震防灾规划基础研究的重要组成部分，是规划编制的依据。根据《武汉市抗震防灾规划纲要》，武汉市城区建筑评价范围包括江岸、江汉、硚口、汉阳、青山、武昌、洪山7个中心城区，武汉经济技术开发区和东湖新技术开发区2个开发区。本文对武汉市公办幼儿园建筑物进行了抗震调查和震害预测研究，研究结果基本反映了武汉市公办幼儿园建筑抗震水准，给下阶段规划幼儿园建筑抗震加固改造方案以及实施设计、施工提供参考。

1 抗震调查分类统计

根据《武汉市抗震防灾规划纲要》大纲要求、教育部和城乡建设部关于做好学校校舍抗震安全排查及有关事项的通知(教发【2008】19号文件)以及《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223-2008)，幼儿园的教学用房、学生宿舍和食堂属于重点设防类。

武汉是湖北省省会，在《中华人民共和国地震动参数区划图》上，大部份位于0.05g基本地震加速度分区及0.35 s特征周期分区，地震基本烈度为VI度，属抗震设防区。依据近两年采用的《武汉市(主城规划区)地震动参数小区划图》，武汉市主城区小区划范围内的地震基本烈度仍为VI度，但设计地震动参数有较大的变化(接近七度)。为了充分利用地震动小区划参数研究，并切实反应武汉市城区建筑的抗震能力，对现有的基于抗震规范的抗震性能评价方法中的相关参数进行适当的调整，将其调整为武汉市小区划地震动参数，即采用“三水准”抗震性能评价方法，对武汉市公办幼儿园建筑的震害预测和抗震性能评价采用小震(50年超越概率63.2%)、中震(50年超越概率10%)、大震(50年超越概率2%)以及巨震(50年巨震)情况下分五级给出结果。

对武汉市公办幼儿园建筑的抗震性能评价，按普查、统计、计算分析、结论这几个步骤来进行，最终统计出所调查的幼儿园建筑在小震、中震、大震以及巨震下基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、完全毁坏的比例，给出震害矩阵；列出每个抗震分区内需要进行拆除或者加固的建筑物。

根据调查内容，设计武汉市幼儿园建筑物调查表，该表格涵盖了需要调查的基本资料，包括：幼儿园名称、地址、所在城区、建筑物名称、目前用途、建设年代、建筑面积、层数、平面形状、结构类型、安全鉴定等级等信息，填表人、联系电话、调查日期以及必要的说明等。共调查公办幼儿园206所，幼儿园建筑271栋，总面积386656 m2；部分幼儿园建筑见图1。按结构类型、建设年代进行统计，具体结果见表1、表2，建设年代的统计按国家抗震规范颁布时间再加2年来划分。

由调查结果可以看出，武汉市幼儿园建筑主要集中在框架和砌体这两种结构型式，砌体结构是脆性性质，易导致震害发生，尤其是幼儿园建筑横墙较少，当地震烈度较高时，容易发生震害。

表1 幼儿园建筑物数量统计

图1 幼儿园部分建筑

结构类型框架砌体合计栋 数72199271比 例26.6%73.4%100.0%面积/m2134744251912386656比 例34.8%65.2%100.0%

2 震害预测及抗震评价

对所调查的武汉市幼儿园重要建筑物，共计271栋，进行了单体震害评价预测，得出每一栋幼儿园建筑在小震、中震、大震以及巨震下单体的抗震性能评价结果，分五级给出建筑在不同地震烈度下的抗震性能评价：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、毁坏(清单表格略)，分别就这些幼儿园建筑的震害表现进行统计，得出相应的震害矩阵。

单体震害预测是根据设计图纸，建立力学模型，计算该栋建筑物在小震时(50年超越概率63.2%)，中震时(50年超越概率10%)，大震时(50年超越概率2%)以及巨震(50年巨震)时的表现，给出建筑在不同地震烈度下的震害指数，根据震害指数给出对应的评价结果，见表3。对于图纸缺失的建筑物，采用震害类比预测，其基本原理是利用加权海明(hamming)距离来度量2幢建筑物之间的相似程度：

表3 某幼儿园建筑物震害预测结果

(1)

式中，f(X,Y)为海明距离；X、Y为2幢不同的建筑物；xi、yi为建筑物需要类比的参数；ωi为权重，表示每个因素的主要程度，n为类比参数个数。

若已知N幢建筑物单体Sj(j=1,2,…,N)震害结果，则建筑物X的震害结果和建筑物Sβ的震害结果相当，β∈[1,N]，只要满足：

(2)

利用待测建筑物与样本库中所具有相同结构类型的建筑物进行类比，其海明距离为：

f=[f11f12…f1n]

(3)

并取海明距离中的最小5个值所对应的建筑物震害指数Ii进行平均，以减小震害结果的不确定性：

(4)

武汉市幼儿园建筑整体震害矩阵按栋数百分比和面积百分比统计结果见表4和表5，相应的直方图见图2和图3。幼儿园建筑砌体和框架结构的震害矩阵见表6、表7。

表4 幼儿园建筑震害矩阵(栋数百分比)

图2 幼儿园建筑震害矩阵直方图(栋数比)

类别基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌小震92.087.920.000.000.00中震8.7279.9011.380.000.00大震0.0050.0739.5010.430.00巨震0.000.0074.8121.643.56

图3 幼儿园建筑震害矩阵直方图(面积比)

类别基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌小震78.8021.200.000.000.00中震0.4565.3234.230.000.00大震0.0034.8735.4229.710.00巨震0.000.0043.5445.7110.75

表7 幼儿园建筑框架结构震害矩阵(面积百分比)

3 抗震性能综合分析

通过对武汉市公办幼儿园建筑调查、分类统计以及抗震评价，可以得出这些建筑的抗震能力现状以及震害预测。满足抗震要求的幼儿园建筑占84.5%，不满足抗震要求的占15.5%(栋数比)；满足抗震要求的幼儿园建筑占89.57%，不满足抗震要求的占10.43%(面积比)。

按结构型式来看，武汉市公办幼儿园建筑以砌体结构与框架结构为主。砌体结构与框架结构小震下均未出现中等破坏及以上情况；中震下没有发生严重破坏与倒塌的建筑；幼儿园建筑框架结构抗震性能优于砌体结构抗震性能。为了保证这些建筑在地震中的安全性，需要采取必要的抗震减灾措施，对不满足抗震要求的建筑进行改造加固。

4 建议及结论

通过对武汉市公办幼儿园(武汉市7个行政区、2个国家级开发区的206所公办幼儿园的271栋建筑，建筑面积386656 m2)的抗震调查意见评价和震害预测，其中10.43%的幼儿园建筑约40328 m2，在大震时严重破坏或完全毁坏；25.02%的建筑约96741 m2在巨震情况下发生严重破坏与倒塌，这基本反映了武汉市幼儿园建筑的抗震水准，可以给下阶段建筑抗震改造加固方案的制定以及设计施工提供参考。

[1]武汉市城乡建设委员会.武汉市抗震防灾规划纲要(2008-2020年)[Z].武汉：武汉市城乡建设委员会，2009.

[2]教发[2008]19号文件，教育部 住房和城乡建设部关于做好学校校舍抗震安全排查及有关事项的通知[Z].北京:中华人民共和国教育部，2008.

[3]GB 50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].