中小学建筑抗震性能评价方法研究

龙晓鸿， 李 黎， 孙 明， 刘卫国

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074；2. 武汉市城乡建设委员会， 湖北 武汉 430023； 3.武汉市抗震办公室， 湖北 武汉 430023)

教育系统建筑相比其它建筑，由于使用功能的要求，教学楼竖向结构体系相对单薄，强度和刚度不足；传统的砖木结构和砖混结构缺乏必要的整体连接措施而且建筑体型不对称，这些都可能导致地震中教育系统建筑的严重破坏或完全坍塌倾倒。2008年7月，住房和城乡建设部、国家质量监督检验检疫总局联合发布了新修订的《建筑抗震设计规范》(2008版)[1]和《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)[2]，其中将学校校舍等人员密集的公共建筑提高到重点设防类，学校建筑的抗震设防烈度要高于本地1度。基于此，开展教育系统建筑的抗震性能评价方法研究是十分必要和有意义的。

汶川地震后，武汉市作为特大型城市，为了防患于未然，陆续开展了武汉市抗震防灾规划修编和中小学校工程抗震排查鉴定工作[3]。在某种程度上，采取现有的抗震鉴定标准对中小学建筑进行详细的抗震鉴定是完全可行的，但存在的最大的问题和困难是：需要鉴定的建筑量大面广，又加之后续的补强加固工作十分艰巨，要求在规定时间内很好地完成这项任务，势必要投入大量的人力和物力。通过对教育系统建筑抗震性能评价方法的研究，能较好地解决上述问题和困难，基本思路是：首先根据收集的建筑资料提取结构的计算参数，然后采用不同的简化计算方法或建立三维有限元模型进行结构的对比分析计算，进行详细的单体计算形成样本库；然后，采用面向对象的可视化编程技术建立评价系统，系统中的程序采用Visual Basic编制，建筑物的样本及调查数据采用Access数据库进行建立和管理，与程序进行开放连接；最后，在此平台上，采用模糊类比法对所调查的建筑进行群体抗震性能评价。其评价结果可为武汉市中小学校安工程抗震排查鉴定工作提供参考。

1 单体建筑的抗震性能评价

目前国内外单体建筑物的震害预测主要形成了六种方法，包括：历史震害统计法、专家评估法、模糊类比法、半经验半理论法、结构理论计算方法和动态分析法[4]。针对不同的建筑型式分别采用不同的方法，常规的砌体、内框、底框、框架、框剪结构以及工业厂房需要样本，即需要收集大量有代表性的图纸来进行抗震性能评价计算，以此形成相应的样本库；对老旧民房和体育馆等公共建筑由于没有现成的简化评价方法，故只能基于已有的震害记录，通过大量统计分析得到震害矩阵用于现有调查房屋的评价；对于某些古建筑、城中村建筑以及农村民居，既没有相应的图纸也没有现成的简化评价方法，我们提出了现场实测结合结构理论计算的方法进行抗震性能评价。通过现场实测获得结构振动模态或者结构尺寸以及材料力学性能参数，然后利用振型分解法或者使用PKPM、ETABS等软件进行结构分析获得结构的震害情况。

对于武汉市教育系统建筑而言，其结构型式共分为五大类，即砌体结构、框架结构、砖木结构、排架结构和钢结构；其中又以砌体结构和框架结构占绝对比重。为此，下面就主要针对这两类结构的抗震性能评价方法展开探讨。另外，为了验证评价方法的正确性和可靠性，将简化方法与有限元建模方法进行了比较。

1.1 多层砌体房屋抗震性能评价

1.1.1简化方法

砌体房屋抵抗地震力的主要构件是墙体。震害表明墙体的破坏主要是剪力引起的，墙体的抗剪强度是砌体结构抗震能力的主要标志[5]。墙的密度越大，抵抗地震的能力也就越强。基于楼层单位面积的平均抗剪强度作为砌体结构房屋的抗震能力指标的楼层单位面积平均抗剪强度系数法可以作为多层砌体房屋抗震性能评价的简化方法，砌体结构震害等级和相应的震害指数如表1所示。在Excel软件环境下编写了相应的计算模板。

表1 砌体结构震害等级和相应的震害指数

1.1.2PKPM建模方法

同时为了验证简化方法的有效性，使用有限元方法(PKPM建模)进行校核，其计算过程为：

a)底部剪力法计算各层地震作用；

b)按照楼面刚度和墙体侧向刚度分配地震剪力到每个墙段；

c)倒算楼面荷载和墙体自重计算墙体压应力；

盘点河南现代戏40年的成就和经验的同时，我们也看到了目前存在的问题，例如编剧、导演、音乐创作人员的青黄不接，演员队伍整体创造能力的下降，创作中过分强调题材的重大而忽视文化层面和人的精神层面的深入开掘，等等。我们也相信，在今后的戏剧创作实践中，河南一定能发扬成绩，总结经验，弥补不足，把河南现代戏创作和生产推向新阶段。

d)计算各砖墙的抗震承载力系数ξw(即抗力与效应的比值)；

e)基于不同破坏状态时ξw值的范围(见表2)，对该砌体结构进行抗震性能评价。

表2 不同破坏状态的ξw范围

1.1.3算例分析

采用上述方法，以某学校住宅楼为例，该建筑6层，建于1979年。采用PKPM软件建立的三维有限元模型如图1所示。该栋建筑分别利用PKPM和简化方法计算的震害预测结果如表3。

图1 砌体结构有限元模型

设防烈度小震中震大震震害指数D0.050.490.804震害评价(简化方法)基本完好中等破坏严重破坏抗震系数ξw1.730.710.37震害评价(PKPM建模)基本完好中等破坏严重破坏

从上表可知，PKPM计算与简化方法得出的震害评价结果完全吻合，达到了验证的目的。建议针对平面布置形式比较复杂的结构，应优先以PKPM的计算结果为准，简化方法将存在一定的误差。

1.2 钢筋混凝土房屋抗震性能评价

1.2.1简化方法

钢筋混凝土结构一般分为框架、剪力墙及框剪结构三种。在我国钢筋混凝土结构的震害经验、特别是带有统计性的震害资料不多。该类结构的地震反应与其层间屈服承载能力(通常用层间抗剪或抗弯屈服承载力系数ξ表征)密切相关。对该类结构通常先计算各层层间屈服强度系数，从而确定薄弱楼层并求得其对应的延伸率μ，然后兼顾现行的建筑抗震设计规范和抗震鉴定标准以及影响震害的因素进行修正最后用修正得到的μmax作为其震害的判断指标，从而确定结构的震害，如表4所示。

表4 震害等级与延伸率的关系

按结构有限元分析计算得到的建筑物层间变形为主要指标，将计算得到的结果对照表5进行震害预测判别。

表5 框架结构震害等级与层间位移角度的关系

1.2.3算例分析

该工程实例为二七新综合楼工程，13层框剪结构，设计时间为1993年。采用ETABS建模，计算得到的前两阶振型如图2所示，得到简化方法与ETABS建模方法计算结果如表6所示。

图2 框架结构有限元模型

评价指标地震影响系数αmax震害指数预测结果最大层间位移角(ETABS建模)0.075(小震)0.000592基本完好0.2(中震)0.001579基本完好0.35(大震)0.002765轻微破坏最大楼层延伸率(简化方法)0.075(小震)0.02基本完好0.2(中震)0.47基本完好0.35(大震)1.26轻微破坏

从表6可知，ETABS建模与简化方法得出的震害评价结果有一定的比较性，达到了验证的目的。建议针对平面布置形式比较复杂且房屋高度超过40 m的结构，应优先以ETABS的计算结果为准，简化方法将存在一定的误差。

2 群体建筑抗震性能评价

群体建筑抗震性能评价的基本原理是利用加权海明距离来度量2幢建筑之间的相似程度：

(1)

其中，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(i=1,2,…,n)为权重，表示每个因素的重要程度；n为类比参数个数。如果已知N幢建筑物单体Sj(j=1,2,…,N)抗震性能评价结果，则建筑物X的评价结果与建筑物Sβ的震害结果相当，β∈[1,N]，只要满足：

(2)

选取建筑的用途、建设年代、场地类别和建筑层数作为抗震性能评价的类比参数，按照其对建筑物易损性的影响程度分别给予不同的权重。震害因子量化方案采取了“同趋向”原则，即对于表中各因素取值大小的排列顺序与结构抗震性能的强弱有规律性的对应关系，所取的值越大，对应的易损性情况越好。

利用调查建筑与样本建筑中所具有相同结构类型的建筑进行类比，其海明距离为：

f=[f11f12…f1n]

(3)

其中，最小值fmin所对应的建筑抗震性能评价结果从表面上看来与调查建筑的评价结果最为相似，应取其作为待测建筑物的震害预测结果。但是在类比过程中所选用的因素的影响，且由于样本库中样本结果具有一定的不确定性，导致震害预测结果可能会产生一定的误差。为此，取海明距离中的最小5个值，对其所对应的建筑物震害指数进行平均，以减小震害结果的不确定性。以Ii(i=1,2,3,4,5)表示所取得海明距离最小的5个值所对应的建筑物震害指数，则调查建筑的评价结果为：

(4)

图3 评价系统数据输入界面

图4 评价系统震害预测界面

采用上述方法，评价系统采用面向对象的可视化编程技术，通过标准的Windows风格界面实现所有功能，系统中的程序采用Visual Basic编制，建筑物的样本及调查数据采用Access数据库进行建立和管理，与程序进行开放连接。评价系统的输入界面及震害预测界面分别如图3、图4所示。

3 结 论

通过对武汉市中小学抗震性能评价方法的研究，得到的结论是在单体建筑抗震性能评价中，通过已有简化方法和有限元建模分析相结合的手段自建样本库，可以很好的结论保证样本库中样本评价结果的正确性；另外，通过评价系统的研制，采用模糊类比的方法可较好地完成所调查的建筑抗震性能评价。该评价方法可为其他城市中小学建筑的抗震性能评价提供参考。

[1]GB 50011-2008，建筑抗震设计规范[S].

[2]GB 50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].

[3]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.

[4]乔亚玲，闫维明．建筑结构震害预测方法研究评述[J]．工业建筑，2005，35(6): 1-5.

[5]尹之潜．地震灾害及损失预测方法[M]．北京： 地震出版社，1995.