基于抗震性能普查数据的城区群体建筑震害预测初探

2014-11-20何萍，王挺

华南地震 2014年1期

何萍，王挺

(广东省地震局，广东广州 510070）

0 引言

广东省防震减灾“十一五”重点项目“重点监视防御区县级以上城市建（构）筑物抗震性能普查”项目在2009～2012年对我省沿海13个地级市(广州、深圳、珠海、佛山、江门、东莞、中山、湛江、茂名、阳江、汕头、潮州、揭阳)的部分建(构)筑物抗震性能进行了普查，共计普查建筑物57.3万栋，普查总建筑面积达到12.6亿平方米。普查的内容包括建筑物的建筑年代、结构类型、设防标准等。这一普查项目的实施对广东省现有城市建（构）物的抗震性能总体情况有了大致的了解。

这次普查数据的房屋建筑分类以及房屋建筑的数据调查项都与震害预测项目中的房屋数据分项有很多的相似性，作者认为可以以做过震害预测城市（广州、深圳、东莞、中山部分城区）的建筑物易损性研究成果作为基础，采用结构类比方法来建立已普查建筑的震害破坏比，从而进一步研究该地区建筑物的抗震性能。

图1 已普查城市的建筑物分布Fig.1 Building distribution of census cities

图2 做过震害预测城市（区）的分布Fig.2 The distribution of cities that have done earthquake damage prediction

图3 建筑物抗震性能普查的主要数据项构成Fig.3 The main content of seismic performance census data

1 震害矩阵预测方法

孙柏涛[1]等人曾根据已有建筑物震害预测结果，再根据普查建筑物与已知矩阵的建筑物特征贴近度来建立具体预测对象普查群体建筑物的震害矩阵，并给出了相应的数学模型，如下所示：

已知有 n震害矩阵：B1，B2， …Bn，i=1，2，…，n，则欲模拟城市的震害矩阵为：

式中，A为欲模拟城市S类建筑的震害矩阵；∝为欲模拟震害矩阵同已有震害矩阵i贴近度；Bi为已知城市S类建筑同∝i相应的震害矩阵其中

贴近度计算：

由于建筑物各特征元素对震害矩阵的影响不同，因此借用模糊数学中加权海明距离的定义，取：

则采用多因素加权来定义欲模拟震害矩阵与已知矩阵的贴近度：

式中：M表示预测单元S类建筑房屋总体分类元素的个数，如：用途，年代等，每一元素包括预测单元该类建筑的所有建筑物；n表示总体分类每个元素的单因子的总数，如年代分类中的50年代， 60年代，70年代等；dm（A，Bi）表示欲模拟震害矩阵A与已知矩阵Bi考虑m元素时的矩离；Kji表示第m元素中第j个因子对i个因子的建筑面积占预测单元该类建筑所有建筑面积的比值，由房屋普查资料给出；uAm（j）表示欲模拟矩阵A中第m元素中第j个因子的建筑面积占预测单元该类建筑所有建筑面积的比值，由房屋普查资料给出；uBim（j）表示已知震害矩阵Bi中第m元素中第j个因子的建筑面积占预测单元该类建筑所有建筑面积的比值，由房屋普查资料给出；ωm表示第m元素的权重，一般取等权；∝i（A，Bi）表示欲模拟震害矩阵 A与已知矩阵Bi的贴近度。

在这种方法能利用模拟震害矩阵与已知矩阵的贴近度来求得模拟矩阵的震害矩阵。在本文中，为了能快速求出震害矩阵，对已有方法进行了了改进。

贴近度计算。在贴近度计算时不考虑不同元素中不同因子的影响，取等权，因此

3 算例

在本文中，由于篇幅的原因，只对多层钢筋混凝土结构的震害矩阵进行算例。影响多层钢筋混凝土结构抗震能力的主要因素主要有以上几种，也即M=15；总体分类中各个分类的因子如下所示[1～3]：

（1）设防标准：按Ⅵ度设防、按Ⅶ度设防、按Ⅷ度设防、按Ⅸ度设防、未设未设防标准、未设防非标准。

（2）结构型式：框架、框架一剪力墙、剪力墙。

（3）年代：1949年以前、5O年代、6O年代、7O年代、8O年代、9O年代、2000年以后。

（4）用途：住宅、工业交通仓库用房、商业服务用房、教育医疗科研用房、文化体育娱乐用房、办公用房、其它用房；。

（5）层数：1层(平房)、2～3层、4～6层、7～lO层、11层以上。

（6）屋盖类别：现浇、装配整体、装配、木。

（7）楼盖类别：现浇、装配整体、装配、木。

（8）围护墙厚度：24 cm、12 cm、37 cm。

（9）砖类型：粘土砖、空心砖、粉煤灰砖。

（1O）混凝土强度等级：C20、C25、C30。

（11）砂浆强度等级：M2.5、 M5、M7.5。

（12）平立面规则：规则、不规则。

（13）房屋现状：完好房屋、基本完好房屋、一般损坏房屋、严重损坏房屋、危险房屋。

（14）场地土：I类场地、Ⅱ类场地、Ⅲ类场地、Ⅳ类场地。

（15）建筑物场址：无异常、液化区域、断层区域、滑坡区域。

在前面提到的十五种因素中，由于普查数据的有限性，在本文中只把影响多层钢筋混凝土结构抗震能力的主要因素归纳为五种，M=5，即：

（1）设防标准：按Ⅵ度设防、按Ⅶ度设防、按Ⅷ度设防、按Ⅸ度设防、未设防标准、其它。

（2）建筑年代：1949年以前、5O年代、6O年代、7O年代、8O年代、9O年代、2000年以后。

（3）用途：办公楼、商业楼、居民楼、商住楼、学校、医院、厂房、其它。

（4）层数：9层以下、 10～15层、15层以上。（5）平立面规则：规则、不规则。

由于广州老城区（范围包括越秀区、荔湾区、白云区及天河区部分城区）在2003年曾做过震害预测，在这一次的建筑物抗震性能普查中又对广州市海珠区及天河区的建筑进行了普查，在本文中先利用中山、深圳及东莞的震害预测矩阵计算出广州市普查数据的震害矩阵，再与原有通过震害预测分析得到的震害预测矩阵相比较，证明其方法的可靠性，进而再利用此方法算出阳江市普查数据的震害矩阵。

表1 各城市不同设防烈度多层钢筋混凝土房屋所占的面积比Table 1 Area ratio of multi-storey reinforced concrete buildings in different fortification intensity in cities

经归一化后，待求的广州市的震害矩阵与已知矩阵的贴近度（表4、5、6）。经计算得到广州已普查多层钢筋混凝土建筑震害矩阵。推算出的矩阵与实际震害预测得出的矩阵相比（表7），除个别值误差有点大外（相对误差超过20%），其它值的误差在可接受范围内（相对误差不超过20%）。经计算得出阳江市已普查多层钢筋混凝土建筑的震害矩阵（表 9）。

4 结论

本文采用孙柏涛等人提出的基于已有震害矩阵模拟的群体震害预测模型，在广东省防震减灾 “十一五”重点项目“重点监视防御区县级以上城市建（构）筑物抗震性能普查”数据的基础上，对已做过震害预测城市（区）与普查城市在设防标准、建筑年代、地上层数、建筑用途及平面形状等五方面进行相似度计算，最后得出普查城市的震害矩阵，通过简单的对比分析，认为应用该方法对群体建筑物实施震害预测是可行的。由于首次对该方法使用，有些影响因素未能给出相应的权重值，在计算中取了等权，可能会对结果有一定的影响。在今后的研究中将对影响建筑物抗震能力的主要因素分类、分层以及权重的划分进一步的研究，以便得到更为可靠的结果。这种方法的使用最大限度地开发和利用了已有的震害预测成果以及提高了近10个城市的建筑物抗震性能的普查数据的利用率，通过计算可以进一步分析相关城市的建筑物易损性，对研究该地区的抗震防灾能力，以及研究当地地震应急的快速评估模型有很大的参考价值。

表2 各城市不同建筑年代多层钢筋混凝土房屋所占的面积比Table 2 Area ratio of multi-storey reinforced concrete buildings in different building time in cities

表3 各城市不同建筑用途多层钢筋混凝土房屋所占的面积比Table 3 Area ratio of multi-storey reinforced concrete buildings in different building function in cities

表4 各城市不同地上层数多层钢筋混凝土所占的面积比Table 4 Area ratio of multi-storey reinforced concrete buildings with different building storey number in cities

表5 各城市不同平面布置多层钢筋混凝土房屋所占的面积比Table 5 Area ratio of multi-storey reinforced concrete buildings of different plane shape in cities

表6 待求地区与已知地区的各因素贴近度计算结果Table 6 The close calculation result of various factors in unknown region and the known areas

表7 广州不同设防烈度多层钢筋混凝土房屋所占的面积比Table 7 Area ratio of multi-storey reinforced concrete buildings with different fortification intensity in Guangzhou

表8 原有震害预测项目得出的工作区多层钢筋砼房屋震害矩阵④ 张专，张大名.“广州市部分城区地震小区划和震害预测"项目-广州市部分城区建（构）筑物地震易损性分析技术报告，2004.Table 8 The earthquake damage matrix of multi-storey reinforced concrete buildings based on existing earthquake damage prediction project