结构地震易损性分析的研究

邱柏淞 张亮泉 毛晨曦

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150040)

结构地震易损性分析的研究

邱柏淞1张亮泉1毛晨曦2

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150040)

介绍了地震易损性分析在国内外的研究现状，基于结构易损性分析的必要性，从结构易损性分析的原理、分析方法、分析流程等方面，对结构易损性分析进行了研究，指出该研究对结构抗震安全性的评定、结构抗震设计等具有重要的意义。

结构，地震易损性，地震风险

0 引言

建筑结构的地震易损性分析是评估建筑在地震后的破坏以及震后经济损失估计的基础,同时也在对建筑物震害进行预测中占有着非常重要的地位。对结构易损性更深入的研究可以用来对结构在震后的破坏程度和经济损失进行预测，以及对震后的恢复重建工作起到十分重要的作用。同时对结构进行地震易损性分析还可以预测结构在不同强度等级的地震作用下发生各级破坏的概率,由于地震造成的人员伤亡、直接和间接经济损失主要是建筑物的倒塌和使用功能的丧失，综上所述对建筑物进行结构易损性分析的研究，不但可以用于在地震之前对结构进行灾害的预测，还可以用于对建筑物的结构进行震后损失评估，为地震灾害损失评估提供依据。

1 地震易损性分析的国内与国外的研究现状

1.1 地震易损性分析的国外研究现状

地震易损性分析的概念最早由美国学者Comell在20世纪60年代末首次提出，并于70年代初将该方法用于实际建筑物中进行地震易损性分析。随后Pasticier等人又引入增量动力分析方法来评估结构的易损性。在大量研究者研究结果的基础上，美国地震损失评估软件HAZUS采用性能设计理论和能力谱方法,计算结构的地震反应,给出了不同类型建筑结构的地震易损性曲线，用于工程实践。

1.2 地震易损性分析的国内研究现状

崔杰等人采用PERFORM-3D有限元分析软件对典型框剪结构的地震易损性及经济性分析研究，以典型框剪结构为例，建立纤维截面模型，对不同的框剪结构进行整体性能指数的评价，即对每个框架结构进行地震易损性分析以及地震经济损失分析。刘诗语等人对广东省惠州市和阳江市的通信枢纽建筑中的通信设备和通信塔架进行了震害预测和地震易损性分析研究，利用ABAQUS有限元分析软件建立典型通信塔架结构有限元结构模型，并对其进行模态分析，分别得出典型塔架结构前六阶模态振型和塔架的曲线用超立方采样技术，其中塔架所用钢材抗拉极限强度的随机性、钢材延伸率的随机性，都在其考虑范围内，对输入地震动的随机性，对塔架结构地震反应的效果进行统计和分析，得到该塔架地震反应概率分布的特征，并列出结构在不同损伤破坏程度下的易损性曲线。

2 结构易损性分析的必要性及原理

对易损性分析的目的主要是为了获得地震强度大小与建筑物在震后结构上破坏的程度之间的关系，从而获得结构的地震危险性以及震后的经济损失。建筑的地震风险指的是在规定的时间内,在所研究的区域内,地震灾害对社会和经济的危害大小。它反映了地震灾害对承灾体的破坏程度以及对震后的连带破坏所带来的其他相关损失。地震风险的表达式：地震风险=地震危险性×地震易损性×震后经济损失。

结构易损性分析不但可对某一结构在地震动的作用下的损伤情况进行预测，也可对该地区的其他潜在风险进行预测，做好前期的准备，提高建筑结构的抗震设计指标。在不同地震作用下对结构进行易损性分析，主要工作是处理结构在不同强度的地震动作用下，结构发生不同程度破坏的可能性，也可以说是结构承受超过本身极限状态下的破坏概率。

3 结构易损性的分析方法

3.1 判断易损性法

主要基于专家和工程人员的个人经验，对房屋进行大范围的估计判断。该分析方式最早由美国学者Whiteman提出，首次使用超过50位专家并且对36栋不同级别但处于同一地区的房屋，通过对该地区其他建筑地震损伤分析的基础上给出这36栋建筑的损伤估计系数。

3.2 经验易损性分析

此方法针对以往地震后，对现场进行检测得到的房屋损伤状况的数据为基础，将结构在不同地面的震动强度下损伤状况的数据进一步进行分析汇总并给出易损性曲线，此方法第一次的应用是由日本学者Miyakoshi和Hayashi通过检测分析1995年日本的阪神大地震后房屋的受损情况数据，得到该地区的房屋损伤检测数据。该方法主要基于对地震震害经验的统计汇总，可以反映出地震破坏的实际情况，但是对于经验的统计这种方法只能得出建筑物损伤率的均值和方差，且可以参考的可估计建筑的地震易损性数据是有限的。

3.3 试验易损性法

该方法的优点是可以自由选择符合应用的模型，首先建立结构的力学模型，将结构进行简化，用简化的模型代替原本建筑来进行地震反应的分析。该方法可以尽可能简化结构动力分析的优点,可以将结构试验得出的地震反应形变值同理论上的结构反应形变允许值进行对比，并对建筑物进行抗震性能的评价。但是该方法容易受到样本数量、实验环境、设备、材料等条件的限制，导致实验法研究结构易损性的结果存在一定的误差。

3.4 理论分析易损性法

该方法通过对结构进行有限元模型的建立，选择实际发生过或人工假设构造的地震波对结构进行弹塑性分析，增量动力分析，时程分析等相关分析，得出结构的能力曲线，进一步得到易损性矩阵。理论分析方法的优点:在对结构施加地震波时可以控制加载水平，更加容易实现对结构损伤参数的研究。

4 易损性分析流程

分析结构的易损性首先要明确建筑设计初期对结构抗震性能的目标，建立结构模型，选择地震动强度参数对模型进行施压，通过判断结构的最大层间位移角或最大层间位移变形来衡量结构整体性能的基础上建立基于建筑整体性能指标的可靠度极限状态下的方程，并对所选取的结构进行基于有限元的建模和相应状态下的概率分析，将基于结构可靠度原理计算的理论值与结构有限元反应分析所得出的模拟值进行对比分析，再通过改变模型的地震动强度参数的输入值，反复加载模拟计算并进行增量动力分析，得到结构在不同强度地震动作用下的条件失效概率矩阵。基本原理流程如图1所示。

5 结构破坏等级与性能水平的划分

我国把房屋的破坏划分为五个等级：倒塌、严重破坏、中等破坏、轻微破坏和基本完好，以及“小震不坏，中震可修，大震不倒”3个标准的抗震设防理念。在土木工程结构中一般把结构的变形大小用作衡量结构整体性能高低的标准，我们一般取最大层间位移角或者是最大层间相对变形作为结构的整体性能指标。最大层间变形[θ]1/R,其中R为常数,对于框架结构,R=500,对于框架—剪力墙结构和剪力墙结构,R=1 000。其三者之间的关系如表1所示。

表1 结构破坏等级与最大层间位移角、层间变形之间的关系

6 结语

结构的地震易损性分析是土木工程结构在地震风险分析中的一个重要组成部分，此研究对结构的抗震安全性的评定以及相应防灾措施的制定、结构抗震性能的预测、结构抗震设计等具有重要的意义并提供相应的理论参考依据。以地震烈度，地震峰值加速度及地震参数作为输入项对结构进行易损性分析，可使地震破坏和震后的经济、结构上的损失预测更加完善。

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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，在读硕士； 张亮泉(1974- )，男，副教授； 毛晨曦(1974- )，女，研究员

TU311.3

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