廊坊市重要建筑物易损性分析

吕国军+张合+孙丽娜+刘志辉

摘要：采用PKPM SATWE结构空间有限元分析软件建模计算法对廊坊市101栋重要建筑物进行结构易损性分析，以破坏等级为结果指标给出每栋抽样建筑的震害预测结果，按照建筑物结构类型、建设年代和建设用途形成各自震害矩阵并给出所有重要建筑物的总震害矩阵，对各类建筑物的抗震能力进行综合评价。

关键词：空间有限元；易损性分析；震害矩阵；抗震能力

中图分类号：P315.9文献标识码：A文章编号：1000-0666（2017）04-0638-08

0引言

历次地震用生命的代价为我们留下了宝贵的震害经验，2008年汶川8级大地震全面检验了各类建筑物的抗震能力（高惠瑛等，2010），北川中学、映秀中心小学、北川多所党政机关办公楼倒塌，伤亡惨重。总结这些经验教训，可以为我们调查研究建筑物工程结构易损性提供示例从而更合理地进行震害预测。

本文运用PKPM SATWE结构空间有限元分析软件建模计算法（吴桂芬，2012；段姣姣，2012）对廊坊市101栋重要建筑物进行结构易损性分析（尹之潜，1991），给出重要建筑物的震害矩阵（尹之潜，1994；常业军，马克俭，2000；常业军，吴明友，2001），找出其薄弱环节，有针对性地采取预防措施。

1易损性分析方法

1.1PKPM SATWE结构空间有限元分析软件建模计算法重要建筑物的分析工作主要为核查建筑物的抗震构造措施和采用有限元分析程序对建筑物进行建模分析。对于砖混结构和钢筋混凝土框架结构采用PKPM结构抗震鉴定模块进行结构的抗震验算，对于钢筋混凝土剪力墙结构和框架-剪力墙结构采用PKPM SATWE模块进行验算。具体步骤如下：

（1）根据收集到的廓坊市101栋重要建筑物的竣工图纸资料，读取结构的实际详细设计信息，包括建筑物结构构件的布置情况、截面尺寸、材料强度、承重构件配筋情况、荷载分布情况等，其中混凝土强度采用图纸注明的设计强度作为实际强度，对于进行了现场测试的建筑物采用混凝土的实测强度作为材料的实际强度，框架结构中混凝土柱内的钢筋配置采用图纸注明的配筋方式，然后按照《建筑抗震鉴定标准》（GB50023—2009）进行验算鉴定。

（2）对于砖混结构建筑和钢筋混凝土框架建筑，首先进行一级鉴定，即结构整体性态和抗震构造措施核查，主要内容包括：建筑总高度和层数、层高，建筑结构体系平立面的规则性，体系抗震薄弱环节，承重构件截面尺寸，构件连接和支撑情况，非结构构件布置情况，材料强度，地基类型和基础形式等，根据核查的情况确定结构的体系影响系数和局部影响系数。然后进行二级鉴定：采用PKPM有限元软件按照结构的实际设计方案建立三维计算模型。该结构模型的综合抗震能力指数，代表了整个建筑结构综合考虑其构造和承载力等因素所具有的抵抗地震作用的能力；相应于破坏指数，代表建筑物遇到地震时抵御地震灾害的能力（张风华，2002），综合考虑两级鉴定的结果对结构进行抗震能力评估（白雪霜，2012）。对于钢筋混凝土剪力墙结构和框架-剪力墙结构，直接根据建筑结构施工图提取结构构件设计信息，采用PKPM有限元软件建立三维计算模型，然后采用SATWE結构分析软件计算结构的承载力和变形情况，根据计算结果分析结构的易损性。

（3）计算结果分析。按结构分析计算得到的楼层综合抗震能力指数确定结构可能发生的震害等级。

1.2以廊坊市人民医院门诊楼框架结构为算例廊坊市人民医院门诊楼建于1998年，地上7层，局部8层。第一层高为6.3 m，其余层高3.3 m。室内外高差为0.6 m。结构型式为框架结构，现浇楼板，楼板厚为120 mm。地区抗震设防烈度为Ⅷ度（0.20 g），设计地震分组为第一组，框架抗震等级为二级，场地类别为Ⅲ类。本结构抗震设防类别为乙类。基本风压为0.40 KN/m2。采用C30混凝土。

地震研究40卷第4期吕国军等：廊坊市重要建筑物易损性分析采用PKPM软件建立该工程结构计算的有限元模型，如图1所示。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068—2001），以综合抗震能力指数为判断指标，结合Ⅶ～Ⅸ度下的震害等级与综合抗震能力指数的关系式（建筑抗震设计规范，GB50011—2010）。楼层综合抗震能力指数计算式：β=ψ1ψ2ζy（1）ζy=Vy/Ve（2）Vy =∑Vcy+0.7∑Vmy+0.7∑Vwy（3）式中：β为平面结构楼层综合抗震能力指数；ψ1为体系影响系数，取值1.25；ψ2为局部影响系数，取值0.85；ζy为楼层屈服强度系数；Vy为楼层的弹性地震剪力；Ve为楼层现有受剪承载力；∑Vcy为框架柱层间现有受剪承载力之和；∑Vmy为砖填充墙框架层间现有受剪承载力之和；∑Vwy为抗震墙层间现有受剪承载力之和。

楼层的弹性地震剪力，采用底部剪力法计算。地震作用按《建筑抗震鉴定标准》（GB50023—2009）3.0.5条的规定计算，地震作用分项系数取1.0。

钢筋混凝土框架结构的楼层综合抗震能力指数与震害破坏等级之间的关系如1所示。

在Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度地震作用下，该建筑的综合抗震能力指数和破坏状态如表2所示。

2.1重要建筑物调查情况在建筑物抗震防灾的研究方面，根据建筑物的重要性将现有建筑物分为重要建筑和一般建筑物进行震害预测。重要建筑物包括党政机关、抗震救灾指挥部等部门的主要办公楼；公安、消防、医疗救护、学校、影剧院等单位的主要建筑物；生命线工程系统的重要建筑物（地震灾害预测及其信息管理系统技术规范，GB/T 19428—2013）。

在收集资料的基础上，对廊坊市重要建筑物进行了实地调查，并填写每栋建筑的完整信息，包括结构形式、建造年代、层数、面积、用途、薄弱环节以及现状评价等，共调查重要建筑物101栋，总建筑面积为248 603 m2。从表3中可以看出钢筋混凝土框架结构是目前廊坊市重要建筑物中使用最多一种结构形式，占调查总面积的49.81%、调查总栋数的46.53%，该框架结构采用现浇梁、板、柱，空间布置灵活，抗震性能较好；多层砖混结构建筑，占总调查栋数的43.56%，面积比为31.26%，仅次于框架结构比例；框架-剪力墙结构既有框架结构空间布置灵活的优点，又具有很好的抗震能力，2000年以后的建筑广泛地采用该种结构形式；底层框架结构是在底下几层使用框架结构，而框架上面各层使用砖混砌体的结构形式，其抗震能力较弱，具有“头重脚轻、上刚下柔”的特点；20世纪80、90年代修建的建筑以学校和医院居多，多为砖混结构，预制楼板，施工质量一般，抗震能力相对较差。2000年以后建的多层住宅楼也有一些是砖混结构，楼板为现浇钢筋混凝土的，施工质量也较以前有所提高，抗震能力有所提高。endprint

2.2重要建筑物易损性分析结果

采用PKPM有限元建模分析计算法对101栋重要建筑物进行抗震能力分析。表4给出了廊坊市重要建筑物破坏状态的震害预测结果。为了验证该方法的可行性，我们随意抽取25栋重要建筑物，其中砖混结构有12栋，框架结构10栋，框架-剪力墙结构3栋。采用震害因子法（仝永德，2008；高杰等，2007；孟紫阳等，2013）计算得到震害指数矩阵，根据震害指数矩阵得到了这25栋建筑物的震害预测结果，与PKPM有限元建模分析计算法结果进行对比（图2），发现两种方法的计算结果相符。表5～7 给出了重要建筑物按结构类型、建设年代和建设用途分类在不同烈度下发生各种破坏等级的面积和栋数震害矩阵。廊坊市抗震设防烈度为Ⅷ度（高孟潭等，2015），当遭遇Ⅷ度地震影响时，有8%的砖混结构房屋遭受严重破坏（表5）；20世纪80年代的建筑有13%房屋遭受严重破坏（表6）；有32.43%的住宅、6.25%的厂房、3.49%的医院和0.43%的教学房屋面积发生严重破坏（表7）。当遭遇Ⅸ度地震时，这些遭遇Ⅷ度地震影响并发生严重破坏的重要建筑物会发生毁坏，因此这些类型房屋应该采取必要的抗震加固措施。

根据廊坊市重要建筑物不同类型易损性矩阵和所有重要建筑物易损性矩阵（表8），通过计算得到了不同类型重要建筑物平均的抗震能力指数分布图和总平均震害指数图（图3），从图3a、b中可以看到按照建设年代分：20世纪80年代所建建筑物抗震能力最弱，21世纪初所建建筑物抗震能力最强；按照结构类型分：砖混结构建筑物抗震能力最弱，框剪结构建筑物抗震能力最强；按照用途分：厂房抗震能力最差，住宅和通讯用的建筑物其次，医院和学校抗震能力较强。

图3c给出了廊坊市所有重要建筑物的总体平均震害指数（地震灾害预测及其信息管理技术系统规范，GB/T 19428—2013），震害指数与房屋建筑破坏比是对应抽样调查点或烈度区判定烈度的量化指标，也是定量研究某烈度区或调查点房屋建筑震害的重要依据（卢永坤等，2014）。结合表5，当建筑物遭受Ⅶ度（相当于50年超越概率63%，小震）地震影响时震害指数为0.12，56.58%的房屋面积为基本完好，计140 660 m2；40.92%的房屋面积受轻微破坏，计101 728 m2；2.50%的房屋面积为中等破坏，计6 215 m2。当建筑物遭受Ⅷ度（相当于50年超越概率10%，中震）地震影响时震害指数为0.29，0.57%房屋面积为基本完好，计1 417 m2；56.01%的房屋面积受轻微破坏，计139 243 m2；40.92%的房屋面积为中等破坏，计101 728 m2；2.50%的房屋面积为严重破坏，计6 215 m2。当建筑物遭受Ⅸ度（相当于50年超越概率2%，大震）地震影响时震害指数为0.53，0.57%房屋面积为轻微破坏，计1 417 m2；56.01%的房屋面积为中等破坏，计139 243 m2；40.92%的房屋面积为严重破坏，计101 728 m2；2.50%的房屋面积为毁坏，计6 215 m2。其破坏状态基本上满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防标准。

3结论与建议

采用PKPM SATWE结构空间有限元分析软件建模计算法对廊坊市101栋重要建筑物进行易损性分析，结果表明廊坊市重要建筑物基本符合“三水准”设计要求，有一定的抗震能力。特别是2000年以来新建的以钢筋混凝土框架结构为主的建筑，抗震性能较好。但是2000年以前所建砖混结构房屋大多为预制楼板，抗震能力较差，相当一部分医院、学校等重要建筑也采用抗震能力较弱的砖混结构，抗震能力明显不足，安全隐患较多。

建议对砖混结构房屋进行加固处理，特别是医院、学校等重要建筑要经过专门的抗震鉴定进行改造、加固或重建，在此过程中优先采用钢筋混凝土结构体系，设计中注意平、立面规则，尽量避免出现室外楼梯、不同建筑间的连廊、笨重砖砌护栏等不利于抗震的设计。

参考文献：

白雪霜.2012.现有钢筋混凝土框架结构抗震鉴定方法试验研究[D].北京：中国建筑科学研究院.

常业军，马克俭.2000.多层钢筋混凝土框架房屋的震害预测方法[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），8（1）：35-38.

常业军，吴明友.2001.建筑物结构易损性分析及抗震性能比较[J].山西地震，44（1）：23-25，29.

段姣姣.2012.基于PKPM软件的长沙市节能建筑屋顶设计与分析[D].长沙：湖南大学.

高惠瑛，别冬梅，马建军，等.2010.汶川地震区砖砌体住宅房屋易损性研究[J].世界地震工程，26（4）：73-77.

高杰，冯启民，张海东，等.2007.城市群体建筑物震害模拟方法研究[J].震灾防御技术，2（2）：193-200.

高孟潭，李小军，徐锡伟，等.2015.《中国地震动参数区划图》宣贯教材[M].北京：中国质检出版社、中国标准出版社.

卢永坤，张建国，宋立军，等.2014.2014年云南鲁甸6.5级地震烈度分布与房屋震害特征[J].地震研究，37（4）：549-557.

孟紫阳，赵慧乾，郭明珠，等.2013.保定市群體建筑震害预测研究[J].地震研究，36（2）：202-206.

仝永德.2008.城市震害预测信息管理系统研究[D].青岛：中国海洋大学.

吴桂芬.2012.PKPM有限元软件在不规则框架结构力学计算中的应用[J].华电技术，34（7）：23-25.

尹之潜.1991.地震灾害损失预测研究[J].地震工程与工程振动，12（4）：87-96.

尹之潜.1994.地震灾害损失预测的动态分析模型[J].自然灾害学报，4（2）：72-80.

张风华.2002.城市防震减灾能力评估研究[D].哈尔滨：中国地震局工程力学研究所.

GB/T 19428—2013，地震灾害预测及其信息管理系统技术规范[S].

GB50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

GB50023—2009，建筑抗震鉴定标准[S].

GB50068—2001，建筑结构可靠度设计统一标准[S].endprint