典型砌体结构震害预测方法对比分析及改进建议

2018-03-01黄海波王明振高霖

重庆建筑 2018年2期

黄海波，王明振，高霖

（重庆文理学院建筑工程学院，重庆 402160）

地震是一种破坏力很大的突发性自然灾害。我国位于环太平洋地震构造带与欧亚地震带之间，地震活动频度高、强度大、分布广。据统计，近百余年来，我国共发生七级及以上强烈地震130余次。强烈地震会引起大面积房屋倒塌，并造成大量人员伤亡和巨大经济损失。砌体结构类建筑因材料来源方便、造价低、施工简单等特点在我国的建筑物中被大量采用，但其抗震性能较差。2008年汶川地震中，北川县城、汶川县漩口镇、映秀镇等极震区80%～90%的砌体结构建筑物发生倒塌或严重破坏，一些建筑群或临街建筑成片倒塌，部分结构即便未倒塌但也因破坏相当严重而不能继续使用。在地震中砌体建筑的倒塌是造成人员伤亡和经济损失的直接原因。在地震发生前对建筑结构进行震害预测是减轻和预防地震灾害的前沿工作，也是制定城市防震减灾规划和地震应急预案的基础工作[1-2]。

本文在分析比较文献[1-8]中所提出砌体结构震害预测方法的基础上，针对影响砌体结构抗震性能的主要因素，结合类比法提出了典型砌体结构震害预测方法的改进建议。

1 典型砌体结构震害预测方法

本文总结了3种典型的砌体结构震害预测方法，包括墙体抗剪承载力法、震害特征类比预测方法和超越强度倍率法。

1.1 墙体抗剪承载力法

（1）单位面积内墙体抗剪承载力R计算公式如式（1）所示：

（2）震害指数Ds计算

根据《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》和《砌体结构设计规范（GB 50003-2011）》中的要求，砌体结构需要进行强度验算，即验算遭遇多遇地震下结构在弹性阶段内的工作情况。震害预测时按照小震作用计算，得到震害指数计算表达式如下[2-5]：

Ⅵ度：Ds=1.864-0.007Rs；Ⅶ度：Ds=1.977-0.006Rs；

Ⅷ度：Ds=1.975-0.005Rs；Ⅸ度：Ds=1.866-0.004Rs。

（3）震害等级的确定

得到各层震害指数后，由表1可查得砌体结构各层所对应的震害等级，用震害指数最高的楼层震害等级来表示整个结构的破坏情况[6]。

1.2 震害特征类比预测方法

表1 结构震害等级和相应的震害指数

震害特征类比预测方法的技术路线如图1所示。

图1 震害特征类比预测方法系统图

其中，相似度计算公式如式（2）所示：

式中，f(X,Y)表示海明距离；X和Y分别为2幢不同的建筑物；xi，yi表示建筑物需要类比的参数；ωi(i=1,2,L,n)为参数的权重，即每个因素对预测结果的重要程度；n为类比参数个数。

已知N幢建筑物单体Sj(j=1,2,L,N)的震害预测结果，要使建筑物X的震害预测结果与建筑物Sβ的震害结果类似（βє[1,N]），则需要满足式（3）的要求[7]。

震害特征类比参数选取房屋的结构类型、高度、建设年代、用途和现状质量，根据它们对建筑物易损性的影响程度分别取不同的权重值[8]。各个震害因子的权重和量化方案可参见参考文献[2]中的表1，通过对待预测建筑物和样本库中具有的相同类型结构的建筑物进行类比，可以得到多个海明距离，f=

很明显，最小的几个值所对应的震害情况从公式上看是与待预测建筑物最相似的，故应取最小值作为待预测建筑物的震害预测结果。但考虑到系统误差和样本库中的样本震害结果具有一定的不确定性，有可能对测量结果产生误差，为减少误差，取最小的5个海明距离值，把这5个值对应的震害指数进行算术平均，以达到减少误差的目的。

以Ii(i=1,2,3,4,5)分别表示取得的5个最小海明距离所对应的建筑物的震害指数，得到待测建筑物的震害指数I，如公式（4）所示：

为了保证2栋建筑物具有很高的相似度，在进行比较的时候还应该考虑设防烈度和场地类别对建筑震害的影响。

要成功预测建筑物震害情况，样本的可靠度是非常重要的，为了保障样本库的可靠，可以选择由震害实例和抽样调查计算两部分来构成样本库，震害实例可以在唐山、海城、丽江、汶川等多次地震中大量实际震害例子中选取典型实例作为样本。通过对建筑物破坏状态的描述确定其震害情况，并根据其震害情况对震害指数进行量化。由于不同的待预测建筑物在建筑平立面布局及建筑材料使用方面均具有其自身的特点，为了保证样本库具有较好的针对性且满足不同城市各类建筑物多样化的需求，对预测地中具有典型特点的建筑物也要进行抽样预测，并用成熟的预测方法进行震害预测，将其结果作为样本库的一部分，达到提高样本库质量的目的。

1.3 超越强度倍率法

结构在遭受地震破坏时，可以根据超越强度的倍率来判断结构的破坏情况，第i层结构的超越强度倍率公式如下[9]。

上面各式中：n为楼层数；s为计算层数；Rτ为墙体标准抗剪强度(N·cm-2)；Rk为非抗震设计的砌体结构的标准抗剪强度(N·cm-2)；Rs为抗剪强度(N·cm-2)；Fs为墙的面积（m2）；As为建筑面积（m2）；d为楼层重力代表值的修正系数；c为考虑设防标准、抗震措施等对砌体结构强度影响的修正系数；Sa为地震加速度反应谱值；ay为结构的屈服加速度。

震害等级和E值的关系详见表2[10]，表2是由我国几次大地震的震害经验总结而来。根据我国大量的震害资料和实验数据，统计得到了砖墙抗剪强度开裂值和极限值的变异系数为0.2，地震加速度的变异系数取0.26，最终得到砖墙的超越强度倍率变异系数为0.3。

表2 E值与砌体建筑震害等级的关系

2 震害预测方法分析与对比

从预测工作的基本步骤和3种方法间的联系与区别两个角度对3种典型方法进行分析和对比。

2.1 预测方法的基本步骤

3种砌体结构典型震害预测方法的基本步骤如下所述。

（1）墙体抗剪承载力法

（a）统计各个楼层基本信息，包括建筑面积、楼层数、总楼层数、建筑砂浆强度等。（b）计算各个楼层的抗剪承载力，并分别计算在各烈度下的震害指数，由震害指数表查得建筑物的破坏情况，最终用震害预测中抗力最薄弱的楼层的破坏情况作为整栋建筑物的震害预测结果。

（2）震害特征类比预测法

（a）统计待预测的建筑物基本信息，包括待预测建筑物的建设年代、现状质量、高度、用途等。（b）通过近些年来的震害实例和成熟的震害预测方法得到的当地典型建筑物的预测结果，建立样本库。（c）将统计得到的基本数据与样本库中的数据进行对比，得到相似度最大的几个样本数据，通过样本的破坏情况来预测城市建筑物的震害情况。

（3）超越强度倍率法

（a）统计建筑物各个楼层的基本信息，包括建筑面积、楼层数、总楼层数、建筑砂浆强度等。（b）由相应的规范查得地震加速度反应谱值。（c）通过基本信息计算被预测建筑物达到破坏强度极限时的屈服加速度，并得到地震加速度反应谱值和屈服加速度的比值，最终用得到的比值查表得到建筑物的破坏情况。

2.2 几种预测方法的联系与区别

墙体抗剪承载力法先计算了建筑物每层结构的抗震指数，后用楼层中震害指数最大的值代表的破坏状况作为整栋建筑物的震害预测结果。震害特征类比预测法是先计算出两栋建筑物的相似程度，后把相似建筑物的震害结果作为被预测结构的震害预测结果。超越强度倍率法则是先计算出每层的超越强度倍率，最后把所有楼层中最大的超越强度倍率作为整栋建筑物的震害预测依据。综上可以看出，3种典型方法的主体思想不同，墙体抗剪承载力法和超越强度倍率法依靠的是精准的公式，除了计算公式不同外，其他步骤类似，震害预测结果可靠性主要建立在所使用的公式算法。这两种方法采集的数据相对比较精细；而震害特征类比预测法则采用类比的方法，震害预测结果主要依赖于样本的可靠性和完整性，样本数据的采集相对广泛。

从震害预测的研究对象角度分析，墙体抗剪承载力法是基于单位墙体抗剪承载力来确定基本算法，超越强度倍率法则是基于地震加速度反应谱与建筑物屈服加速度的比值来确定算法。这两种方法有很多相似之处，例如最基本的数据采集以及取建筑物的抗力最薄弱层作为整栋建筑物的震害预测侧重点。

然而无论哪种方法，要想获得准确的震害预测数据都必须要以所采集到数据的完整性和准确性作为前提，只有完整准确的基本数据才能保证震害预测结果的可靠性。

3 砌体结构震害预测方法改进建议

3.1 典型预测方法的不足

墙体抗剪承载力法和超越强度倍率法两种方法均把墙体作为影响砌体结构抗震性能最主要的因素作为编制算法的基本依据，考虑了砌体结构的主要受力特征。但墙体抗剪承载力法并没有考虑布置构造柱和圈梁对建筑物抗震性能的影响。根据杨玉成等人的分析结果[11]，构造柱和圈梁等抗震措施的布置对建筑物的抗裂和抗倒塌会起到关键的作用，即抗震能力指数会随着构造柱和圈梁的布置而增大，也即结构的抗震性能得到提高。

上述两种预测方法均无法将建筑物的环境纳入到考虑的范围中。这里所说的环境包括地基地质、周边建筑物、各种自然因素等。很显然，不同的建筑环境对建筑物的抗震性能有很大的影响，故建筑环境也应作为一个影响系数。同时，这两种预测方法也无法考虑使用年限对建筑物抗震性能的影响，使用年限作为一个建筑物抗震性能的重要参数也应被考虑。

震害特征类比预测法将类比思想作为主要预测的思路，避开了复杂的公式推导和计算。该方法的重点是建立一个具有参考价值的数据库，其它步骤均相对简易。该方法综合考虑了建设年代、现状质量、高度、用途等主要因素对建筑物的影响，但缺少了建筑物本身的结构特点对抗震性能的影响，如样本和被预测建筑物的受力墙面积，楼层数，圈梁和构造柱的布置情况等。这些影响因素在建筑物的震害预测中虽不是简单的相加理论，但合理地设置每个因素的权重就会使得分析出的预测结果具有更高的准确度。该方法最大的特点就是突破算法的束缚，使建筑物的震害预测步骤变得相对简单。

3.2 震害预测方法构想思路

图2 样本库建立过程图

基于类比思想并考虑到影响砌体结构抗震性能的主要因素，提出的震害预测方法构想，其样本库的建立如图2所示。

在样本库的建立过程中，主要考虑了地震动加速度、楼层数、建筑材料类型及强度、地基状态、构造柱和圈梁设置、现状质量、单位建筑面积内受力墙面积七个主要因素的影响，并把一些因素进行了10个等级的划分，划分为10等级主要是考虑到等级太少会造成样本和被预测建筑物相似度较小，等级太多会给基础数据的收集带来困扰，最后可以根据实际情况给出每个等级的定义。

建立起样本库后，可以编制相应的程序，随着样本库的增大，被预测的砌体结构均可以通过程序查询到与其结构相似的砌体结构在遭受地震破坏后的情况，甚至获得样本建筑物遭受破坏后的震害照片，达到预测建筑物震害情况的目的。且随着样本库在今后的不断完善，震害预测的准确度会越来越高，且震害预测过程也会变得更快捷简便。绍，并结合认知和新规范规定对以往震害预测方法中存在的问题进行了剖析。

（2）考虑对砌体结构抗震性能影响程度较大的几个因素，并结合成熟的震害预测方法提出了砌体结构震害预测方法改进建议。