建筑抗震韧性评价研究进展

王涛

引言

纵观20世纪以来我国发生的若干次大地震，其造成的人员伤亡和财产损失都颇为惊人。科研和工程人员通过多次地震现场调查，逐渐意识到所谓的“地震灾害”，更多时候是建筑结构在地震作用下发生严重破坏甚至倒塌导致的大规模人员伤亡和财产损失（图1）。这些震害说明建筑结构抗震研究需要持续不断地挖掘结构同地震作用博弈的机理，并据此发展出更加合理、可靠、经济的抗震结构体系。

图1 我国发生的重大地震灾害

因此，研究适用于单体建筑的抗震韧性评价方法和流程，评估建筑物可能出现的强震响应，既可以服务于新建建筑的性能化抗震设计，也可以为既有建筑提升抗震性能提供参考依据。2017年，清华大学联合中国地震局工程力学研究所等多家单位编制了我国第一部相关标准——《建筑抗震韧性评价标准》（GB/T38591—2020）。该标准对建筑抗震韧性评价的要求、建筑损伤状态判定、建筑修复费用计算、建筑修复时间计算、人员伤亡计算及建筑抗震韧性等级评价均做出了明确的规定。

性能化评估方法发展概况

（一）第一代抗震性能评估方法

20世纪八九十年代在美国加州地区发生的LomaPrieta地 震 和Northridge地 震 造 成 许 多建筑物主体结构及非结构构件严重破坏，导致建筑丧失了其原有功能。由此，基于性能的抗震设计 方 法（Performance-basedseismicdesign）

诞 生 并 逐 渐 受 到 重 视。以FEMA273、FEMA356和ASCE/SEI41-06等为代表的第一代抗震性能评估方法采用确定性方法，依据由地震强度等级和结构性能等级构成的性能水准矩阵来评估单体建筑物的抗震性能。该方法具有一定的局限性，主要表现在：①以谱方法和非线性静力推覆分析为基础的确定性方法忽略了地震作用的随机性；②往往忽略了非结构构件及设备的损伤对性能的影响，而实际上非结构构件和设备在建筑物的成本占比中甚至超过80%（图2）；③性能等级采用定性描述，并以结构地震响应（层间变形或层加速度等）反映评估结果，对于非专业人士（业主、政府人员、保险公司等）而言难以理解，增加了决策难度。

图2 国内一般建筑物的结构/非结构部分造价占比（《建筑抗震韧性评价标准》编制组提供）

（二）第二代抗震性能评估方法

2002年开始，美国联邦紧急事务管理署（FederalEmergencyManageAgency，FEMA） 发 起 了ATC-58计 划，旨 在 以PEERFramework为 基 础 发 展 新 一 代 基于建筑抗震性能的设计和评估方法。至今，已陆续发布了FEMA-445、FEMAP58等 多 部 相 关 指 南 文 件，并 辅 以配 套 软 件PerformanceAssessmentCalculationTool（PACT），协助工程师完成既有或新建建筑物的抗震性能评估和新建建筑物基于性能的抗震设计，并为其他相关人员提供更加直观、易于理解的建筑抗震性能评估结果（图3）。与第一代评估方法相比，第二代建筑抗震性能评估方法主要发生了以下变化：①以建筑构件的易损性为基础，采用全概率化的评估方法，充分考虑了组成建筑物的各要素性能的离散性；②以工程需求参数矩阵扩充和蒙特卡洛模拟来降低地震动随机性引起的结构响应不确定性，增强评估结果的可信度；③以修复成本、修复时间、安全警告及人员伤亡来评估建筑物的安全性和可恢复性，满足不同人群对建筑抗震性能的关切，比第一代方法所采用的专业性结果更适合供决策方参考。2013年，奥雅纳工程顾问公司进一步开发了建筑抗震韧性评级框架体系（Resilience-basedEarthquakeDesignInitiativefortheNextGenerationofBuilding，REDi），并依据其客户群体对评价指标的内涵进行了调整，在计算建筑物震后修复时间时引入了公用设施中断和其他外部延阻因素，可在组织和规划方面提升建筑物的抗震韧性。该方法被应用在奥雅纳所参与的181弗里蒙特大厦设计项目中。美国韧 性 委 员 会（U.S.ResiliencyCouncil）于2015年 发 布 了BuildingRatingSystem，建 立了更加细致的韧性指标分级标准，并提供了网络化服务。我国台湾大学下辖地震工程中心也开发了台湾地震损失评估系统（TaiwanEarthquakeLossEstimationSystem，TELES）。上 述 相 关 研究机构及其代表性成果详见表1。

图3 专业人员对建筑物开展地震损失评估

表1 从事相关研究的机构及代表性成果

（三）“可恢复功能城市”（ResilientCity）的提出

原太平洋地震工程中心主任、加州大学伯克利分校Mahin教授指出：传统的延性设计方法对于防倒塌是必要的，但这种基于增大结构强度和刚度的设计方法无法完全满足现代社会的需求。现代社会更需要震后保持正常运转或大震后损坏和维修成本最小的工程解决方案。2009年1月在NEES/E-Defense美 日地 震 工 程第 二 阶 段合 作 研 究计 划会议上，美日学者首次提出将“可恢复功能城市”作为地震工程领域的一大发展方向。建筑是人类生活和生产活动重要承载体，也是地震灾害的主要承灾体。提升城市的抗震韧性，其首要环节是提升建筑抗震韧性。

单体建筑地震损伤评估方法可分为基于材料、构件和结构3个层次的方法体系。其中，基于构件层次的抗震韧性评估方法，相比于材料和结构两个层次，既有理论支撑，又避免了由材料本构出发导致的繁重计算和由结构出发导致的结果离散，成为更受推崇的方法体系。

《建筑抗震韧性评价标准》解读

（一）建筑抗震韧性的概念

将建筑物的抗震韧性定义为：建筑遭遇特定水准地震作用后，维持与恢复原有建筑功能的能力。“特定水准地震作用”沿用了我国的三水准设防理念，“维持或恢复原有建筑功能”是指建筑物保持震前状态或在发生损伤后100%恢复至震前状态。

（二）建筑功能的划分

对于大多数建筑而言，至少可以归纳出三个层次的主要功能：

（1）“建筑抗震安全功能”（SeismicSafetyFunctionofBuilding）：从建筑物诞生之初便具有作为人类庇护所的属性，要求建筑物面对自然灾害时能保障人员的生命安全，这是制定抗震设计规范的宗旨。

（2）“建筑基本功能”（FundamentalFunctionofBuilding）：建筑物作为人类生产、生活的主要场所，承担了多种多样的社会职能。对于多数现代建筑而言，满足建筑使用要求、维持建筑正常运行所必需的性能，包括：建筑空间正常使用，结构安全和设备正常运转，例如，商业建筑具有结实安全的结构骨架，具备完好的供电、照明、通风、给排水、供暖和通信系统，即可认为该建筑已具备了建筑基本功能。

（3）“建 筑 综 合 功 能”（CompositiveFunctionofBuilding）：除上述系统之外，建筑物内尚有许多附着于结构或非结构系统的装饰、装修，承担了部分建筑美学功能。在维持基本功的前提下，保持建筑外观和内部装饰、装修完好，可认为建筑物具备了建筑综合功能。

单体建筑物经历地震作用后随着时间的推移，建筑功能逐步恢复，先后经历了安全性恢复、功能性恢复和综合性恢复3个阶段，最终完全恢复震前状态（图4、图5）。与此同时，所耗费的修复费用也不断增加。准备工作阶段，建筑功能并没有得到恢复，但费用却会出现激增，其原因是这段时间需要采购修复材料、租赁机械设备，产生了大量的成本消耗。之后的每个时间段内，建筑功能和修复费用都是不断稳步上涨的。显然，在震后恢复的不同阶段，需要关注的韧性指标并不相同。对于震后恢复的参与者，所关注的时间点和指标可能相去甚远。地震刚结束时，政府部门和保险公司关心伤亡情况及当时的经济损失概况；业主或用户则更加关心功能性恢复阶段何时结束，可以重新营业或入住；业主和保险公司关注综合性恢复结束时的费用总额。

图4 建筑震后恢复过程示意

图5 震损建筑功能恢复阶段

（三）韧性指标体系

进行建筑抗震韧性评价是对建筑物未来遭遇特定水准地震作用时和地震作用之后的表现进行预测，或可理解为预测建筑物未来遭遇特定水准地震作用时达到某种表现的可能性。因此，韧性评价指标具有一定的发生概率。

（1）人员伤亡指标——由于建筑受损而导致的人员死亡或受伤（需就医）情况。该指标表征了建筑的安全性能，主要用于为建筑抗震设计或政府应急救灾部门决策提供依据。

（2）建筑修复费用指标——震损建筑物恢复震前状态所需要的费用成本，属于经济性指标。需注意修复费用与经济损失的不同，前者是震后表现，而后者可近似认为是震时表现，前者包含后者。

（3）建筑修复时间指标——修复震损建筑或重建所耗费的时间。FEMAP58中基于时间的评估方法将修复时间转化为金钱的形式表达，亦可认为是一种经济性指标。

（四）韧性评价流程

建筑抗震韧性评价工作的基本流程如下：

（1）收集目标建筑物所有建筑信息，包括结构设计信息、构件易损性曲线、非结构构件布设信息等。

（2）依据结构设计信息建立建筑物的结构力学模型。由于假定非结构构件的地震响应受结构响应控制，非结构构件对结构的地震响应无明显影响（固接砖砌体填充墙对结构周期的影响可直接反映在结构设计参数中），该模型中不包含非结构构件。

（3）进行结构模型的弹塑性时程分析，输入的地震动数量不少于11条。地震动数量的要求源于后续蒙特卡洛模拟的要求。

（4）提取结构层间位移角和层加速度响应结果，组成原始工程需求参数矩阵。

（5）根据罕遇地震水准下时程分析所得的结构残余位移角的平均值判断震损建筑是否具有可修复性。对于钢筋混凝土和钢结构住宅或公共建筑，其层残余位移角限值建议取1/200。大于该值时，建筑物失去可修复性，建议拆除重建，韧性评价工作终止；若小于该值，则建筑物仍具有修复价值，执行后续步骤。

（6）对原始工程需求参数矩阵进行扩充，扩充后的工程需求参数矩阵与时程分析得到的工程需求参数矩阵具有相同的均值与方差。FEMAP58建议将原始参数扩充为至少1000条地震动的结果，可以有效降低地震动随机性对评价结果的影响。

（7）结合构件易损性曲线，采用随机数方法判定一次地震作用下所有建筑构件所处的损伤状态。

（8）根据上述判定结果，计算韧性指标值。

（9）执行步骤（7）至少1000次，即使用扩充后的工程需求参数矩阵的数据完成至少1000次蒙特卡洛模拟。

（10）将步骤（9）所得到的韧性指标数据集拟合为服从对数正态分布的概率模型。

（11）取概率模型具有84%保证率的数值作为各项韧性指标的代表值，进行韧性等级评价。

（五）抗震韧性等级划分标准

规范采用“分水准分项评价+集成评级”的方法进行建筑抗震韧性等级评定。如表2所示，建筑物的抗震韧性等级分为3级，由低到高分别采用一星、二星和三星表示。

表2 建筑韧性指标的等级

该评价体系具有以下三方面特征：

（1）分别采用设防地震和罕遇地震水准的动力响应来评估分项指标。故本方法所述的抗震韧性等级评价工作分为两个阶段：首先，应根据建筑物在设防地震作用下所得到的韧性指标结果（建筑修复费用指标κ，建筑修复时间指标Ttot和人员伤亡指标γH和γD），对照表2中所列一星的标准判定建筑物是否符合一星韧性建筑的要求。如果不符合，则无须进行下一步评价。如果满足要求，则再根据建筑物在罕遇地震作用下所得韧性指标结果，对照表2中所列二星和三星的标准判定建筑物是否满足相应要求。如果符合，则将建筑物韧性等级提升至新的等级；如不满足二星要求，则仍维持原一星韧性建筑的判定结果。

（2）采用各项指标具有84%保证率的代表值进行分项评价。前述三项指标均通过至少1000次的蒙特卡洛模拟获得了服从正态分布的结果集，从而可获取具有84%保证率的值，以此作为各分项指标的代表值，可包括大部分的评估结果。

（3）以各分项评价的最低等级作为建筑的抗震韧性等级。以分项评级结果的下限来描述建筑的整体韧性性能，可以起到更好的促进效果。

结语

随着我国社会、经济的不断发展，人们对于建筑物抵御地震灾害的期望也已由抗震安全性向抗震韧性转变，要求安全和功能双保护。我国现行抗震设计规范中关于性能化设计的规定均集中于保障建筑物结构部分的抗震安全性能，对建筑功能的震后可恢复性关注不足。随着国家标准《建筑抗震韧性评价标准》（GB/T38591—2020）的颁布，全面提升建筑抗震韧性将成为防震减灾工作的重心。

为了更加准确、快速地评估建筑的抗震性能，以至于提升应对主余震作用等复杂场景的能力，需要积累更多符合我国规范要求的基础试验数据，发展范围更广、分类更细的建筑构件/设备易损性数据库，尤其需要广大科研和工程人员关注新兴的减、隔震技术，切实通过减、隔震设计为建筑物注入“强韧性”。