结构抗震韧性理论研究现状

2022-09-13晏育雄

防灾减灾学报 2022年3期

杨阳，晏育雄，刘婷

（1.湖南湘江新区投资集团有限公司，湖南长沙 410000；2.长沙湘江通用航空发展有限公司，湖南长沙 410000；3.湖南湘江智能科技创新中心有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

我国是地震大国，地震灾害严重。20 世纪以来，我国大陆地区发生7.0 级及以上地震80多次[1]，重大地震造成了大量的人员伤亡和经济损失[2-4]。随着现代工程抗震理论的发展，结构抗震设计理念从强度设计、性能设计、性态设计，发展到现在各国争相研究的韧性设计阶段；抗震设计的对象也从构件、单体结构，扩展到工程系统、城市建筑群。

随着城市功能愈加复杂，非结构构件的破坏、内部设施地损坏以及城市功能的失效等问题影响愈发显著。城市防震减灾不应是仅着眼于降低人员伤亡和减少结构构件破坏，而是应追求地震后维持或者快速且经济地恢复原有功能。传统的“中震可修，大震不倒”将难以满足未来社会的发展要求，与社会、经济的高速发展相对应的，未来城市建筑应该是可快速修复以及“大震可修”，故研究结构抗震韧性理论、探讨结构抗震韧性设计方法、发展“韧性”抗震具有重大的学术和社会价值。

1 抗震韧性的起源与发展

韧性（resilience），又称为可恢复性、复原力等。2003 年，Bruneau[5]首次提出了地震韧性的概念框架，以定义社区的抗震韧性和韧性的量化方法，并提出了社区韧性的四个维度，即技术、组织、社会和经济。Bruneau 将抗震韧性定义为降低结构破坏概率、减轻结构破坏程度、减少结构的恢复时间的能力，同时概括了韧性的四个特性，包括鲁棒性、快速性、冗余性和智能性。

地震韧性概念的提出，使得基于“韧性”的抗震理论与设计成为研究热点，不断有学者提出新的韧性评估方法和韧性抗震技术，各国和各类组织也在不断出台与抗震韧性相关的指导方案和法则。2003 年，美国地震工程学会（EERI）在防震减灾规划中首次“将增强社区韧性”作为工作重点[6]。2008 年，美国地震灾害减灾计划NEHRP（National Earthquake Reduction Program）将提升工程地震可恢复性作为其未来三大目标之一[7]。2009 年，NEES/E-Defence 会议将可恢复功能城市确定为美日在地震工程领域未来的主要合作方向[8]。2013年，奥雅纳公司在《面向下一代建筑的基于韧性抗震设计的倡议》报告中，以城市停止运作的时间为评价指标，提出了建设韧性城市的建议[9]。2016 年召开的美国太平洋地震工程研究中心的年会将可恢复性功能定为下一代基于性能的地震工程的核心。2017 年，第16 届世界地震工程大会将“韧性”作为土木工程的新挑战，并从结构、社区、城市等不同层次探讨了可恢复功能体系的建设与评估。

2017 年，中国地震局提出了“透明地壳、解剖地震、韧性城乡和智慧服务”四项地震科学重点研究计划。其中“韧性城乡”是指一个城乡系统一旦遭受地震灾害，在不超过一定阈值情况下，无需或在外界稍加干预下，在最短的时间内城乡能够依赖本身的自康复能力将城乡的正常功能甚至城乡的一切秩序恢复到震前的状态，甚至超过震前的水平。同年，中国将“韧性城乡”列为“国家地震科技创新工程”四大计划之一[10]，也是“自然灾害防治九大工程”建设的重点指导方向[11]。“韧性城乡”旨在让我国的地震灾害风险评估、工程韧性抗震和社会韧性支撑等领域达到国际先进水平，对于提高我国城市抵御地震风险和灾后恢复能力，保障国家重大战略的实施和人民生命财产安全，降低地震灾害的影响具有重大意义。

2 建筑结构抗震韧性评估方法

2.1 韧性评价方法与模型

自抗震韧性提出以来，学者们在不断地改进原有的韧性评估准则，并在其基础上提出新的抗震韧性评估方法，但学术界至今还没有公认的社区城市抗震韧性的评价框架。Bruneau等[5-12]将抗震韧性的概念引入社区建设和医疗系统的同时，还提出了定量评估社区抗震韧性的方法（图1），其数学表达式为：

其中，R 表示社区的韧性指数，Q（t）为随时间变化的社区的功能函数（100%表示社区基础设施功能完好，0%表示社区基建功能完全退化），t0和t0E表示事件发生时刻，t1为社区完成修复的时刻，L 为损失函数，F 表示恢复函数，TRE为地震后的社区恢复期，αR为功能恢复系数。

Cimellaro 等[13-15]认为社区韧性的评估应包含七个方面：人口和人口统计学、环境和生态系统、组织化的政府服务、基础设施、生活方式和社区能力、经济发展和社会文化资本，同时对Bruneau 的评估方法进行了改进。Cimellaro等认为韧性评价不应只在事件发生到恢复完成这个时间区间内进行考虑，应用功能函数在控制时间内的平均值来衡量，韧性指数定义为：

其中，Q（t）为随时间变化的社区的功能函数，t0E表示地震发生时刻，TLC为控制时间。

图2 Cimellaro 改进的抗震韧性评价方法模型图（摘自文献[16]）Fig.2 Improved model of assessing seismic resilience[16]

目前的韧性定量评估方法多为在Bruneau的评估方法的基础上改进，主要区别为评估模型中性能恢复函数曲线的确定，经典的性能恢复曲线有线性函数[12]、三角函数[17]和指数函数[13，18-20]。

2.2 现行的建筑抗震韧性评估标准评价

性能恢复函数考虑多种影响因素，较为复杂和抽象，还未能很好地应用于建筑结构的建设和修复过程。对此，中、英、美等国的多个组织机构对现有的韧性评估方法进行了归纳和改进，主要以人员伤亡、建筑修复费用、建筑修复时间作为抗震韧性评价指标，推出了可应用于实际分析的韧性评估标准与指南。

美国联邦紧急事务管理署（Federal Emergency Manage Agency，FEMA）开发了第二代抗震性能评估方法FEMA P-58。它以构件的易损性为基础，采用了概率评估方法，充分考虑了建筑物的各组成要素对抗震韧性的影响，同时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的不确定性[21]。该方法包含了基于地震动强度的评估（Intensitybased assessments）、基于场景的评估（Scenariobased assessments）和基于时间的抗震性能评估方法（Time-based assessments），采用了人员伤亡、修复或重建成本、能源消耗和碳排放量、居住中断时间等作为评估指标，更便于实际应用。

2013 年，英国奥康纳公司提出了REDi（Resilience-based Earthquake Design Initiative for the Next Generation of Buildings）建筑韧性评价体系[9]，它主要选用修复时间、直接经济损失和人员安全性作为评价指标，并根据不同的抗震目标将建筑抗震韧性进行了分级。

2015 年，美国韧性委员会USRC（U.S.Resiliency Council）[22]发布了USRC Building Rating System 韧性评估集成评估平台，从安全、损伤和恢复三个维度评价建筑抗震韧性，每个维度又细分为5 个等级，形成三维五星制系统。USRC 体系本身并不采用新的抗震韧性评估方式，而是基于REDi 和FEMA P-58 等现行标准的评估结果，将最终抗震韧性评估结果分等级管理认证。其中最低等级要求建筑能够保证居住者的生命安全，在重大地震发生时，损坏程度不能超过可修复水平，震后恢复时间不能超过一年，并且要求将修复成本限制在40%以内。可以看出即便是最低等级的要求也已经超过了目前“中震可修、大震不倒”的抗震要求水平。

我国第一部抗震韧性方面的标准——《建筑抗震韧性评价标准》（GB/T38591-2020）于2020 年3 月31 日发布，并于2021 年2 月1 日起正式实施[23]。该标准将建筑抗震韧性定义为建筑在设定水准地震作用后，维持与恢复原有建筑功能的能力，其中，“设定水准地震作用”指设防地震和和罕遇地震，“维持与恢复原有建筑功能”指建筑完全保持或恢复到震前状态。标准从我国的建筑实情出发，结合我国已有的抗震设防标准，规定了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、建筑抗震等级评价，适用于新建和既有建筑的抗震韧性评价。在建筑损伤状态判定中，考虑了结构构件和非结构构件的损伤，并分别将它们的损伤状态分为5 级和4 级。计算建筑修复时间时，不计开工前准备工作耗费的时间。《建筑抗震韧性评价标准》以修复费用、修复时间和人员伤亡作为建筑抗震韧性评估指标，并将每个指标分为了三级，对应不同的地震水准和参数要求，进行评价时应综合考虑三项指标，取其中的最低等级作为建筑的抗震韧性等级。

与欧美等国大量引入不确定性不同，《建筑抗震韧性评价标准》（GB/T38591-2020）结合中国的抗震设防规范和要求，针对我国的具体国情进行了相应的改进，在指标计算步骤中采取确定性计算策略，在抗震韧性评级上指标取值更为严格。毫无疑问，该标准是现阶段最适用于中国的建筑抗震韧性评估方法。

3 提高结构抗震韧性的技术与方法

根据建筑抗震韧性的定义，可将其细分为“抵抗”和“恢复”两个部分，即地震发生时结构抵抗地震作用和地震后修复破坏的结构。相应的，提高结构抗震韧性的技术也可大致分为两类——减隔震技术和可恢复性技术。除此之外，也可通过建筑材料[24]和结构形式的选择、高性能构件的开发[25]来增强结构的抗震能力。

3.1 减隔震技术

减隔震技术是通过在结构上增设耗能支撑、隔震支座和阻尼器等来降低结构的地震响应，减少结构的破坏。

建筑隔震技术是通过设置隔震层将建筑基础或下部结构与上部结构分隔开，从而延长结构的周期，阻隔地震能量的传播，避免结构发生共振。目前常用的隔震类型主要有叠层橡胶支座、摩擦摆支座、滑移隔震、滚动隔震、摆动隔震、悬吊隔震等。减震技术包括吸能减震和耗能减震技术，其原理为通过减震装置的摩擦、弹塑性变形、滞回运动等来消耗和吸收地震能量。耗能减震装置主要有金属阻尼器、粘滞阻尼器、屈曲约束支撑[26]、防屈曲钢板剪力墙等。吸能减震技术通过附加子结构，使地震能量重新分配，常用装置有调谐质量阻尼器（TMD）、调频质量阻尼器（TLD）等。

贾皓迪[27]提出了一种装配式防屈曲钢板剪力墙，指出该构件可以改善结构的变形性能，提高结构的抗震性能。Gobbo 等[28]通过设置粘滞阻尼器降低了结构构件和非结构构件的震后维修成本，优化了建筑物的抗震性能。Pollini等[29]提出了一种利用非线性流体粘滞阻尼器实现抗震加固最小成本设计的方法。鲁亮等[30]进行了基底悬摆隔震结构的振动台试验，验证了该种结构具有优异的隔震性能。在实际应用中，单独的隔震或减震技术不一定能满足抗震要求或经济要求，组合使用多种减隔震技术便成为了更有效的方法。丁洁民、吴宏磊等[31-33]研究减隔震组合技术的减震效率，指出该技术具有良好的减震效果，可有效提高结构的抗震韧性。

3.2 可恢复性技术

可恢复功能结构[34-35]是指震后不需要修复或稍加修复即可恢复使用功能的结构，主要通过摇摆结构、自复位结构和可更换构件结构实现。

摇摆结构[36]是通过释放基础对上部结构或构件的部分约束，形成摇摆界面，当地震发生时，摇摆界面上部结构通过抬升或转动来消耗地震能量，从而减少整体结构的破坏。曲哲等[37]采用摇摆墙对一混凝土框架进行了抗震加固，并对比分析了加固前后的结构抗震性能，结果表明摇摆墙体系能有效降低结构的地震反应。杜永峰等[38]提出了一种轻型自复位消能摇摆架，通过使用该摇摆架，有效降低了钢筋混凝土框架在地震中的位移峰值响应和震后的残余位移。

自复位结构具有强大的变形恢复能力和较好的耗能能力，是一种抗震韧性高的结构类型，其最显著的特征在于震后几乎没有残余变，从而不用修缮就能继续使用。自复位结构的实现手段总体分为基于预应力技术（PT）和基于形状记忆合金（SMA）。邱灿星等[39]总结了自复位结构的研究进展和应用现状，并对其发展方向做出了展望。目前已有的自复位结构或构件有基于预应力技术的自复位节点、支撑、剪力墙，以及基于SMA 的自复位阻尼器、节点、剪力墙等。

可更换构件结构是指在结构容易变形和损坏的部位设置可更换的耗能构件，当地震发生时，该构件率先屈服并消耗地震能量，减少主体结构的破坏，震后又可快速将该损坏构件拆除和更换，尽可能降低对整个结构恢复正常使用状态的影响。关于可更换构件结构的研究，主要集中在框架结构和剪力墙结构，包含可更换钢板墙、可更换剪力墙连梁和墙角[40-41]、可更换节点[42]等。

随着研究的深入，减隔震技术往往与可恢复性技术共同使用，并获得了良好的减震效果。Pollino[43]等将摇摆框架与粘滞阻尼器和软钢屈服耗能装置组合，提出了一种带支撑的摇摆钢框架。韩建平等[44]对比分析了自复位耗能支撑钢框架（SC-BRB）和自复位屈曲约束支撑钢框架（SCEDB）的震后恢复能力，并评估两者的抗震韧性，包括震后的恢复时间和总损失，结果表明两者均具有良好的抗震韧性。张国伟等[45]利用Open Sees 对比分析了传统钢筋混凝土框架、防屈曲支撑钢筋混凝土框架（BRBF）、摇摆防屈曲支撑钢筋混凝土框架（RBRBF）的抗震性能，后两者的抗震性能都显著优于传统框架，而RBRBF 更是显著降低了底柱拉力，抗震韧性更优越。