山西省运城市钢混结构建筑物不同震害预测模型对比研究

马秀芳, 曾金艳,董斌 ,李奋勇

(1.山西省地震局,太原 030002;2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,太原 030025)

0 引 言

建筑物的破坏是地震灾害中最主要的形式,科学地预测建筑物在未来地震中的破坏程度,分析城市建筑物的薄弱环节,可以最大限度地减轻地震灾害[1-3]。对于钢混结构建筑物震害预测,逐渐形成一些不同的方法,每种方法各有特点和适用性。基于建筑物易损性分类的震害预测方法在城市预测中得到了一些应用,也会因为预测因素的选择存在一定的偏差,导致预测结果可能相应地产生较大的偏差。为此,本文在运城市建筑物普查数据的基础上,针对运城市钢混结构建筑物,采用不同的群体建筑物计算模型,计算了不同模型的易损性矩阵,比较考虑楼层因素影响的基于易损性分类的群体建筑物地震灾害预测方法和惯用模式判别方法预测结果差异,探究基于建筑物易损性分类的群体震害预测方法在运城市钢混结构建筑物的适用性,并进一步评价运城市钢混结构建筑物的抗震能力。

1 运城市基于建筑物易损性分类的群体震害预测方法及结果

尹之潜[2,4]也指出在震害预测里,属同一类的易损性可以用同一震害矩阵,这样就给震害预测工作带来很大的便利。近些年,震害预测的专家和工作者们相继提出了不同的震害预测方法,如孙柏涛等建立了基于已有震害矩阵模拟的群体震害预测方法[5]。胡少卿[6]收集和整理了包含乌鲁木齐市等20多个城市的建筑物单体样本,其中多层钢筋混凝土结构有4218个样本数据。目前,很多城市对建筑物进行了抗震性能普查,主要包含有下列几个抗震能力因子,即结构类型、建筑年代、层数、设防烈度、用途等。本文采用层数这个控制因素对多层钢筋混凝土结构的易损性进行分类。

基于上述建筑物易损性矩阵的分类方法,对建筑物抗震普查资料统计出的各类建筑物所占的比例和各类建筑物易损性矩阵进行加权平均,建立预测区的群体建筑物的易损性矩阵。公式为:

(1)

式中:Ps[Dj]为预测区s类结构建筑物的易损性矩阵;Pks[Dj]为s类结构建筑物易损性矩阵分类中第k个易损性矩阵(k= 1,2,… ,m);ωks为预测区s类结构建筑物的易损性分类第k个分类的建筑物面积比例[1]。

根据第五代中国地震动参数区划图[7],运城属于Ⅶ度区。按照前人研究成果, Ⅶ度设防区不同楼层(1层,2～3层,4～5层,6～7层,8～9层,高层)的钢筋混凝土房屋地震易损性矩阵结果(共6个表,考虑篇幅影响,文中4～5层和8～9层,见表1-表2),按照调查资料,统计出运城钢筋混凝土结构不同楼层的栋数比例和面积比例(表3),利用式(1)的方法,折算出运城多层钢筋混凝土房屋易损性矩阵(表4、5)。

表1 Ⅶ度设防区4～5层钢筋混凝土房屋地震易损性矩阵(%)

表2 Ⅶ度设防区8～9层钢筋混凝土房屋地震易损性矩阵(%)

表3 运城市各易损性分类的钢筋混凝土结构建筑物楼层比例(%)

表4 运城市钢筋混凝土结构建筑物栋数易损性矩阵(%)

从表4和表5可以看出,在Ⅵ度情况下,处于“基本完好”建筑超过80%;在Ⅶ度情况下,处于“基本完好”和“轻微破坏”的建筑比例约95%;在Ⅷ度情况下,处于“严重破坏”和“毁坏”的比例3.66%。Ⅸ度情况下,处于“严重破坏”和“毁坏”的比例约12.0%。可见,运城市钢混结构建筑物总体上具有较好抗震能力。

表5 运城市钢筋混凝土结构建筑物面积易损性矩阵(%)

2 运城市多层混凝土框架结构震害预测一般方法及结果

多层钢筋混凝土框架结构震害预测采用模式判别法二[8]。该方法通过对大量的钢筋混凝土结构建筑物进行弹塑性地震反应分析,得到楼层最大延伸率与楼层剪力屈服系数的关系,根据楼层最大延伸率的平均值确定钢筋混凝土房屋的震害程度。这一方法是国内近年来应用较多的方法。楼层最大延伸率的平均值可以按下式计算:

(2)

式中:i为楼层序号;Ck为修正系数,取值由表6确定;qi—第i楼层的剪力屈服系数,可以按照下式计算:qi=Qzi/Qmi。Qzi为楼层屈服剪力,可按《建筑物抗震鉴定标准:GB 50023-1995》[9]第6.3.2.1 条的规定计算;Qm为楼层弹性反应的最大地震剪力,可按《建筑抗震设计规范:GB 50011-2001》[10]第5.1.2条给出的方法计算。

表6 钢筋混凝土结构房屋修正系数Ck

延伸率与结构破坏程度的关系见表7,根据表7,由计算得出的楼层最大延伸率平均值,可评定结构的震害等级。

表7 延伸率与破坏程度对照关系

运用模式判别法二,最终计算出运城市钢筋混凝土房屋易损性矩阵见表8。

表8 运城市钢筋混凝土房屋易损性矩阵(%)

3 两种方法预测结果的比较

将两种不同预测方法的不同烈度下的不同破坏(基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏)结果分别比较(图1)。

图1 运城市钢混结构建筑物栋数和面积各种破坏比例

从图1和表4、表5和表8的比较可以看出,两种方法计算的结果差别不大,且不管从栋数来看,还是从面积看,变化趋势基本是一致的。基于考虑楼层因素的建筑物易损性分类的群体震害预测方法在运城市有一定的适用性。但是,矩阵具体数值又有较大差异,所以基于考虑楼层因素的建筑物易损性分类的群体震害预测方法在实际应用中还有它的局限性。图1中基本完好和轻微破坏两者差别最小;从面积角度来看,运城市钢混结构建筑物的两种方法的毁坏结果基本一致。

4 结 论

由表4、表5和表8可以看出,在Ⅶ度情况下,两种预测方法得出的处于“基本完好”和“轻微破坏”的建筑面积比例总和一致,达95%;考虑楼层因素的建筑物群体震害预测方法下,在Ⅷ度情况下,处于“严重破坏”和“毁坏”的比例约为4%,Ⅸ度情况下,处于“严重破坏”和“毁坏”的比例约为3%。可见,运城市钢混结构建筑物总体上具有较好抗震能力。从栋数和面积角度看,基本完好和轻微破坏两种方法的预测结果差别最小;从面积角度来看,运城市钢混结构建筑物的两种方法的毁坏的结果基本一致。基于考虑楼层因素的建筑物易损性分类的群体震害预测方法在运城市有一定的适用性,在准确性方面也有它的局限性。本文主要针对考虑楼层因素作建筑物易损性分析,预测有些粗略,存在一定不足,今后还可以进一步探讨考虑多因素的预测结果。