工程結(jié)構(gòu)地震易損性與經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估研究現(xiàn)狀

溫留漢·黑沙+張永山+汪大洋

摘要：回顧了地震觀測(cè)記錄研究的發(fā)展歷程，對(duì)采用基于震害調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)判斷法和基于有限元的理論計(jì)算法分析結(jié)構(gòu)地震易損性進(jìn)行了系統(tǒng)的概括和總結(jié)，綜述了目前各國(guó)開展直接和間接地震經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估技術(shù)方法；針對(duì)地震風(fēng)險(xiǎn)觀測(cè)記錄、間接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估、結(jié)構(gòu)精細(xì)化易損性模型、地震動(dòng)輸入、地震附加費(fèi)率厘定等尚待進(jìn)一步深入探討的問題，給出了未來開展地震危險(xiǎn)性分析和地震經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估研究的意見和建議。

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)；地震易損性；直接經(jīng)濟(jì)損失；間接經(jīng)濟(jì)損失；評(píng)估

中圖分類號(hào)：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

結(jié)構(gòu)地震易損性與震害經(jīng)濟(jì)損失分析是地震安全評(píng)定的重要內(nèi)容之一，既從宏觀的角度描述了地震動(dòng)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)破壞損傷程度之間的關(guān)系，又從微觀角度在概率意義上定量刻畫工程結(jié)構(gòu)的抗震能力儲(chǔ)備?；诘卣鹨讚p性分析，人們可以很好地掌握建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時(shí)也能夠了解地震烈度、場(chǎng)地、震級(jí)等地震動(dòng)輸入?yún)?shù)與結(jié)構(gòu)損傷水平之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的災(zāi)害損失進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。地震經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估源于美國(guó)地震保險(xiǎn)業(yè)的發(fā)展，最早由Freeman等于1932年開展了相關(guān)方面的研究工作。地震經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估是工程結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性分析的重要組成部分，也是政府制定地震保險(xiǎn)政策與費(fèi)用厘定的依據(jù)和基礎(chǔ)。隨著結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)手段的完善和建筑材料的不斷更新，工程結(jié)構(gòu)的抗震性能也在逐步提高，雖有效減小了地震造成的人員傷亡損失，但其引起的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失絕對(duì)值卻在不斷增加，合理的地震經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估對(duì)于現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的抗震救災(zāi)與震害保險(xiǎn)越發(fā)重要。因此，對(duì)工程結(jié)構(gòu)開展地震易損性與經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估研究，對(duì)于制定國(guó)家防震減災(zāi)措施。提高結(jié)構(gòu)抗震能力等級(jí)，降低震害損失等具有重要的研究意義和價(jià)值。

1 地震觀測(cè)記錄與修正

自20世紀(jì)30年代在加州長(zhǎng)灘記錄第1條地震動(dòng)加速度以來（圖1[1]），研究人員在該領(lǐng)域開展了大量研究工作，目前美國(guó)、日本以及中國(guó)等地震多發(fā)國(guó)家已經(jīng)建立了相當(dāng)豐富的地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫。地震動(dòng)觀測(cè)記錄研究大致經(jīng)歷了模擬地震記錄和數(shù)字地震記錄與修正這2個(gè)階段[2]。

20世紀(jì)30年代到70年代中期為模擬地震記錄階段。1947年Housner[3]基于模擬強(qiáng)震儀記錄的洛杉磯地震加速度序列，通過對(duì)其進(jìn)行2次積分得到地震位移時(shí)程，并與位移儀得到的位移記錄比較后認(rèn)為加速度積分計(jì)算結(jié)果的可信度較高。然而1955年Hershberger[4]經(jīng)過分析對(duì)Housner的研究成果提出了質(zhì)疑。1961年，Berg等[5]指出積分計(jì)算方法在精度方面無法得到有效保證，但其結(jié)果可作為工程結(jié)構(gòu)分析參考之用。20世紀(jì)60年代末到70年代初，研究人員開始對(duì)模擬地震儀獲取數(shù)據(jù)的精確性開展研究，探討了傳感器位置、記錄紙變形以及數(shù)據(jù)反饋時(shí)效等因素對(duì)積分后位移的影響[6-7]，發(fā)現(xiàn)模擬強(qiáng)震儀存在丟頭現(xiàn)象，記錄長(zhǎng)周期地震動(dòng)的能力不強(qiáng)等弊端，進(jìn)而提出了通過過濾長(zhǎng)周期信號(hào)獲取地震記錄的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄基線校正方法[8-10]。

20世紀(jì)70年代末，美國(guó)和日本相繼研制成功了數(shù)字強(qiáng)震儀，使記錄信號(hào)的周期記錄范圍擴(kuò)展至0.05～20 s，振幅記錄范圍擴(kuò)展至0.000 1g～2.0g（g為重力加速度），精度達(dá)到1/100 s。然而，數(shù)字強(qiáng)震儀仍存在難以有效克服因地面傾斜、環(huán)境噪聲、位移漂移失真等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，因此該階段研究人員主要致力于數(shù)字強(qiáng)震儀加速度記錄的修正與校正工作上。1985年，Iwan等[11]采用兩段式校正方法，首先從未校正的加速度記錄中分離出加速度偏移噪聲，然后對(duì)校正加速度記錄積分得到速度和位移曲線。2001年，Boore[12]和王國(guó)權(quán)等[13]對(duì)Iwan兩段式噪聲模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提出便于自動(dòng)化處理的單段式校正方法，但該方法處理復(fù)雜地震記錄并不理想。2002年，Boore等[14]又提出采用二次曲線擬合地震動(dòng)記錄的整個(gè)速度時(shí)間歷程，但其通過在未校正加速度記錄中減去擬合曲線導(dǎo)數(shù)值的處理方式并不合理，使結(jié)果改善的并不理想。2007年，Chen等[15]采用濾波技術(shù)過濾地震動(dòng)信號(hào)中不合理成分，依次剔除加速度和速度時(shí)程中的近似部分，然后對(duì)校正后的加速度記錄進(jìn)行積分得到位移時(shí)程。2010年，Chanerley等[16]采用軟閾值理論對(duì)得到的低頻和高頻信號(hào)分別進(jìn)行去噪處理得到修正加速度記錄，然后二次積分得到速度和位移時(shí)程，取得了較好的效果。2 工程結(jié)構(gòu)地震易損性分析

建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性是指不同強(qiáng)度地震動(dòng)作用下引起結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)或達(dá)到某個(gè)性能水平的概率，是對(duì)既定災(zāi)害引起的建筑結(jié)構(gòu)各個(gè)性能狀態(tài)的概率分布描述，并通過地震易損性曲線或易損性矩陣加以表征[17]。地震易損性分析根據(jù)數(shù)據(jù)來源及處理方法的不同主要分為基于數(shù)據(jù)調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)分析法和基于有限元分析的理論計(jì)算法，前者根據(jù)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和專家經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行，后者結(jié)合動(dòng)力有限元分析軟件通過結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析開展。

2.1 基于震害調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)分析法

1971年，美國(guó)南加利福利亞州在發(fā)生San Fernando地震后，Whitman等[18]對(duì)1 600棟建筑結(jié)構(gòu)的震害情況進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，并于1973年首次提出采用離散的破壞概率矩陣（Damage Probability Matrices， DPMs）描述不同類型結(jié)構(gòu)的地震易損性。1980年意大利發(fā)生伊爾皮尼亞Irpinia地震，Braga等[19]根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)引入二項(xiàng)分布描述結(jié)構(gòu)不同破壞水平的概率分布特征，并建立了歐洲建筑結(jié)構(gòu)易損性的首個(gè)DPMs，隨后Dolce等[20]和Di Pasquale等[21]針對(duì)意大利的地震特征和建筑技術(shù)水平對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。1985年，美國(guó)應(yīng)用技術(shù)協(xié)會(huì)（Applied Technology Council， ATC）基于50位地震工程領(lǐng)域的專家問卷調(diào)查給出了專家判斷的DPMs[22]。然而，專家經(jīng)驗(yàn)判斷難以確定不同地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生不同損傷性能狀態(tài)的破壞概率，為此Gioviazzi等[23]從地震烈度角度提出了專家經(jīng)驗(yàn)判斷的DPMs，隨后他們引入模糊評(píng)價(jià)理論對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)[24]，得到了基于判斷的地震易損性曲線，使之更加適于在地震易損性評(píng)估中的使用，該方法后來被里斯本和巴塞羅那等城市的地震易損性分析所采用[25-26]。Kiremidjian[27]還將貝葉斯分布理論和專家經(jīng)驗(yàn)判斷相結(jié)合，提出了建筑結(jié)構(gòu)易損性分析的主觀DPMs。作為地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的中國(guó)，眾多專家學(xué)者亦對(duì)地震易損性進(jìn)行了研究，1996年尹之潛[28]首先將中國(guó)建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)易損性情況分為A、B、C、D四類，依次為鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)和工業(yè)建筑、白灰砂漿砌筑的磚結(jié)構(gòu)、農(nóng)村生土結(jié)構(gòu)，建立了未來建筑震害矩陣與目前現(xiàn)有建筑震害的關(guān)系，然后給出2000年上述4類建筑的易損性DPMs。2008年汶川地震后，中國(guó)地震局迅速聯(lián)合科研單位和大專院校先后2次組織考察隊(duì)共300余人，歷時(shí)3個(gè)多月，行程數(shù)百萬公里對(duì)近5 000棟建筑結(jié)構(gòu)的震害進(jìn)行了詳細(xì)科學(xué)調(diào)查，給出了設(shè)防和未設(shè)防砌體結(jié)構(gòu)的易損性矩陣，見表1[29]。