廊坊市重要建筑物易損性分析

呂國軍+張合+孫麗娜+劉志輝

摘要：采用PKPM SATWE結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件建模計(jì)算法對廊坊市101棟重要建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)易損性分析，以破壞等級為結(jié)果指標(biāo)給出每棟抽樣建筑的震害預(yù)測結(jié)果，按照建筑物結(jié)構(gòu)類型、建設(shè)年代和建設(shè)用途形成各自震害矩陣并給出所有重要建筑物的總震害矩陣，對各類建筑物的抗震能力進(jìn)行綜合評價(jià)。

關(guān)鍵詞：空間有限元；易損性分析；震害矩陣；抗震能力

中圖分類號：P315.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0638-08

0引言

歷次地震用生命的代價(jià)為我們留下了寶貴的震害經(jīng)驗(yàn)，2008年汶川8級大地震全面檢驗(yàn)了各類建筑物的抗震能力（高惠瑛等，2010），北川中學(xué)、映秀中心小學(xué)、北川多所黨政機(jī)關(guān)辦公樓倒塌，傷亡慘重?？偨Y(jié)這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，可以為我們調(diào)查研究建筑物工程結(jié)構(gòu)易損性提供示例從而更合理地進(jìn)行震害預(yù)測。

本文運(yùn)用PKPM SATWE結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件建模計(jì)算法（吳桂芬，2012；段姣姣，2012）對廊坊市101棟重要建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)易損性分析（尹之潛，1991），給出重要建筑物的震害矩陣（尹之潛，1994；常業(yè)軍，馬克儉，2000；常業(yè)軍，吳明友，2001），找出其薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地采取預(yù)防措施。

1易損性分析方法

1.1PKPM SATWE結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件建模計(jì)算法重要建筑物的分析工作主要為核查建筑物的抗震構(gòu)造措施和采用有限元分析程序?qū)ㄖ镞M(jìn)行建模分析。對于磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用PKPM結(jié)構(gòu)抗震鑒定模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震驗(yàn)算，對于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)采用PKPM SATWE模塊進(jìn)行驗(yàn)算。具體步驟如下：

（1）根據(jù)收集到的廓坊市101棟重要建筑物的竣工圖紙資料，讀取結(jié)構(gòu)的實(shí)際詳細(xì)設(shè)計(jì)信息，包括建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置情況、截面尺寸、材料強(qiáng)度、承重構(gòu)件配筋情況、荷載分布情況等，其中混凝土強(qiáng)度采用圖紙注明的設(shè)計(jì)強(qiáng)度作為實(shí)際強(qiáng)度，對于進(jìn)行了現(xiàn)場測試的建筑物采用混凝土的實(shí)測強(qiáng)度作為材料的實(shí)際強(qiáng)度，框架結(jié)構(gòu)中混凝土柱內(nèi)的鋼筋配置采用圖紙注明的配筋方式，然后按照《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50023—2009）進(jìn)行驗(yàn)算鑒定。

（2）對于磚混結(jié)構(gòu)建筑和鋼筋混凝土框架建筑，首先進(jìn)行一級鑒定，即結(jié)構(gòu)整體性態(tài)和抗震構(gòu)造措施核查，主要內(nèi)容包括：建筑總高度和層數(shù)、層高，建筑結(jié)構(gòu)體系平立面的規(guī)則性，體系抗震薄弱環(huán)節(jié)，承重構(gòu)件截面尺寸，構(gòu)件連接和支撐情況，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置情況，材料強(qiáng)度，地基類型和基礎(chǔ)形式等，根據(jù)核查的情況確定結(jié)構(gòu)的體系影響系數(shù)和局部影響系數(shù)。然后進(jìn)行二級鑒定：采用PKPM有限元軟件按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)方案建立三維計(jì)算模型。該結(jié)構(gòu)模型的綜合抗震能力指數(shù)，代表了整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)綜合考慮其構(gòu)造和承載力等因素所具有的抵抗地震作用的能力；相應(yīng)于破壞指數(shù)，代表建筑物遇到地震時(shí)抵御地震災(zāi)害的能力（張風(fēng)華，2002），綜合考慮兩級鑒定的結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震能力評估（白雪霜，2012）。對于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，直接根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)施工圖提取結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)信息，采用PKPM有限元軟件建立三維計(jì)算模型，然后采用SATWE結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)的承載力和變形情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析結(jié)構(gòu)的易損性。

（3）計(jì)算結(jié)果分析。按結(jié)構(gòu)分析計(jì)算得到的樓層綜合抗震能力指數(shù)確定結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的震害等級。

1.2以廊坊市人民醫(yī)院門診樓框架結(jié)構(gòu)為算例廊坊市人民醫(yī)院門診樓建于1998年，地上7層，局部8層。第一層高為6.3 m，其余層高3.3 m。室內(nèi)外高差為0.6 m。結(jié)構(gòu)型式為框架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆樓板，樓板厚為120 mm。地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.20 g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，框架抗震等級為二級，場地類別為Ⅲ類。本結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為乙類?；撅L(fēng)壓為0.40 KN/m2。采用C30混凝土。

地震研究40卷第4期呂國軍等：廊坊市重要建筑物易損性分析采用PKPM軟件建立該工程結(jié)構(gòu)計(jì)算的有限元模型，如圖1所示。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068—2001），以綜合抗震能力指數(shù)為判斷指標(biāo)，結(jié)合Ⅶ～Ⅸ度下的震害等級與綜合抗震能力指數(shù)的關(guān)系式（建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50011—2010）。樓層綜合抗震能力指數(shù)計(jì)算式：β=ψ1ψ2ζy（1）ζy=Vy/Ve（2）Vy =∑Vcy+0.7∑Vmy+0.7∑Vwy（3）式中：β為平面結(jié)構(gòu)樓層綜合抗震能力指數(shù)；ψ1為體系影響系數(shù)，取值1.25；ψ2為局部影響系數(shù)，取值0.85；ζy為樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)；Vy為樓層的彈性地震剪力；Ve為樓層現(xiàn)有受剪承載力；∑Vcy為框架柱層間現(xiàn)有受剪承載力之和；∑Vmy為磚填充墻框架層間現(xiàn)有受剪承載力之和；∑Vwy為抗震墻層間現(xiàn)有受剪承載力之和。

樓層的彈性地震剪力，采用底部剪力法計(jì)算。地震作用按《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50023—2009）3.0.5條的規(guī)定計(jì)算，地震作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的樓層綜合抗震能力指數(shù)與震害破壞等級之間的關(guān)系如1所示。

在Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度地震作用下，該建筑的綜合抗震能力指數(shù)和破壞狀態(tài)如表2所示。

2.1重要建筑物調(diào)查情況在建筑物抗震防災(zāi)的研究方面，根據(jù)建筑物的重要性將現(xiàn)有建筑物分為重要建筑和一般建筑物進(jìn)行震害預(yù)測。重要建筑物包括黨政機(jī)關(guān)、抗震救災(zāi)指揮部等部門的主要辦公樓；公安、消防、醫(yī)療救護(hù)、學(xué)校、影劇院等單位的主要建筑物；生命線工程系統(tǒng)的重要建筑物（地震災(zāi)害預(yù)測及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，GB/T 19428—2013）。

在收集資料的基礎(chǔ)上，對廊坊市重要建筑物進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，并填寫每棟建筑的完整信息，包括結(jié)構(gòu)形式、建造年代、層數(shù)、面積、用途、薄弱環(huán)節(jié)以及現(xiàn)狀評價(jià)等，共調(diào)查重要建筑物101棟，總建筑面積為248 603 m2。從表3中可以看出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是目前廊坊市重要建筑物中使用最多一種結(jié)構(gòu)形式，占調(diào)查總面積的49.81%、調(diào)查總棟數(shù)的46.53%，該框架結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆梁、板、柱，空間布置靈活，抗震性能較好；多層磚混結(jié)構(gòu)建筑，占總調(diào)查棟數(shù)的43.56%，面積比為31.26%，僅次于框架結(jié)構(gòu)比例；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)既有框架結(jié)構(gòu)空間布置靈活的優(yōu)點(diǎn)，又具有很好的抗震能力，2000年以后的建筑廣泛地采用該種結(jié)構(gòu)形式；底層框架結(jié)構(gòu)是在底下幾層使用框架結(jié)構(gòu)，而框架上面各層使用磚混砌體的結(jié)構(gòu)形式，其抗震能力較弱，具有“頭重腳輕、上剛下柔”的特點(diǎn)；20世紀(jì)80、90年代修建的建筑以學(xué)校和醫(yī)院居多，多為磚混結(jié)構(gòu)，預(yù)制樓板，施工質(zhì)量一般，抗震能力相對較差。2000年以后建的多層住宅樓也有一些是磚混結(jié)構(gòu)，樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土的，施工質(zhì)量也較以前有所提高，抗震能力有所提高。endprint

2.2重要建筑物易損性分析結(jié)果

采用PKPM有限元建模分析計(jì)算法對101棟重要建筑物進(jìn)行抗震能力分析。表4給出了廊坊市重要建筑物破壞狀態(tài)的震害預(yù)測結(jié)果。為了驗(yàn)證該方法的可行性，我們隨意抽取25棟重要建筑物，其中磚混結(jié)構(gòu)有12棟，框架結(jié)構(gòu)10棟，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)3棟。采用震害因子法（仝永德，2008；高杰等，2007；孟紫陽等，2013）計(jì)算得到震害指數(shù)矩陣，根據(jù)震害指數(shù)矩陣得到了這25棟建筑物的震害預(yù)測結(jié)果，與PKPM有限元建模分析計(jì)算法結(jié)果進(jìn)行對比（圖2），發(fā)現(xiàn)兩種方法的計(jì)算結(jié)果相符。表5～7 給出了重要建筑物按結(jié)構(gòu)類型、建設(shè)年代和建設(shè)用途分類在不同烈度下發(fā)生各種破壞等級的面積和棟數(shù)震害矩陣。廊坊市抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（高孟潭等，2015），當(dāng)遭遇Ⅷ度地震影響時(shí)，有8%的磚混結(jié)構(gòu)房屋遭受嚴(yán)重破壞（表5）；20世紀(jì)80年代的建筑有13%房屋遭受嚴(yán)重破壞（表6）；有32.43%的住宅、6.25%的廠房、3.49%的醫(yī)院和0.43%的教學(xué)房屋面積發(fā)生嚴(yán)重破壞（表7）。當(dāng)遭遇Ⅸ度地震時(shí)，這些遭遇Ⅷ度地震影響并發(fā)生嚴(yán)重破壞的重要建筑物會(huì)發(fā)生毀壞，因此這些類型房屋應(yīng)該采取必要的抗震加固措施。

根據(jù)廊坊市重要建筑物不同類型易損性矩陣和所有重要建筑物易損性矩陣（表8），通過計(jì)算得到了不同類型重要建筑物平均的抗震能力指數(shù)分布圖和總平均震害指數(shù)圖（圖3），從圖3a、b中可以看到按照建設(shè)年代分：20世紀(jì)80年代所建建筑物抗震能力最弱，21世紀(jì)初所建建筑物抗震能力最強(qiáng)；按照結(jié)構(gòu)類型分：磚混結(jié)構(gòu)建筑物抗震能力最弱，框剪結(jié)構(gòu)建筑物抗震能力最強(qiáng)；按照用途分：廠房抗震能力最差，住宅和通訊用的建筑物其次，醫(yī)院和學(xué)校抗震能力較強(qiáng)。

圖3c給出了廊坊市所有重要建筑物的總體平均震害指數(shù)（地震災(zāi)害預(yù)測及其信息管理技術(shù)系統(tǒng)規(guī)范，GB/T 19428—2013），震害指數(shù)與房屋建筑破壞比是對應(yīng)抽樣調(diào)查點(diǎn)或烈度區(qū)判定烈度的量化指標(biāo)，也是定量研究某烈度區(qū)或調(diào)查點(diǎn)房屋建筑震害的重要依據(jù)（盧永坤等，2014）。結(jié)合表5，當(dāng)建筑物遭受Ⅶ度（相當(dāng)于50年超越概率63%，小震）地震影響時(shí)震害指數(shù)為0.12，56.58%的房屋面積為基本完好，計(jì)140 660 m2；40.92%的房屋面積受輕微破壞，計(jì)101 728 m2；2.50%的房屋面積為中等破壞，計(jì)6 215 m2。當(dāng)建筑物遭受Ⅷ度（相當(dāng)于50年超越概率10%，中震）地震影響時(shí)震害指數(shù)為0.29，0.57%房屋面積為基本完好，計(jì)1 417 m2；56.01%的房屋面積受輕微破壞，計(jì)139 243 m2；40.92%的房屋面積為中等破壞，計(jì)101 728 m2；2.50%的房屋面積為嚴(yán)重破壞，計(jì)6 215 m2。當(dāng)建筑物遭受Ⅸ度（相當(dāng)于50年超越概率2%，大震）地震影響時(shí)震害指數(shù)為0.53，0.57%房屋面積為輕微破壞，計(jì)1 417 m2；56.01%的房屋面積為中等破壞，計(jì)139 243 m2；40.92%的房屋面積為嚴(yán)重破壞，計(jì)101 728 m2；2.50%的房屋面積為毀壞，計(jì)6 215 m2。其破壞狀態(tài)基本上滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)論與建議

采用PKPM SATWE結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件建模計(jì)算法對廊坊市101棟重要建筑物進(jìn)行易損性分析，結(jié)果表明廊坊市重要建筑物基本符合“三水準(zhǔn)”設(shè)計(jì)要求，有一定的抗震能力。特別是2000年以來新建的以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為主的建筑，抗震性能較好。但是2000年以前所建磚混結(jié)構(gòu)房屋大多為預(yù)制樓板，抗震能力較差，相當(dāng)一部分醫(yī)院、學(xué)校等重要建筑也采用抗震能力較弱的磚混結(jié)構(gòu)，抗震能力明顯不足，安全隱患較多。

建議對磚混結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行加固處理，特別是醫(yī)院、學(xué)校等重要建筑要經(jīng)過專門的抗震鑒定進(jìn)行改造、加固或重建，在此過程中優(yōu)先采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)中注意平、立面規(guī)則，盡量避免出現(xiàn)室外樓梯、不同建筑間的連廊、笨重磚砌護(hù)欄等不利于抗震的設(shè)計(jì)。

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