建筑抗震韌性評價(jià)研究進(jìn)展

王濤

引言

縱觀20世紀(jì)以來我國發(fā)生的若干次大地震，其造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失都頗為驚人?？蒲泻凸こ倘藛T通過多次地震現(xiàn)場調(diào)查，逐漸意識到所謂的“地震災(zāi)害”，更多時(shí)候是建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌導(dǎo)致的大規(guī)模人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失（圖1）。這些震害說明建筑結(jié)構(gòu)抗震研究需要持續(xù)不斷地挖掘結(jié)構(gòu)同地震作用博弈的機(jī)理，并據(jù)此發(fā)展出更加合理、可靠、經(jīng)濟(jì)的抗震結(jié)構(gòu)體系。

圖1 我國發(fā)生的重大地震災(zāi)害

因此，研究適用于單體建筑的抗震韌性評價(jià)方法和流程，評估建筑物可能出現(xiàn)的強(qiáng)震響應(yīng)，既可以服務(wù)于新建建筑的性能化抗震設(shè)計(jì)，也可以為既有建筑提升抗震性能提供參考依據(jù)。2017年，清華大學(xué)聯(lián)合中國地震局工程力學(xué)研究所等多家單位編制了我國第一部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)——《建筑抗震韌性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T38591—2020）。該標(biāo)準(zhǔn)對建筑抗震韌性評價(jià)的要求、建筑損傷狀態(tài)判定、建筑修復(fù)費(fèi)用計(jì)算、建筑修復(fù)時(shí)間計(jì)算、人員傷亡計(jì)算及建筑抗震韌性等級評價(jià)均做出了明確的規(guī)定。

性能化評估方法發(fā)展概況

（一）第一代抗震性能評估方法

20世紀(jì)八九十年代在美國加州地區(qū)發(fā)生的LomaPrieta地 震 和Northridge地 震 造 成 許 多建筑物主體結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致建筑喪失了其原有功能。由此，基于性能的抗震設(shè)計(jì) 方 法（Performance-basedseismicdesign）

誕 生 并 逐 漸 受 到 重 視。以FEMA273、FEMA356和ASCE/SEI41-06等為代表的第一代抗震性能評估方法采用確定性方法，依據(jù)由地震強(qiáng)度等級和結(jié)構(gòu)性能等級構(gòu)成的性能水準(zhǔn)矩陣來評估單體建筑物的抗震性能。該方法具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在：①以譜方法和非線性靜力推覆分析為基礎(chǔ)的確定性方法忽略了地震作用的隨機(jī)性；②往往忽略了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)備的損傷對性能的影響，而實(shí)際上非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備在建筑物的成本占比中甚至超過80%（圖2）；③性能等級采用定性描述，并以結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)（層間變形或?qū)蛹铀俣鹊龋┓从吃u估結(jié)果，對于非專業(yè)人士（業(yè)主、政府人員、保險(xiǎn)公司等）而言難以理解，增加了決策難度。

圖2 國內(nèi)一般建筑物的結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)部分造價(jià)占比（《建筑抗震韌性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》編制組提供）

（二）第二代抗震性能評估方法

2002年開始，美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署（FederalEmergencyManageAgency，F(xiàn)EMA） 發(fā) 起 了ATC-58計(jì) 劃，旨 在 以PEERFramework為 基 礎(chǔ) 發(fā) 展 新 一 代 基于建筑抗震性能的設(shè)計(jì)和評估方法。至今，已陸續(xù)發(fā)布了FEMA-445、FEMAP58等 多 部 相 關(guān) 指 南 文 件，并 輔 以配 套 軟 件PerformanceAssessmentCalculationTool（PACT），協(xié)助工程師完成既有或新建建筑物的抗震性能評估和新建建筑物基于性能的抗震設(shè)計(jì)，并為其他相關(guān)人員提供更加直觀、易于理解的建筑抗震性能評估結(jié)果（圖3）。與第一代評估方法相比，第二代建筑抗震性能評估方法主要發(fā)生了以下變化：①以建筑構(gòu)件的易損性為基礎(chǔ)，采用全概率化的評估方法，充分考慮了組成建筑物的各要素性能的離散性；②以工程需求參數(shù)矩陣擴(kuò)充和蒙特卡洛模擬來降低地震動(dòng)隨機(jī)性引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)不確定性，增強(qiáng)評估結(jié)果的可信度；③以修復(fù)成本、修復(fù)時(shí)間、安全警告及人員傷亡來評估建筑物的安全性和可恢復(fù)性，滿足不同人群對建筑抗震性能的關(guān)切，比第一代方法所采用的專業(yè)性結(jié)果更適合供決策方參考。2013年，奧雅納工程顧問公司進(jìn)一步開發(fā)了建筑抗震韌性評級框架體系（Resilience-basedEarthquakeDesignInitiativefortheNextGenerationofBuilding，REDi），并依據(jù)其客戶群體對評價(jià)指標(biāo)的內(nèi)涵進(jìn)行了調(diào)整，在計(jì)算建筑物震后修復(fù)時(shí)間時(shí)引入了公用設(shè)施中斷和其他外部延阻因素，可在組織和規(guī)劃方面提升建筑物的抗震韌性。該方法被應(yīng)用在奧雅納所參與的181弗里蒙特大廈設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。美國韌 性 委 員 會(huì)（U.S.ResiliencyCouncil）于2015年 發(fā) 布 了BuildingRatingSystem，建 立了更加細(xì)致的韌性指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，并提供了網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)。我國臺灣大學(xué)下轄地震工程中心也開發(fā)了臺灣地震損失評估系統(tǒng)（TaiwanEarthquakeLossEstimationSystem，TELES）。上 述 相 關(guān) 研究機(jī)構(gòu)及其代表性成果詳見表1。

圖3 專業(yè)人員對建筑物開展地震損失評估

表1 從事相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)及代表性成果

（三）“可恢復(fù)功能城市”（ResilientCity）的提出

原太平洋地震工程中心主任、加州大學(xué)伯克利分校Mahin教授指出：傳統(tǒng)的延性設(shè)計(jì)方法對于防倒塌是必要的，但這種基于增大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)方法無法完全滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求?，F(xiàn)代社會(huì)更需要震后保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)或大震后損壞和維修成本最小的工程解決方案。2009年1月在NEES/E-Defense美 日地 震 工 程第 二 階 段合 作 研 究計(jì) 劃會(huì)議上，美日學(xué)者首次提出將“可恢復(fù)功能城市”作為地震工程領(lǐng)域的一大發(fā)展方向。建筑是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)重要承載體，也是地震災(zāi)害的主要承災(zāi)體。提升城市的抗震韌性，其首要環(huán)節(jié)是提升建筑抗震韌性。

單體建筑地震損傷評估方法可分為基于材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)3個(gè)層次的方法體系。其中，基于構(gòu)件層次的抗震韌性評估方法，相比于材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)層次，既有理論支撐，又避免了由材料本構(gòu)出發(fā)導(dǎo)致的繁重計(jì)算和由結(jié)構(gòu)出發(fā)導(dǎo)致的結(jié)果離散，成為更受推崇的方法體系。

《建筑抗震韌性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》解讀

（一）建筑抗震韌性的概念

將建筑物的抗震韌性定義為：建筑遭遇特定水準(zhǔn)地震作用后，維持與恢復(fù)原有建筑功能的能力?！疤囟ㄋ疁?zhǔn)地震作用”沿用了我國的三水準(zhǔn)設(shè)防理念，“維持或恢復(fù)原有建筑功能”是指建筑物保持震前狀態(tài)或在發(fā)生損傷后100%恢復(fù)至震前狀態(tài)。

（二）建筑功能的劃分

對于大多數(shù)建筑而言，至少可以歸納出三個(gè)層次的主要功能：

（1）“建筑抗震安全功能”（SeismicSafetyFunctionofBuilding）：從建筑物誕生之初便具有作為人類庇護(hù)所的屬性，要求建筑物面對自然災(zāi)害時(shí)能保障人員的生命安全，這是制定抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的宗旨。

（2）“建筑基本功能”（FundamentalFunctionofBuilding）：建筑物作為人類生產(chǎn)、生活的主要場所，承擔(dān)了多種多樣的社會(huì)職能。對于多數(shù)現(xiàn)代建筑而言，滿足建筑使用要求、維持建筑正常運(yùn)行所必需的性能，包括：建筑空間正常使用，結(jié)構(gòu)安全和設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，例如，商業(yè)建筑具有結(jié)實(shí)安全的結(jié)構(gòu)骨架，具備完好的供電、照明、通風(fēng)、給排水、供暖和通信系統(tǒng)，即可認(rèn)為該建筑已具備了建筑基本功能。

（3）“建 筑 綜 合 功 能”（CompositiveFunctionofBuilding）：除上述系統(tǒng)之外，建筑物內(nèi)尚有許多附著于結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的裝飾、裝修，承擔(dān)了部分建筑美學(xué)功能。在維持基本功的前提下，保持建筑外觀和內(nèi)部裝飾、裝修完好，可認(rèn)為建筑物具備了建筑綜合功能。

單體建筑物經(jīng)歷地震作用后隨著時(shí)間的推移，建筑功能逐步恢復(fù)，先后經(jīng)歷了安全性恢復(fù)、功能性恢復(fù)和綜合性恢復(fù)3個(gè)階段，最終完全恢復(fù)震前狀態(tài)（圖4、圖5）。與此同時(shí)，所耗費(fèi)的修復(fù)費(fèi)用也不斷增加。準(zhǔn)備工作階段，建筑功能并沒有得到恢復(fù)，但費(fèi)用卻會(huì)出現(xiàn)激增，其原因是這段時(shí)間需要采購修復(fù)材料、租賃機(jī)械設(shè)備，產(chǎn)生了大量的成本消耗。之后的每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，建筑功能和修復(fù)費(fèi)用都是不斷穩(wěn)步上漲的。顯然，在震后恢復(fù)的不同階段，需要關(guān)注的韌性指標(biāo)并不相同。對于震后恢復(fù)的參與者，所關(guān)注的時(shí)間點(diǎn)和指標(biāo)可能相去甚遠(yuǎn)。地震剛結(jié)束時(shí)，政府部門和保險(xiǎn)公司關(guān)心傷亡情況及當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失概況；業(yè)主或用戶則更加關(guān)心功能性恢復(fù)階段何時(shí)結(jié)束，可以重新營業(yè)或入住；業(yè)主和保險(xiǎn)公司關(guān)注綜合性恢復(fù)結(jié)束時(shí)的費(fèi)用總額。

圖4 建筑震后恢復(fù)過程示意

圖5 震損建筑功能恢復(fù)階段

（三）韌性指標(biāo)體系

進(jìn)行建筑抗震韌性評價(jià)是對建筑物未來遭遇特定水準(zhǔn)地震作用時(shí)和地震作用之后的表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測，或可理解為預(yù)測建筑物未來遭遇特定水準(zhǔn)地震作用時(shí)達(dá)到某種表現(xiàn)的可能性。因此，韌性評價(jià)指標(biāo)具有一定的發(fā)生概率。

（1）人員傷亡指標(biāo)——由于建筑受損而導(dǎo)致的人員死亡或受傷（需就醫(yī)）情況。該指標(biāo)表征了建筑的安全性能，主要用于為建筑抗震設(shè)計(jì)或政府應(yīng)急救災(zāi)部門決策提供依據(jù)。

（2）建筑修復(fù)費(fèi)用指標(biāo)——震損建筑物恢復(fù)震前狀態(tài)所需要的費(fèi)用成本，屬于經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。需注意修復(fù)費(fèi)用與經(jīng)濟(jì)損失的不同，前者是震后表現(xiàn)，而后者可近似認(rèn)為是震時(shí)表現(xiàn)，前者包含后者。

（3）建筑修復(fù)時(shí)間指標(biāo)——修復(fù)震損建筑或重建所耗費(fèi)的時(shí)間。FEMAP58中基于時(shí)間的評估方法將修復(fù)時(shí)間轉(zhuǎn)化為金錢的形式表達(dá)，亦可認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

（四）韌性評價(jià)流程

建筑抗震韌性評價(jià)工作的基本流程如下：

（1）收集目標(biāo)建筑物所有建筑信息，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息、構(gòu)件易損性曲線、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件布設(shè)信息等。

（2）依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息建立建筑物的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。由于假定非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震響應(yīng)受結(jié)構(gòu)響應(yīng)控制，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)無明顯影響（固接磚砌體填充墻對結(jié)構(gòu)周期的影響可直接反映在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)中），該模型中不包含非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

（3）進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的彈塑性時(shí)程分析，輸入的地震動(dòng)數(shù)量不少于11條。地震動(dòng)數(shù)量的要求源于后續(xù)蒙特卡洛模擬的要求。

（4）提取結(jié)構(gòu)層間位移角和層加速度響應(yīng)結(jié)果，組成原始工程需求參數(shù)矩陣。

（5）根據(jù)罕遇地震水準(zhǔn)下時(shí)程分析所得的結(jié)構(gòu)殘余位移角的平均值判斷震損建筑是否具有可修復(fù)性。對于鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)住宅或公共建筑，其層殘余位移角限值建議取1/200。大于該值時(shí)，建筑物失去可修復(fù)性，建議拆除重建，韌性評價(jià)工作終止；若小于該值，則建筑物仍具有修復(fù)價(jià)值，執(zhí)行后續(xù)步驟。

（6）對原始工程需求參數(shù)矩陣進(jìn)行擴(kuò)充，擴(kuò)充后的工程需求參數(shù)矩陣與時(shí)程分析得到的工程需求參數(shù)矩陣具有相同的均值與方差。FEMAP58建議將原始參數(shù)擴(kuò)充為至少1000條地震動(dòng)的結(jié)果，可以有效降低地震動(dòng)隨機(jī)性對評價(jià)結(jié)果的影響。

（7）結(jié)合構(gòu)件易損性曲線，采用隨機(jī)數(shù)方法判定一次地震作用下所有建筑構(gòu)件所處的損傷狀態(tài)。

（8）根據(jù)上述判定結(jié)果，計(jì)算韌性指標(biāo)值。

（9）執(zhí)行步驟（7）至少1000次，即使用擴(kuò)充后的工程需求參數(shù)矩陣的數(shù)據(jù)完成至少1000次蒙特卡洛模擬。

（10）將步驟（9）所得到的韌性指標(biāo)數(shù)據(jù)集擬合為服從對數(shù)正態(tài)分布的概率模型。

（11）取概率模型具有84%保證率的數(shù)值作為各項(xiàng)韌性指標(biāo)的代表值，進(jìn)行韌性等級評價(jià)。

（五）抗震韌性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)范采用“分水準(zhǔn)分項(xiàng)評價(jià)+集成評級”的方法進(jìn)行建筑抗震韌性等級評定。如表2所示，建筑物的抗震韌性等級分為3級，由低到高分別采用一星、二星和三星表示。

表2 建筑韌性指標(biāo)的等級

該評價(jià)體系具有以下三方面特征：

（1）分別采用設(shè)防地震和罕遇地震水準(zhǔn)的動(dòng)力響應(yīng)來評估分項(xiàng)指標(biāo)。故本方法所述的抗震韌性等級評價(jià)工作分為兩個(gè)階段：首先，應(yīng)根據(jù)建筑物在設(shè)防地震作用下所得到的韌性指標(biāo)結(jié)果（建筑修復(fù)費(fèi)用指標(biāo)κ，建筑修復(fù)時(shí)間指標(biāo)Ttot和人員傷亡指標(biāo)γH和γD），對照表2中所列一星的標(biāo)準(zhǔn)判定建筑物是否符合一星韌性建筑的要求。如果不符合，則無須進(jìn)行下一步評價(jià)。如果滿足要求，則再根據(jù)建筑物在罕遇地震作用下所得韌性指標(biāo)結(jié)果，對照表2中所列二星和三星的標(biāo)準(zhǔn)判定建筑物是否滿足相應(yīng)要求。如果符合，則將建筑物韌性等級提升至新的等級；如不滿足二星要求，則仍維持原一星韌性建筑的判定結(jié)果。

（2）采用各項(xiàng)指標(biāo)具有84%保證率的代表值進(jìn)行分項(xiàng)評價(jià)。前述三項(xiàng)指標(biāo)均通過至少1000次的蒙特卡洛模擬獲得了服從正態(tài)分布的結(jié)果集，從而可獲取具有84%保證率的值，以此作為各分項(xiàng)指標(biāo)的代表值，可包括大部分的評估結(jié)果。

（3）以各分項(xiàng)評價(jià)的最低等級作為建筑的抗震韌性等級。以分項(xiàng)評級結(jié)果的下限來描述建筑的整體韌性性能，可以起到更好的促進(jìn)效果。

結(jié)語

隨著我國社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對于建筑物抵御地震災(zāi)害的期望也已由抗震安全性向抗震韌性轉(zhuǎn)變，要求安全和功能雙保護(hù)。我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于性能化設(shè)計(jì)的規(guī)定均集中于保障建筑物結(jié)構(gòu)部分的抗震安全性能，對建筑功能的震后可恢復(fù)性關(guān)注不足。隨著國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震韌性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T38591—2020）的頒布，全面提升建筑抗震韌性將成為防震減災(zāi)工作的重心。

為了更加準(zhǔn)確、快速地評估建筑的抗震性能，以至于提升應(yīng)對主余震作用等復(fù)雜場景的能力，需要積累更多符合我國規(guī)范要求的基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)展范圍更廣、分類更細(xì)的建筑構(gòu)件/設(shè)備易損性數(shù)據(jù)庫，尤其需要廣大科研和工程人員關(guān)注新興的減、隔震技術(shù)，切實(shí)通過減、隔震設(shè)計(jì)為建筑物注入“強(qiáng)韌性”。