山西省運(yùn)城市鋼混結(jié)構(gòu)建筑物不同震害預(yù)測(cè)模型對(duì)比研究

馬秀芳, 曾金艷,董斌 ,李?yuàn)^勇

(1.山西省地震局,太原 030002;2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,太原 030025)

0 引 言

建筑物的破壞是地震災(zāi)害中最主要的形式,科學(xué)地預(yù)測(cè)建筑物在未來(lái)地震中的破壞程度,分析城市建筑物的薄弱環(huán)節(jié),可以最大限度地減輕地震災(zāi)害[1-3]。對(duì)于鋼混結(jié)構(gòu)建筑物震害預(yù)測(cè),逐漸形成一些不同的方法,每種方法各有特點(diǎn)和適用性。基于建筑物易損性分類的震害預(yù)測(cè)方法在城市預(yù)測(cè)中得到了一些應(yīng)用,也會(huì)因?yàn)轭A(yù)測(cè)因素的選擇存在一定的偏差,導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果可能相應(yīng)地產(chǎn)生較大的偏差。為此,本文在運(yùn)城市建筑物普查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,針對(duì)運(yùn)城市鋼混結(jié)構(gòu)建筑物,采用不同的群體建筑物計(jì)算模型,計(jì)算了不同模型的易損性矩陣,比較考慮樓層因素影響的基于易損性分類的群體建筑物地震災(zāi)害預(yù)測(cè)方法和慣用模式判別方法預(yù)測(cè)結(jié)果差異,探究基于建筑物易損性分類的群體震害預(yù)測(cè)方法在運(yùn)城市鋼混結(jié)構(gòu)建筑物的適用性,并進(jìn)一步評(píng)價(jià)運(yùn)城市鋼混結(jié)構(gòu)建筑物的抗震能力。

1 運(yùn)城市基于建筑物易損性分類的群體震害預(yù)測(cè)方法及結(jié)果

尹之潛[2,4]也指出在震害預(yù)測(cè)里,屬同一類的易損性可以用同一震害矩陣,這樣就給震害預(yù)測(cè)工作帶來(lái)很大的便利。近些年,震害預(yù)測(cè)的專家和工作者們相繼提出了不同的震害預(yù)測(cè)方法,如孫柏濤等建立了基于已有震害矩陣模擬的群體震害預(yù)測(cè)方法[5]。胡少卿[6]收集和整理了包含烏魯木齊市等20多個(gè)城市的建筑物單體樣本,其中多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有4218個(gè)樣本數(shù)據(jù)。目前,很多城市對(duì)建筑物進(jìn)行了抗震性能普查,主要包含有下列幾個(gè)抗震能力因子,即結(jié)構(gòu)類型、建筑年代、層數(shù)、設(shè)防烈度、用途等。本文采用層數(shù)這個(gè)控制因素對(duì)多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的易損性進(jìn)行分類。

基于上述建筑物易損性矩陣的分類方法,對(duì)建筑物抗震普查資料統(tǒng)計(jì)出的各類建筑物所占的比例和各類建筑物易損性矩陣進(jìn)行加權(quán)平均,建立預(yù)測(cè)區(qū)的群體建筑物的易損性矩陣。公式為:

(1)

式中:Ps[Dj]為預(yù)測(cè)區(qū)s類結(jié)構(gòu)建筑物的易損性矩陣;Pks[Dj]為s類結(jié)構(gòu)建筑物易損性矩陣分類中第k個(gè)易損性矩陣(k= 1,2,… ,m);ωks為預(yù)測(cè)區(qū)s類結(jié)構(gòu)建筑物的易損性分類第k個(gè)分類的建筑物面積比例[1]。

根據(jù)第五代中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[7],運(yùn)城屬于Ⅶ度區(qū)。按照前人研究成果, Ⅶ度設(shè)防區(qū)不同樓層(1層,2～3層,4～5層,6～7層,8～9層,高層)的鋼筋混凝土房屋地震易損性矩陣結(jié)果(共6個(gè)表,考慮篇幅影響,文中4～5層和8～9層,見(jiàn)表1-表2),按照調(diào)查資料,統(tǒng)計(jì)出運(yùn)城鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同樓層的棟數(shù)比例和面積比例(表3),利用式(1)的方法,折算出運(yùn)城多層鋼筋混凝土房屋易損性矩陣(表4、5)。

表1 Ⅶ度設(shè)防區(qū)4～5層鋼筋混凝土房屋地震易損性矩陣(%)

表2 Ⅶ度設(shè)防區(qū)8～9層鋼筋混凝土房屋地震易損性矩陣(%)

表3 運(yùn)城市各易損性分類的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物樓層比例(%)

表4 運(yùn)城市鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物棟數(shù)易損性矩陣(%)

從表4和表5可以看出,在Ⅵ度情況下,處于“基本完好”建筑超過(guò)80%;在Ⅶ度情況下,處于“基本完好”和“輕微破壞”的建筑比例約95%;在Ⅷ度情況下,處于“嚴(yán)重破壞”和“毀壞”的比例3.66%。Ⅸ度情況下,處于“嚴(yán)重破壞”和“毀壞”的比例約12.0%?？梢?jiàn),運(yùn)城市鋼混結(jié)構(gòu)建筑物總體上具有較好抗震能力。

表5 運(yùn)城市鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物面積易損性矩陣(%)

2 運(yùn)城市多層混凝土框架結(jié)構(gòu)震害預(yù)測(cè)一般方法及結(jié)果

多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)震害預(yù)測(cè)采用模式判別法二[8]。該方法通過(guò)對(duì)大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析,得到樓層最大延伸率與樓層剪力屈服系數(shù)的關(guān)系,根據(jù)樓層最大延伸率的平均值確定鋼筋混凝土房屋的震害程度。這一方法是國(guó)內(nèi)近年來(lái)應(yīng)用較多的方法。樓層最大延伸率的平均值可以按下式計(jì)算:

(2)

式中:i為樓層序號(hào);Ck為修正系數(shù),取值由表6確定;qi—第i樓層的剪力屈服系數(shù),可以按照下式計(jì)算:qi=Qzi/Qmi。Qzi為樓層屈服剪力,可按《建筑物抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn):GB 50023-1995》[9]第6.3.2.1 條的規(guī)定計(jì)算;Qm為樓層彈性反應(yīng)的最大地震剪力,可按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50011-2001》[10]第5.1.2條給出的方法計(jì)算。

表6 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋修正系數(shù)Ck

延伸率與結(jié)構(gòu)破壞程度的關(guān)系見(jiàn)表7,根據(jù)表7,由計(jì)算得出的樓層最大延伸率平均值,可評(píng)定結(jié)構(gòu)的震害等級(jí)。

表7 延伸率與破壞程度對(duì)照關(guān)系

運(yùn)用模式判別法二,最終計(jì)算出運(yùn)城市鋼筋混凝土房屋易損性矩陣見(jiàn)表8。

表8 運(yùn)城市鋼筋混凝土房屋易損性矩陣(%)

3 兩種方法預(yù)測(cè)結(jié)果的比較

將兩種不同預(yù)測(cè)方法的不同烈度下的不同破壞(基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞)結(jié)果分別比較(圖1)。

圖1 運(yùn)城市鋼混結(jié)構(gòu)建筑物棟數(shù)和面積各種破壞比例

從圖1和表4、表5和表8的比較可以看出,兩種方法計(jì)算的結(jié)果差別不大,且不管從棟數(shù)來(lái)看,還是從面積看,變化趨勢(shì)基本是一致的?；诳紤]樓層因素的建筑物易損性分類的群體震害預(yù)測(cè)方法在運(yùn)城市有一定的適用性。但是,矩陣具體數(shù)值又有較大差異,所以基于考慮樓層因素的建筑物易損性分類的群體震害預(yù)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中還有它的局限性。圖1中基本完好和輕微破壞兩者差別最小;從面積角度來(lái)看,運(yùn)城市鋼混結(jié)構(gòu)建筑物的兩種方法的毀壞結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

由表4、表5和表8可以看出,在Ⅶ度情況下,兩種預(yù)測(cè)方法得出的處于“基本完好”和“輕微破壞”的建筑面積比例總和一致,達(dá)95%;考慮樓層因素的建筑物群體震害預(yù)測(cè)方法下,在Ⅷ度情況下,處于“嚴(yán)重破壞”和“毀壞”的比例約為4%,Ⅸ度情況下,處于“嚴(yán)重破壞”和“毀壞”的比例約為3%?？梢?jiàn),運(yùn)城市鋼混結(jié)構(gòu)建筑物總體上具有較好抗震能力。從棟數(shù)和面積角度看,基本完好和輕微破壞兩種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果差別最小;從面積角度來(lái)看,運(yùn)城市鋼混結(jié)構(gòu)建筑物的兩種方法的毀壞的結(jié)果基本一致?；诳紤]樓層因素的建筑物易損性分類的群體震害預(yù)測(cè)方法在運(yùn)城市有一定的適用性,在準(zhǔn)確性方面也有它的局限性。本文主要針對(duì)考慮樓層因素作建筑物易損性分析,預(yù)測(cè)有些粗略,存在一定不足,今后還可以進(jìn)一步探討考慮多因素的預(yù)測(cè)結(jié)果。