高层结构易损性简述

结构易损性简述余佳骏(南京理工大学理学院，南京210094）摘要：与地震危险性分析的研究相比,承灾体的地震易损性分析,尤其是土木工程结构的地震易损性分析方面的研究还远没有成熟;另外,地震灾害的损失评估也受到了工程界与经济界学者的共同关注,目前这两个分支学科正处于蓬勃的发展过程中。本文对结构易损性的概念和分析方法进行了简单介绍，并系统地提出了框剪结构分析方法和其易损性曲线的形成。关键词：易损性;地震风险分析;易损性曲线;框架结构ABriefIntroductiontoStructuralVulnerabilityYUJiajun(CollegeofScience,NUST,Nanjing210094)Abstract:Comparedwiththestudyofseismichazardanalysis,theseismicvulnerabilityanalysisofhazardbearingbodies,especiallythestudyofseismicvulnerabilityanalysisforcivilengineeringstructuresarealsofarawayfrommature;Inaddition,theassessmentofthelossofearthquakedisasterhasbeenacommonconcernofengineeringandeconomicscholars,thetwobranchisintheprocessofdevelopingthevigorous.Inthispaper,theconceptandanalysismethodofstructuralvulnerabilitywasintroduced,andputforwardtheformationofframeshearwallstructureanalysisanditsvulnerabilitycurve.Keywords:Seismicvulnerability;riskanalysis;fragilitycurve;framestructure引言地震是自然灾害中危害最大的灾种之一，地震预测预报是世界性难题，因此对地震灾害进行风险分析已成为目前主要的防灾和减灾措施。地震灾害的风险分析主要包括3个方面：地震危险性分析、地震易损性分析和地震灾害损失估计。其中，地震易损性分析是预测结构在不同等级的地震作用下发生各级破坏的概率。因此，对建筑物进行易损性分析一方面可以用于震前灾害预测，设计人员可以根据结构易损性的不同，有针对性地提高结构的抗震能力；另一方面可以用于震后损失评估，为估计地震损失提供依据，从而尽可能避免或减少人员伤亡，实现我国防震减灾的目标。1研究背景灾害风险分析是指对灾害发生的可能性和造成的后果进行定性与定量的分析及评估,其目的是为风险区土地的合理利用与投资、灾害预防与管理、灾害保险制度的建立、城市与工程的防灾减灾以及灾期的快速评估和辅助决策提供科学依据[1-3]。灾害风险分析主要包括致灾因子的危险性分析、承灾体的易损性分析和灾情损失评估三个方面的内容。致灾因子的危险性分析主要研究给定区域内发生各种强度灾害的概率;承灾体的易损性分析是研究承灾体易于受到致灾因子的破坏、伤害或损伤的可能性;灾情损失评估是在危险性分析和易损性分析的基础上,研究风险区内一定时段内可能发生的一系列不同强度灾害给风险区造成的可能后果和经济损失值[1-3]。地震是自然灾害中危害最严重的灾害之一,由于地震预测预报是世界性难题,因此对地震灾害进行风险分析就成为当前工程中主要的防灾减灾措施。在地震风险分析的三个方面,地震危险性分析方法自从1968年由美国学者Cornell确立以来[4,5],无论在理论还是工程应用方面发展都很迅速,并已经取得了很大进展,目前地震危险性分析已广泛应用于地震区划和具体场地的地震动估计,前者服务于一般结构的抗震设计,后者服务于特殊的或重大的工程建设项目(如核电站)的抗震设计。与地震危险性分析的研究相比,对于承灾体的地震易损性分析,特别是土木工程结构的地震易损性分析方面的研究则还远为成熟;另外,地震灾害的损失评估也受到了工程界与经济界学者的共同关注,目前这两个分支学科正处于蓬勃的发展过程当中。对于承载体地震易损性分析，尤其是土木工程结构的易损性分析方面的研究还远不成熟。国内外对桥梁和房屋建筑等工程结构的易损性进行了大量的研究，不同的研究者采用不同的战略与研究方法，取得了许多成果。KarimYamazaki建议了一种用数值模拟方法建立理论易损性曲线的方法。Shinozuka采用MonteCarlo模拟法检验桥梁的易损性曲线，通过两种不同的方法计算得到结构响应；常泽民等提出了基于可靠度和性能的结构整体地震易损性分析方法[6]；Hwang针对缺乏桥梁结构地震破坏数据地区，考虑地震地面运动、局部工程场地条件和桥梁本身参数的不确定性，给出了地震作用下桥梁结构的易损性曲线系统性分析方法[7]。2易损性概念地震风险是指在规定的时间内,在所研究的区域内,地震灾害对社会和经济的危害大小。它反映了地震灾害对承灾体(城市或区域,土木基础设施系统或土木工程结构)的破坏程度以及对社会带来的后果,因此地震风险与所研究区域内的地震危险性、承灾体的地震易损性以及造成的地震损失或后果有关,因此可将地震风险描述为地震风险=地震危险性×地震易损性×地震损失（1）其中,地震危险性是指给定场地在某一时期内不同强度的地震发生的概率,取决于场地的地质条件、潜在震源区的活动情况以及地震动随震中距的衰减关系等。承灾体的地震易损性是指在给定强度的地震作用下,承灾体达到或超过某种破坏状态时的条件失效概率。地震损失则包括直接经济损失、间接经济损失和人员伤亡损失。式(1)右端前两项可用数学形式表达为P[sL]=aP[sL|A=a]P[A=a](2)式中,sL是结构的某种性能水准或破坏等级,P[sL]表示达到或超过该性能水准的概率,即风险的概率测度;A代表地震动的强度参数,如有效峰值加速度(PGA)、有效峰值加速度(PGV)或地震烈度(MMI);P[sL|A=a]代表发生强度A=a地震动时的条件失效概率,即地震易性;P[A=a]为地震动发生强度A=a的概率,由地震危险性分析的结果得到。将式(2)中的地震易损性表示为RF(a)=P[sL|A=a](3)改变地震动强度a的数值,计算结构达到或超过破坏状态sL的地震易损性RF,然后采用某种统计方法进行曲线拟合,所得的光滑曲线RF(a)称为/地震易损性曲线。图1地震风险分析的基本原理2易损性分析方法所谓建筑结构的易损性是指在确定的地震波作用下，建筑结构达到一定破坏程度的概率，常用基本完好、轻度破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏五个破坏等级来作为衡量结构破坏程度的依据。目前主要分析评定结构易损性的方法包括经验法、专家评估法、试验法、半经验办理论法、结构理论分析法等。2.1经验法又称为历史震害统计法，通过统计某地区某种类型结构的历史震害，分析汇总，从而得到该地区该类型结构的易损性矩阵。在理想状态下，该方法最接近实际，操作也最简单。但是，当该地区该类型结构历史震害资料较少时，这种方法使用起来有一定困难。因此，在实际操作中，该方法具有现实局限性。2.2专家法是以不同专家的意见作为依据，构造地震动下结构反应的概率分布。这种方法可以避免对于历史震害资料的依赖，具有可操作性。目前这种方法是研究高层结构易损性的方法之一。但是，该方法缺乏统计学依据，得到的结果也存在一定的争议。2.3试验法是以大规模足尺结构实验结果为基础，通过搜集国内外试验数据，确定某类结构的地震易损性。由于高层建筑本身造价昂贵，且缺乏合适的试验器械，因此，很难适用于高层建筑结构易损性的研究。2.4半经验半理论法是指在对过去震害资料的统计总结基础上，通过理论研究，用严格的统计学方法获取各变量之间的相关关系。半经验半理论法可以在震害资料较少的条件下进行，同时，也可以确保结果的科学性和有效性。因此这种方法目前得到了广泛的采用。2.5结构理论分析法是通过有限元模拟等理论方法研究建筑结构在地震作用下的易损性。这种方法的优点是可以方便快捷的获得大量的结构震害数据。但是，仅仅采用结构理论分析所获得的结果往往难以得到验证，计算结果仍然有争议。[8]前文所述的方法各有利弊。3易损性曲线目前,结构的整体地震易损性曲线和相应的分析方法主要有两大类[7]。第一类称为经验易损性曲线(empiricalfragilitycurves),通常由专家根据大量的震害调查数据和经验,给出破坏概率矩阵(damageprobabilitymatrix,DPM),然后对破坏概率进行曲线拟合,从而绘制出地震易损性曲线[9]。第二类称为解析易损性曲线(analyticalfragilitycurves),当前国内外的研究者们主要采用基于确定性有限元分析的蒙特卡洛模拟(MonteCarlosimulation,MCS)法获得大量的地震易损性数据,作为统计分析的样本。上述两种方法中,方法一需要在大量的震害调查基础上进行,并受专家的经验影响较大,当缺乏震害数据时,对结构进行地震易损性预测会有较大的偏差。方法二需要进行大量的有限元数值模拟分析,特别是当结构达到或超过某种破坏状态时已经处于弹塑性变形区域,而大型复杂结构的非线性有限元分析是非常耗时的,因此这种方法的效率较低,计算代价有时超过人们的承受能力。4框架结构易损性分析在地震工程中，易损性定义为：在给定的地震动参数(M）下,如峰值地面加速度、谱加速度、地面运动的频谱或强震持续时间,结构构件或系统失效的概率[1],即对于构件的地震需求参数(D)超过构件本身的能力参数(C)的概率(Pf)。用条件概率可以表示为：Pf=P[D＞=C|M](4)构件的变形、延性等性能指标可以来定量的表示地震需求参数，通过建立在给定的M值下D值的概率分布，并与C值的概率分布结合起来，就可得到公式（4）4.1建立概率地震需求模型“基于性能的地震工程”理论的三大主要内容是地震动、地震需求和抗震能力。通常，地震需求与地震动参数之间的关系叫做地震需求模型,而结构地震需求与地震动参数之间的概率是“概率地震需求分析”,对应关系称为“概率地震需求模型(ProbabilsiticSeismicDemandModel,PSDM)”。概率地震需求分析是采用全概率法进行结构概率抗震性能设计和评定的重要影响因素。所以,对重大工程结构和基础设施系统进行概率地震需求分析具有极为重要的理论意义和工程实用价值[3]。建立PSDM需要以下四个过程：⑴选择地面运动徐值信[4]将强烈地面运动划分为三类,认为90%能量持时T(0.90)8s者为短持时地震；8s≤T(0.90)16s者为中等持时地震；T(0.90)≥16s者为长持时地震。Shyh-YuanKung等[5]亦根据90%能量持时将地面运动分为三类：T(0.90)＜7.24s者为短持时地震；7.24s≤T(0.90)＜20.41s者为中等持时地震；T(0.90)≥20.41s者为长持时地震。W.J.Hall等[6]根据70%有效持时Te将地面运动分为三类,即Te＜3.5s者为短持时记录；3.5s≤Te7.5s者为中等持时记录；Te≥7.5s者为长持时记录。地震动参数一般采用谱加速度来表示,可选择阻尼比大于等于5%但小于20%的加速度反应谱[7],并取结构第一周期对应的谱加速度aS作为地震动参数。选定的地震动参数所对应选择的地面运动应能代表范围较广的地震动参数值。在缺乏强震记录的地区,我们要考虑到震源、路径衰减和本地土壤条件的不确定性来模拟出地面运动记录。模拟地面运动时要考虑抗剪衰减曲线、阻尼曲线、土的相对密度等。当震级和震中距离一定时，还要考虑质量因子、地震持续时间和应力参数等。⑵建立框剪结构的非线性有限元分析模型选取合适的非线性分析工具建立足够精确的有限元分析模型,进行非线性时程分析。针对框剪结构建立非线性有限元分析模型,进行非线性时程分析。⑶选择地震动参数