山西省運城市鋼混結構建筑物不同震害預測模型對比研究

馬秀芳, 曾金艷,董斌 ,李奮勇

(1.山西省地震局,太原 030002;2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站,太原 030025)

0 引 言

建筑物的破壞是地震災害中最主要的形式,科學地預測建筑物在未來地震中的破壞程度,分析城市建筑物的薄弱環節,可以最大限度地減輕地震災害[1-3]。對于鋼混結構建筑物震害預測,逐漸形成一些不同的方法,每種方法各有特點和適用性?；诮ㄖ镆讚p性分類的震害預測方法在城市預測中得到了一些應用,也會因為預測因素的選擇存在一定的偏差,導致預測結果可能相應地產生較大的偏差。為此,本文在運城市建筑物普查數據的基礎上,針對運城市鋼混結構建筑物,采用不同的群體建筑物計算模型,計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害預測方法和慣用模式判別方法預測結果差異,探究基于建筑物易損性分類的群體震害預測方法在運城市鋼混結構建筑物的適用性,并進一步評價運城市鋼混結構建筑物的抗震能力。

1 運城市基于建筑物易損性分類的群體震害預測方法及結果

尹之潛[2,4]也指出在震害預測里,屬同一類的易損性可以用同一震害矩陣,這樣就給震害預測工作帶來很大的便利。近些年,震害預測的專家和工作者們相繼提出了不同的震害預測方法,如孫柏濤等建立了基于已有震害矩陣模擬的群體震害預測方法[5]。胡少卿[6]收集和整理了包含烏魯木齊市等20多個城市的建筑物單體樣本,其中多層鋼筋混凝土結構有4218個樣本數據。目前,很多城市對建筑物進行了抗震性能普查,主要包含有下列幾個抗震能力因子,即結構類型、建筑年代、層數、設防烈度、用途等。本文采用層數這個控制因素對多層鋼筋混凝土結構的易損性進行分類。

基于上述建筑物易損性矩陣的分類方法,對建筑物抗震普查資料統計出的各類建筑物所占的比例和各類建筑物易損性矩陣進行加權平均,建立預測區的群體建筑物的易損性矩陣。公式為:

(1)

式中:Ps[Dj]為預測區s類結構建筑物的易損性矩陣;Pks[Dj]為s類結構建筑物易損性矩陣分類中第k個易損性矩陣(k= 1,2,… ,m);ωks為預測區s類結構建筑物的易損性分類第k個分類的建筑物面積比例[1]。

根據第五代中國地震動參數區劃圖[7],運城屬于Ⅶ度區。按照前人研究成果, Ⅶ度設防區不同樓層(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果(共6個表,考慮篇幅影響,文中4～5層和8～9層,見表1-表2),按照調查資料,統計出運城鋼筋混凝土結構不同樓層的棟數比例和面積比例(表3),利用式(1)的方法,折算出運城多層鋼筋混凝土房屋易損性矩陣(表4、5)。

表1 Ⅶ度設防區4～5層鋼筋混凝土房屋地震易損性矩陣(%)

表2 Ⅶ度設防區8～9層鋼筋混凝土房屋地震易損性矩陣(%)

表3 運城市各易損性分類的鋼筋混凝土結構建筑物樓層比例(%)

表4 運城市鋼筋混凝土結構建筑物棟數易損性矩陣(%)

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“嚴重破壞”和“毀壞”的比例3.66%。Ⅸ度情況下,處于“嚴重破壞”和“毀壞”的比例約12.0%?？梢?運城市鋼混結構建筑物總體上具有較好抗震能力。

表5 運城市鋼筋混凝土結構建筑物面積易損性矩陣(%)

2 運城市多層混凝土框架結構震害預測一般方法及結果

多層鋼筋混凝土框架結構震害預測采用模式判別法二[8]。該方法通過對大量的鋼筋混凝土結構建筑物進行彈塑性地震反應分析,得到樓層最大延伸率與樓層剪力屈服系數的關系,根據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。這一方法是國內近年來應用較多的方法。樓層最大延伸率的平均值可以按下式計算:

(2)

式中:i為樓層序號;Ck為修正系數,取值由表6確定;qi—第i樓層的剪力屈服系數,可以按照下式計算:qi=Qzi/Qmi。Qzi為樓層屈服剪力,可按《建筑物抗震鑒定標準:GB 50023-1995》[9]第6.3.2.1 條的規定計算;Qm為樓層彈性反應的最大地震剪力,可按《建筑抗震設計規范:GB 50011-2001》[10]第5.1.2條給出的方法計算。

表6 鋼筋混凝土結構房屋修正系數Ck

延伸率與結構破壞程度的關系見表7,根據表7,由計算得出的樓層最大延伸率平均值,可評定結構的震害等級。

表7 延伸率與破壞程度對照關系

運用模式判別法二,最終計算出運城市鋼筋混凝土房屋易損性矩陣見表8。

表8 運城市鋼筋混凝土房屋易損性矩陣(%)

3 兩種方法預測結果的比較

將兩種不同預測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、嚴重破壞和毀壞)結果分別比較(圖1)。

圖1 運城市鋼混結構建筑物棟數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,兩種方法計算的結果差別不大,且不管從棟數來看,還是從面積看,變化趨勢基本是一致的?；诳紤]樓層因素的建筑物易損性分類的群體震害預測方法在運城市有一定的適用性。但是,矩陣具體數值又有較大差異,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測方法在實際應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;從面積角度來看,運城市鋼混結構建筑物的兩種方法的毀壞結果基本一致。

4 結 論

由表4、表5和表8可以看出,在Ⅶ度情況下,兩種預測方法得出的處于“基本完好”和“輕微破壞”的建筑面積比例總和一致,達95%;考慮樓層因素的建筑物群體震害預測方法下,在Ⅷ度情況下,處于“嚴重破壞”和“毀壞”的比例約為4%,Ⅸ度情況下,處于“嚴重破壞”和“毀壞”的比例約為3%?？梢?運城市鋼混結構建筑物總體上具有較好抗震能力。從棟數和面積角度看,基本完好和輕微破壞兩種方法的預測結果差別最小;從面積角度來看,運城市鋼混結構建筑物的兩種方法的毀壞的結果基本一致?；诳紤]樓層因素的建筑物易損性分類的群體震害預測方法在運城市有一定的適用性,在準確性方面也有它的局限性。本文主要針對考慮樓層因素作建筑物易損性分析,預測有些粗略,存在一定不足,今后還可以進一步探討考慮多因素的預測結果。