房屋建筑经验性地震易损性曲线研究进展_李碧雄.pdf

第 53 卷 第 6 期2023 年 3 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.6Mar.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201604国家重点研发计划项目(2018YFC1508802)。第一作者:第一作者:李碧雄,教授,博士生导师,主要从事结构工程抗震及多灾种脆弱性方面的研究,Email:libix 。通信作者:通信作者:王甜恬,硕士,主要从事结构地震易损性方面的研究,Email:1032891922 。房屋建筑经验性地震易损性曲线研究进展李碧雄1,2,王甜恬1,2(1 四川大学建筑与环境学院,成都 610065;2 深地科学与工程教育部重点实验室,成都 610065)摘要:基于历史地震的海量震害数据建立经验性地震易损性曲线是我国防震减灾工作的重要内容。结合相当数量的文献,系统梳理了国内外经验性地震易损性曲线的研究进展及有关的规范或标准,剖析了经验性地震易损性曲线建立过程中房屋建筑分类、破坏等级划分、地震动参数选择、曲线拟合等各个环节存在的不足,结合现代灾害调查手段,提出了优化和扩大震害数据、合理选择地震动参数、标准化经验性地震易损性曲线的建立流程等建议。关键词:房屋建筑;经验性地震易损性曲线;防震减灾;破坏等级;地震动参数 中图分类号:TU318 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)06-0090-10引用本文 李碧雄,王甜恬.房屋建筑经验性地震易损性曲线研究进展J.建筑结构,2023,53(6):90-99,89.LI Bixiong,WANG Tiantian.Research progress on empirical seismic fragility curves of house buildings J.Building Structure,2023,53(6):90-99,89.Research progress on empirical seismic fragility curves of house buildings LI Bixiong 1,2,WANG Tiantian1,2(1 College of Architecture and Environment,Sichuan University,Chengdu 610065,China;2 Key Laboratory of Deep Earth Science and Engineering,Ministry of Education,Chengdu 610065,China)Abstract:Establishing empirical seismic fragility curves based on massive seismic damage data from historical earthquakes is an important part of earthquake prevention and disaster reduction work in China.Combined with a considerable amount of literature,the research progress on empirical seismic fragility curves and relevant codes or standards at home and abroad were systematically sorted out,and the shortcomings of each link in the establishment of the empirical seismic fragility curves,such as buildings classification,damage states division,selection of ground motion parameters,and curves fitting,ect.were analyzed.Combined with modern disaster investigation methods,suggestions for optimizing and expanding seismic damage data,selecting ground motion parameters reasonably,and standardizing the establishment procedures of empirical seismic fragility curves were put forward.Keywords:house building;empirical seismic fragility curve;earthquake prevention and disaster reduction;damage state;ground motion parameter 0引言综合自然灾害风险管理(integrated natural disaster risk management,INDRM)是目前较为先进的防灾减灾和灾害管理模式,风险是指发生可预期损失的可能性,自然灾害风险度=危险性(度)暴露(受灾财产价值密度)脆弱性(度)防灾减灾能力1,其中,脆弱性是指在给定危险地区由于潜在的危险因素而造成的承灾体伤害或损失程度,是一种源于系统内部的、与生俱来的属性,通常用经济指标来衡量。系统本体的物理结构特性是脆弱性产生的主要直接原因,房屋建筑的物理脆弱性可表述为在自然灾害或人为破坏等突发事件的外力干扰下,房屋建筑本体损坏或故障,从而致使其部分或全部功能丧失,并造成一定损失的可能性、程度及其恢复能力,是确定经济脆弱性指标的基础。在土木结构工程领域,通常用易损性来反映建筑物受到灾害的伤害或损失的程度,可视为物理脆弱性的另一种表达形式。地震易损性是指建筑物在不同强度的地震动作用下,发生不同程度破坏的可能性,或者说是建筑物达到或超过某个给定破坏状态的超越概率2-6,常用易损性曲线、易损性矩阵(破坏概率矩阵)等形式表达。地震易损性分析一方面可以应用于震前灾害预测,确定脆弱区域进行维护和强化,以便最小化震害损失;另一方面可以用于震后损失评估,对政府部门实施应急响应和紧急救援以及灾第 53 卷 第 6 期李碧雄,等.房屋建筑经验性地震易损性曲线研究进展区的恢复重建提供决策依据。此外,地震易损性分析也是工程项目全生命周期费用优化的基础之一。1973 年,Whiteman 等7对 1 600 栋建筑结构的损害情况进行调查统计,首次以破坏概率矩阵的形式描述不同类型结构的地震易损性。采用矩阵形式表征的地震易损性是一种离散化的处理思想,为使结构易损性更加易于在结构损伤评估中使用,Spence 等8提 出 无 量 纲 烈 度 PSI(Parameterless Scale of Intensity,一种无参数尺度的烈度形式),利用 MSK 烈度表划分破坏等级,基于震害矩阵拟合出了连续化的地震易损性曲线,进一步提高了易损性研究的定量化水平。根据数据来源不同,易损性分析方法可分为基于震害调查的经验法、基于数值模拟的解析法、基于试验数据的试验法及结合经验法与解析法的混合法四类9。其中,经验法主要是依据破坏性地震的震害资料,对其进行统计得到地震动强度与房屋结构破坏程度之间的关系,回归分析得到经验性地震易损性曲线。经验法所源于的历史震害数据能客观反映地震破坏的实际情况,还能涵盖多种建筑样式、参差不齐的设计或建造质量、不同建筑年代以及建筑物的改造维护情况等对结构抗震性能有影响的因素,所得到的经验性地震易损性曲线适用于宏观区域性的群体震害评估和预测,是目前构建地震易损性曲线的重要途径之一。国内外关于经验地震易损性开展了大量系统性的研究,在建筑结构10-13、桥梁工 程14-17、核 电 工程18-19等领域取得了许多有价值的成果。本文对房屋建筑地震易损性国内外研究进展进行系统的梳理和综述,深入分析其建立过程中各环节的研究现状,指出存在的问题,并结合相关学科的最新进展展望未来发展方向,以提高经验性地震易损性曲线的科学性、可靠性和适应性,为综合自然灾害风险管理奠定科学基础。1地震易损性曲线的基本概念 易损性曲线作为精细定量的易损性评价方法,其核心要素是表达致灾因子强度与承灾体脆弱性的定量关系。Tarbotton 等20将易损性曲线定义为:“一条将灾害强度(X 轴)与建筑物的损失响应(Y轴)相联系的连续曲线”。国内外关于经验易损性研究中所构建的易损性曲线可分为两类,即:1)基于破坏概率的易损性曲线(fragility curves),Y 轴为结构达到或超越某个给定破坏状态的超越概率;2)基于损失程度的脆弱性曲线(vulnerability curves),Y轴定义为结构的损失率,取值从 0(无损伤)到 1(完全损伤)。基于破坏概率的易损性曲线实际上是在起始于 20 世纪 90 年代中期的基于性能地震工程(performance-based earthquake engineering,PBEE)理论 和 基 于 性 能 抗 震 设 计(performance-based seismic design,PBSD)方法上发展起来的21-24。在结构工程中,常说的地震易损性是指一种条件失效超越概率,是从概率角度去刻画地震动强度与结构的破坏状态之间的关系,即FRi(x)=P(ds DSi|IM=x)(1)式中:FRi(x)为地震易损性;P()为结构或构件的失效概率;IM 为地震动强度;x 为指定的地震动强度;ds 为结构的地震响应;DSi为结构的某种破坏状态。在全概率 PBEE 理论中24,结构的极限状态(limit state,LS)又称为极限水准,是表示结构破坏达到或超过某一性能限值的一种界限状态。而破坏状态(damage state,DS)则是相邻两个极限状态的区间。例如,对于以下五种状态:基本完好 DS1、轻微破坏 DS2、中等破坏 DS3、严重破坏 DS4、完全破坏 DS5,极限状态与破坏状态之间的关系可表示为图 1。图 1 极限状态与破坏状态的对应关系结构的破坏状态与极限状态之间的关系为25:FRi(x)=Pf,LSi(x)=5j=i+1Pf,DSj(x)(2)Pf,DSi(x)=P(ds=DSi|IM=x)(3)式中:Pf,LSi(x)为结构的极限状态失效概率,表示当地震动强度 IM=x 时,结构达到或超过极限状态 LSi的概率,也即极限状态 LSi对应的易损性函数在IM=x 处的值;Pf,DSi(x)为破坏状态失效概率,表示当地震动强度 IM=x 时,结构发生对应破坏状态 DSi的概率,也即结构处于极限状态 LSi-1和 LSi间的区间概率。地震易损性曲线即不同地震动强度作用下的结构极限状态失效概率,易损性曲线中破坏状态与极限状态之间的关系如图 2 所示。根据地震易损性曲线可直接获得不同地震动强度作用下的结构极限状态失效概率,再由式(4)19建 筑 结 构2023 年图 2 地震易损性曲线示意图计算得到结构破坏状态失效概率。Pf,DSi(x)=1-FR1(x)(i=1)FRi-1(x)-FRi(x)(i=2,3,4)FR4(x)(i=5)|(4)在基于损失程度的脆弱性曲线中,Y 轴不再是失效超越概率,而是结构的损失率,定义为结构的易损度,通常采用建筑物损害程度或损失价值来度量26。对应的脆弱性曲线不再是多条曲线的集合,而是一条连续的曲线,代表某一类型的建筑结构在不同地震动强度作用下的损失率,如图 3 所示。图 3 地震脆弱性曲线脆弱性曲线侧重于描述灾情水平,是灾损估算和风险评估的重要环节,在洪水27-28、台风29-30、滑坡/泥石流31-33和海啸34-35等灾害研究中应用较多,而地震中以易损性曲线研究为主。实际上,脆弱性曲线可由易损性矩阵、易损性曲线转化而来26,36,二