城市抗震防灾规划中建筑物易损性评价方法的研究

测, 国内许多专家提出了一些半经验半理论的方法。但是这些方法往往需要调查每栋房屋的详尽的结构特
性参数, 如砖房需要知道各层的含墙率, 框架房屋需要知道构件的截面特性, 这对于整个城市数百万甚至数
千万平米的抽样量, 其现场调查的工作量是十分惊人的。为此, 根据已有的震害经验资料, 可以采用类比预
测的方法, 通过建立震害房屋的专家数据库, 来达到快速震害预测的目的。具体步骤如下:
( 1) 建立震害样本的专家数据库
样本数据库主要由历次震害中的实际震例和各类结构典型房屋的理论易损性分析结果组成。
从结构抗震的角度认为, 如果两栋结构具有相同的结构类型和设防烈度, 其层数, 高宽比、建设年代、现
状质量和场地类型基本相同, 则认为这两栋建筑物相似, 在遭遇同烈度的地震作用下, 其破坏结果大致相 同 [ 12] 。
震易 损性分析的结果, 提出了针对性的抗震减灾 策略。所发展的 易损性评 价方法和对 策措施 对其他 城市 编制抗震防灾规划也具有一定参考价值。
关键 词: 抗震防灾规划; 泉州市; 易损性; 快速震害预测
中图 分类号: P315
文献标识码: A
A case study on vulnerability assessm ent of buildings in urban earthquake disaster prevention p lanning
2 易损性分析
2. 1 建筑物分类
根据城市建筑物在防灾过程中所起的作用, 将城市建筑物分为三类, 第Ⅰ类建筑物是指地震时或地震后 其使用功能不能中断或存放大量危险品或极易发生次生灾害的建筑; 第Ⅱ类建筑物是指在地震后其使用功
能必须在短期内恢复或对震后救灾起关键作用的建筑或具有特殊功能的重要历史保护建筑; 以及在强烈地
通过编制和实施抗震防灾规划加强抗震防灾工作, 合理配置防灾资源, 逐步消除和缓解城市中的抗震薄 弱环节, 是减轻地震灾害的重要手段。抗震防灾规划的基本目标是保障震后城市的基本功能和消除地震所 造成的严重后果。这与基于功能和后果的抗震工程理念和方法是完全一致的。基于功能的抗震设计已在国 内外受到广泛的重视 [ 1, 2 ] 。根据作者参加的建设部防灾规划试点 泉州市规划区抗震防灾规划 项目, 在对 泉州市现有房屋资料调查的基础上, 基于功能和后果的抗灾的指导思想, 对泉州市规划区内建筑物进行了易 损性分析, 并根据震害易损性结果的评价, 提出了泉州市建筑物防震减灾的对策。
弹性阶段开始, 经历开裂、屈服直至结构破坏倒塌。结构易损性分析的步骤如下:
⑴根据现场调查的资料提取结构的力学特性参数, 建立结构的平面或空间有限元模型。 ⑵对结构的有限元模型利用结构分析软件进行非线性静力推覆分析 ( pushover ana lysis) , 得到结构静力
等效基底剪力 ( V ) 和结构顶点位移 ( ) 的关系曲线。
1 前言
城市是一个地区的政治、经济、文化活动的中心, 在国民经济中起着重要的作用。历史经验表明, 现代城 市的防灾抗灾能力是非常薄弱的。如 1976年 7月 28日唐山市遭到突如其来的 7. 8级地震, 顷刻间整座城 市化为一片废墟, 150万人的城市死亡人数达 24万, 经济损失超百亿; 1995年 1月 17日日本发生 6. 9级阪 神地震, 造成近 10万栋房屋破坏, 5500人死亡, 1000亿美元的巨额经济损失。 2003年 12月 26日, 伊朗南部
Abstract: Earthquake disaster reduct ion ph ilosophy based on perform ance and consequence, in th is paper the c lassification and the m ethods o f earthquake dam age assessm ent of urban bu ildings are m ain ly d iscussed. For each type of bu ildings, the corresponding m ethods are set up, such as the capacity spectrum m ethod, etc. A case study o f the vu lnerability assesm ent has been done by ana lyzing behav ior of the Quanzhou s' build ings, and the appropriate stra-t egy for earthquake d isaster m it igation is g iven. T he proposed m ethods o f the vulnerab ility assessm ent and d isaster reduct ion counterm easures in th is paper can be applied to urban d isaster m itigation planning for som e other sim ilar c ities. K ey w ord s: earthquake disaster prevent ion p lanning; quanzhou city; vulnerability; fas-t speed earthquake dam age assessm ent
收稿日期: 2005- 02 - 01; 修订日期: 2005 - 05 - 20 作者简介: 郭小东 ( 1977- ) , 男, 博士生, 主要从事抗震减灾研究.
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世界地震工程
21 卷
地区发生 7. 0级强烈地震, 位于震中附近的巴姆市约 90% 的建筑倒塌, 据目击者称, 震后这座古堡基本已成 废墟。由于地震时造成人员伤亡的直接原因主要是由建筑物受震倒塌引起的, 因此探索城市建筑物地震易 损性分析方法, 从而提出避免或减少人员伤亡的措施, 对实现防震减灾的目标是十分重要的。
不需要对现场进行善后处理, 实施起来方便, 因此可广泛应用于城市重要建筑物试的基本步骤
2. 3. 3 Ⅲ类房屋的群体震害预测 Ⅲ类房屋在城市中量大面广, 按建筑物的结构类型主要可以分为单层砖柱厂房, 单层混凝土柱厂房, 砖
( 石 )混房屋, 混凝土框架房屋, 混凝土框剪房屋、老旧民房和木结构房屋。对于各种结构类型房屋的震害预
规划中建筑物易损性研究还应包括以下三方面内容:
⑴根据城市建筑物易损性分析结果给出城市抗震能力薄弱的环节和区域。
⑵针对城市第Ⅰ和第Ⅱ类建筑物抗震能力评价的结果给出建筑物加固的策略; 根据城市第Ⅲ类建筑易
损性评价的结果给出城市规划研究中区域改造的对策。
⑶根据城市建筑物易损性分析的结果估计城市抗震防灾资源的需求水准和合理配置。
2. 3. 2 Ⅰ类结构的脉动测试
对Ⅰ类结构进行脉动测试是预测此类结构易损性的一
个重要的补充手段。
脉动法直接以整体建筑为检测对象, 利用环境随机振动 对建筑物不规则的微弱干扰, 引起结构物脉动响应, 利用工 程振动反演理论, 通过线性模态参数 ( 如振型, 模态频率等 )
图 1 能力谱法示意图
的提取, 来测定结构的动力特性的。实践证明, 从结构环境脉动所求得的动力特征参数与其他方法得到的结 果是相当一致的。由于该方法不需要笨重的激振设备, 不受结构大小、形状的限制, 所用人力少, 测试结束后
GUO X iao-dong1 MA D ong-hu i1 SU Jin-yu1 L IU W en- ru2 WANG W e-i hong2 CA IH a-i hong2
( 1. Earthquake R es istan t and D isasterM it igat ion In stitute, Beijing U n iversity of Technology, Beij ing 100022, Ch ina; 2. C ons truct ion bu reau of Q u anzhou, Q uanzhou 362000, C h ina)
震作用下可能造成严重后果的人口稠密的公共场所; 除第Ⅰ类和第Ⅱ类建筑物以外的均归为第Ⅲ类, 按类别 对建筑群体进行易损性分析。
2. 2 分析内容
考虑到城市建筑物的重要性, 以及财力、物力等因素, 不同类别的建筑物其易损性研究方法不一样。第 Ⅰ类建筑物数量少, 重要性程度最高, 研究方法应采用理论分析和现场脉动测试结合的方法进行, 并分析此
( 2) 对需要预测的建筑物, 通过数据库搜索技术搜索样本数据库, 如果有同样建筑物于样本库中, 则以
⑸将结构的能力谱曲线和需求谱曲线迭加在一起, 以此确定结构在输入地震作用下的谱位移 (如图 2. 1)。
⑹建立谱位移表示的结构超越基本完好、轻微破坏、中
等破坏、严重破坏和倒塌五种破坏状态概率的曲线; ⑺根据结构在预估地震作用下的谱位移和结构超越不
同破坏状态概率的曲线就可以确定结构在设定地震动下的
震害预测结果。
⑶将等效基底剪力 ( V )转换为谱加速度 ( Sa ), 将结构顶部位移 ( )转化为地震动谱位移 (Sd ) , 其转化过 程可参见 Fa jfar和 Chopra等人提出的方法 [ 6, 7] 。
⑷建立地震动的需求谱。将抗震设计规范 ( GB50011- 2001) 使用的结构地震影响系数曲线 ( - T 曲
2. 3 技术途径
2. 3. 1 Ⅰ类与Ⅱ类结构抗震易损性的计算分析
采用承载能力谱分析 ( the Capac ity spectrum m ethod) 是目前评价结构抗震性能的一种常用且有效的方 法 [ 5] 。它在结构分析模型上施加按某种方式模拟地震水平惯性力作用的侧向力并逐步单调增大, 使结构从
类建筑引发次生灾害的可能性。第Ⅱ类建筑物可采用以单体工程分析为主, 多层次综合评定的方法。第Ⅲ
类建筑分布最广, 数量最多, 一般采用较为成熟的半经验半理论分析方法或经验预测方法。 目前国内已有的易损性分析大多侧重于城市现有建筑物的震害预测、人员伤亡以及经济损失的研究, 而
对城市建筑物易损性分析结果的评价及其在城市规划中的应用研究还不够。因此我们认为, 城市抗震防灾
2期
郭小东等: 城市抗震防灾规 划中建筑物易损性评价方法的研究
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将弹性反应谱 进行 修正。相 关的 非弹 性需 求谱 的 转换 有 N ewm ark - H a ll ( NH ) [ 8] , K raw inkler - N assar ( KN ) [ 9] , and V idic- F ajfar- F isch inger ( VFF ) [ 10] 关系模型。
( 1. 北京工业大学 抗震减灾研究所, 北京 10022; 2. 泉州市建设局, 福建 泉州 362000)
摘要 : 基于功能和后果的抗震设防理念, 提出了城市建筑物的分类方法并根据不同类别采取不同抗震
易损 性评价方法, 其中包括应用能力谱的理论易 损性分析方 法和快速群 体震害预 测方法等。 根据这 些方 法和泉州市规划区内的房屋调查资料, 对泉州市的房 屋进行了震害预测, 并通过泉州市建筑物地
21卷 2期 2005年 6月
世 界 地 震 工程
W ORLD EARTHQUAKE ENG IN EER ING
文章编号: 1007-6069( 2005) 02- 0129- 07
V o .l 21, N o. 2 Jun. , 2005
城市抗震防灾规划中建筑物 易损性评价方法的研究
郭小东1 马东辉1 苏经宇 1 刘文儒 2 王卫红 2 蔡海鸿 2
线 ) 也转化为谱加速度 ( Sa )和谱位移 ( Sd )的曲线, 转化关系为
S = am ax
max
Sa (T, ) = 2Sd (T, )
式中: 为地震影响系数; 为结构自振频率; T 为结构自振周期; 为结构阻尼比。由于规范的地震影响系
数曲线是弹性的设计谱。如果考虑结构的非弹性效应的影响, 可利用加速度折减因子及速度折减因子分别