李 黎, 蘇 原, 葉 昆, 龍曉鴻

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

為了提高全市的整體抗震防災(zāi)能力，武漢市從2008年底起啟動了抗震防災(zāi)規(guī)劃的修編工作[1,2,3]。建筑抗震性能評價是城市震害預(yù)測工作重要的組成部分，也是人員傷亡、經(jīng)濟損失預(yù)測和防災(zāi)減災(zāi)對策的基礎(chǔ)工作。在武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會的領(lǐng)導(dǎo)下，我們對武漢市城區(qū)的一般建筑進(jìn)行了抗震性能評價及震害預(yù)測。

1 評價方法的確定

建筑抗震性能評價與震害預(yù)測研究在我國雖然起步較晚，但經(jīng)過廣大研究人員近十年的努力，取得了長足的進(jìn)步。針對不同結(jié)構(gòu)，學(xué)者們提出了各種簡潔有效的評價計算方法，我們的工作思路與方法如下：

(1)對已有多種簡化評價方法的結(jié)構(gòu)，選取若干棟典型建筑，采用不同的評價方法、現(xiàn)有設(shè)計軟件和有限元方法分別進(jìn)行計算，通過比較選擇相對精確簡潔的方法作為評價用方法。

(2)對目前只有1種簡化評價方法的結(jié)構(gòu)，也選取若干典型建筑，分別用評價方法、現(xiàn)有設(shè)計軟件或有限元法分別進(jìn)行計算，通過比較了解評價方法的精度，根據(jù)情況決定是否需要對其修正。

(3)對目前還沒有簡化評價方法的結(jié)構(gòu)，如體育館、影劇院、高層建筑等則參照《地震損失分析與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)》[4]一書中的“公用建筑震害預(yù)測表”，先計算出被評價建筑的地震易損性指數(shù)，再由查表得到震害預(yù)測。對農(nóng)村民居、古塔、城中村建筑等則根據(jù)現(xiàn)場測試和有限元建模計算結(jié)果得出震害預(yù)測。

2 評價樣本的選取

根據(jù)《武漢市抗震防災(zāi)規(guī)劃綱要》的要求，本項目需調(diào)查評價的一般建筑約二萬棟，若每一棟建筑均采用選定的評價方法進(jìn)行評價，其工作量是非常巨大的，為此我們研制了評價系統(tǒng)。評價系統(tǒng)的基本思路是：選擇各種建設(shè)年代、各種用途、各種結(jié)構(gòu)形式的建筑作為樣本，用選定的評價方法對其抗震性能進(jìn)行單體評價分析，然后將其信息及評價結(jié)果輸入系統(tǒng)，其它一般建筑則利用該系統(tǒng)，通過與樣本的比較根據(jù)相似度理論得出群體評價結(jié)果。

根據(jù)評價方法計算要求，必須獲得需評價建筑的設(shè)計圖紙。為此，我們按房屋用途、建設(shè)年代、結(jié)構(gòu)形式到武漢市各大建筑設(shè)計院、城市檔案館、湖北省行管局等單位選擇收集本項目工作范圍內(nèi)已建建筑的圖紙并作為樣本。由于建設(shè)年代能反映出不同設(shè)計規(guī)范下建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，而從我國抗震規(guī)范的發(fā)展演變過程來看，除74規(guī)范～78規(guī)范外，其他基本上是以每10年為一檔，因此，對建設(shè)年代我們是按50年代，60年代、70年代、80年代、90年代、2000以后進(jìn)行劃分。具體工作時，對90年代以前的圖紙，采用現(xiàn)場拍照的方式，將其變成電子圖片格式用于計算。對90年代以后房屋，隨著檔案管理的電子化，圖紙已經(jīng)被掃描成電子格式，并形成了電子數(shù)據(jù)庫，我們是通過數(shù)據(jù)庫的搜索查詢來進(jìn)行圖紙的收集。本項目我們共在武漢市范圍內(nèi)選取了700多棟樣本建筑，通過對它們的單體評價，并運用相似度理論得到了其它一般建筑抗震性能的群體評價結(jié)果。

3 影響結(jié)構(gòu)震害的主要因素

通過大量樣本建筑的計算與評價，發(fā)現(xiàn)建筑的震害雖然與諸多因素有關(guān)，但影響其震害預(yù)測結(jié)果最主要的因素是建設(shè)年代、房屋用途、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、場地土類別和層數(shù)[5]。因此在對一般建筑作調(diào)查和群體評價時，我們主要掌握每棟建筑的上述信息。

3.1 建設(shè)年代

建設(shè)年代對建構(gòu)筑物的抗震能力產(chǎn)生影響的原因主要有兩方面：一方面是建筑年代愈久遠(yuǎn)，由于年久失修或建構(gòu)筑物的材料特性發(fā)生變化，在地震中建構(gòu)筑物越容易發(fā)生損壞。另一方面是與地震科學(xué)、建筑科學(xué)的發(fā)展相關(guān)的，隨著人們對地震認(rèn)識水平的深入，人們對建構(gòu)筑物采取的設(shè)防措施將愈趨近于科學(xué)合理。建筑年代在一定程度上反應(yīng)了抗震設(shè)防措施的可靠程度。

3.2 房屋用途

以建筑物在社會中的作用為依據(jù)來分類，如住宅建筑、商業(yè)建筑、工業(yè)建筑等。不同用途的房屋其開間大小不同，抗震性能不同。

3.3 結(jié)構(gòu)型式

不同的結(jié)構(gòu)形式其抗震性能是不一樣的。本項目根據(jù) GB/T 19428-2003《地震災(zāi)害預(yù)測及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》并結(jié)合現(xiàn)有的工作基礎(chǔ)，將一般城鎮(zhèn)建筑物按照結(jié)構(gòu)類型分為以下六種：多層砌體房屋、多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、高層建筑、單層工業(yè)廠房和空曠房屋、老舊民房、其他類建筑。

3.4 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

房屋是否經(jīng)過抗震設(shè)防，在地震中的表現(xiàn)有很大的不同。近年多次地震中凡是考慮了抗震設(shè)防的房屋均具備一定的抗震能力，表現(xiàn)良好。

3.5 場地土類別

建在I、II類場地，尤其是基巖上的結(jié)構(gòu)，因基巖的地震加速度峰值小，且持續(xù)時間短，對建筑物的破壞輕，但如果堅硬土層的卓越周期與結(jié)構(gòu)的自振周期接近，則會加重震害。一般來說，軟土地基是屬于不利建筑物抗震的地段，但對于剛性的多層磚房，軟土場地也未必不利。

4 城區(qū)一般建筑震害評價結(jié)果

表1給出的是城區(qū)一般建筑群體評價的震害矩陣。從表中數(shù)據(jù)可知，武漢市城區(qū)建筑在小震(50年超越概率63.2%)、中震(50年超越概率10%)、大震(50年超越概率2%)作用下的建筑破倒率分別為0.0%、4.38%和15.98%，總體上滿足抗震規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求，但大震時的破倒率偏高。主要原因：一是武漢市的設(shè)防烈度歷史上絕大多數(shù)時間是六度，而本次評價地震動參數(shù)采用的是小區(qū)化值，它相對六度設(shè)防的參數(shù)大大提高了，部分區(qū)域接近7度；二是武漢是個特大的老城市，還存在著相當(dāng)一部分老舊建筑，因此破倒率較高。從絕對數(shù)量來看，中震時的破倒建筑面積將達(dá)到1千多萬平方米，大震時可能達(dá)到4千多萬平方米。因此，為了保證人民生命財產(chǎn)的安全、保證在預(yù)估的地震作用下城市能正常運轉(zhuǎn)、城市功能不致中斷，制定城市抗震防災(zāi)規(guī)劃是十分必要的。

表1 武漢市城區(qū)一般建筑群體評價震害矩陣

表2～表4分別給出了漢口片、漢陽片、武昌片城區(qū)一般建筑群體評價震害矩陣。漢口片區(qū)的老房屋數(shù)量較多，相應(yīng)地漢口片的震害預(yù)測結(jié)果與武漢市整個城市的震害預(yù)測結(jié)果相比要嚴(yán)重一些，中震和大震下的破倒率分別為5.35%和20.56%，均高于武漢市的平均值；中震和大震下的破倒建筑面積分別為540余萬平方米和2075余萬平方米，兩個值均接近武漢市在中震和大震下的破倒總量的一半。漢陽片區(qū)房屋的總數(shù)量較少，其中具有抗震能力(按89規(guī)范執(zhí)行)的房屋數(shù)量占總量的比例較大，相應(yīng)地漢陽片的震害預(yù)測結(jié)果與武漢市整個城市的震害預(yù)測結(jié)果相比要輕一些，中震和大震下的破倒率分別為4.02%和12.73%，均低于武漢市的平均值；中震和大震下的破倒建筑面積分別為126余萬平方米和401余萬平方米，兩個值均在武漢市在中震和大震下的破倒總量的1/10左右。武昌片區(qū)房屋的總數(shù)量在三大片區(qū)中是最多的，其中具有抗震能力(按89規(guī)范執(zhí)行)的房屋數(shù)量占總量的比例接近于武漢市的平均值，因此武昌片的震害預(yù)測結(jié)果與武漢市整個城市的震害預(yù)測結(jié)果比較一致，中震和大震下的破倒率分別為4.18%和15.07%，稍低于武漢市的平均值；中震和大震下的破倒建筑面積分別為550余萬平方米和1986余萬平方米，兩個值均在武漢市在中震和大震下破倒總量的一半左右。

表2 漢口片城區(qū)一般建筑群體評價震害矩陣

表3 漢陽片城區(qū)一般建筑群體評價震害矩陣

表4 武昌片城區(qū)一般建筑群體評價震害矩陣

5 城區(qū)一般建筑震害評價結(jié)果驗證

在《地震損失分析與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)》一書中，根據(jù)我國1986年全國城鎮(zhèn)房屋普查資料，利用相關(guān)公式計算出了2000年左右我國各類房屋的震害矩陣?？紤]到全國各地氣候的差異和各地設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的不同，按結(jié)構(gòu)的易損性分別給出震害矩陣。

易損性A級結(jié)構(gòu)，主要是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，它們不受溫度的影響，其震害矩陣不分區(qū)。易損性B級結(jié)構(gòu)，主要是磚墻承重，由于氣候的影響，不同地區(qū)磚結(jié)構(gòu)的外墻厚度不同，對結(jié)構(gòu)的抗力有一定影響。分析時對B級結(jié)構(gòu)在全國分三類地區(qū)給出不同的震害矩陣。I類地區(qū)，外墻一般為49 cm厚；II類地區(qū)，外墻一般為37 cm厚；III類地區(qū)，外墻一股為24 cm厚。易損性C、D級結(jié)構(gòu)，絕大部分是未經(jīng)正規(guī)設(shè)計的農(nóng)村房屋，其震害矩陣不受時間的影響，主要根據(jù)震害經(jīng)驗確定。武漢市屬于III類地區(qū)，下面給出此書中Ⅲ類地區(qū)基本烈度為6度易損性分類為B級結(jié)構(gòu)的震害矩陣。

表5 Ⅲ類地區(qū)基本烈度為Ⅵ度地區(qū)易損性分類B級結(jié)構(gòu)的震害矩陣(%)

把武漢市城區(qū)一般建筑群體評價震害矩陣(表1)與之進(jìn)行比較可以看出，大震下，武漢市一般建筑的嚴(yán)重破壞率和倒塌率分別達(dá)到12.80%和4.02%，與表5中8度下的嚴(yán)重破壞率12.74%、倒塌率5.01%相當(dāng)。選取表5中的8度進(jìn)行比較的原因如前所述，因為評價用的是小區(qū)劃地震動參數(shù)，在城區(qū)大部分區(qū)域都遠(yuǎn)高于6度的值，部分接近7度，因此，武漢市大震的地震動參數(shù)接近8度。有此可見，兩者尚具有一定的相似性，表明震害評價結(jié)果具有較高的合理性。

[1]GB 50011-2008，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB 50223-2008, 建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會.武漢市抗震防災(zāi)規(guī)劃綱要(2008～2020年)[Z].武漢：武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，2009.

[4]尹之潛. 地震損失分析與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：地震出版社，2004.

[5]喬亞玲，閆維明．建筑結(jié)構(gòu)震害預(yù)測方法研究評述[J]．工業(yè)建筑，2005,35(6)：1-5.