江宜城， 吳如強， 聶肅非， 李江華， 李 黎

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074;2.武漢市抗震辦公室， 湖北 武漢 430023)

隨著新一代工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實施，我國進入了新一輪抗震防災(zāi)規(guī)劃的研究和編制時期，震害預(yù)測工作是抗震防災(zāi)規(guī)劃基礎(chǔ)研究的重要組成部分，是規(guī)劃編制的依據(jù)。根據(jù)《武漢市抗震防災(zāi)規(guī)劃綱要》，武漢市城區(qū)建筑評價范圍包括江岸、江漢、硚口、漢陽、青山、武昌、洪山7個中心城區(qū)，武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)2個開發(fā)區(qū)。本文對武漢市公辦幼兒園建筑物進行了抗震調(diào)查和震害預(yù)測研究，研究結(jié)果基本反映了武漢市公辦幼兒園建筑抗震水準(zhǔn)，給下階段規(guī)劃幼兒園建筑抗震加固改造方案以及實施設(shè)計、施工提供參考。

1 抗震調(diào)查分類統(tǒng)計

根據(jù)《武漢市抗震防災(zāi)規(guī)劃綱要》大綱要求、教育部和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于做好學(xué)校校舍抗震安全排查及有關(guān)事項的通知(教發(fā)【2008】19號文件)以及《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223-2008)，幼兒園的教學(xué)用房、學(xué)生宿舍和食堂屬于重點設(shè)防類。

武漢是湖北省省會，在《中華人民共和國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》上，大部份位于0.05g基本地震加速度分區(qū)及0.35 s特征周期分區(qū)，地震基本烈度為VI度，屬抗震設(shè)防區(qū)。依據(jù)近兩年采用的《武漢市(主城規(guī)劃區(qū))地震動參數(shù)小區(qū)劃圖》，武漢市主城區(qū)小區(qū)劃范圍內(nèi)的地震基本烈度仍為VI度，但設(shè)計地震動參數(shù)有較大的變化(接近七度)。為了充分利用地震動小區(qū)劃參數(shù)研究，并切實反應(yīng)武漢市城區(qū)建筑的抗震能力，對現(xiàn)有的基于抗震規(guī)范的抗震性能評價方法中的相關(guān)參數(shù)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，將其調(diào)整為武漢市小區(qū)劃地震動參數(shù)，即采用“三水準(zhǔn)”抗震性能評價方法，對武漢市公辦幼兒園建筑的震害預(yù)測和抗震性能評價采用小震(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%)以及巨震(50年巨震)情況下分五級給出結(jié)果。

對武漢市公辦幼兒園建筑的抗震性能評價，按普查、統(tǒng)計、計算分析、結(jié)論這幾個步驟來進行，最終統(tǒng)計出所調(diào)查的幼兒園建筑在小震、中震、大震以及巨震下基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、完全毀壞的比例，給出震害矩陣；列出每個抗震分區(qū)內(nèi)需要進行拆除或者加固的建筑物。

根據(jù)調(diào)查內(nèi)容，設(shè)計武漢市幼兒園建筑物調(diào)查表，該表格涵蓋了需要調(diào)查的基本資料，包括：幼兒園名稱、地址、所在城區(qū)、建筑物名稱、目前用途、建設(shè)年代、建筑面積、層數(shù)、平面形狀、結(jié)構(gòu)類型、安全鑒定等級等信息，填表人、聯(lián)系電話、調(diào)查日期以及必要的說明等。共調(diào)查公辦幼兒園206所，幼兒園建筑271棟，總面積386656 m2；部分幼兒園建筑見圖1。按結(jié)構(gòu)類型、建設(shè)年代進行統(tǒng)計，具體結(jié)果見表1、表2，建設(shè)年代的統(tǒng)計按國家抗震規(guī)范頒布時間再加2年來劃分。

由調(diào)查結(jié)果可以看出，武漢市幼兒園建筑主要集中在框架和砌體這兩種結(jié)構(gòu)型式，砌體結(jié)構(gòu)是脆性性質(zhì)，易導(dǎo)致震害發(fā)生，尤其是幼兒園建筑橫墻較少，當(dāng)?shù)卣鹆叶容^高時，容易發(fā)生震害。

表1 幼兒園建筑物數(shù)量統(tǒng)計

圖1 幼兒園部分建筑

結(jié)構(gòu)類型框架砌體合計棟 數(shù)72199271比 例26.6%73.4%100.0%面積/m2134744251912386656比 例34.8%65.2%100.0%

2 震害預(yù)測及抗震評價

對所調(diào)查的武漢市幼兒園重要建筑物，共計271棟，進行了單體震害評價預(yù)測，得出每一棟幼兒園建筑在小震、中震、大震以及巨震下單體的抗震性能評價結(jié)果，分五級給出建筑在不同地震烈度下的抗震性能評價：基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、毀壞(清單表格略)，分別就這些幼兒園建筑的震害表現(xiàn)進行統(tǒng)計，得出相應(yīng)的震害矩陣。

單體震害預(yù)測是根據(jù)設(shè)計圖紙，建立力學(xué)模型，計算該棟建筑物在小震時(50年超越概率63.2%)，中震時(50年超越概率10%)，大震時(50年超越概率2%)以及巨震(50年巨震)時的表現(xiàn)，給出建筑在不同地震烈度下的震害指數(shù)，根據(jù)震害指數(shù)給出對應(yīng)的評價結(jié)果，見表3。對于圖紙缺失的建筑物，采用震害類比預(yù)測，其基本原理是利用加權(quán)海明(hamming)距離來度量2幢建筑物之間的相似程度：

表3 某幼兒園建筑物震害預(yù)測結(jié)果

(1)

式中，f(X,Y)為海明距離；X、Y為2幢不同的建筑物；xi、yi為建筑物需要類比的參數(shù)；ωi為權(quán)重，表示每個因素的主要程度，n為類比參數(shù)個數(shù)。

若已知N幢建筑物單體Sj(j=1,2,…,N)震害結(jié)果，則建筑物X的震害結(jié)果和建筑物Sβ的震害結(jié)果相當(dāng)，β∈[1,N]，只要滿足：

(2)

利用待測建筑物與樣本庫中所具有相同結(jié)構(gòu)類型的建筑物進行類比，其海明距離為：

f=[f11f12…f1n]

(3)

并取海明距離中的最小5個值所對應(yīng)的建筑物震害指數(shù)Ii進行平均，以減小震害結(jié)果的不確定性：

(4)

武漢市幼兒園建筑整體震害矩陣按棟數(shù)百分比和面積百分比統(tǒng)計結(jié)果見表4和表5，相應(yīng)的直方圖見圖2和圖3。幼兒園建筑砌體和框架結(jié)構(gòu)的震害矩陣見表6、表7。

表4 幼兒園建筑震害矩陣(棟數(shù)百分比)

圖2 幼兒園建筑震害矩陣直方圖(棟數(shù)比)

類別基本完好輕微破壞中等破壞嚴(yán)重破壞倒塌小震92.087.920.000.000.00中震8.7279.9011.380.000.00大震0.0050.0739.5010.430.00巨震0.000.0074.8121.643.56

圖3 幼兒園建筑震害矩陣直方圖(面積比)

類別基本完好輕微破壞中等破壞嚴(yán)重破壞倒塌小震78.8021.200.000.000.00中震0.4565.3234.230.000.00大震0.0034.8735.4229.710.00巨震0.000.0043.5445.7110.75

表7 幼兒園建筑框架結(jié)構(gòu)震害矩陣(面積百分比)

3 抗震性能綜合分析

通過對武漢市公辦幼兒園建筑調(diào)查、分類統(tǒng)計以及抗震評價，可以得出這些建筑的抗震能力現(xiàn)狀以及震害預(yù)測。滿足抗震要求的幼兒園建筑占84.5%，不滿足抗震要求的占15.5%(棟數(shù)比)；滿足抗震要求的幼兒園建筑占89.57%，不滿足抗震要求的占10.43%(面積比)。

按結(jié)構(gòu)型式來看，武漢市公辦幼兒園建筑以砌體結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)為主。砌體結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)小震下均未出現(xiàn)中等破壞及以上情況；中震下沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞與倒塌的建筑；幼兒園建筑框架結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)于砌體結(jié)構(gòu)抗震性能。為了保證這些建筑在地震中的安全性，需要采取必要的抗震減災(zāi)措施，對不滿足抗震要求的建筑進行改造加固。

4 建議及結(jié)論

通過對武漢市公辦幼兒園(武漢市7個行政區(qū)、2個國家級開發(fā)區(qū)的206所公辦幼兒園的271棟建筑，建筑面積386656 m2)的抗震調(diào)查意見評價和震害預(yù)測，其中10.43%的幼兒園建筑約40328 m2，在大震時嚴(yán)重破壞或完全毀壞；25.02%的建筑約96741 m2在巨震情況下發(fā)生嚴(yán)重破壞與倒塌，這基本反映了武漢市幼兒園建筑的抗震水準(zhǔn)，可以給下階段建筑抗震改造加固方案的制定以及設(shè)計施工提供參考。

[1]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.

[2]教發(fā)[2008]19號文件，教育部 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于做好學(xué)校校舍抗震安全排查及有關(guān)事項的通知[Z].北京:中華人民共和國教育部，2008.

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