龍曉鴻， 李 黎， 孫 明， 劉衛(wèi)國

(1. 華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074；2. 武漢市城鄉(xiāng)建設委員會， 湖北 武漢 430023； 3.武漢市抗震辦公室， 湖北 武漢 430023)

教育系統(tǒng)建筑相比其它建筑，由于使用功能的要求，教學樓豎向結(jié)構(gòu)體系相對單薄，強度和剛度不足；傳統(tǒng)的磚木結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)缺乏必要的整體連接措施而且建筑體型不對稱，這些都可能導致地震中教育系統(tǒng)建筑的嚴重破壞或完全坍塌傾倒。2008年7月，住房和城鄉(xiāng)建設部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了新修訂的《建筑抗震設計規(guī)范》(2008版)[1]和《建筑工程抗震設防分類標準》(GB50223-2008)[2]，其中將學校校舍等人員密集的公共建筑提高到重點設防類，學校建筑的抗震設防烈度要高于本地1度?；诖?，開展教育系統(tǒng)建筑的抗震性能評價方法研究是十分必要和有意義的。

汶川地震后，武漢市作為特大型城市，為了防患于未然，陸續(xù)開展了武漢市抗震防災規(guī)劃修編和中小學校工程抗震排查鑒定工作[3]。在某種程度上，采取現(xiàn)有的抗震鑒定標準對中小學建筑進行詳細的抗震鑒定是完全可行的，但存在的最大的問題和困難是：需要鑒定的建筑量大面廣，又加之后續(xù)的補強加固工作十分艱巨，要求在規(guī)定時間內(nèi)很好地完成這項任務，勢必要投入大量的人力和物力。通過對教育系統(tǒng)建筑抗震性能評價方法的研究，能較好地解決上述問題和困難，基本思路是：首先根據(jù)收集的建筑資料提取結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)，然后采用不同的簡化計算方法或建立三維有限元模型進行結(jié)構(gòu)的對比分析計算，進行詳細的單體計算形成樣本庫；然后，采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊碳夹g建立評價系統(tǒng)，系統(tǒng)中的程序采用Visual Basic編制，建筑物的樣本及調(diào)查數(shù)據(jù)采用Access數(shù)據(jù)庫進行建立和管理，與程序進行開放連接；最后，在此平臺上，采用模糊類比法對所調(diào)查的建筑進行群體抗震性能評價。其評價結(jié)果可為武漢市中小學校安工程抗震排查鑒定工作提供參考。

1 單體建筑的抗震性能評價

目前國內(nèi)外單體建筑物的震害預測主要形成了六種方法，包括：歷史震害統(tǒng)計法、專家評估法、模糊類比法、半經(jīng)驗半理論法、結(jié)構(gòu)理論計算方法和動態(tài)分析法[4]。針對不同的建筑型式分別采用不同的方法，常規(guī)的砌體、內(nèi)框、底框、框架、框剪結(jié)構(gòu)以及工業(yè)廠房需要樣本，即需要收集大量有代表性的圖紙來進行抗震性能評價計算，以此形成相應的樣本庫；對老舊民房和體育館等公共建筑由于沒有現(xiàn)成的簡化評價方法，故只能基于已有的震害記錄，通過大量統(tǒng)計分析得到震害矩陣用于現(xiàn)有調(diào)查房屋的評價；對于某些古建筑、城中村建筑以及農(nóng)村民居，既沒有相應的圖紙也沒有現(xiàn)成的簡化評價方法，我們提出了現(xiàn)場實測結(jié)合結(jié)構(gòu)理論計算的方法進行抗震性能評價。通過現(xiàn)場實測獲得結(jié)構(gòu)振動模態(tài)或者結(jié)構(gòu)尺寸以及材料力學性能參數(shù)，然后利用振型分解法或者使用PKPM、ETABS等軟件進行結(jié)構(gòu)分析獲得結(jié)構(gòu)的震害情況。

對于武漢市教育系統(tǒng)建筑而言，其結(jié)構(gòu)型式共分為五大類，即砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)；其中又以砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)占絕對比重。為此，下面就主要針對這兩類結(jié)構(gòu)的抗震性能評價方法展開探討。另外，為了驗證評價方法的正確性和可靠性，將簡化方法與有限元建模方法進行了比較。

1.1 多層砌體房屋抗震性能評價

1.1.1簡化方法

砌體房屋抵抗地震力的主要構(gòu)件是墻體。震害表明墻體的破壞主要是剪力引起的，墻體的抗剪強度是砌體結(jié)構(gòu)抗震能力的主要標志[5]。墻的密度越大，抵抗地震的能力也就越強?；跇菍訂挝幻娣e的平均抗剪強度作為砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力指標的樓層單位面積平均抗剪強度系數(shù)法可以作為多層砌體房屋抗震性能評價的簡化方法，砌體結(jié)構(gòu)震害等級和相應的震害指數(shù)如表1所示。在Excel軟件環(huán)境下編寫了相應的計算模板。

表1 砌體結(jié)構(gòu)震害等級和相應的震害指數(shù)

1.1.2PKPM建模方法

同時為了驗證簡化方法的有效性，使用有限元方法(PKPM建模)進行校核，其計算過程為：

a)底部剪力法計算各層地震作用；

b)按照樓面剛度和墻體側(cè)向剛度分配地震剪力到每個墻段；

c)倒算樓面荷載和墻體自重計算墻體壓應力；

盤點河南現(xiàn)代戲40年的成就和經(jīng)驗的同時，我們也看到了目前存在的問題，例如編劇、導演、音樂創(chuàng)作人員的青黃不接，演員隊伍整體創(chuàng)造能力的下降，創(chuàng)作中過分強調(diào)題材的重大而忽視文化層面和人的精神層面的深入開掘，等等。我們也相信，在今后的戲劇創(chuàng)作實踐中，河南一定能發(fā)揚成績，總結(jié)經(jīng)驗，彌補不足，把河南現(xiàn)代戲創(chuàng)作和生產(chǎn)推向新階段。

d)計算各磚墻的抗震承載力系數(shù)ξw(即抗力與效應的比值)；

e)基于不同破壞狀態(tài)時ξw值的范圍(見表2)，對該砌體結(jié)構(gòu)進行抗震性能評價。

表2 不同破壞狀態(tài)的ξw范圍

1.1.3算例分析

采用上述方法，以某學校住宅樓為例，該建筑6層，建于1979年。采用PKPM軟件建立的三維有限元模型如圖1所示。該棟建筑分別利用PKPM和簡化方法計算的震害預測結(jié)果如表3。

圖1 砌體結(jié)構(gòu)有限元模型

設防烈度小震中震大震震害指數(shù)D0.050.490.804震害評價(簡化方法)基本完好中等破壞嚴重破壞抗震系數(shù)ξw1.730.710.37震害評價(PKPM建模)基本完好中等破壞嚴重破壞

從上表可知，PKPM計算與簡化方法得出的震害評價結(jié)果完全吻合，達到了驗證的目的。建議針對平面布置形式比較復雜的結(jié)構(gòu)，應優(yōu)先以PKPM的計算結(jié)果為準，簡化方法將存在一定的誤差。

1.2 鋼筋混凝土房屋抗震性能評價

1.2.1簡化方法

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般分為框架、剪力墻及框剪結(jié)構(gòu)三種。在我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的震害經(jīng)驗、特別是帶有統(tǒng)計性的震害資料不多。該類結(jié)構(gòu)的地震反應與其層間屈服承載能力(通常用層間抗剪或抗彎屈服承載力系數(shù)ξ表征)密切相關。對該類結(jié)構(gòu)通常先計算各層層間屈服強度系數(shù)，從而確定薄弱樓層并求得其對應的延伸率μ，然后兼顧現(xiàn)行的建筑抗震設計規(guī)范和抗震鑒定標準以及影響震害的因素進行修正最后用修正得到的μmax作為其震害的判斷指標，從而確定結(jié)構(gòu)的震害，如表4所示。

表4 震害等級與延伸率的關系

按結(jié)構(gòu)有限元分析計算得到的建筑物層間變形為主要指標，將計算得到的結(jié)果對照表5進行震害預測判別。

表5 框架結(jié)構(gòu)震害等級與層間位移角度的關系

1.2.3算例分析

該工程實例為二七新綜合樓工程，13層框剪結(jié)構(gòu)，設計時間為1993年。采用ETABS建模，計算得到的前兩階振型如圖2所示，得到簡化方法與ETABS建模方法計算結(jié)果如表6所示。

圖2 框架結(jié)構(gòu)有限元模型

評價指標地震影響系數(shù)αmax震害指數(shù)預測結(jié)果最大層間位移角(ETABS建模)0.075(小震)0.000592基本完好0.2(中震)0.001579基本完好0.35(大震)0.002765輕微破壞最大樓層延伸率(簡化方法)0.075(小震)0.02基本完好0.2(中震)0.47基本完好0.35(大震)1.26輕微破壞

從表6可知，ETABS建模與簡化方法得出的震害評價結(jié)果有一定的比較性，達到了驗證的目的。建議針對平面布置形式比較復雜且房屋高度超過40 m的結(jié)構(gòu)，應優(yōu)先以ETABS的計算結(jié)果為準，簡化方法將存在一定的誤差。

2 群體建筑抗震性能評價

群體建筑抗震性能評價的基本原理是利用加權(quán)海明距離來度量2幢建筑之間的相似程度：

(1)

其中，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(i=1,2,…,n)為權(quán)重，表示每個因素的重要程度；n為類比參數(shù)個數(shù)。如果已知N幢建筑物單體Sj(j=1,2,…,N)抗震性能評價結(jié)果，則建筑物X的評價結(jié)果與建筑物Sβ的震害結(jié)果相當，β∈[1,N]，只要滿足：

(2)

選取建筑的用途、建設年代、場地類別和建筑層數(shù)作為抗震性能評價的類比參數(shù)，按照其對建筑物易損性的影響程度分別給予不同的權(quán)重。震害因子量化方案采取了“同趨向”原則，即對于表中各因素取值大小的排列順序與結(jié)構(gòu)抗震性能的強弱有規(guī)律性的對應關系，所取的值越大，對應的易損性情況越好。

利用調(diào)查建筑與樣本建筑中所具有相同結(jié)構(gòu)類型的建筑進行類比，其海明距離為：

f=[f11f12…f1n]

(3)

其中，最小值fmin所對應的建筑抗震性能評價結(jié)果從表面上看來與調(diào)查建筑的評價結(jié)果最為相似，應取其作為待測建筑物的震害預測結(jié)果。但是在類比過程中所選用的因素的影響，且由于樣本庫中樣本結(jié)果具有一定的不確定性，導致震害預測結(jié)果可能會產(chǎn)生一定的誤差。為此，取海明距離中的最小5個值，對其所對應的建筑物震害指數(shù)進行平均，以減小震害結(jié)果的不確定性。以Ii(i=1,2,3,4,5)表示所取得海明距離最小的5個值所對應的建筑物震害指數(shù)，則調(diào)查建筑的評價結(jié)果為：

(4)

圖3 評價系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入界面

圖4 評價系統(tǒng)震害預測界面

采用上述方法，評價系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊碳夹g，通過標準的Windows風格界面實現(xiàn)所有功能，系統(tǒng)中的程序采用Visual Basic編制，建筑物的樣本及調(diào)查數(shù)據(jù)采用Access數(shù)據(jù)庫進行建立和管理，與程序進行開放連接。評價系統(tǒng)的輸入界面及震害預測界面分別如圖3、圖4所示。

3 結(jié) 論

通過對武漢市中小學抗震性能評價方法的研究，得到的結(jié)論是在單體建筑抗震性能評價中，通過已有簡化方法和有限元建模分析相結(jié)合的手段自建樣本庫，可以很好的結(jié)論保證樣本庫中樣本評價結(jié)果的正確性；另外，通過評價系統(tǒng)的研制，采用模糊類比的方法可較好地完成所調(diào)查的建筑抗震性能評價。該評價方法可為其他城市中小學建筑的抗震性能評價提供參考。

[1]GB 50011-2008，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[2]GB 50223-2008，建筑工程抗震設防分類標準[S].

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

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

[5]尹之潛．地震災害及損失預測方法[M]．北京： 地震出版社，1995.