顏峻

(中國勞動關(guān)系學(xué)院安全工程系，北京100048)

0 引言

燃?xì)庀到y(tǒng)是確保城市正常運行的生命線，在破壞性地震中不但其自身建筑、設(shè)施及管道會遭受嚴(yán)重的破壞，而且容易導(dǎo)致泄漏、火災(zāi)、爆炸等次生災(zāi)害事故，造成的損失可能要比地震造成的直接損失更加嚴(yán)重［1］。建立燃?xì)庀到y(tǒng)地震脆弱性評估方法，對有效開展城市生命線工程地震風(fēng)險性分析、進(jìn)行有針對性的災(zāi)害事件應(yīng)急處置決策具有重要的參考價值。

燃?xì)庀到y(tǒng)可能遭受破壞的對象主要包括設(shè)備設(shè)施及管線。根據(jù)已有的研究成果［2－3］，燃?xì)庀到y(tǒng)主要破壞的部位包括中壓配氣管道、管間和支管連接部件、閥門以及高壓設(shè)施。其中加氣站中高壓儲氣罐閘門和管線焊接處在地震中斷裂極易導(dǎo)致燃?xì)庑孤叵氯細(xì)廨斔凸芫€雖然在地震過程中發(fā)生扭曲但并不一定產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞。地面的燃?xì)庠O(shè)施或管線卻由于建構(gòu)筑物的局部墜落或整體倒塌而受損。目前針對燃?xì)庀到y(tǒng)在地震中的損壞主要通過理論分析和經(jīng)驗統(tǒng)計方法進(jìn)行研究。理論分析方法主要是通過計算管道變形值用以確定管道破壞狀態(tài)的概率［4］。基于經(jīng)驗統(tǒng)計方法包括建立地震烈度與管道震害率之間經(jīng)驗公式［5］。一直以來，尤其是在國內(nèi)的地震風(fēng)險評估中均將地震烈度等同于地震動參數(shù)加以應(yīng)用。但人們逐漸發(fā)現(xiàn)，地震烈度與地震動參數(shù)之間并不存在明確的對應(yīng)關(guān)系，有研究表明兩者之間存在較大的離散性，因此將烈度值代替地震動參數(shù)用以地震風(fēng)險評估及損失預(yù)測是不適合的［6－7］，而以地震動參數(shù)為基礎(chǔ)的地震損失預(yù)測分析方法逐漸被國內(nèi)外廣大研究人員所關(guān)注［8－11］。

本文將基于靜力彈塑性分析(Pushover分析)原理建立用于燃?xì)庀到y(tǒng)震害脆弱性的評估方法。將從地震潛在危險性分析著手，找到確定抗震能力極限(性能點)的基本思路，最終確定衡量燃?xì)庀到y(tǒng)脆弱性的評估方法。

1 評估方法及模型

本文所建立的燃?xì)庀到y(tǒng)地震災(zāi)害脆弱性評估方法是一種將脆弱性曲線與能力——需求譜相結(jié)合，用于描述承災(zāi)體破壞程度概率的定量分析方法。首先基于我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中所給出的地震設(shè)計反應(yīng)譜確定地震潛在危險性，將其轉(zhuǎn)換為表征場地地震強(qiáng)度的需求譜。參照FEMA 273中有關(guān)能力曲線的設(shè)置，建立燃?xì)庀到y(tǒng)主體建筑抗震能力曲線。最后，結(jié)合能力曲線與需求譜確定性能點，并將性能點對應(yīng)的反應(yīng)峰值作為脆弱性曲線輸入，得到燃?xì)庀到y(tǒng)不同破壞等級的概率。方法中涉及到的模型如下。

1.1 地震反應(yīng)譜

地震危險性一般通過地震反應(yīng)譜加以描述。地震反應(yīng)譜代表了單自由度彈性系統(tǒng)在不同地震固有周期下的反應(yīng)最大值(包括峰值地面加速度、峰值地面速度等)。其橫坐標(biāo)對應(yīng)不同地震周期，縱坐標(biāo)為各結(jié)構(gòu)自振周期對應(yīng)體系的反應(yīng)最大值。在我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中以地震影響系數(shù)作為抗震設(shè)計的依據(jù)，給出的地震設(shè)計反應(yīng)譜(地震影響系數(shù)曲線)［12］(圖1)。圖1中α為地震影響系數(shù)，α=Sa/g(無量綱);Sa為單質(zhì)點體系在地震作用下的最大反應(yīng)加速度(g);g為重力加速度(m/s2);αmax為地震影響系數(shù)最大值(無量綱);η1為直線下降段的斜率調(diào)整系數(shù)(無量綱);γ為衰減指數(shù)(無量綱);Tg為特征周期(s);η2為阻尼調(diào)整系數(shù)(無量綱);T為結(jié)構(gòu)自振周期(s)。

1.2 抗震能力曲線與需求譜

能力——需求譜分析方法的理論基礎(chǔ)為目前在抗震設(shè)計中廣泛采用的靜力彈塑性分析方法，即Push-over分析方法。建構(gòu)筑物在地震中的反應(yīng)由能力曲線代表，該曲線反映了結(jié)構(gòu)受到地震橫向載荷與頂點位移關(guān)系曲線(能力譜)。再將地震波到達(dá)建構(gòu)筑物場地的反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為需求譜，兩曲線的交點即性能點，作為建筑物在地震作用下的峰值位移或加速度。

1.2.1 能力曲線

依據(jù)Push-over分析方法，給結(jié)構(gòu)施加水平荷載進(jìn)行靜力推覆，隨著水平推覆力不斷增加建筑物進(jìn)入塑性形變階段，最終達(dá)到建筑物損壞。在此過程中記錄建筑物受到基底剪力與頂點位移，得到反映建筑物抗震能力的荷載——位移曲線。然后再將建筑物考慮成等效單自由度體系，轉(zhuǎn)化得到表征譜加速度與譜位移關(guān)系的能力曲線。FEMA 273報告中推薦的能力曲線形式如圖2所示［13］，同時給出了屈服承載能力與極限承載能力的參數(shù)設(shè)置參考。

圖2 能力曲線

一般認(rèn)為，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力到達(dá)屈服點以前曲線呈線性變化特征，因此可通過屈服承載能力與極限承載能力兩個控制點確定能力曲線的形狀。已知Ay=Csγ/α，Dy=9.8AyT，Au=λAy，Du=λμDy，式中Cs為設(shè)計強(qiáng)度系數(shù)(無量綱);Te為結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時間(s);α為結(jié)構(gòu)處于靜力彈塑性模式自重系數(shù)(無量綱);γ為屈服承載能力相對于設(shè)計承載能力的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度超過系數(shù)(無量綱);λ為極限承載能力相對于屈服承載能力的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度超過系數(shù)(無量綱);μ為延性系數(shù)(無量綱)。各變量取值可參考HAZUS-MH相關(guān)說明［14］。

1.2.2 需求譜建立

在建立以周期為橫坐標(biāo)的加速度反應(yīng)譜的基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)換為加速度與位移關(guān)系的需求譜，Sa與Sd之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為［14］:

式中:Sd為單質(zhì)點體系在地震作用下的最大位移(m);再采用譜折減系數(shù)R將彈性需求譜進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為阻尼比為5%的彈塑性需求譜。Newmark和Hall給出的加速度譜折減系數(shù)RA和速度譜折減系數(shù)RV計算公式為［14］:RA=2.12/(3.21－0.68ln(Beff))，RV=1.65/(2.31－0.41ln(Beff))。式中Beff為有效阻尼(N·s/m)。

1.3 脆弱性曲線

對于燃?xì)庠O(shè)施以脆弱性曲線代表其易損性。脆弱性曲線以對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的形式給出了一定地面震動強(qiáng)度或地基失效程度下承災(zāi)體達(dá)到或超過特定破壞等級的累積概率分布。以峰值地面位移Sd為例，承災(zāi)體達(dá)到或超過特定破壞等級的概率分布函數(shù)有如下形式［14］:

式中:ds為破壞等級;，ds承災(zāi)體達(dá)到破壞程度ds所承受的峰值地面加速度的中位值(g);βds為Sd取自然對數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差;Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布累積函數(shù)。

1.4 損失狀態(tài)預(yù)測

將需求譜與能力曲線畫于同一坐標(biāo)內(nèi)，兩者的交點即為性能點，反映了建筑物在地震荷載的作用下所能承受極限承載能力。再將性能點對應(yīng)的地震強(qiáng)度(譜位移Sd或譜加速度Sa)作為脆弱性曲線的輸入?yún)?shù)，便可得到不同破壞等級的累積概率值［15］。

2 燃?xì)庠O(shè)施脆弱性評估步驟

本文所述燃?xì)庀到y(tǒng)震害脆弱性評估框架是基于FEMA 273和ATC-40中提供的基本方法，其步驟如下:

(1)將設(shè)施所在場地的Sa-T形式的地震加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化成Sa-Sd形式的需求譜;

(2)將設(shè)施的水平荷載——位移曲線轉(zhuǎn)化成Sa-Sd形式的能力曲線;

(3)將折減后需求譜與能力曲線置于同一個坐標(biāo)內(nèi)，其交點即為設(shè)施最大承受極限值(譜加速度或位移);

(4)在反映不同破壞等級的建構(gòu)筑物或設(shè)施脆弱性曲線上，查找對應(yīng)上述譜加速度(位移)的概率值，即為該燃?xì)庀到y(tǒng)可能遭受特定破壞等級的可能性大小。

3 應(yīng)用

以8級地震所在震中區(qū)域的天然氣壓縮站為例說明脆弱性評估基本步驟。研究場地及天然氣壓縮站設(shè)置條件為:場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組第一組;天然氣壓縮站結(jié)構(gòu)形式:預(yù)制混凝土框架內(nèi)填混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，層數(shù)2層。

3.1 加速度反應(yīng)譜選取

根據(jù)規(guī)范要求，采用如圖1形式的設(shè)計反應(yīng)譜。反應(yīng)譜相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:水平地震影響系數(shù)最大值為0.9，特征周期值為0.4 s，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05，地震影響系數(shù)曲線的阻尼調(diào)整系數(shù)為1.0，曲線下降段自特征周期至5倍特征周期區(qū)段的衰減指數(shù)取0.9。直線下降段自5倍特征周期至6s區(qū)段下降斜率調(diào)整系數(shù)取0.02。通過計算，得到天然氣壓縮站所在場地地震設(shè)計譜如圖3所示。以該反應(yīng)譜作為該天然氣壓縮站所在場地的地震潛在危險。

圖3 天然氣壓縮站所在場地地震設(shè)計端

3.2 能力與需求譜參數(shù)設(shè)定

根據(jù)公式1可將上述反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為以譜位移Sd為橫坐標(biāo)、經(jīng)加速度譜折減系數(shù)RA折減后的需求譜，如圖4所示。其中折減后的需求譜代表了該站所在場地的地震強(qiáng)度。得到需求譜后，下一步是確定性能點所處的位置，首先是得到反應(yīng)該壓縮站建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力曲線。

為了進(jìn)一步得到該站抗震能力曲線。以圖2所示能力曲線為基本形狀，并依據(jù)HAZUS-MH對相關(guān)能力曲線參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本例中屈服承載能力與極限承載能力兩個控制點相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:Cs為0.05，Te為0.35，α為0.75，γ為1.5，λ為2，μ為5。將以上參數(shù)代入能力譜控制點公式，得到該天然氣壓縮站抗震能力曲線如圖5所示。

圖4 天然氣壓縮站需求譜

圖5 天然氣壓縮站抗震能力曲線

3.3 性能點及破壞概率

將天然氣壓縮站抗震能力曲線與需求譜繪制在同一坐標(biāo)內(nèi)，得到性能點，如圖6所示?？梢钥闯觯阅茳c對應(yīng)的地面峰值加速度約為0.2 g，地面峰值加速度約為0.07 m。該性能點反映了天然氣壓縮站在本次地震中所能承受的極限值。

圖6 天然氣壓縮站抗震性能點

由于我國缺少燃?xì)鈮嚎s站脆弱性曲線相關(guān)數(shù)據(jù)，這里依據(jù)HAZUS中建議采用相關(guān)參數(shù)，如表1所示，擬合出的天然氣壓縮站的脆弱性曲線，如圖7所示。

表1 天然氣壓縮站建筑結(jié)構(gòu)脆弱性曲線，ds及βds

表1 天然氣壓縮站建筑結(jié)構(gòu)脆弱性曲線，ds及βds

類型破壞程度中位值標(biāo)準(zhǔn)差錨固儲罐輕微0.150.75中等0.340.65嚴(yán)重0.770.65完全1.500.80

圖7 天然氣壓縮站抗震性能點

圖7所示脆弱性曲線，反映了該天然氣壓縮站四種破壞程度的概率值。由圖中任一條脆弱性曲線趨勢可以看出，隨著地震所導(dǎo)致的地面峰值加速度的加大，特定破壞程度的概率也在不斷的提高。并且當(dāng)?shù)孛娣逯导铀俣戎迪嗤瑫r，壓縮站較低破壞程度的概率相對較高。最后，根據(jù)圖6中確定的性能點，可以得到當(dāng)峰值地面加速度為0.2 g時，對應(yīng)的輕微破壞的概率約為0.65，而對應(yīng)中等破壞的概率為0.2。至此，完成了在特定地震強(qiáng)度下該天然氣壓縮的脆弱性評估工作。

4 結(jié)論

基于能力需求譜分析方法，以燃?xì)庠O(shè)施地震脆弱性評估方法為研究主線，建立了脆弱性評估模型。通過研究，得到以下結(jié)論:

(1)由于地面烈度與反映地震強(qiáng)度的動參數(shù)之間存在較大的不確定性，因此選取地震動參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行建構(gòu)筑物脆弱性評估更為合理。

(2)對于同一類承災(zāi)體，隨著地震動參數(shù)強(qiáng)度的不斷加大，該承災(zāi)體遭受特定破壞等級的概率也隨之提高，脆弱性曲線呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)分布特征。

(3)對于相同強(qiáng)度地震動參數(shù)，破壞等級提高對應(yīng)的破壞概率相對降低。算例中8級地震中燃?xì)庀到y(tǒng)遭受中等破壞的概率要比遭受輕微破壞的概率低約45%。

(4)將push-over方法用于確定承災(zāi)體抗震能力極限，并應(yīng)用于定量分析脆弱性水平，適合工程實踐要求，同時能夠滿足結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計基本理論。

(5)基于能力需求譜的脆弱性評估方法具有直觀、參數(shù)物理意義明確等特點，符合當(dāng)代基于性能的抗震設(shè)計理念，代表了承災(zāi)體脆弱性評估的發(fā)展方向，已被各國廣泛的重視。

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