溫留漢·黑沙+張永山+汪大洋

摘要：回顧了地震觀測記錄研究的發(fā)展歷程，對采用基于震害調(diào)查的經(jīng)驗判斷法和基于有限元的理論計算法分析結(jié)構(gòu)地震易損性進行了系統(tǒng)的概括和總結(jié)，綜述了目前各國開展直接和間接地震經(jīng)濟損失評估技術方法；針對地震風險觀測記錄、間接經(jīng)濟損失評估、結(jié)構(gòu)精細化易損性模型、地震動輸入、地震附加費率厘定等尚待進一步深入探討的問題，給出了未來開展地震危險性分析和地震經(jīng)濟損失評估研究的意見和建議。

關鍵詞：工程結(jié)構(gòu)；地震易損性；直接經(jīng)濟損失；間接經(jīng)濟損失；評估

中圖分類號：TU352.1 文獻標志碼：A

0 引 言

結(jié)構(gòu)地震易損性與震害經(jīng)濟損失分析是地震安全評定的重要內(nèi)容之一，既從宏觀的角度描述了地震動強度與結(jié)構(gòu)破壞損傷程度之間的關系，又從微觀角度在概率意義上定量刻畫工程結(jié)構(gòu)的抗震能力儲備。基于地震易損性分析，人們可以很好地掌握建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時也能夠了解地震烈度、場地、震級等地震動輸入?yún)?shù)與結(jié)構(gòu)損傷水平之間的關系，進而對建筑結(jié)構(gòu)的災害損失進行預測評估。地震經(jīng)濟損失評估源于美國地震保險業(yè)的發(fā)展，最早由Freeman等于1932年開展了相關方面的研究工作。地震經(jīng)濟損失評估是工程結(jié)構(gòu)危險性分析的重要組成部分，也是政府制定地震保險政策與費用厘定的依據(jù)和基礎。隨著結(jié)構(gòu)分析與設計手段的完善和建筑材料的不斷更新，工程結(jié)構(gòu)的抗震性能也在逐步提高，雖有效減小了地震造成的人員傷亡損失，但其引起的社會經(jīng)濟損失絕對值卻在不斷增加，合理的地震經(jīng)濟損失評估對于現(xiàn)代經(jīng)濟社會的抗震救災與震害保險越發(fā)重要。因此，對工程結(jié)構(gòu)開展地震易損性與經(jīng)濟損失評估研究，對于制定國家防震減災措施。提高結(jié)構(gòu)抗震能力等級，降低震害損失等具有重要的研究意義和價值。

1 地震觀測記錄與修正

自20世紀30年代在加州長灘記錄第1條地震動加速度以來（圖1[1]），研究人員在該領域開展了大量研究工作，目前美國、日本以及中國等地震多發(fā)國家已經(jīng)建立了相當豐富的地震動數(shù)據(jù)庫。地震動觀測記錄研究大致經(jīng)歷了模擬地震記錄和數(shù)字地震記錄與修正這2個階段[2]。

20世紀30年代到70年代中期為模擬地震記錄階段。1947年Housner[3]基于模擬強震儀記錄的洛杉磯地震加速度序列，通過對其進行2次積分得到地震位移時程，并與位移儀得到的位移記錄比較后認為加速度積分計算結(jié)果的可信度較高。然而1955年Hershberger[4]經(jīng)過分析對Housner的研究成果提出了質(zhì)疑。1961年，Berg等[5]指出積分計算方法在精度方面無法得到有效保證，但其結(jié)果可作為工程結(jié)構(gòu)分析參考之用。20世紀60年代末到70年代初，研究人員開始對模擬地震儀獲取數(shù)據(jù)的精確性開展研究，探討了傳感器位置、記錄紙變形以及數(shù)據(jù)反饋時效等因素對積分后位移的影響[6-7]，發(fā)現(xiàn)模擬強震儀存在丟頭現(xiàn)象，記錄長周期地震動的能力不強等弊端，進而提出了通過過濾長周期信號獲取地震記錄的標準強震動加速度記錄基線校正方法[8-10]。

20世紀70年代末，美國和日本相繼研制成功了數(shù)字強震儀，使記錄信號的周期記錄范圍擴展至0.05～20 s，振幅記錄范圍擴展至0.000 1g～2.0g（g為重力加速度），精度達到1/100 s。然而，數(shù)字強震儀仍存在難以有效克服因地面傾斜、環(huán)境噪聲、位移漂移失真等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，因此該階段研究人員主要致力于數(shù)字強震儀加速度記錄的修正與校正工作上。1985年，Iwan等[11]采用兩段式校正方法，首先從未校正的加速度記錄中分離出加速度偏移噪聲，然后對校正加速度記錄積分得到速度和位移曲線。2001年，Boore[12]和王國權等[13]對Iwan兩段式噪聲模型進行了簡化，提出便于自動化處理的單段式校正方法，但該方法處理復雜地震記錄并不理想。2002年，Boore等[14]又提出采用二次曲線擬合地震動記錄的整個速度時間歷程，但其通過在未校正加速度記錄中減去擬合曲線導數(shù)值的處理方式并不合理，使結(jié)果改善的并不理想。2007年，Chen等[15]采用濾波技術過濾地震動信號中不合理成分，依次剔除加速度和速度時程中的近似部分，然后對校正后的加速度記錄進行積分得到位移時程。2010年，Chanerley等[16]采用軟閾值理論對得到的低頻和高頻信號分別進行去噪處理得到修正加速度記錄，然后二次積分得到速度和位移時程，取得了較好的效果。2 工程結(jié)構(gòu)地震易損性分析

建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性是指不同強度地震動作用下引起結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)或達到某個性能水平的概率，是對既定災害引起的建筑結(jié)構(gòu)各個性能狀態(tài)的概率分布描述，并通過地震易損性曲線或易損性矩陣加以表征[17]。地震易損性分析根據(jù)數(shù)據(jù)來源及處理方法的不同主要分為基于數(shù)據(jù)調(diào)查的經(jīng)驗分析法和基于有限元分析的理論計算法，前者根據(jù)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和專家經(jīng)驗判斷進行，后者結(jié)合動力有限元分析軟件通過結(jié)構(gòu)地震反應分析開展。

2.1 基于震害調(diào)查的經(jīng)驗分析法

1971年，美國南加利福利亞州在發(fā)生San Fernando地震后，Whitman等[18]對1 600棟建筑結(jié)構(gòu)的震害情況進行了調(diào)查統(tǒng)計，并于1973年首次提出采用離散的破壞概率矩陣（Damage Probability Matrices， DPMs）描述不同類型結(jié)構(gòu)的地震易損性。1980年意大利發(fā)生伊爾皮尼亞Irpinia地震，Braga等[19]根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)引入二項分布描述結(jié)構(gòu)不同破壞水平的概率分布特征，并建立了歐洲建筑結(jié)構(gòu)易損性的首個DPMs，隨后Dolce等[20]和Di Pasquale等[21]針對意大利的地震特征和建筑技術水平對其進行了改進。1985年，美國應用技術協(xié)會（Applied Technology Council， ATC）基于50位地震工程領域的專家問卷調(diào)查給出了專家判斷的DPMs[22]。然而，專家經(jīng)驗判斷難以確定不同地震動作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生不同損傷性能狀態(tài)的破壞概率，為此Gioviazzi等[23]從地震烈度角度提出了專家經(jīng)驗判斷的DPMs，隨后他們引入模糊評價理論對其進行改進[24]，得到了基于判斷的地震易損性曲線，使之更加適于在地震易損性評估中的使用，該方法后來被里斯本和巴塞羅那等城市的地震易損性分析所采用[25-26]。Kiremidjian[27]還將貝葉斯分布理論和專家經(jīng)驗判斷相結(jié)合，提出了建筑結(jié)構(gòu)易損性分析的主觀DPMs。作為地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的中國，眾多專家學者亦對地震易損性進行了研究，1996年尹之潛[28]首先將中國建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)易損性情況分為A、B、C、D四類，依次為鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)和工業(yè)建筑、白灰砂漿砌筑的磚結(jié)構(gòu)、農(nóng)村生土結(jié)構(gòu)，建立了未來建筑震害矩陣與目前現(xiàn)有建筑震害的關系，然后給出2000年上述4類建筑的易損性DPMs。2008年汶川地震后，中國地震局迅速聯(lián)合科研單位和大專院校先后2次組織考察隊共300余人，歷時3個多月，行程數(shù)百萬公里對近5 000棟建筑結(jié)構(gòu)的震害進行了詳細科學調(diào)查，給出了設防和未設防砌體結(jié)構(gòu)的易損性矩陣，見表1[29]。