黃海波，王明振，高霖

（重慶文理學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 402160）

地震是一種破壞力很大的突發(fā)性自然災(zāi)害。我國位于環(huán)太平洋地震構(gòu)造帶與歐亞地震帶之間，地震活動頻度高、強度大、分布廣。據(jù)統(tǒng)計，近百余年來，我國共發(fā)生七級及以上強烈地震130余次。強烈地震會引起大面積房屋倒塌，并造成大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟損失。砌體結(jié)構(gòu)類建筑因材料來源方便、造價低、施工簡單等特點在我國的建筑物中被大量采用，但其抗震性能較差。2008年汶川地震中，北川縣城、汶川縣漩口鎮(zhèn)、映秀鎮(zhèn)等極震區(qū)80%～90%的砌體結(jié)構(gòu)建筑物發(fā)生倒塌或嚴(yán)重破壞，一些建筑群或臨街建筑成片倒塌，部分結(jié)構(gòu)即便未倒塌但也因破壞相當(dāng)嚴(yán)重而不能繼續(xù)使用。在地震中砌體建筑的倒塌是造成人員傷亡和經(jīng)濟損失的直接原因。在地震發(fā)生前對建筑結(jié)構(gòu)進行震害預(yù)測是減輕和預(yù)防地震災(zāi)害的前沿工作，也是制定城市防震減災(zāi)規(guī)劃和地震應(yīng)急預(yù)案的基礎(chǔ)工作[1-2]。

本文在分析比較文獻[1-8]中所提出砌體結(jié)構(gòu)震害預(yù)測方法的基礎(chǔ)上，針對影響砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的主要因素，結(jié)合類比法提出了典型砌體結(jié)構(gòu)震害預(yù)測方法的改進建議。

1 典型砌體結(jié)構(gòu)震害預(yù)測方法

本文總結(jié)了3種典型的砌體結(jié)構(gòu)震害預(yù)測方法，包括墻體抗剪承載力法、震害特征類比預(yù)測方法和超越強度倍率法。

1.1 墻體抗剪承載力法

（1）單位面積內(nèi)墻體抗剪承載力R計算公式如式（1）所示：

（2） 震害指數(shù)Ds計算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010）》和《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50003-2011）》中的要求，砌體結(jié)構(gòu)需要進行強度驗算，即驗算遭遇多遇地震下結(jié)構(gòu)在彈性階段內(nèi)的工作情況。震害預(yù)測時按照小震作用計算，得到震害指數(shù)計算表達式如下[2-5]：

Ⅵ度：Ds=1.864-0.007Rs；Ⅶ度：Ds=1.977-0.006Rs；

Ⅷ度：Ds=1.975-0.005Rs；Ⅸ度：Ds=1.866-0.004Rs。

（3）震害等級的確定

得到各層震害指數(shù)后，由表1可查得砌體結(jié)構(gòu)各層所對應(yīng)的震害等級，用震害指數(shù)最高的樓層震害等級來表示整個結(jié)構(gòu)的破壞情況[6]。

1.2 震害特征類比預(yù)測方法

表1 結(jié)構(gòu)震害等級和相應(yīng)的震害指數(shù)

震害特征類比預(yù)測方法的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 震害特征類比預(yù)測方法系統(tǒng)圖

其中，相似度計算公式如式（2）所示：

式中，f(X,Y)表示海明距離；X和Y分別為2幢不同的建筑物；xi，yi表示建筑物需要類比的參數(shù)；ωi(i=1,2,L,n)為參數(shù)的權(quán)重，即每個因素對預(yù)測結(jié)果的重要程度；n為類比參數(shù)個數(shù)。

已知N幢建筑物單體Sj(j=1,2,L,N)的震害預(yù)測結(jié)果，要使建筑物X的震害預(yù)測結(jié)果與建筑物Sβ的震害結(jié)果類似（β?[1,N]），則需要滿足式（3）的要求[7]。

震害特征類比參數(shù)選取房屋的結(jié)構(gòu)類型、高度、建設(shè)年代、用途和現(xiàn)狀質(zhì)量，根據(jù)它們對建筑物易損性的影響程度分別取不同的權(quán)重值[8]。各個震害因子的權(quán)重和量化方案可參見參考文獻[2]中的表1，通過對待預(yù)測建筑物和樣本庫中具有的相同類型結(jié)構(gòu)的建筑物進行類比，可以得到多個海明距離，f=

很明顯，最小的幾個值所對應(yīng)的震害情況從公式上看是與待預(yù)測建筑物最相似的，故應(yīng)取最小值作為待預(yù)測建筑物的震害預(yù)測結(jié)果。但考慮到系統(tǒng)誤差和樣本庫中的樣本震害結(jié)果具有一定的不確定性，有可能對測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，為減少誤差，取最小的5個海明距離值，把這5個值對應(yīng)的震害指數(shù)進行算術(shù)平均，以達到減少誤差的目的。

以Ii(i=1,2,3,4,5)分別表示取得的5個最小海明距離所對應(yīng)的建筑物的震害指數(shù)，得到待測建筑物的震害指數(shù)I，如公式（4）所示：

為了保證2棟建筑物具有很高的相似度，在進行比較的時候還應(yīng)該考慮設(shè)防烈度和場地類別對建筑震害的影響。

要成功預(yù)測建筑物震害情況，樣本的可靠度是非常重要的，為了保障樣本庫的可靠，可以選擇由震害實例和抽樣調(diào)查計算兩部分來構(gòu)成樣本庫，震害實例可以在唐山、海城、麗江、汶川等多次地震中大量實際震害例子中選取典型實例作為樣本。通過對建筑物破壞狀態(tài)的描述確定其震害情況，并根據(jù)其震害情況對震害指數(shù)進行量化。由于不同的待預(yù)測建筑物在建筑平立面布局及建筑材料使用方面均具有其自身的特點，為了保證樣本庫具有較好的針對性且滿足不同城市各類建筑物多樣化的需求，對預(yù)測地中具有典型特點的建筑物也要進行抽樣預(yù)測，并用成熟的預(yù)測方法進行震害預(yù)測，將其結(jié)果作為樣本庫的一部分，達到提高樣本庫質(zhì)量的目的。

1.3 超越強度倍率法

結(jié)構(gòu)在遭受地震破壞時，可以根據(jù)超越強度的倍率來判斷結(jié)構(gòu)的破壞情況，第i層結(jié)構(gòu)的超越強度倍率公式如下[9]。

上面各式中：n為樓層數(shù)；s為計算層數(shù)；Rτ為墻體標(biāo)準(zhǔn)抗剪強度(N·cm-2)；Rk為非抗震設(shè)計的砌體結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)抗剪強度(N·cm-2)；Rs為抗剪強度(N·cm-2)；Fs為墻的面積（m2）；As為建筑面積（m2）；d為樓層重力代表值的修正系數(shù)；c為考慮設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、抗震措施等對砌體結(jié)構(gòu)強度影響的修正系數(shù)；Sa為地震加速度反應(yīng)譜值；ay為結(jié)構(gòu)的屈服加速度。

震害等級和E值的關(guān)系詳見表2[10]，表2是由我國幾次大地震的震害經(jīng)驗總結(jié)而來。根據(jù)我國大量的震害資料和實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到了磚墻抗剪強度開裂值和極限值的變異系數(shù)為0.2，地震加速度的變異系數(shù)取0.26，最終得到磚墻的超越強度倍率變異系數(shù)為0.3。

表2 E值與砌體建筑震害等級的關(guān)系

2 震害預(yù)測方法分析與對比

從預(yù)測工作的基本步驟和3種方法間的聯(lián)系與區(qū)別兩個角度對3種典型方法進行分析和對比。

2.1 預(yù)測方法的基本步驟

3種砌體結(jié)構(gòu)典型震害預(yù)測方法的基本步驟如下所述。

（1）墻體抗剪承載力法

（a）統(tǒng)計各個樓層基本信息，包括建筑面積、樓層數(shù)、總樓層數(shù)、建筑砂漿強度等。（b）計算各個樓層的抗剪承載力，并分別計算在各烈度下的震害指數(shù)，由震害指數(shù)表查得建筑物的破壞情況，最終用震害預(yù)測中抗力最薄弱的樓層的破壞情況作為整棟建筑物的震害預(yù)測結(jié)果。

（2）震害特征類比預(yù)測法

（a）統(tǒng)計待預(yù)測的建筑物基本信息，包括待預(yù)測建筑物的建設(shè)年代、現(xiàn)狀質(zhì)量、高度、用途等。（b）通過近些年來的震害實例和成熟的震害預(yù)測方法得到的當(dāng)?shù)氐湫徒ㄖ锏念A(yù)測結(jié)果，建立樣本庫。（c）將統(tǒng)計得到的基本數(shù)據(jù)與樣本庫中的數(shù)據(jù)進行對比，得到相似度最大的幾個樣本數(shù)據(jù)，通過樣本的破壞情況來預(yù)測城市建筑物的震害情況。

（3）超越強度倍率法

（a）統(tǒng)計建筑物各個樓層的基本信息，包括建筑面積、樓層數(shù)、總樓層數(shù)、建筑砂漿強度等。（b）由相應(yīng)的規(guī)范查得地震加速度反應(yīng)譜值。（c）通過基本信息計算被預(yù)測建筑物達到破壞強度極限時的屈服加速度，并得到地震加速度反應(yīng)譜值和屈服加速度的比值，最終用得到的比值查表得到建筑物的破壞情況。

2.2 幾種預(yù)測方法的聯(lián)系與區(qū)別

墻體抗剪承載力法先計算了建筑物每層結(jié)構(gòu)的抗震指數(shù)，后用樓層中震害指數(shù)最大的值代表的破壞狀況作為整棟建筑物的震害預(yù)測結(jié)果。震害特征類比預(yù)測法是先計算出兩棟建筑物的相似程度，后把相似建筑物的震害結(jié)果作為被預(yù)測結(jié)構(gòu)的震害預(yù)測結(jié)果。超越強度倍率法則是先計算出每層的超越強度倍率，最后把所有樓層中最大的超越強度倍率作為整棟建筑物的震害預(yù)測依據(jù)。綜上可以看出，3種典型方法的主體思想不同，墻體抗剪承載力法和超越強度倍率法依靠的是精準(zhǔn)的公式，除了計算公式不同外，其他步驟類似，震害預(yù)測結(jié)果可靠性主要建立在所使用的公式算法。這兩種方法采集的數(shù)據(jù)相對比較精細；而震害特征類比預(yù)測法則采用類比的方法，震害預(yù)測結(jié)果主要依賴于樣本的可靠性和完整性，樣本數(shù)據(jù)的采集相對廣泛。

從震害預(yù)測的研究對象角度分析，墻體抗剪承載力法是基于單位墻體抗剪承載力來確定基本算法，超越強度倍率法則是基于地震加速度反應(yīng)譜與建筑物屈服加速度的比值來確定算法。這兩種方法有很多相似之處，例如最基本的數(shù)據(jù)采集以及取建筑物的抗力最薄弱層作為整棟建筑物的震害預(yù)測側(cè)重點。

然而無論哪種方法，要想獲得準(zhǔn)確的震害預(yù)測數(shù)據(jù)都必須要以所采集到數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性作為前提，只有完整準(zhǔn)確的基本數(shù)據(jù)才能保證震害預(yù)測結(jié)果的可靠性。

3 砌體結(jié)構(gòu)震害預(yù)測方法改進建議

3.1 典型預(yù)測方法的不足

墻體抗剪承載力法和超越強度倍率法兩種方法均把墻體作為影響砌體結(jié)構(gòu)抗震性能最主要的因素作為編制算法的基本依據(jù)，考慮了砌體結(jié)構(gòu)的主要受力特征。但墻體抗剪承載力法并沒有考慮布置構(gòu)造柱和圈梁對建筑物抗震性能的影響。根據(jù)楊玉成等人的分析結(jié)果[11]，構(gòu)造柱和圈梁等抗震措施的布置對建筑物的抗裂和抗倒塌會起到關(guān)鍵的作用，即抗震能力指數(shù)會隨著構(gòu)造柱和圈梁的布置而增大，也即結(jié)構(gòu)的抗震性能得到提高。

上述兩種預(yù)測方法均無法將建筑物的環(huán)境納入到考慮的范圍中。這里所說的環(huán)境包括地基地質(zhì)、周邊建筑物、各種自然因素等。很顯然，不同的建筑環(huán)境對建筑物的抗震性能有很大的影響，故建筑環(huán)境也應(yīng)作為一個影響系數(shù)。同時，這兩種預(yù)測方法也無法考慮使用年限對建筑物抗震性能的影響，使用年限作為一個建筑物抗震性能的重要參數(shù)也應(yīng)被考慮。

震害特征類比預(yù)測法將類比思想作為主要預(yù)測的思路，避開了復(fù)雜的公式推導(dǎo)和計算。該方法的重點是建立一個具有參考價值的數(shù)據(jù)庫，其它步驟均相對簡易。該方法綜合考慮了建設(shè)年代、現(xiàn)狀質(zhì)量、高度、用途等主要因素對建筑物的影響，但缺少了建筑物本身的結(jié)構(gòu)特點對抗震性能的影響，如樣本和被預(yù)測建筑物的受力墻面積，樓層數(shù)，圈梁和構(gòu)造柱的布置情況等。這些影響因素在建筑物的震害預(yù)測中雖不是簡單的相加理論，但合理地設(shè)置每個因素的權(quán)重就會使得分析出的預(yù)測結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確度。該方法最大的特點就是突破算法的束縛，使建筑物的震害預(yù)測步驟變得相對簡單。

3.2 震害預(yù)測方法構(gòu)想思路

圖2 樣本庫建立過程圖

基于類比思想并考慮到影響砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的主要因素，提出的震害預(yù)測方法構(gòu)想，其樣本庫的建立如圖2所示。

在樣本庫的建立過程中，主要考慮了地震動加速度、樓層數(shù)、建筑材料類型及強度、地基狀態(tài)、構(gòu)造柱和圈梁設(shè)置、現(xiàn)狀質(zhì)量、單位建筑面積內(nèi)受力墻面積七個主要因素的影響，并把一些因素進行了10個等級的劃分，劃分為10等級主要是考慮到等級太少會造成樣本和被預(yù)測建筑物相似度較小，等級太多會給基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集帶來困擾，最后可以根據(jù)實際情況給出每個等級的定義。

建立起樣本庫后，可以編制相應(yīng)的程序，隨著樣本庫的增大，被預(yù)測的砌體結(jié)構(gòu)均可以通過程序查詢到與其結(jié)構(gòu)相似的砌體結(jié)構(gòu)在遭受地震破壞后的情況，甚至獲得樣本建筑物遭受破壞后的震害照片，達到預(yù)測建筑物震害情況的目的。且隨著樣本庫在今后的不斷完善，震害預(yù)測的準(zhǔn)確度會越來越高，且震害預(yù)測過程也會變得更快捷簡便。紹，并結(jié)合認知和新規(guī)范規(guī)定對以往震害預(yù)測方法中存在的問題進行了剖析。

（2）考慮對砌體結(jié)構(gòu)抗震性能影響程度較大的幾個因素，并結(jié)合成熟的震害預(yù)測方法提出了砌體結(jié)構(gòu)震害預(yù)測方法改進建議。

4 結(jié)語

（1）本文對三種典型的砌體結(jié)構(gòu)震害預(yù)測方法進行了系統(tǒng)詳細的總結(jié)，對確定震害等級的各個參數(shù)進行了具體的介

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