(華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510640)

一、引言

在現(xiàn)在的城市生活中，高層建筑作為商業(yè)和辦公等功能用地，在社會經(jīng)濟生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。在城市面對地震、臺風等重大災(zāi)害后，高層建筑是否能夠繼續(xù)投入生產(chǎn)使用，是災(zāi)后城市重建所需要考慮的問題之一，而作為城市財產(chǎn)的一部分，如果能夠迅速對高層建筑做出災(zāi)后的損傷評估，也有助于做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修復(fù)方案來挽回經(jīng)濟損失。

在國外，美國和日本最早進行了災(zāi)后建筑物損傷快速評估。FEMA154是美國的建筑物抗震能力快速觀察判斷手冊，在1988年由美國聯(lián)邦應(yīng)急事務(wù)管理局頒布[1]。而日本的損傷快速評估體系可以實現(xiàn)對建筑物短時間完成粗略評估，以保證建筑物的損傷情況能夠迅速得到改善[2]。

在國內(nèi)也有學(xué)者對結(jié)構(gòu)損傷快速評估進行研究。陸新征等人[3]利用云平臺并行處理進行區(qū)域震害分析，可以大大提高計算效率。此類方法也是針對大范圍對災(zāi)后建筑物進行快速初步檢查。李靜等人[4]基于典型框架單體結(jié)構(gòu)的易損性，應(yīng)用模糊相似理論分析得到待預(yù)測單體與典型單體的相似度，進而推測得到目標單體的易損性評估。

隨著科技和理論的發(fā)展，我們可以預(yù)先建立符合該場地條件的地震動數(shù)據(jù)庫，在地震發(fā)生時通過少量的儀器監(jiān)測到場地地面運動加速度，提取地震波特征與數(shù)據(jù)庫進行匹配，迅速輸出與實測地震動相近的模擬地震動對應(yīng)的計算結(jié)果及損傷評估信息，從而達到在震后迅速及合理地了解結(jié)構(gòu)的損傷狀況的目的。因此本文選定廣州D8-C3高層建筑結(jié)構(gòu)作為研究對象，建立地震動數(shù)據(jù)庫，分析其動力響應(yīng)，并與目標地震動對比以探討這種方法的可行性。

二、結(jié)構(gòu)與模型概況

本文所研究的結(jié)構(gòu)(圖1)為廣州D8-C3，位于廣州市天河區(qū)金穗路與海業(yè)路交匯處，南面面向珠江公園。結(jié)構(gòu)總高度為140m，長47.5m寬16.9m，地下4層，地上39層，結(jié)構(gòu)體系采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。模型采用PERFORM-3D軟件建立，PERFORM-3D軟件建立結(jié)構(gòu)的彈塑性分析模型。圖2為PERFORM-3D軟件所建立的模型。

圖1 結(jié)構(gòu)實景圖

圖2 PERFORM-3D計算模型

三、結(jié)構(gòu)震后損傷快速評估研究

(一)基于天際線查詢的地震動參數(shù)匹配方法

天際線查詢技術(shù)是一種計算機算法，旨在實現(xiàn)從數(shù)量龐大的樣本集合中匹配篩選出滿足目標需求的小部分數(shù)據(jù)，以達到迅速找到目標樣本。其原理是通過定義集合中不同樣本之間的支配關(guān)系，將被支配的樣本去除掉，留下不被支配的樣本，從而對樣本集合中的樣本進行篩選的。利用該理論領(lǐng)域最著名的Nassau旅館例子：假設(shè)去Nassau海灘旅游，旅客對酒店所要考慮的因素只有距離和價格兩個因素，一般情況下越靠近海灘的旅館價格越高，而我們可以將海灘附近的所有酒店都視為一個集合S，目標是從中選出距離最近而且價格最低的酒店，但往往無法同時滿足。當酒店p的距離不比酒店q的遠，而酒店p的價格比酒店q的低，則稱酒店p支配酒店q。天際線即是保留支配酒店，剔除被支配酒店，這樣會得到幾個目標酒店，形成一個子集SS，子集中相鄰兩個元素相連即為天際線。圖3為天際線定義示例。[5]

圖3 天際線定義示例

天際線查詢的有關(guān)算法在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展得相對成熟，其中包括Block-nested-loops Algorithm、Divide and Conquer Algorithm、Sequential Forward Selection Algorithm等。由于BNL(Block-nested-loops)算法簡單有效，因此本文采用BNL算法用于地震波數(shù)據(jù)庫的天際線查詢以匹配到目標地震動。

(二)地震動強度參數(shù)選取

地震波的特征主要體現(xiàn)在反應(yīng)譜、幅值、持時、頻域能量分布(功率譜)等方面。地震動的特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有著密切的聯(lián)系。一般地震動特征參數(shù)用的最為廣泛的是PGA，但當結(jié)構(gòu)在地震作用下進入了彈塑性變形階段，PGA與結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的相關(guān)性則顯得比較弱，因此選用結(jié)構(gòu)的第一階自振周期作為對應(yīng)的譜加速度值Sa(T1)。即使如此，標量指標由于采用單一指標，只能夠考慮結(jié)構(gòu)處于某種特定狀態(tài)之下的響應(yīng)，而向量指標綜合考慮多個強度參數(shù)，可以彌補標量指標這方面的不足。本文在根據(jù)施煒等人的研究后使用了6維向量指標：

IMΔ=[Sa(T1),Sa(T2),Sa(T3),Sa(T5),Sa(1.2T1),Ted]

其中參數(shù)Sa(T1)、Sa(T2)、Sa(T3)、Sa(T5)、Sa(1.2T1)和Ted分別為結(jié)構(gòu)一階自振、第二、第三、第五階周期、1.2倍一階周期對應(yīng)的擬譜加速度和有效持時。

(三)結(jié)構(gòu)震后損傷快速評估

本文將PEER NGA-West2 Database作為地震波數(shù)據(jù)庫的來源，從中選擇了257條未條幅的地震波記錄建立地震動數(shù)據(jù)庫作為天際線查詢的總集合S。根據(jù)《廣州珠江新城D8-C3地震安全性評估報告》，將其中依據(jù)地質(zhì)勘查的參數(shù)擬合出的結(jié)構(gòu)所在場地的地震地面運動作為目標地震動，根據(jù)目標加速度時程，分別計算對應(yīng)結(jié)構(gòu)周期的擬譜加速度Sa與基于Arias指標的能量持時Ted，得到目標地震動的6維向量指標[Sa(T1),Sa(T2),Sa(T3),Sa(T5),Sa(1.2T1),Ted]為：[0.0783，0.0992，0.0842，0.295，0.0732，10.88]。

以257條地震波組成的數(shù)據(jù)作為總集S，采用6維向量指標對總集S進行天際線查詢，目的是尋找到與目標地震動最接近的天際線子集SS。從總集中共篩選到28條與目標地震動的強度參數(shù)最接近的地震動記錄組成天際線子集SS。

在PERFORM-3D中導(dǎo)入28條經(jīng)過篩選的地震波并對模型進行計算，計算出天際線子集的結(jié)構(gòu)最大層間位移角，表1給出了天際線子集所有工況的最大層間位移角及對應(yīng)的破壞等級。從統(tǒng)計表中可以看出，28個工況中除了2個工況，其余26個工況中結(jié)構(gòu)的彈塑性變形均達到了嚴重破壞的程度，所有工況的平均最大層間位移角為0.0049，對應(yīng)的破壞等級也屬于嚴重破壞。因此根據(jù)天際線子集對應(yīng)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果，判定結(jié)構(gòu)在目標地震動的作用下發(fā)生了嚴重破壞。

表1 天際線子集工況的最大層間位移角及對應(yīng)的破壞等級

圖4 天際線子集以及目標地震動的最大層間位移角曲線

圖4是天際線子集以及目標地震動的最大層間位移角曲線，天際線子集中的地震工況中，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)總體上是比較集中的，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均位于結(jié)構(gòu)的頂部樓層，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角的值為0.0034-0.006，目標地震動的結(jié)構(gòu)最大層間位移角曲線與天際線子集的曲線較為貼合，目標地震動作用下的結(jié)構(gòu)最大層間位移角為0.0051，與天際線子集對應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大層間位移角平均值的差距在5%以內(nèi)。目標地震動作用下結(jié)構(gòu)破壞等級屬于嚴重破壞，整體損傷評估結(jié)果與天際線子集工況的統(tǒng)計結(jié)果評估一致。

四、結(jié)論

以結(jié)構(gòu)所在場地的《地震安全性評估報告》中的地面運動加速度時程為目標，根據(jù)六維向量式強度指標對備選地震波數(shù)據(jù)庫進行天際線查詢，經(jīng)過篩選得到的28條地震動記錄作為天際線子集，將子集中的地震動記錄導(dǎo)入PERFORM-3D的模型中進行計算，得到的最大層間位移角曲線集合覆蓋了目標地震動的最大層間位移角曲線，并且子集平均值與目標地震動相差在5%以內(nèi)，可以視為吻合良好。

根據(jù)上述的分析可以看到，基于天際線查詢的子集可以有效的作為目標地震動損傷評估的樣本集。因此，通過預(yù)先建立結(jié)構(gòu)地震動響應(yīng)和地震動數(shù)據(jù)庫可以作為損傷快速評估的一種應(yīng)對手段：預(yù)先建立結(jié)構(gòu)地震動響應(yīng)和地震動數(shù)據(jù)庫，在地震發(fā)生后通過儀器測得實際的地震動信息，通過天際線查詢確定地震動子集，并且通過子集可以迅速得到地震動響應(yīng)數(shù)據(jù)，從而對結(jié)構(gòu)損傷作出快速評估。

【參考文獻】

[1]Technology B,Inc,Spring S,et al.A Guidebook to FEMA 154——Rapid Visual Screening of Buildings for Potential Seismic Hazards.A Handbook for Use in the Screening of School Buildings.[J].1994:52.

[2]湯朝暉,牟彥茗,楊曉川.日本災(zāi)后建筑應(yīng)急危險度判定系統(tǒng)初探[J].城市建筑,2009(3):15-17.

[3]陸新征,陳磊,曾翔,等.基于云計算的工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)數(shù)值模擬[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015(5):769-777.

[4]李靜,陳健云,溫瑞智.框架結(jié)構(gòu)群體震害易損性快速評估研究[J].振動與沖擊,2012,31(7):99-103.

[5]周紅福.基于索引的Skyline算法研究[D].復(fù)旦大學(xué),2007.