薛榮剛,黃麗紅,宮海軍,喬保娟,陸新征
(1 北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司, 石家莊 050011;2 中國(guó)建筑科學(xué)研究院, 北京 100013; 3 清華大學(xué)土木工程系, 北京 100084)
目前我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)(簡(jiǎn)稱抗規(guī))采用“三水準(zhǔn)”設(shè)防和“兩階段”設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防原則[1]?!叭疁?zhǔn)”即“小震不壞、中震可修、大震不倒”,“兩階段”即第一階段進(jìn)行小震作用下結(jié)構(gòu)彈性承載力和變形驗(yàn)算實(shí)現(xiàn)“小震不壞”,通過(guò)分項(xiàng)系數(shù)使結(jié)構(gòu)具有一定的可靠度來(lái)滿足“中震可修”,通過(guò)概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施來(lái)滿足“大震不倒”;第二階段進(jìn)行大震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算保證“大震不倒”。對(duì)大多數(shù)結(jié)構(gòu),可只進(jìn)行第一階段設(shè)計(jì),對(duì)于易倒塌、有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)以及有專門要求的建筑,補(bǔ)充進(jìn)行第二階段設(shè)計(jì)。近年來(lái)我國(guó)發(fā)生了汶川、玉樹、廬山、魯?shù)榈葞状沃卮蟮卣馂?zāi)害,震區(qū)嚴(yán)格按抗震規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)施工的結(jié)構(gòu)均具有良好的抗震表現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了“三水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo),這是我國(guó)抗震領(lǐng)域的重要成就[2-6]。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,抗震理念也在不斷進(jìn)步,對(duì)建筑物的抗震性能也提出了更高要求:1)小震作用下主體結(jié)構(gòu)雖未損害,但樓面加速度引起的機(jī)電設(shè)備和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞以及樓內(nèi)人群恐慌問題,對(duì)“小震不壞”提出了新的要求;2)“中震可修”并沒有明確“可修”的定義,結(jié)構(gòu)在技術(shù)上可修,但從修復(fù)時(shí)間和成本考慮可能就不可修,需要對(duì)結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的修復(fù)費(fèi)用、時(shí)間進(jìn)行綜合評(píng)估;3)大震作用下結(jié)構(gòu)雖未倒塌,但非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞引起的墜物等次生災(zāi)害同樣會(huì)造成人員傷亡,1994年美國(guó)洛杉磯北嶺(Northridge)地震中,一半以上的人員受傷是由于墜物造成的[2]。
“可恢復(fù)功能”抗震設(shè)計(jì)理念的提出彌補(bǔ)了傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的局限性,受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。2015年在日本舉行的第三次聯(lián)合國(guó)減災(zāi)大會(huì)提出,提高“可恢復(fù)功能”是未來(lái)十年聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署的五個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之一[7]。美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)和應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)(ATC)于2001年開始對(duì)新一代基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究,并于2012年頒布了第一階段研究成果[8-9]。
2020年3月31日清華大學(xué)主編的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 38591—2020)[10](簡(jiǎn)稱《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》)發(fā)布,將于2021年2月1日實(shí)施,這是我國(guó)首個(gè)關(guān)于抗震韌性的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)提供了適合我國(guó)國(guó)情的系統(tǒng)的評(píng)估方法,可以對(duì)給定地震水準(zhǔn)下建筑物的損傷狀態(tài)、修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員損失進(jìn)行評(píng)估,并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)建筑物進(jìn)行抗震韌性等級(jí)評(píng)定。該標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)抗震領(lǐng)域的重大發(fā)展,但因抗震韌性的理念還比較新,國(guó)內(nèi)相關(guān)研究和應(yīng)用還很有限,對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行抗震韌性評(píng)價(jià)的研究非常少,因此本文基于《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)一棟新建小學(xué)教學(xué)樓進(jìn)行了抗震韌性評(píng)價(jià)分析,對(duì)修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員損失進(jìn)行了評(píng)估,并確定了其抗震韌性等級(jí),其結(jié)論可供抗震韌性研究和工程抗震設(shè)計(jì)參考。
《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的流程主要包括:1)建筑信息收集;2)結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析,提取分析結(jié)果生成原始工程需求參數(shù)矩陣;3)通過(guò)不少于1 000次的蒙特卡洛模擬,擴(kuò)充工程需求參數(shù)矩陣;4)根據(jù)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件易損性數(shù)據(jù)庫(kù)及生成隨機(jī)數(shù)方法,對(duì)建筑損傷狀態(tài)進(jìn)行判定;5)計(jì)算每次蒙特卡洛模擬的抗震韌性指標(biāo);6)使用對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型擬合抗震韌性指標(biāo)序列,得到給定地震水準(zhǔn)下的抗震韌性指標(biāo);7)根據(jù)抗震韌性指標(biāo)對(duì)建筑物抗震韌性等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。
蒙特卡洛模擬,又稱隨機(jī)抽樣或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法,以概率和統(tǒng)計(jì)理論方法為基礎(chǔ),使用隨機(jī)數(shù)來(lái)解決許多計(jì)算問題。彈塑性時(shí)程分析后得到的原始工程需求參數(shù)(EDP)矩陣被認(rèn)為符合聯(lián)合對(duì)數(shù)正態(tài)分布特性,計(jì)算每個(gè)分析結(jié)果參數(shù)列的均值和參數(shù)矩陣的協(xié)方差,其中協(xié)方差矩陣代表矩陣中一個(gè)參數(shù)和其他參數(shù)之間的關(guān)系,然后借助隨機(jī)數(shù)、均值向量和協(xié)方差矩陣,通過(guò)數(shù)學(xué)算法產(chǎn)生大量模擬的需求向量,這個(gè)過(guò)程就是蒙特卡洛模擬。
《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》通過(guò)蒙特卡洛模擬來(lái)考慮地震發(fā)生和構(gòu)件損傷的不確定性,可以清晰地給出建筑物在給定地震水準(zhǔn)下的損傷狀態(tài)及相應(yīng)的修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員損失等韌性指標(biāo)的概率分布情況,并直觀地采用星級(jí)制表示評(píng)價(jià)結(jié)論,由一星到三星,抗震韌性等級(jí)逐級(jí)提高,對(duì)應(yīng)的建筑抗震性能越好。
工程位于石家莊市,為一棟新建小學(xué)教學(xué)樓,于2019年9月竣工。本工程建筑面積5 650m2,結(jié)構(gòu)平面呈長(zhǎng)方形,平面尺寸為17.7m×65.6m,結(jié)構(gòu)平面和豎向均較規(guī)則,工程相關(guān)參數(shù)見表1。
工程相關(guān)參數(shù) 表1
根據(jù)本工程建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備專業(yè)施工圖紙,收集建筑信息,統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及主要機(jī)電設(shè)備的種類、數(shù)量、安裝方式等,見表2。
采用PKPM軟件進(jìn)行工程設(shè)計(jì),采用結(jié)構(gòu)非線性分析軟件SAUSAGE進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,結(jié)構(gòu)分析模型見圖1。根據(jù)抗震設(shè)防烈度(7度,0.1g)和特征周期(設(shè)防地震Tg=0.4s,罕遇地震Tg=0.45s),按照抗規(guī)的選波要求,在軟件提供的地震波庫(kù)中分別選擇11條設(shè)防地震和罕遇地震水準(zhǔn)的地震波,地面峰值加速度(PGA)分別為100,220cm/s2。阻尼模型采用瑞利阻尼模型,前兩階平動(dòng)振型阻尼比取5%。
圖1 結(jié)構(gòu)分析模型
經(jīng)過(guò)彈塑性時(shí)程分析,結(jié)構(gòu)在11條地震波作用下的各樓層最大層間位移角和加速度分別見圖2,3。
建筑信息統(tǒng)計(jì) 表2
圖2 各樓層最大層間位移角
設(shè)防地震和罕遇地震作用下,時(shí)程分析的最大層間位移角的平均值分別為0.33%和0.49%。按照《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,最大層間位移角的平均值若大于限值0.5%,則判斷建筑不可修,終止建筑韌性評(píng)價(jià)。本工程在設(shè)防地震和罕遇地震作用下時(shí)程分析的最大層間位移角的平均值均小于限值0.5%,可以進(jìn)行下一步的抗震韌性評(píng)價(jià)工作。
在彈塑性時(shí)程分析結(jié)果中,提取相關(guān)參數(shù)生成以下原始工程需求參數(shù)(EDP)矩陣:1)提取所有層框架梁、框架柱的最大轉(zhuǎn)角,分別生成m×n1,m×n2的需求矩陣,其中m為選取的地震波的數(shù)量,m=11,n1,n2分別為框架梁、框架柱的總數(shù)量;2)提取樓層最大層間位移角(IDR)和樓層峰值加速度(PFA),分別生成m×n的需求矩陣,其中m=11,n為樓層數(shù)量,n=5。
彈塑性時(shí)程分析后,結(jié)果被組裝成原始工程需求參數(shù)矩陣,矩陣中的每行代表一次時(shí)程分析得到的響應(yīng),每列代表從分析中得到的特定需求參數(shù)的峰值。采用蒙特卡洛模擬方法對(duì)原始工程需求參數(shù)矩陣進(jìn)行擴(kuò)充,模擬次數(shù)取1 000次,工程需求參數(shù)矩陣的行數(shù)由m=11擴(kuò)充為m=1 000,模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行1 000次給定地震水準(zhǔn)下的彈塑性時(shí)程分析。擴(kuò)充后的工程需求參數(shù)矩陣與時(shí)程分析得到的原始工程需求參數(shù)矩陣,應(yīng)具有相同的均值和協(xié)方差。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷狀態(tài)分為以下5級(jí)。完好(0級(jí)):不發(fā)生任何損傷;輕微(1級(jí)):僅發(fā)生影響外觀的輕微損傷;輕度(2級(jí)):發(fā)生經(jīng)簡(jiǎn)單修補(bǔ)后即可恢復(fù)全部建筑使用功能的一般損傷;中度(3級(jí)):發(fā)生經(jīng)常規(guī)修復(fù)手段修復(fù)后可恢復(fù)全部結(jié)構(gòu)功能的中度損傷;重度(4級(jí)):發(fā)生影響構(gòu)件承載能力、需要進(jìn)行替換的嚴(yán)重?fù)p傷。
一次蒙特卡洛模擬中構(gòu)件的損傷狀態(tài),采用生成隨機(jī)數(shù)的方法,結(jié)合構(gòu)件易損性曲線各損傷狀態(tài)的超越概率來(lái)確定。每層框架梁、框架柱在設(shè)防地震和罕遇地震作用下的損傷狀態(tài)分別見圖4,5,其中每層各損傷等級(jí)的比例取1 000次蒙特卡洛模擬結(jié)果的平均值。
圖3 各樓層最大加速度
圖4 設(shè)防地震作用下框架梁、柱的損傷狀態(tài)
圖5 罕遇地震作用下框架梁、柱的損傷狀態(tài)
在設(shè)防地震作用下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本保持完好,按層統(tǒng)計(jì),各層0級(jí)(完好)構(gòu)件的比例≥94.6%,各層損傷最高達(dá)到2級(jí)(輕度),2級(jí)損傷的構(gòu)件比例≤0.4%;在罕遇地震作用下,各層0級(jí)(完好)構(gòu)件在各層的比列≥61.0%,各層損傷最高達(dá)到3級(jí)(中度),3級(jí)損傷的構(gòu)件比例≤1.2%。
非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(包含設(shè)備管線、機(jī)組)的損傷狀態(tài)分為4級(jí)。完好(0級(jí)):不發(fā)生任何損傷;輕度(1級(jí)):發(fā)生經(jīng)簡(jiǎn)單修復(fù)手段修復(fù)后可完全恢復(fù)的輕度損傷;中度(2級(jí)):發(fā)生經(jīng)常規(guī)修復(fù)手段修復(fù)后可完全恢復(fù)的中度損傷;重度(3級(jí)):發(fā)生需要進(jìn)行替換的嚴(yán)重?fù)p傷。
全樓各類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷狀態(tài)見圖6,其中全樓各類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷等級(jí)的比例取1 000次蒙特卡洛模擬結(jié)果的平均值。由圖6可知,吊頂、隔墻、樓梯破壞較輕,設(shè)備管線次之,設(shè)備機(jī)組較嚴(yán)重??芍氯藛T損失的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(吊頂、隔墻)在設(shè)防地震作用下基本完好,在罕遇地震作用下破壞較嚴(yán)重。
圖6 各類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷狀態(tài)
修復(fù)費(fèi)用由對(duì)地震損傷構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)、拆除和置換所產(chǎn)生的各項(xiàng)直接費(fèi)用組成,包含材料的采購(gòu)成本和運(yùn)輸費(fèi)用、專業(yè)技術(shù)工人的勞務(wù)費(fèi)等,采用現(xiàn)行定額進(jìn)行計(jì)算。建筑修復(fù)費(fèi)用包含各類構(gòu)件修復(fù)費(fèi)用的總和,同時(shí)應(yīng)考慮工程量折減系數(shù)和樓層影響系數(shù)。
修復(fù)費(fèi)用指標(biāo)采用建筑修復(fù)費(fèi)用與現(xiàn)行建造成本之比計(jì)算,即:K=RT/CT,其中K為建筑修復(fù)費(fèi)用指標(biāo),RT為建筑物的建筑修復(fù)費(fèi)用,CT為建筑物按現(xiàn)行定額計(jì)算得到的現(xiàn)行建造成本。計(jì)算每次蒙特卡洛模擬(總數(shù)量1 000)的修復(fù)費(fèi)用指標(biāo),其分布見圖7。
圖7 修復(fù)費(fèi)用指標(biāo)分布直方圖
采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型擬合修復(fù)費(fèi)用指標(biāo)序列,使用具有84%保證率的擬合值作為韌性評(píng)價(jià)依據(jù):設(shè)防地震作用下K=3.79%,罕遇地震作用下K=22.42%。根據(jù)《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》修復(fù)費(fèi)用指標(biāo)的等級(jí)表(表3),建筑修復(fù)費(fèi)用指標(biāo)的評(píng)級(jí)為一星。星星越多,等級(jí)越高,修復(fù)費(fèi)用指標(biāo)越小,修復(fù)費(fèi)用越低,其中一星是在設(shè)防地震作用下,二星和三星是在罕遇地震作用下。
修復(fù)費(fèi)用指標(biāo)的等級(jí) 表3
結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件修復(fù)費(fèi)用占比見圖8??梢钥闯?,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件修復(fù)費(fèi)用遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在設(shè)防地震作用下這種情況更為明顯。
圖8 結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件修復(fù)費(fèi)用占比
修復(fù)時(shí)間為在修復(fù)工作所需修復(fù)方案、材料、人員和設(shè)備等齊全的條件下,地震損傷建筑恢復(fù)其基本功能所需要的名義修復(fù)時(shí)間,需考慮主要修復(fù)工作在層間和層內(nèi)的先后次序、工程量折減系數(shù)、樓層影響系數(shù)以及工人單層最大容量等因素。
計(jì)算每次蒙特卡洛模擬的修復(fù)時(shí)間,1 000次蒙特卡洛模擬的修復(fù)時(shí)間序列分布見圖9,使用具有84%保證率的擬合值作為評(píng)級(jí)依據(jù):設(shè)防地震作用下修復(fù)時(shí)間為14.7 d,罕遇地震作用下修復(fù)時(shí)間為94.0 d。根據(jù)《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》修復(fù)時(shí)間指標(biāo)的等級(jí)表(表4),建筑修復(fù)時(shí)間指標(biāo)的評(píng)級(jí)為一星。
圖9 修復(fù)時(shí)間指標(biāo)分布直方圖
修復(fù)時(shí)間指標(biāo)的等級(jí) 表4
人員損失采用建筑中受傷和死亡人數(shù)占全部人數(shù)的比例作為指標(biāo),包括名義受傷率和名義死亡率,根據(jù)樓層破壞等級(jí)確定。而樓層破壞等級(jí)則由建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或可致傷亡的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(填充墻、吊頂)處于不同損傷狀態(tài)的數(shù)量占各自數(shù)量的比例來(lái)判定,判定結(jié)果取兩者中較高的樓層破壞等級(jí)。
通過(guò)計(jì)算每次蒙特卡洛模擬每層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各損傷狀態(tài)占比,來(lái)確定此次模擬的按結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)破壞確定的各樓層破壞等級(jí),采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型擬合各樓層的破壞等級(jí)序列,使用具有84%保證率的擬合值,見表5,并取按結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)判定的較大值作為各樓層的破壞等級(jí)。由表5可以看出,在判定各樓層破壞等級(jí)時(shí),非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷較結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重,起控制作用,這種情況在設(shè)防地震作用下更為顯著。
樓層破壞等級(jí) 表5
根據(jù)各樓層破壞等級(jí)對(duì)應(yīng)的名義傷亡率、各層不同功能房間的人員密度、各功能房間建筑面積等計(jì)算得到建筑物的人員損失指標(biāo):設(shè)防地震作用下,名義受傷率γH=5×10-5,名義死亡率γD=0;罕遇地震作用下,名義受傷率γH=5.7×10-3,名義死亡率γD=1.0×10-3。根據(jù)《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》人員損失指標(biāo)的等級(jí)表(表6),建筑物的人員損失指標(biāo)的評(píng)級(jí)為一星。
人員損失指標(biāo)的等級(jí) 表6
建筑的抗震韌性等級(jí)應(yīng)綜合考慮建筑修復(fù)費(fèi)用、建筑修復(fù)時(shí)間和建筑物的人員損失等三項(xiàng)指標(biāo)的等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià),取三項(xiàng)指標(biāo)的最低等級(jí)作為該建筑的抗震韌性等級(jí)。
本工程的建筑修復(fù)費(fèi)用、建筑修復(fù)時(shí)間和建筑物的人員損失等三項(xiàng)指標(biāo)的等級(jí)均為一星,取三項(xiàng)指標(biāo)的最低等級(jí),因此本工程的建筑抗震韌性等級(jí)為一星。
本文基于《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)一棟新建小學(xué)教學(xué)樓進(jìn)行了抗震韌性評(píng)價(jià),對(duì)其修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員損失進(jìn)行了計(jì)算評(píng)級(jí),依此確定了其抗震韌性等級(jí),并得到以下結(jié)論:
(1)對(duì)于教學(xué)樓等類似建筑,在設(shè)防和罕遇地震作用下,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員損失均明顯大于結(jié)構(gòu)構(gòu)件,對(duì)建筑物的抗震韌性評(píng)級(jí)起主導(dǎo)作用;在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)殘余變形遠(yuǎn)小于倒塌限值,結(jié)構(gòu)未發(fā)生倒塌,但可致人員損失的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(填充墻、吊頂)成為造成人員傷亡的主要因素。說(shuō)明對(duì)此類建筑的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件基于性能的抗震設(shè)計(jì)亟待加強(qiáng),特別是對(duì)填充墻和吊頂?shù)确墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的防倒塌、防墜落應(yīng)采取可靠的抗震加強(qiáng)措施。
(2)抗震韌性評(píng)價(jià)可以更加直觀地驗(yàn)證“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo),并發(fā)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件往往是造成人員傷亡和抗震修復(fù)代價(jià)的主要因素。
(3)《韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》考慮了地震發(fā)生和構(gòu)件損傷的不確定性,可以量化建筑物的修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間和人員損失等韌性指標(biāo),并采用直觀的星級(jí)制表示評(píng)價(jià)結(jié)論,便于非專業(yè)人員的理解和進(jìn)一步做決策,這對(duì)新一代基于韌性的抗震性能化設(shè)計(jì)的研究和推廣具有重要意義。