高层结构易损性简述

结构易损性简述

余佳骏

(南京理工大学理学院，南京 210094）

摘要：与地震危险性分析的研究相比,承灾体的地震易损性分析,尤其是土木工程结构的地震易损性分析方面的研究还远没有成熟;另外,地震灾害的损失评估也受到了工程界与经济界学者的共同关注,目前这两个分支学科正处于蓬勃的发展过程中。本文对结构易损性的概念和分析方法进行了简单介绍，并系统地提出了框剪结构分析方法和其易损性曲线的形成。

关键词：易损性;地震风险分析;易损性曲线;框架结构

A Brief Introduction to Structural Vulnerability

YU Jiajun

(College of Science, NUST, Nanjing 210094)

Abstract:Compared with the study of seismic hazard analysis, the seismic vulnerability analysis of hazard bearing bodies, especially the study of seismic vulnerability analysis for civil engineering structures are also far away from mature; In addition, the assessment of the loss of earthquake disaster has been a common concern of engineering and economic scholars, the two branch is in the process of developing the vigorous. In this paper, the concept and analysis method of structural vulnerability was introduced, and put forward the formation of frame shear wall structure analysis and its vulnerability curve.

Keywords:Seismic vulnerability; risk analysis; fragility curve; frame structure

引言

地震是自然灾害中危害最大的灾种之一，地震预测预报是世界性难题，因此对地震灾害进行风险分析已成为目前主要的防灾和减灾措施。地震灾害的风险分析主要包括 3 个方面：地震危险性分析、地震易损性分析和地震灾害损失估计。其中，地震易损性分析是预测结构在不同等级的地震作用下发生各级破坏的概率。因此，对建筑物进行易损性分析一方面可以用于震前灾害预测，设计人员可以根据结构易损性的不同，有针对性地提高结构的抗震能力；另一方面可以用于震后损失评估，为估计地震损失提供依据，从而尽可能避免或减少人员伤亡，实现我国防震减灾的目标。

1 研究背景

灾害风险分析是指对灾害发生的可能性和造成的后果进行定性与定量的分析及评估,其目的是为风险区土地的合理利用与投资、灾害预防与管理、灾害保险制度的建立、城市与工程的防灾减灾以及灾期的快速评估和辅助决策提供科学依据[1-3]。

灾害风险分析主要包括致灾因子的危险性分析、承灾体的易损性分析和灾情损失评估三个方面的内容。致灾因子的危险性分析主要研究给定区域内发生各种强度灾害的概率;承灾体的易损性分析是研究承灾体易于受到致灾因子的破坏、伤害或损伤的可能性;灾情损失评估是在危险性分析和易损性分析的基础上,研究风险区内一定时段内可能发生的一系列不同强度灾害给风险区造成的可能后果和经济损失值[1-3]。

地震是自然灾害中危害最严重的灾害之一,由于地震预测预报是世界性难题,因此对地震灾

害进行风险分析就成为当前工程中主要的防灾减灾措施。在地震风险分析的三个方面,地震危险性分析方法自从1968年由美国学者Cornell 确立以来[4, 5],无论在理论还是工程应用方面发展都很迅速,并已经取得了很大进展,目前地震危险性分析已广泛应用于地震区划和具体场地的地震动估计,前者服务于一般结构的抗震设计,后者服务于特殊的或重大的工程建设项目(如核电站)的抗震设计。与地震危险性分析的研究相比,对于承灾体的地震易损性分析,特别是土木工程结构的地震易损性分析方面的研究则还远为成熟;另外,地震灾害的损失评估也受到了工程界与经济界学者的共同关注,目前这两个分支学科正处于蓬勃的发展过程当中。 对于承载体地震易损性分析，尤其是土木工程结构的易损性分析方面的研究还远不成熟。国内外对桥梁和房屋建筑等工程结构的易损性进行了大量的研究，不同的研究者采用不同的战略与研究方法，取得了许多成果。Karim Yamazaki 建议了一种用数值模拟方法建立理论易损性曲线的方法。Shinozuka 采用Monte Carlo 模拟法检验桥梁的易损性曲线，通过两种不同的方法计算得到结构响应；常泽民等提出了基于可靠度和性能的结构整体地震易损性分析方法[6]；Hwang 针对缺乏桥梁结构地震破坏数据地区，考虑地震地面运动、局部工程场地条件和桥梁本身参数的不确定性，给出了地震作用下桥梁结构的易损性曲线系统性分析方法[7]。 2 易损性概念

地震风险是指在规定的时间内,在所研究的区域内,地震灾害对社会和经济的危害大小。它反映了地震灾害对承灾体(城市或区域,土木基础设施系统或土木工程结构)的破坏程度以及对社会带来的后果,因此地震风险与所研究区域内的地震危险性、承灾体的地震易损性以及造成的地震损失或后果有关,因此可将地震风险描述为

地震风险=地震危险性×地震易损性×地震损失 （1）

其中,地震危险性是指给定场地在某一时期内不同强度的地震发生的概率,取决于场地的地质条件、潜在震源区的活动情况以及地震动随震中距的衰减关系等。承灾体的地震易损性是指在给定强度的地震作用下,承灾体达到或超过某种破坏状态时的条件失效概率。地震损失则包括直接经济损失、间接经济损失和人员伤亡损失。

式(1)右端前两项可用数学形式表达为

P[s L ] =a

P[s L |A =a]P[A =a] (2) 式中,s L 是结构的某种性能水准或破坏等级,P[s L ]表示达到或超过该性能水准的概率,即风险的概率测度;A 代表地震动的强度参数,如有效峰值加速度(PGA)、有效峰值加速度(PGV)或地震烈度(MMI);P[s L |A=a]代表发生强度A=a 地震动时的条件失效概率,即地震易性;P[A=a]为地震动发生强度A=a 的概率,由地震危险性分析的结果得到。

将式(2)中的地震易损性表示为

R F (a) =P[s L |A =a] (3)

改变地震动强度a 的数值,计算结构达到或超过破坏状态s L 的地震易损性R F ,然后采用某种统计方法进行曲线拟合,所得的光滑曲线R F (a)称为/地震易损性曲线。

图1 地震风险分析的基本原理

2 易损性分析方法