具体建筑地震直接经济损失估计研究的新进展*

谭 婷 颜志淼

0 引言

以 SEAOC 1995[1],ATC 1996[2],FEMA 1997[3]为代表的美国第一代基于性能的地震工程明确了多重性态目标。但由于第一代基于性能的地震工程分析技术较简化[5],美国太平洋地震工程研究中心(PERR)在 21世纪初提出了采用概率方法改进地震风险决策的第二代基于性能的地震工程[4-6]。PERR基于性能的地震工程(PBEE)提出了从地面运动风险估计结构反应,进而估计结构损伤,最后估计地震损失(直接经济损失、停产时间、人员伤亡)以指导地震风险决策的理论框架。本文重点介绍第二代PBEE框架下具体建筑地震损失估计研究的新进展。

1 具体建筑地震损失估计研究的发展历程

具体建筑地震损失研究的发展历程如下:Scholl(1979年)提出了确定性的基于构件的损失估计法[7]。Kustu et al.(1982年)统计性地确定了各类构件建造成本之间的比例,将其和易损性(fragility)函数一起用以计算各类构件的整体损伤系数[8]。Scholl et al.(1982年)提出了基于构件的概率损伤估计法[9]。Gunturi,Shah(Gunturi,1993年)提出了给定地震地面运动强度下具体建筑损失期望估计方法[10]。Singhal,Kiremidjian(1996年)用一组模拟的地面运动考虑地面运动的不确定性,将其与损失评估联系起来[11]。Porter,Kiremdjian(2001年)介绍了基于组件(assemblybased)的概率损伤估计法,包括了损伤估计及相关修复费用的不确定性[12]。Aslani,Miranda(2005年)提出了基于构件的概率地震损失估计及损失分解方法[13]。Zareian,Krawinkler(2006年)提出了PEER基于性能设计框架的简化版本,将构件分为子系统来计算损失[14]。Mitrani Reiser,Beck(2007年)提出了 MATLAB损伤和损失估计工具箱计算平均损失和年期望损失[15]。Ramirez,Miranda(2009年)提出了基于层损失估计形式的简化 PEER框架版本及损失计算工具箱[16]。

2 具体建筑地震损失估计研究的新发展

2.1 残余变形过大引起拆除重建损失

如果大地震引起建筑某层残余变形过大,导致震后建筑在未倒塌状态下由于修复的技术及经济方面的不可行而使该建筑需拆除重建时,以往损失估计的计算中只包括了倒塌引起的损失和非倒塌修复引起的损失将不符合实际情况,可能导致损失估计不准确。Ramirez,Miranda(2009年)考虑拆除重建引起的损失,将损失计算方法进一步完善为[16]:

其中,E[LT|NC∩R,IM]表示结构不倒塌、某一 IM条件下由修复引起的损失期望;E[LT|NC∩D,IM]为不倒塌但要拆除所带来的损失期望,等于拆除已有建筑的费用加上将废物从场地移走的费用加上新建建筑的费用减去可挽回再使用的构件成本;P(NC∩R|IM)表示某一IM条件下结构不倒塌且需修复的概率,P

上式中:GD|RIDR(D|RIDR=ridr,NC)为在结构不倒塌、某一残余层间位移角ridr条件下拆除的概率分布函数,可理解为随残余层间位移角的增加而建议拆除的工程百分比,虽然可将其假定为对数正态分布,由于目前尚缺乏引发建筑拆除的残余层间位移角的统计数据,所以均值和方差一般可参考有关规范的规定、实际经验及工程判断取值。文献[16]的敏感性分析表明其均值对损失估计的影响较大,而方差的影响则不明显,因此应特别注意均值的取值。

最后,结构在不倒塌、某一 IM条件下,残余层间位移角大于某一取值(ridr)的概率可表述为:

残余层间位移角的计算受场地类别、震级、震源距、滞回性能、基本自振周期和侧向强度比(R)等多方面因素的影响,且离散很大[17-19],其计算结果的准确性尚有待进一步改进。

2.2 损失分解

建筑损失估计完成后,可对损失进行分解以确定造成损伤和直接经济损失的主要因素,从而指导风险管理决策。损失分解可对年平均损失期望进行分解,也可对年平均损失超越概率进行分解。其中,年平均损失期望可分解为倒塌与非倒塌的损失期望、不同层的损失期望、非倒塌条件下不同构件类(结构构件、位移敏感性非结构构件和加速度敏感性非结构构件)的损失期望、结构构件(如梁柱节点、柱、板柱节点)及非结构构件(如玻璃窗、天花板、隔墙等)的损失期望、IM条件下非倒塌和倒塌的损失期望、IM条件下不同层和不同构件类的损失期望等。年平均损失超越概率可分解为倒塌与非倒塌年平均损失超越概率。

Aslani,Miranda(2005年)[13]的损失分解结果表明,美国现存的无延性钢筋混凝土框架建筑损失主要来源于低变形能力导致相对高的倒塌概率、非结构构件损伤以及中等地震。Ramire,Miranda(2009年)[16]的研究结果则表明现存延性钢筋混凝土框架建筑损失主要来源于非结构构件损伤、修复而非倒塌带来的损失。另外高层建筑中因残余变形过大而导致拆除的损失也较中低层建筑有所增加。

2.3 损失估计工具箱简介

Mitrani Reiser,Beck(2007年)[15]提出了损伤和损失估计工具箱计算平均损失和年期望损失。工具箱的输入为:fragility的数据库和成本分布函数、建筑构件可损伤表以及风险分析和结构分析的结果。工具箱的输出为:所有可损伤构件超越损伤状态的概率和 PEER方法的决策变量 DVs。DVs包括修复费用、倒塌概率以及由停产和人员伤亡引起的损失。

Ramirez,Miranda(2009年)[16]提出了基于层的损失估计工具箱计算平均损失、年期望损失和生命期内损失折现值。该工具箱包括 5个模块:1)地震风险模块;2)层损失函数模块;3)反应模拟模块;4)损失估计模块;5)损失分解及结果可视化模块。

3 结语

本文简要介绍了美国太平洋地震研究中心所提出的基于性能的地震工程的方法体系。对地震引起的具体建筑直接经济损失研究进展进行了较为详细的介绍。但该理论仍需大量试验数据及成本数据进一步完善,作者认为国内应开展更为细致的损失估计研究。

[1]Structural Engineers Association of California.Vision 2000,Conceptual Frame work for Performance Based Seismic Engineering of Buildings.SEAOC:Sacramento,CA,USA,1995.

[2]App lied Technology Council.ATC-40,Seismic evaluation and retro Report No.SSC96-01,ATC:Redwood City,CA,U.S.A.,1996.

[3]Building Seismic Safety Council.FEMA 273,Second Ballot Version NEHRP Guidelines for Seismic Rehabilitation of Buildings.BSSC:Washington DC,U.S.A.,1997.

[4]J.P.Moehle.A Framework for Performance-Based Earthquake Engineering.

[5]Cornell,C.A.,Krawinkler,H.Progress and challenges in seismic performance assessment.PEER Center News 3(2).

[6]Keith A.Porter.An Overview of PEER's Performance-Based Earthquake Engineering Methodology.Ninth International Conference on Applications of Statistics and Probability in Civil Engineering(ICASP9)Ju ly 6-9,2003,San Francisco.

[7]Scholl,R.E.Seismic damage assessment for high-rise building:annual technical report.URS/John A.Blume＆Associates,Inc.,San Francisco,CA,1979.

[8]Kustu,O.,Miller,D.D.,Brokken,S.T.Development of Damage Functions for High-rise Building Components.San Francisco,CA:URS/John A.Blume＆Associates,Inc,1982.

[9]Scholl,R.E.,Kustu,O.,Perry,C.L.,et al.Seismic Damage Assessment for High-rise Building.San Francisco,CA:URS/John A.Blume＆Associates,Inc,1982.

[10]Gunturi S.,Shah,H.Building-specific Earthquake Damage Estimation,Ph.D.Thesis.Stanford,CA:John A.Blume Earthquake Engineering Center,Stanford University,1993.

[11]Singhal,A.,Kiremidjian,A.S.A method for earthquake motion-damage relationships with application to rein forced concrete frames.Report No.119,Stanford University,Stanford,CA,1996.

[12]Porter,K.A.,Kiremidjian,A.S.Assembly-based vulnerability of buildings and its uses in seismic performance evaluation and risk management decision-making,Technical Report No.309.Stanford,CA,2001.

[13]Aslani,H.,MMiranda,E.Probabilistic Earthquake Loss Estimation and Loss Disaggregation in Buildings,Report No.157.Stanford,2005.

[14]Zareian,F.,Krawinkler,H.K.Simplified Performance-based Earthquake Engineering.Stanford,CA:John A.Blume Earthquake Engineering Center,Stan ford University,2006.

[15]Mitrani Reiser J,Beck J.An ounce of prevention:probabilistic loss estimation for performance-based earthquake engineering[D].Pasadena,CA:Department of Civil Engineering and App lied Mechanics,California Institute of Technology,2007.

[16]Ramirez,C.M.,Miranda,E.Building-specific loss estimation methods＆tools for simplified performance-based earthquake engineering.Report No.157.Stan ford,2009.

[17]Ruiz-Garcia J,Miranda E.Residual displacement ratios for assessment of existing structures[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2006(35):315-335.

[18]MacRae G A,Kawashima K.Post-earthquake residual displacements of bilinear oscillators[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1997(26):701-716.

[19]Pampanin S,Christopoulos C,Priestley M JN.Residual deformations in the performance-seismic assessment of frame structures[R].Research Report No.ROSE-2002/02.Pavia,Italy:European School for Advanced Studies in Reduction of Seismic Risk.