工程结构地震易损性与经济损失评估研究现状

温留汉·黑沙+张永山+汪大洋

摘要：回顾了地震观测记录研究的发展历程，对采用基于震害调查的经验判断法和基于有限元的理论计算法分析结构地震易损性进行了系统的概括和总结，综述了目前各国开展直接和间接地震经济损失评估技术方法；针对地震风险观测记录、间接经济损失评估、结构精细化易损性模型、地震动输入、地震附加费率厘定等尚待进一步深入探讨的问题，给出了未来开展地震危险性分析和地震经济损失评估研究的意见和建议。

关键词：工程结构；地震易损性；直接经济损失；间接经济损失；评估

中图分类号：TU352.1 文献标志码：A

0 引 言

结构地震易损性与震害经济损失分析是地震安全评定的重要内容之一，既从宏观的角度描述了地震动强度与结构破坏损伤程度之间的关系，又从微观角度在概率意义上定量刻画工程结构的抗震能力储备。基于地震易损性分析，人们可以很好地掌握建筑结构的抗震性能，同时也能够了解地震烈度、场地、震级等地震动输入参数与结构损伤水平之间的关系，进而对建筑结构的灾害损失进行预测评估。地震经济损失评估源于美国地震保险业的发展，最早由Freeman等于1932年开展了相关方面的研究工作。地震经济损失评估是工程结构危险性分析的重要组成部分，也是政府制定地震保险政策与费用厘定的依据和基础。随着结构分析与设计手段的完善和建筑材料的不断更新，工程结构的抗震性能也在逐步提高，虽有效减小了地震造成的人员伤亡损失，但其引起的社会经济损失绝对值却在不断增加，合理的地震经济损失评估对于现代经济社会的抗震救灾与震害保险越发重要。因此，对工程结构开展地震易损性与经济损失评估研究，对于制定国家防震减灾措施。提高结构抗震能力等级，降低震害损失等具有重要的研究意义和价值。

1 地震观测记录与修正

自20世纪30年代在加州长滩记录第1条地震动加速度以来（图1[1]），研究人员在该领域开展了大量研究工作，目前美国、日本以及中国等地震多发国家已经建立了相当丰富的地震动数据库。地震动观测记录研究大致经历了模拟地震记录和数字地震记录与修正这2个阶段[2]。

20世纪30年代到70年代中期为模拟地震记录阶段。1947年Housner[3]基于模拟强震仪记录的洛杉矶地震加速度序列，通过对其进行2次积分得到地震位移时程，并与位移仪得到的位移记录比较后认为加速度积分计算结果的可信度较高。然而1955年Hershberger[4]经过分析对Housner的研究成果提出了质疑。1961年，Berg等[5]指出积分计算方法在精度方面无法得到有效保证，但其结果可作为工程结构分析参考之用。20世纪60年代末到70年代初，研究人员开始对模拟地震仪获取数据的精确性开展研究，探讨了传感器位置、记录纸变形以及数据反馈时效等因素对积分后位移的影响[6-7]，发现模拟强震仪存在丢头现象，记录长周期地震动的能力不强等弊端，进而提出了通过过滤长周期信号获取地震记录的标准强震动加速度记录基线校正方法[8-10]。

20世纪70年代末，美国和日本相继研制成功了数字强震仪，使记录信号的周期记录范围扩展至0.05～20 s，振幅记录范围扩展至0.000 1g～2.0g（g为重力加速度），精度达到1/100 s。然而，数字强震仪仍存在难以有效克服因地面倾斜、环境噪声、位移漂移失真等产生的数据误差，因此该阶段研究人员主要致力于数字强震仪加速度记录的修正与校正工作上。1985年，Iwan等[11]采用两段式校正方法，首先从未校正的加速度记录中分离出加速度偏移噪声，然后对校正加速度记录积分得到速度和位移曲线。2001年，Boore[12]和王国权等[13]对Iwan两段式噪声模型进行了简化，提出便于自动化处理的单段式校正方法，但该方法处理复杂地震记录并不理想。2002年，Boore等[14]又提出采用二次曲线拟合地震动记录的整个速度时间历程，但其通过在未校正加速度记录中减去拟合曲线导数值的处理方式并不合理，使结果改善的并不理想。2007年，Chen等[15]采用滤波技术过滤地震动信号中不合理成分，依次剔除加速度和速度时程中的近似部分，然后对校正后的加速度记录进行积分得到位移时程。2010年，Chanerley等[16]采用软阈值理论对得到的低频和高频信号分别进行去噪处理得到修正加速度记录，然后二次积分得到速度和位移时程，取得了较好的效果。2 工程结构地震易损性分析

建筑结构的地震易损性是指不同强度地震动作用下引起结构破坏状态或达到某个性能水平的概率，是对既定灾害引起的建筑结构各个性能状态的概率分布描述，并通过地震易损性曲线或易损性矩阵加以表征[17]。地震易损性分析根据数据来源及处理方法的不同主要分为基于数据调查的经验分析法和基于有限元分析的理论计算法，前者根据大量数据统计和专家经验判断进行，后者结合动力有限元分析软件通过结构地震反应分析开展。

2.1 基于震害调查的经验分析法

1971年，美国南加利福利亚州在发生San Fernando地震后，Whitman等[18]对1 600栋建筑结构的震害情况进行了调查统计，并于1973年首次提出采用离散的破坏概率矩阵（Damage Probability Matrices， DPMs）描述不同类型结构的地震易损性。1980年意大利发生伊尔皮尼亚Irpinia地震，Braga等[19]根据调查数据引入二项分布描述结构不同破坏水平的概率分布特征，并建立了欧洲建筑结构易损性的首个DPMs，随后Dolce等[20]和Di Pasquale等[21]针对意大利的地震特征和建筑技术水平对其进行了改进。1985年，美国应用技术协会（Applied Technology Council， ATC）基于50位地震工程领域的专家问卷调查给出了专家判断的DPMs[22]。然而，专家经验判断难以确定不同地震动作用下结构发生不同损伤性能状态的破坏概率，为此Gioviazzi等[23]从地震烈度角度提出了专家经验判断的DPMs，随后他们引入模糊评价理论对其进行改进[24]，得到了基于判断的地震易损性曲线，使之更加适于在地震易损性评估中的使用，该方法后来被里斯本和巴塞罗那等城市的地震易损性分析所采用[25-26]。Kiremidjian[27]还将贝叶斯分布理论和专家经验判断相结合，提出了建筑结构易损性分析的主观DPMs。作为地处环太平洋地震带和欧亚地震带的中国，众多专家学者亦对地震易损性进行了研究，1996年尹之潜[28]首先将中国建筑结构根据易损性情况分为A、B、C、D四类，依次为钢和钢筋混凝土结构、砖结构和工业建筑、白灰砂浆砌筑的砖结构、农村生土结构，建立了未来建筑震害矩阵与目前现有建筑震害的关系，然后给出2000年上述4类建筑的易损性DPMs。2008年汶川地震后，中国地震局迅速联合科研单位和大专院校先后2次组织考察队共300余人，历时3个多月，行程数百万公里对近5 000栋建筑结构的震害进行了详细科学调查，给出了设防和未设防砌体结构的易损性矩阵，见表1[29]。