基于GIS的建筑物抗震预测方法探讨

王 杭，王建雄，李 群

（1.云南农业大学，云南 昆明 650201）

基于GIS的建筑物抗震预测方法探讨

王 杭1，王建雄1，李 群1

（1.云南农业大学，云南 昆明 650201）

根据Matlab强大的数值和矩阵计算能力，将建筑抗震计算理论与Matlab相结合，基于ArcGIS平台，计算了不同结构类型建筑物在不同强度地震作用下的地震剪力和抗震承载力；并根据损毁理论分析了其损毁情况，建立了建筑物属性表，形成抗震数据库；再利用ArcGIS的分析功能，制作了城市抗震专题图件，以期指导城市预防灾害。

抗震预测；GIS；振型分解反应谱

当前我国城市建筑高层化程度不断加深，其承载的经济和社会价值也尤显重大，所以，基于一个特定城市建筑群体建立一套抗震预测系统是必要的。由于各建筑物的类型不同，要精准计算建筑物的抗震能力，分析不同强度地震作用下的损毁情况，十分复杂且工作量极大，手工计算很容易出现错误，所以引入程序计算实现城市建筑大规模抗震预测非常必要。

1 抗震预测方法

1.1 震害等级划分标准

本文采用层间屈服强度系数法进行钢筋混凝土框架结构的抗震预测。房屋震害指数是震害等级的一种量化表示方法，用0～1的数值来表征建筑结构的破坏程度，再根据震害指数和破坏程度的对应关系，预测建筑结构的整体震害程度。多层钢筋混凝土结构房屋各破坏等级对应的震害指数见表1。震害指数的计算公式为：

式中，Vy为楼层抗剪承载力；Ve为楼层弹性地震剪力。

多层砖混结构房屋的震害指数（表2）计算方法和多层钢筋混凝土房屋的震害指数计算方法相同。

表1 多层钢筋混凝土结构房屋的震害等级和相应震害指数

1.2 振型分解反应谱法计算地震剪力

底部剪力法计算建筑物地震剪力，仅考虑了结构的基本振型，只适用于高度不超过40 m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度方向分布较均匀的结构；而振型分解反应谱法考虑了基本振型和多个振型的组合，更加符合高层建筑的实际情况，因此本文采用振型分解反应谱法计算建筑物的地震剪力。该方法一般将质量集中在楼层位置，n个楼层n个质点有n个振型。在组合前要分别计算每个振型的水平地震作用及其效应，然后进行内力和位移的振型组合。结构振型组合有平面结构振型分解反应谱法和空间结构振型分解反应谱法两种。具体计算过程为：

表2 多层砖混结构房屋的震害等级和相应震害指数

多自由度的运动方程为：

动力特征方程为：

式中，sj为体系振型j某特定最大地震反应（即振型地震作用效应，如构件内力、楼层位移等）。

1.3 砌体结构抗震承载力计算

根据国家标准建筑抗震设计规范的规定，第i层墙体的抗震强度为：

式中，α为楼层地震剪力折算系数，为计算楼层数；n为总层数；Fk为第s层第k片墙的横墙面积，单位：cm2；As为第s楼层的建筑面积，单位：m2；Rτ为砌体抗剪强度，单位：10 N/cm2，Rτ=0.14(n−s+1)+0.014Rm+0.5，Rm为砂浆强度。

1.4 框架结构抗震承载力计算

在震害预测中，为简化分析且考虑到楼板参加工作会增加梁的刚度，故采用弱柱形计算薄弱层的层间屈服强度，即由同一层中每根柱上、下端面的屈服矩阵和除以该层的层高。柱上、下断面的屈服弯矩计算公式为：

式中，As为柱端面的纵向受力钢筋面积；fy为受力钢筋抗拉强度设计值；h为柱截面高度；N为柱端面的轴力；b为柱截面宽度；fc为柱混凝土抗压强度设计值。

各柱的屈服剪力为：

语义表达的是数据或者符号所表示的概念，包括相互之间关系的刻画，是数据或符号本质上的抽象表达。对于地图符号而言，容易理解，比如十字符号，大家很容易就想到了医院，但是对于地名这种很难符号化、数字化，只具有文本描述性的内容，其语义是很难提取，并用计算机语言表达的。地名语义的研究，当前这部分工作主要还是由语言研究学者完成，分词技术在其中应用较多，很多学者都是借助于本体构建工具进行本体的创建，而往往忽视了地名语义的研究。

同层各柱屈服剪力之和为该层的屈服剪力：

1.5 剪力墙结构抗震承载力计算

式中，N为对应于重力荷载代表值的抗震墙轴向压力；Aw为抗震墙的截面面积；Ash为配置在同一水平截面内的水平钢筋截面面积；λ为抗震墙的计算剪跨比，其值可采用计算楼层至该抗震墙顶的1/2高度与抗震墙截面高度之比。

2 算例介绍

某建筑为8层现浇钢筋混凝土框架房屋，设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0．10 g，设计地震分组为第二组，Ⅱ类场地，框架的内外墙体均采用空心砖砌体填充，绝大部分墙体采用厚100 mm的砌筑砂浆M5。平面为规整矩形（见图1），横向轴线尺寸为18 m，纵向轴线尺寸为55 m，总高度为26．4 m，各层层高为3．3 m。柱网为4×11，填充墙与柱网间由φ6钢筋拉结。计算模型如图2所示。

图1 平面图

图2 计算模型图

首先输入[M]矩阵和[K]矩阵；再根据公式计算频率w和周期T；然后取从小到大的前3阶周期和频率，代入计算各振型地震剪力并进行振型组合。

2.2 计算抗剪承载力

参与计算的参数如表3所示，计算结果见表4。系统计算过程界面如图3、4所示。

表3 各层柱正截面受弯抗剪承载力计算参数

表4 各层抗震承载力

图3 系统运算地震剪力结果界面

图4 系统运算框架结构抗震结果界面

3 系统的实现和图件的表达

将Matlab插件和ArcGIS平台进行对接，可实现自动读取某一建筑物的相关参数并进行运算，再将结果返回到建筑物属性表。通过此属性表（见图5），可快速准确地表达建筑物的震害情况（见图6）。

图5 ArcGIS目标图件

4 结 语

在ArcGIS平台基础上，本文通过程序计算建筑物抗震能力及震害情况，并将计算结果返回到ArcGIS中，快速生成了城市抗震相应图件；采用以结构楼层屈服强度系数为判定指标的预测方法，运用振型分解反应谱法计算了结构地震剪力。在ArcGIS中，运用该方法和插件可大大简化建筑物结构的震害预测过程，计算简便快捷，适合于大规模运算。

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P208

B

1672-4623（2017）01-0095-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.029

王杭，硕士研究生，主要从事GIS与水利工程方面的研究。

2015-09-02。

项目来源：国家科技支撑计划资助项目（2014BAL01B04）。