剑河地区村镇结构地震易损性分析

李延和 ， 李　惠 ， 吴　戈

（1.南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816；2.厦门中建东北设计院有限公司江苏分公司，江苏 南京 210003；3.江苏建华建设有限公司，江苏 南京 210037）

房屋结构的地震易损性是指地震作用下房屋结构发生结构破损（轻微破坏、严重破坏、结构倒塌等）的概率。地震易损性表示了房屋结构遭受地震作用下引起损伤的可能性，从概率的意义上定量反映了结构的抗震性能[1]，地震易损性曲线从客观的角度描述了地震动强度与结构破坏程度之间的关系。

1　剑河地区村镇房屋结构形式调查

1.1　干栏式木结构房屋

干栏式木结构房屋的特点是房屋下部架空，用木柱抬起上部建筑。上部结构为木构架，木梁柱之间则采用椎卯连接，木楼盖、瓦屋面。干栏式木结构房屋是剑河山区苗侗寨的主要结构形式。干栏式木结构房屋以木构架受力，传力明确，木结构基础盘石底座坐落在坚实的土或岩层上，木柱的力通过底座（盘石）传到地基上。

1.2　砌体结构房屋

砌体结构大部分为砌体承重，部分砌体结构房屋设有混凝土构造柱和圈梁，屋盖多为木屋架搭檩或硬山搁檩，屋面为瓦屋面，仅有少量预制板屋盖。楼盖多为预制多孔板结构。

这类结构的传力体系是楼屋盖荷载传到砌体墙上，砌体墙将荷载传到砖砌或石砌基础上，再由基础传到坚实的土层或岩层地基上。

1.3　底层框架砖房

剑河乡镇上沿街的商业建筑大部分为混凝土底框，上部两三层砖混房屋的结构形式，屋盖多为木屋架搭檩或硬山搁檩瓦屋面，楼盖为预制多孔板结构。

底框结构传力路径为屋面结构和上部砌体结构的楼盖结构将荷载传力到砌体墙上，砌体墙上荷载再传到底框的混凝土梁上，底框的混凝土梁将荷载传到底框柱上，则底框柱将荷载传到混凝土独立基础上。

2　地震易损性分析数值建模

2.1　按结构类型确定结构地震样本

结合剑河县的结构类型主要为干栏式木结构，多层砌体结构以及底层框架砖房三种，则文中即按此三种结构考虑有关随机性参数进行易损性分析。（1）木结构主要以结构椎卯节点和木柱的截面两种情况进行分析；（2）砌体结构以标准砖M2.5、M5两种情况进行分析；（3）底层框架砖房结构以混凝土强度C20和C25两种情况分析。

文中在确定结构—地震动分析样本时，将反应谱转换为功率谱，考量地震动的峰值PGA、地震动持续时间的随机性以功率谱为目标对地震加速度时程进行拟合。

得出符合Ⅶ度设防要求的人造地震波（10条），可作为结构易损性分析的地震地面运动输入。

2.2　干栏式木结构的分析模型

图1为干栏式结构分析模型，共建立120个样本。

2.3　二层砌体结构的分析模型

根据剑河地区村镇民宅采用的砌体结构形式，主要为二层砖混结构，屋盖为木屋盖和预制板屋盖两种结构。选取砌体结构分析模型见图2。

图2　砌体结构分析模型

2.4　底框（一层）上部二层砖房分析模型

剑河地区建筑常采用底框（一层）加二层砖房结构，屋盖多为木屋架或硬山搁檩加层屋面的形式，部分为现浇板屋盖，楼盖为预制板或现浇板两种形式选取的结构分析模型见图3。

按屋盖、楼盖、上部砌体、底框等四种情况考虑混凝土强度C20、C25等考虑，并结合地震动参数形成360个结构—地震动样本。

图3底框结构分析模型

针对木屋盖二层砖混结构对应M2.5、M5.0两种模型参数和预制板屋盖两层砖混结构对应M2.5、M5.0两种模型共计4种模型参数生成240个结构—地震动样本。

3　结构地震易损性分析方法

3.1　结构极限状态及评定参数

干栏式结构的极限状态以节点最大变形与榫卯拉裂变形的比值μ1来描述结构易损性，砌体结构的极限状态以墙体最大变形与墙体开裂变形的比值μ2来描述结构易损性。底框结构分别以上部砌体的μ2和底框层间位移与极限位移比值μ3双控来描述结构易损性。

以Ⅶ度设防对应的地震动参数来模拟人造地震波作用下，结构分为完好、轻微损坏、中度损坏和严重损坏四种进行易损性分析，相应μ值见表1。

表1　结构变形比值

3.2　结构地震反应分析的方法

基于ABAQUS软件，输入拟合的人造地震波，分别对干栏式木结构（120个样本）、砌体结构（240个样本）和底层框架砖房结构（360个样本）进行弹塑性地震分析，得出相对应评定参数，汇总整理数据供可靠性统计分析用。

3.3　地震易损性分析可靠度方法

结构地震易损性可靠度分析指的是结构在地震作用下的反应超越其抗震能力的概率：

式中，Pa为超过设定极限状态的概率值 （失效概率）；Sa为结构在设定地震动作用下的反应；Sc为结构体系的抗震能力。

根据现有的震损分析结果，结构的震损参数服从对数正态分布，上式的表达为

式中，Φ（·）为标准正态分布函数；βa为结构地震反应服从对数正态分布的标准差；βc为结构抗震能力服从对数正态分布的标准差。

4　典型结构地震易损性曲线

4.1　干栏式木结构房屋

建立120个样本，输入以Ⅶ度设防烈度调整的10条人造地震波，采用ABAQUS软件进行弹塑性地震分析，经过式（2）的统计分析得出的结果见表2，图4为干栏式木结构地震易损性曲线。

4.2　砌体结构房屋

针对剑河地区村镇大部二层砌体房屋所建立的240个样本，输入前述的10条地震波进行了一系列地震反应分析，获得相关层间变形值并与墙体开裂变形限值比较，通过统计分析得出表3结果和地震易损性曲线（见图5）。

表2　干栏式木结构Ⅶ度设防烈度地震作用下的失效概率

表3　砌体结构Ⅶ度设防烈度地震作用下的失效概率

图4　干栏式木结构Ⅶ度设防烈度地震作用下的失效概率　

图5　砌体结构Ⅶ度设防烈度地震作用下的失效概率

4.3　底层框架砖房结构

剑河地区村镇的沿街具有商业用途的房屋，普遍采用底层框架砖房结构（二～三层）。对此类结构输入地震波的弹塑性地震反应分析时分别对底框架和上部砌体采用不同的损伤模式。

对360个样本进行输入以Ⅶ度设防烈度定义的人造地震波进行弹塑性反应分析，采用层间模型：

（1）上部砌体结构

上部砌体结构的墙体最大位移来分析，通常定义在地震持续时间ta上的位移um：

式中，ui（t）为上部砌体结构的墙体位移随机响应。

（2）下部框架结构

底层框架结构用层间极限位移来分析损伤影响。底部框架的侧向刚度由D值确定,其中，

式中，k为底框的侧向刚度；αj为底框的弯曲变形的调整系数；Ecj为第j根柱的弹性模量；Icj为第j根柱的惯性距；h1为底框的层高。

（3）地震易损性曲线

通过弹塑性地震反应分析得出相关数据（见表4）后，运用公式（1）（2）进行统计分析，底层框架砖房结构地震易损性曲线见图6。表4中超越概率取上部砌体层向位移超越概率和底柜层向位移超越概率较大值。

4.4　结构地震易损性对比分析

文中以Ⅶ度设防烈度条件下拟合出10条人工地震波。采用ABAQUS软件进行结构弹塑性地震反应分析后，选用特征点数值代入式（1）、（2）进行统计分析，分别得出干栏式木结构房屋，砌体结构房屋（二层）以及底层框架砖房（共三层）结构的地震易损性曲线（图4～图6），从中找出对比特征地震加速度峰值下的超越概率（见表5）。

从表5可知，剑河地区村镇房屋中，底框结构的地震易损性中度损坏的超越概率发展最快，砌体结构中度损坏以上的地震易损性超越概率次之；干栏式中度损坏以上的地震易损性超越概率最小。但是，由于干栏式木结构房屋地震作用下水平变形最大，其瓦屋盖的瓦易滑落，则其轻度损坏的概率超过砌体结构和底框结构。

5　结论

以位移延性比为破坏等级的判别指标，在对大量样本进行弹塑性地震反应分析结果的基础上，通过回归分析分别得出了三种结构形式的地震易损性曲线。经过分析得出了如下结论：（1）地震作用下干栏式木结构最容易发生轻度损伤（变形较大），但由于干栏式木结构具有优良的变形承受能力，地震动加大后发生中度或严重损伤的超越概率小于砌体结构和底层框架砖房。（2）在地震动速度增大后，砌体结构的中度、重度损伤的超越概率增速比底层框架的减小。换句话说，大震作用下，剑河地区村镇的底层框架砖房的破坏程度应比砌体结构房屋的要大，这是因为底层框架砖房大震下的变形要大于砖混结构。则底框结构大震下的震害比砖混结构严重。（3）该文研究成果对剑河地区村镇房屋抗震性能评估，地震危险性评估以及结构抗震加固维修决策，具有重要的应用价值。

表4　底框结构Ⅶ度设防烈度地震作用下的失效概率

表5　三类结构地震易损性比较

图6　底框结构Ⅶ度设防烈度地震作用下的失效概率

参考文献：

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