基于天际线查询的高层建筑损伤快速评估研究

(华南理工大学 广东 广州 510640)

一、引言

在现在的城市生活中，高层建筑作为商业和办公等功能用地，在社会经济生产中发挥重要作用。在城市面对地震、台风等重大灾害后，高层建筑是否能够继续投入生产使用，是灾后城市重建所需要考虑的问题之一，而作为城市财产的一部分，如果能够迅速对高层建筑做出灾后的损伤评估，也有助于做出相应的结构修复方案来挽回经济损失。

在国外，美国和日本最早进行了灾后建筑物损伤快速评估。FEMA154是美国的建筑物抗震能力快速观察判断手册，在1988年由美国联邦应急事务管理局颁布[1]。而日本的损伤快速评估体系可以实现对建筑物短时间完成粗略评估，以保证建筑物的损伤情况能够迅速得到改善[2]。

在国内也有学者对结构损伤快速评估进行研究。陆新征等人[3]利用云平台并行处理进行区域震害分析，可以大大提高计算效率。此类方法也是针对大范围对灾后建筑物进行快速初步检查。李静等人[4]基于典型框架单体结构的易损性，应用模糊相似理论分析得到待预测单体与典型单体的相似度，进而推测得到目标单体的易损性评估。

随着科技和理论的发展，我们可以预先建立符合该场地条件的地震动数据库，在地震发生时通过少量的仪器监测到场地地面运动加速度，提取地震波特征与数据库进行匹配，迅速输出与实测地震动相近的模拟地震动对应的计算结果及损伤评估信息，从而达到在震后迅速及合理地了解结构的损伤状况的目的。因此本文选定广州D8-C3高层建筑结构作为研究对象，建立地震动数据库，分析其动力响应，并与目标地震动对比以探讨这种方法的可行性。

二、结构与模型概况

本文所研究的结构(图1)为广州D8-C3，位于广州市天河区金穗路与海业路交汇处，南面面向珠江公园。结构总高度为140m，长47.5m宽16.9m，地下4层，地上39层，结构体系采用框支剪力墙结构。模型采用PERFORM-3D软件建立，PERFORM-3D软件建立结构的弹塑性分析模型。图2为PERFORM-3D软件所建立的模型。

图1 结构实景图

图2 PERFORM-3D计算模型

三、结构震后损伤快速评估研究

(一)基于天际线查询的地震动参数匹配方法

天际线查询技术是一种计算机算法，旨在实现从数量庞大的样本集合中匹配筛选出满足目标需求的小部分数据，以达到迅速找到目标样本。其原理是通过定义集合中不同样本之间的支配关系，将被支配的样本去除掉，留下不被支配的样本，从而对样本集合中的样本进行筛选的。利用该理论领域最著名的Nassau旅馆例子：假设去Nassau海滩旅游，旅客对酒店所要考虑的因素只有距离和价格两个因素，一般情况下越靠近海滩的旅馆价格越高，而我们可以将海滩附近的所有酒店都视为一个集合S，目标是从中选出距离最近而且价格最低的酒店，但往往无法同时满足。当酒店p的距离不比酒店q的远，而酒店p的价格比酒店q的低，则称酒店p支配酒店q。天际线即是保留支配酒店，剔除被支配酒店，这样会得到几个目标酒店，形成一个子集SS，子集中相邻两个元素相连即为天际线。图3为天际线定义示例。[5]

图3 天际线定义示例

天际线查询的有关算法在数据库领域已经发展得相对成熟，其中包括Block-nested-loops Algorithm、Divide and Conquer Algorithm、Sequential Forward Selection Algorithm等。由于BNL(Block-nested-loops)算法简单有效，因此本文采用BNL算法用于地震波数据库的天际线查询以匹配到目标地震动。

(二)地震动强度参数选取

地震波的特征主要体现在反应谱、幅值、持时、频域能量分布(功率谱)等方面。地震动的特征参数与结构地震响应有着密切的联系。一般地震动特征参数用的最为广泛的是PGA，但当结构在地震作用下进入了弹塑性变形阶段，PGA与结构地震响应的相关性则显得比较弱，因此选用结构的第一阶自振周期作为对应的谱加速度值Sa(T1)。即使如此，标量指标由于采用单一指标，只能够考虑结构处于某种特定状态之下的响应，而向量指标综合考虑多个强度参数，可以弥补标量指标这方面的不足。本文在根据施炜等人的研究后使用了6维向量指标：

IMΔ=[Sa(T1),Sa(T2),Sa(T3),Sa(T5),Sa(1.2T1),Ted]

其中参数Sa(T1)、Sa(T2)、Sa(T3)、Sa(T5)、Sa(1.2T1)和Ted分别为结构一阶自振、第二、第三、第五阶周期、1.2倍一阶周期对应的拟谱加速度和有效持时。

(三)结构震后损伤快速评估

本文将PEER NGA-West2 Database作为地震波数据库的来源，从中选择了257条未条幅的地震波记录建立地震动数据库作为天际线查询的总集合S。根据《广州珠江新城D8-C3地震安全性评估报告》，将其中依据地质勘查的参数拟合出的结构所在场地的地震地面运动作为目标地震动，根据目标加速度时程，分别计算对应结构周期的拟谱加速度Sa与基于Arias指标的能量持时Ted，得到目标地震动的6维向量指标[Sa(T1),Sa(T2),Sa(T3),Sa(T5),Sa(1.2T1),Ted]为：[0.0783，0.0992，0.0842，0.295，0.0732，10.88]。

以257条地震波组成的数据作为总集S，采用6维向量指标对总集S进行天际线查询，目的是寻找到与目标地震动最接近的天际线子集SS。从总集中共筛选到28条与目标地震动的强度参数最接近的地震动记录组成天际线子集SS。

在PERFORM-3D中导入28条经过筛选的地震波并对模型进行计算，计算出天际线子集的结构最大层间位移角，表1给出了天际线子集所有工况的最大层间位移角及对应的破坏等级。从统计表中可以看出，28个工况中除了2个工况，其余26个工况中结构的弹塑性变形均达到了严重破坏的程度，所有工况的平均最大层间位移角为0.0049，对应的破坏等级也属于严重破坏。因此根据天际线子集对应的结构地震响应统计结果，判定结构在目标地震动的作用下发生了严重破坏。

表1 天际线子集工况的最大层间位移角及对应的破坏等级

图4 天际线子集以及目标地震动的最大层间位移角曲线

图4是天际线子集以及目标地震动的最大层间位移角曲线，天际线子集中的地震工况中，结构的地震响应总体上是比较集中的，结构的最大层间位移角均位于结构的顶部楼层，结构的最大层间位移角的值为0.0034-0.006，目标地震动的结构最大层间位移角曲线与天际线子集的曲线较为贴合，目标地震动作用下的结构最大层间位移角为0.0051，与天际线子集对应的结构最大层间位移角平均值的差距在5%以内。目标地震动作用下结构破坏等级属于严重破坏，整体损伤评估结果与天际线子集工况的统计结果评估一致。

四、结论

以结构所在场地的《地震安全性评估报告》中的地面运动加速度时程为目标，根据六维向量式强度指标对备选地震波数据库进行天际线查询，经过筛选得到的28条地震动记录作为天际线子集，将子集中的地震动记录导入PERFORM-3D的模型中进行计算，得到的最大层间位移角曲线集合覆盖了目标地震动的最大层间位移角曲线，并且子集平均值与目标地震动相差在5%以内，可以视为吻合良好。

根据上述的分析可以看到，基于天际线查询的子集可以有效的作为目标地震动损伤评估的样本集。因此，通过预先建立结构地震动响应和地震动数据库可以作为损伤快速评估的一种应对手段：预先建立结构地震动响应和地震动数据库，在地震发生后通过仪器测得实际的地震动信息，通过天际线查询确定地震动子集，并且通过子集可以迅速得到地震动响应数据，从而对结构损伤作出快速评估。

【参考文献】

[1]Technology B,Inc,Spring S,et al.A Guidebook to FEMA 154——Rapid Visual Screening of Buildings for Potential Seismic Hazards.A Handbook for Use in the Screening of School Buildings.[J].1994:52.

[2]汤朝晖,牟彦茗,杨晓川.日本灾后建筑应急危险度判定系统初探[J].城市建筑,2009(3):15-17.

[3]陆新征,陈磊,曾翔,等.基于云计算的工程结构地震响应数值模拟[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2015(5):769-777.

[4]李静,陈健云,温瑞智.框架结构群体震害易损性快速评估研究[J].振动与冲击,2012,31(7):99-103.

[5]周红福.基于索引的Skyline算法研究[D].复旦大学,2007.