松原地区群体建筑结构地震响应及抗震韧性分析

贾明明,袁昊祯,彭慧君

(1.哈尔滨工业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090;2.哈尔滨工业大学 结构工程灾变与控制教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090;3.哈尔滨工业大学 土木工程智能防灾减灾工业与信息化部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

城市地震灾害会破坏区域的基础设施和建筑，中断城市社会和经济系统的正常运转。在短时间内，强震会重创城市几十年甚至上百年的发展成果，同时会对生命安全与财产安全造成了严重的威胁。因此，城市地震常常给人类社会带来巨大的损失，不仅仅是受灾时的直接损失，还包含灾后恢复过程中带来的间接损失，因此对群体建筑结构的抗震韧性分析在区域地震预测中显得尤为重要。

对于大城市,建筑结构一般都是由具有资质的设计施工单位建造的,具有较高的抗震能力。而中小城镇及农村有很多自建房,没有经过相应的抗震设计和缺乏抗震构造措施,往往在中等等级地震作用下出现严重的地震震害。而且受当地的技术、经济等因素制约,建筑功能的震后恢复周期加长、城镇的区域抗震韧性较弱,目前的研究又缺乏系统定量的分析,对当地的震后重建决策和实施产生极大的制约。

在过去的十几年里,学者们对群体建筑结构的地震响应计算有了一定的发展。2011年Hori等[1]和2014年Lu等[2]提出基于多自由度建筑模型,采用弹塑性时程分析的方法来模拟城市群体建筑的地震灾害。2014年许镇等[3]提出将2D-GIS楼层平面竖向拉伸的方法来获得城市建筑群的三维几何模型,是一种简化的建筑物建模方法。2016年熊琛等[4]根据近年航空摄影技术以及激光雷达技术的发展,提出建立高真实感的城市区域3D-GIS模型。2017年林旭川[5]通过编制程序源代码,建立了基于快速逐栋建模技术的城市大规模建筑群地震灾害模拟与三维可视化系统。

当前国外主要发达国家在有关韧性方面的探究较为领先。最早也是最为经典的韧性模型是由Holling等[6]建立的“适应性循环”(Panarchy)模型。2003年,美国地震工程学会(EERI)发布了《确保社会抵御地震损失-地震工程研究和推广计划》报告,首次提出了抗震韧性概念。2007年Mayunga[7]探讨了通过社会资本、经济资本、物质资本、人力资本和自然资本五个因素量化社区灾害的韧性。2008 年Susan等[8]提出了较为完整的韧性评估指标。2011年Framgopold等[9]提出单位时间韧性指标的概念,以此可以在完善的单体建筑韧性评估理论中给出一个评价韧性的量化值。2012年,形成了FEMA P-58建筑物抗震性能评估[10-11]体系,通过分析建筑的经济损失、倒塌风险、修复时间和人员伤亡等确定建筑的性能。

国内的抗震韧性研究起步较晚,而2020年3月31日我国发布了《建筑抗震韧性评级标准(GBT 38591—2020)》[12],于2021年2月1日实施,可用于单体建筑的抗震韧性评估,这也标志着我国有关建筑抗震韧性的研究和应用已提上了日程。

已有的群体建筑抗震性能分析主要注重于群体建筑的地震响应分析和地震损失评估。本文根据刚出台的《建筑抗震韧性评价标准(GBT 38591—2020)》进行了松原地区群体建筑的抗震韧性研究,考虑群体建筑地震作用下的损伤程度、修复时间、修复费用和人员伤亡,建立了群体建筑抗震韧性的定量评价方法。本文以近年来多次发生破坏性地震的吉林松原地区为研究对象,系统地分析了当地群体建筑结构的地震响应,并评价了群体建筑结构的抗震韧性。研究成果能够为松原地区防震减灾决策、建筑结构抗震加固、以及提高当地的防震减灾能力提供了理论支持和参考依据。

1 群体建筑结构地震响应分析

1.1 群体建筑结构地震响应计算软件介绍

本文采用林旭川团队开发的城市震害模拟器YouSimulator V2.0进行群体建筑结构的地震响应分析。

城市震害模拟器(YouSimulator)通过三大基本功能模块实现对群体建筑地震灾害的模拟。该系统以自动化建模模块为核心,通过弹塑性时程分析,获得每个建筑在地震作用下的各种楼层响应与统计信息,最后由计算结果形成标注的VTK格式的可视化数据文件,可在任意自行开发或开源的学可视化软件上展现三维动态可视化结果。

1.2 地震动的选择

由《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》[13]附录A可判定本文的研究对象松原城区和查干花镇处于8度(0.20g)区。

基于《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》和《建筑抗震韧性评价标准(GBT 38591—2020)》可以确定设防地震和罕遇地震的地震动峰值加速度。在综合了吕大刚等[14]的研究成果后确定了在8度设防水平下针对小震、中震、大震、巨震的时程分析地震动峰值加速值(表1)。

表1 8度设防水平下小震、中震、大震和巨震地震动峰值加速度(单位:g)Table 1 Peak ground acceleration of frequent,moderate,large,and giant earthquakes under fortification intensity of 8 degree (Unit:g)

最终根据上述两规范的要求选取了表2所列的11组地震动(表2),并根据上标峰值加速度进行调幅,进行群体建筑结构地震响应分析。

表2 选取地震动详细信息Table 2 Detailed information of selected ground motions

松原地区的抗震设防烈度为8度,设计地震分组为第一组,II类场地类别,设计谱水平地震影响系数最大值:多遇地震为0.16,罕遇地震为0.9,场地特征周期为0.35 s。根据图1绘制多遇地震和罕遇地震设计谱,其中阻尼比为0.05,按规范要求η1为0.02,η2为1,γ为0.9。

图1 《建筑抗震设计规范》设计谱Fig.1 Design spectrum of Code for Seismic Design of Buildings

将11组地震动导入SeismoSignal软件后得到各条地震动的加速度反应谱,如图2所示。选取的地震动满足上述两规范的要求,且加速度反应谱处于多遇与罕遇地震设计谱之间。

图2 反应谱对比图Fig.2 Comparison of response spectra

1.3 GIS数据的生成

(1) 查干花镇GIS数据生成

将查干花镇的地图信息导入ArcGIS进行处理得到建筑物外表面多边形数据,并结合查干花镇实地调查的结果,获得每栋建筑的层数信息、结构类型信息以及大致的建设年代信息。将识别得到的每栋建筑外表面多边形与其建筑属性数据:层数、结构类型、建设年代在ArcGIS软件内一一对应,最终生成群体建筑GIS数据。建筑信息统计情况列于表3。

表3 查干花镇建筑信息统计表Table 3 Statistical table of building information in Chaganhua Town

(2) 松原城区GIS数据生成

选取松原市宁江区部分群体建筑,利用水经注软件,下载松原市区电子地图,并提取出建筑物多边形数据。结合无偏移遥感地图和百度街景地图,对选取的松原市区867栋建筑物的层数、结构类型及建造年代进行了统计。建筑信息统计列于表4。

表4 松原局部城区建筑信息统计表Table 4 Statistics of building information in some urban areas of Songyuan

1.4 群体建筑结构地震响应分析

将群体建筑信息导入YouSimulator软件,并输入地震动,得到每栋建筑的损伤指数。损伤指标与损伤等级对应关系列于表5。

表5 损伤指标与损伤等级对应关系Table 5 Correspondence between damage indexes and damage levels

(1) 查干花镇群体建筑结构地震响应分析结果

根据11组地震动计算得到的建筑物损伤指数取平均值。输出查干花镇群体建筑的平均损伤等级如图3所示。

图3 查干花镇群体建筑损伤示意图Fig.3 Schematic diagram of group building damage in Chaganhua Town

(2) 松原局部城区群体建筑结构地震响应分析结果

松原局部城区群体建筑的平均损伤等级如图4所示。

图4 松原城区群体建筑损伤示意图Fig.4 Schematic diagram of group building damage in Songyuan City

1.5 城市与乡镇地震响应对比分析

将两个区域的每栋建筑在11种地震动的相同震级作用下的损伤指数取平均值,依据表5进行损伤等级的划分,并确定各级地震作用下群体建筑各级损伤等级的占比。

从图5中可得,在小震、中震和大震作用下,查干花镇建筑的破坏程度明显比松原城区高一个等级。其主要原因为:(1)松原市属于我国的中小城市,其中建筑物都是由具有资质的设计施工单位设计建造,具有较好的抗震性能;而查干花镇属于乡镇,建筑物中有很大一部分为自建房,并没有进行相应的抗震设计;(2)由于松原城区建筑物层数普遍高于查干花镇,在相同强度地震作用下,往往损伤程度也越高。

图5 群体建筑损伤等级占比图Fig.5 The percentage of damage levels of group structures

总的来说,松原城区的建筑基本满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防目标,查干花镇作为松原地区的乡镇代表,其中很多建筑为未经抗震设计的自建房,极易在大震下倒塌,造成人员伤亡和财产损失。

1.6 松原地区实测地震动的地震响应分析

采用中国地震局工程力学研究所“国家强震动台网中心”提供的2013年10月31日于吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县发生的5.6级地震的地震动记录,并分别按照小震、中震、大震、巨震分别进行调幅,对查干花镇和松原城区分别进行群体建筑结构地震响应分析,群体建筑各级损伤占比如图6所示。

图6 松原实际地震动作用下群体建筑损伤等级占比图Fig.6 The percentage of damage levels of group structures under a real earthquake in Songyuan area

从图中可知,在任意地震动作用下,查干花镇建筑的破坏程度都比松原城区高一个等级,可见查干花镇建筑的抗震能力相较于松原城区明显偏低。由于松原当地实际地震动记录原始峰值较小,且衰减较快,调幅后进行的群体建筑结构地震响应分析得到的群体建筑损伤较小。

2 群体建筑结构抗震韧性分析

2.1 韧性指数法

功能恢复曲线可以表示建筑的震后功能损失及恢复过程。主要有四种恢复路径[15],包括线性恢复、三角函数型恢复、指数型恢复、水平串联恢复。

单体建筑地震韧性可以通过韧性指数[9,16]来评价,恢复曲线如图7所示。与水平线串联恢复的曲线较为相似,能较为准确地体现恢复过程,同时恢复过程也足够保守。其数学表达式:

图7 建筑震后恢复曲线Fig.7 Building recovery curve after earthquake

(1)

式中:R为韧性指数;Q(t)为以时间t为自变量的功能恢复函数;t0为地震发生时刻;TT为震后恢复总时间TT=TI+TR;TI为功能恢复的推迟时间;TR为功能恢复所需时间。

由于各城市发展的不平衡,导致TI的不同。群体建筑结构数据处理复杂,为了方便计算,认为一片区域的功能恢复推迟时间与功能恢复所需时间存在一定函数关系。由于各地区经济发展不同,人员物资在震后抵达灾区的速度也不同,导致了建筑修复的推迟时间有较大差异,从而引申出功能恢复推迟时间系数:k=TI/TT。k值是建筑修复的推迟系数,其值越小说明震后的救援和修复响应越快。k的取值针对不同地区和不同震级都有差异,依据以往乡镇和城区地震响应速度的统计结果,并综合考虑查干花镇和松原城区的经济、社会和人力资源条件,两地的建筑修复推迟系数分别取50%和30%。查干花镇相较于松原城区震后修复响应更慢,其k值更大,且此k值仅用于韧性指数的计算。

将恢复曲线t0+TI后曲线段简化为直线后可求得:

(2)

群体建筑的抗震韧性则根据各单体建筑的韧性并考虑其重要性系数加权求和得到,本文所取建筑重要性系数一致,即群体建筑韧性指数为区域内各单体建筑韧性的均值。建筑群中的各个建筑会因使用功能、历史价值、造价成本、人口密度等因素的差异在重要性方面有不同的权重,后续可通过大数据分析和专家经验打分等方法对建筑的重要程度进行排序,确定各自的重要性系数,提高该系数取值的精确性。

2.2 韧性等级法

《建筑抗震韧性评价标准(GBT 38591—2020)》对于建筑韧性评价主要包括三项内容:直接经济损失、修复时间和人员伤亡的评估,这三者的评估过程独立进行,结果互不影响。依据建筑破坏可能造成的人员伤亡的概率模型,人员伤亡的平均值可按下列公式计算:

(3)

(4)

式中:MH为因建筑破坏可能造成的受伤人数平均值;MD为因建筑破坏可能造成的死亡人数平均值;C为地震发生时人员在室内的百分比;η为室内人员的密度;Ai分为5级,A1～A5,分别表示发生严重破坏、中等破坏、轻度破坏、轻微破坏以及完好的建筑面积;rhi分为5级,分别表示发生严重破坏、中等破坏、轻度破坏、轻微破坏以及完好时的受伤率;rdi也分为5级,分别表示发生严重破坏、中等破坏、轻度破坏、轻微破坏以及完好时的死亡率。

地震发生时人员在室内的百分比C可按建筑类别,取表6所列四个时间段百分比的均值或中位值。室内人员密度η根据郑山锁等[17]的研究可取值如表7。受伤率rh和死亡率rd按照表8取值。

表6 一天时间内人员在不同建筑内的百分比Table 6 Percentage of personnel in different buildings in a day

表7 人员密度表Table 7 Personnel density table

表8 建筑处于不同破坏状态时室内人员的伤亡率Table 8 The casualty rate of indoor personnel when the building is at different damage levels

对于直接经济损失和修复时间,由于《建筑抗震韧性评价标准(GBT 38591—2020)》只针对单体建筑进行评价,其计算过程精确到每一个建筑的构件破坏程度,并不适用于成百上千的群体建筑进行抗震韧性评估,本文基于《建筑抗震韧性评价标准》、FEMA计算出几个代表性单体建筑的直接经济损失和修复时间,并结合Yousimulator的输出结果进行计算。基于FEMA计算的几个单体建筑的经济损失和修复时间均是基于超越概率为50%的点来确定的。

在《建筑抗震韧性评价标准(GBT 38591—2020)》中建筑修复费用评价指标可由下式确定:

(5)

式中:к为建筑修复费用评价指标;RT为建筑物的建筑修复费用;CT为建筑物按照现行定额计算得到的建造成本。

由于选取地区70%以上均为钢筋混凝土结构且80%以上为住宅建筑,根据王丽萍[18]及王礼瀚[19]的研究内容,房地产企业在住宅建造过程中,建安成本控制在1 500元/m2左右,最终采取王丽萍案例中的1 587元作为本文的单方工程造价。由此上述公式可与已知参数构成联系,建立如下关系:

(6)

式中:d为建筑的震后损伤指数;l0为单体建筑基于FEMA求得的单方损失;d0为单体建筑震后的损伤指数;l为所要计算建筑的单方损失。

针对修复时间,《建筑抗震韧性评价标准(GBT 38591—2020)》中规定了单层单位面积或单台震损设备修复的工人数量需求,同时以工人总工时与工人数量之比作为最后修复时间标准。群体建筑修复时间受楼层面积影响不大,主要与建筑损伤程度有关,由此建立如下关系式:

(7)

式中:Ttot为建筑修复时间;T0为单体建筑修复时间。

建筑修复费用、建筑修复时间和人员伤亡的评级标准如表9～11所列。建筑的抗震韧性等级应该综合考虑修复费用、修复时间和人员伤亡三项指标的各项等级进行评价,取三项评价指标的最低等级作为目标建筑最终的抗震韧性等级。

表9 建筑修复费用指标的等级Table 9 Grades of building repair cost indicators

表10 建筑修复时间指标的等级Table 10 Grades of building repair time indicators

表11 人员伤亡指标的等级Table 11 Grades of casualties indicators

(1) 查干花镇抗震韧性等级

如上文所述,依据使用功能可以将建筑分为三类,查干花镇的建筑类型分布如图8所示。将根据11组地震动计算得到的损伤指数取平均值,进而得到查干花镇各建筑的综合韧性等级,韧性等级分布如图9。

图8 查干花镇建筑类型分布图Fig.8 Distribution of building types in Chaganhua Town

图9 查干花镇综合韧性等级分布图Fig.9 Distribution of comprehensive resilience levels in Chaganhua Town

(2) 松原城区韧性等级划分

依据使用功能也可以将松原城区建筑分为三类,分布如图10所示。将依据11组地震动计算得到的建筑损伤指数取平均值,同样也可以得到松原城区各建筑的综合韧性等级。其韧性等级分布如图11。

图10 松原城区功能分布图Fig.10 Distribution of building types in Songyuan City

图11 松原城区综合韧性等级分布图Fig.11 Distribution of comprehensive resilience levels in Songyuan City

2.3 城市与乡镇抗震韧性的对比分析

根据查干花镇和松原城区在各震级下的韧性指数,如表12所列。在不同大小地震作用下,建筑群的损伤情况不同,建筑群震后恢复所需的时间成本各异。群体建筑韧性指数取值范围在0到1之间,数值越高说明该区域群体建筑的震后恢复能力越强,抗震韧性越好。可发现松原城区的建筑在各震级下韧性指数略高于查干花镇,且随着震级的增大,两者差值有所增大,但二者差值较小。说明松原城区群体建筑的抗震韧性略高于查干花镇。

表12 各区域建筑不同震级下的韧性指数Table 12 Resilience indexes of buildings in different areas under different earthquakes

查干花镇和松原城区两地区建筑的综合韧性等级比例如表13所示。查干花镇中建筑多为自建房,未经抗震设计,并达不到三星韧性的标准;而松原市虽属我国中小型城市,松原城区的建筑多经过抗震设计,部分建筑能达到三星韧性等级的标准。最终呈现出查干花镇没有三星韧性等级建筑,而松原市还存在0.35%的三星韧性等级建筑。

表13 各区域建筑综合韧性等级占比Table 13 Proportion of comprehensive resilience grades of buildings in different area

依据修复时间评判的星级与其他两项星级相比普遍较低,而韧性等级取值为这三项指标的最低值,这也导致了最终韧性等级很大程度上取决于修复时间对应的韧性等级。而《建筑抗震韧性评级标准》7.1节中规定:建筑修复时间不宜计入建筑震损评估、修复方案制定、修复材料采购、施工设备租赁等各项开工前准备工作所耗费的时间。在统一建筑修复施工程序和人员调动的情况下,城市和乡镇建筑在面对相同地震的震后修复时间大多与建筑损伤程度有关,这也说明了规范并未考虑区域的经济发展不平衡和震后反应的差异性。最终导致了分析结果显示松原市区二星建筑比例小于查干花镇。

3 结论

以查干花镇代表的乡镇地区由于大多建筑为农村自建房,没有进行相应的抗震设计,建造时也没有相应的抗震措施,导致了该区域经历地震时建筑物的损伤程度明显较高;而以松原城区为代表的城市地区的建筑多由具有资质的单位进行设计施工,满足规范要求,抗震性能较好,因此该区域经历地震时建筑的损伤程度较低。

对于群体建筑结构抗震韧性的定量计算,本文采用了韧性指数法和韧性等级法两种方法。松原城区的建筑在各震级下韧性指数略高于查干花镇,且随着震级的增大,两者差值有所增大,但二者差值较小。说明松原城区群体建筑的抗震韧性略高于查干花镇。

查干花镇没有三星韧性等级建筑,松原市存在0.35%的三星韧性等级建筑,而松原市区二星建筑比例小于查干花镇。建筑震后修复时间应考虑区域经济发展不平衡和震后反应的差异性,并基于此评价群体建筑的韧性等级。

群体建筑的抗震韧性涉及到社会学、经济学、管理学、系统学等多个学科领域,在地震工程学分析的基础上,充分考虑群体建筑系统的复杂性,可为今后在本文研究的基础上进行更加深入的研究。