浅谈建筑结构地震易损性分析与抗震性能评估

何 鑫 胡俊凯

（中南林业科技大学土木工程学院 长沙 410004）

1 引言

近十几年来，在全球范围内，地震所造成的灾害和发生的频率都有明显增加，究其原因包括人口的增长和城市区域的不断蔓延，这些原因必将导致人类在地震灾害来临是生命和财产安全受到威胁。我国地处欧亚板块与太平洋板块交界面，是一个地震多发国家，20世纪以来，仅七级以上的大地震就发生了十几次，尤其是以2008年5月发生的汶川大地震强度最高、造成的破坏最大。如何减少地震引起的建筑结构破坏己成为地震灾害的风险分析的必要内容。

地震灾害的风险分析主要包括三方面[1]：地震易损性分析、地震灾害损失估计和地震危险性分析。真实地震波输入的不确定性和建筑结构在施工过程中的随机性，从概率的角度进行结构抗震性能评估是未来的一个趋势，在概率的基础上对建筑结构进行易损性分析是十分科学有效的。

2 建筑结构的地震易损性分析方法

建筑结构的地震易损性是指结构在可能遭遇到的不同强度的地震波作用下达到损伤状态的概率值，对不同强度地震作用下结构造成的破坏进行定量分析。传统的易损性分析是针对以往地震中的大量震害资料统计分析的结果，专家根据自己的经验，在此基础上对现有的建筑结构进行易损性分析评估。但是高层建筑结构的兴起，高层建筑结构没有经历地震，故没有足够的震害数据对这些新的建筑结构进行易损性分析与评价，传统的易损性分析方法已经不具有实用性。随着这些结构的不断涌现，新的易损性评价方法在地震风险评估中也发挥着不可替代的作用。

评定结构易损性的方法归纳概括起来有三种：专家经验评估法、试验法、基于IDA的分析方法。专家经验评估法是指专家通过统计具体某地区的某种类型结构所经历的震害，通过分析汇总，根据自己个人的经验对影响建筑物进行易损性的经验评估并对结构性能进行综合分析。此法简单易行，但专家个人的主观因素在评价中也会起到一定的影响，导致该法具有一定的局限性。

试验法是以大量缩尺建筑结构模型模拟地震动后的实验结果为基础，通过对数据的理论分析，确定该类结构的地震易损性能。由于制作建筑结构的缩尺模型造价昂贵，且缺乏合适的试验器械进行地震波的真实模拟，故在建筑结构易损性研究领域应用不多。

基于逐步增量时程分析（Incremental Dynamic Analysis，IDA）方法是近些年来新出现的一种用于对各类结构的抗震性能评估的分析方法，简单来说，先对所选的某条地震波的地震动参数进行调幅，对建筑结构模型依次输入调幅后的地震动，并通过弹塑性动力时程分析得到结构的动力响应。根据输入调幅后地震动的试验结果绘制出IDA曲线簇，并对其进行有效的概率统计分析，从而得出结构各极限状态下的超越概率曲线。

3 基于IDA方法的地震易损性分析

增量非线性动力时程分析法基于动力弹塑性时程分析，与静力弹塑性分析法相比，IDA方法可以真实反映模拟的建筑结构在地震作用下地震动响应的整个过程。通常来说，在建立准确合理的结构模型的情况下，输入满足场地条件等要求的地震波的IDA分析法是最全面有效模拟结构抗震性能的手段。

在对建筑结构进行易损性分析时，需要考虑的一个重要内容就是分析过程中各项因素的不确定性。这些不确定性主要来源于两个方面：①结构本身，主要包括结构材料强度的不确定性、几何尺寸的不确定性和建立模型过程中的不确定性等；②作用于结构的地震动，主要包括场地类别等的不确定性，地震模拟和地震作用的随机性。

结构的地震反应不仅取决于结构的动力特性，还取决于地震动的特性。加速度普遍被认为是表示地震动强弱的一个物理量，在分析研究过程中，峰值加速度是最常用来描述地震动强度的参数，我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[2]也采用峰值加速度作为建筑物设防烈度的划分依据。专家从不同角度对地震动强度参数（Intensity Measure，IM）展开研究，总结地震动强度参数IM所应具备的基本性质[3～4]，提出适用于不同情况下的地震动强度参数，主要可分为两大类：标量型和矢量型．标量型指通过一个参数表征的地震动强弱．如峰值加速度（Peak Ground Motion Acceleration，PGA）等．矢量型指由两个或者两个以上参数综合表示的地震动强弱，后者与前者相比，考虑的影响因素更多，得到的结果所具有的参考价值更大。

地震需求参数（Engineering Demand Parameter，EDP）则根据研究的内容来选择结构在地震动作用下的各项地震动响应。由于结构的损伤与位移有最直接的联系，因此，一般选用的工程需求参数有：节点转动角、结构顶点位移、最大层间位移角等，也可以选择多项参数的组合来研究结构的各项性能。地震需求参数EDP最为常见的就是选用最大层间位移作为整体性能指标，建立结构损伤等级与性能水平的对应关系。

在基于IDA法绘制结构易损性曲线时，首先必须定义建筑结构在地震作用下的不同性能水准以及量化各极限状态（Limit States LS）。JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[5]中将结构宏观损坏程度分为5个抗震性能水准：①完好、无损坏；②基本完好、轻微损坏；③轻度损坏；④中度损坏；⑤比较严重损坏。绘图过程中，通常以某一物理量来定量划分和描述结构的各个性能水准。常用的量化指标有层间位移角、顶点位移角等，其中，层间位移角能直观的反映结构模态的全部特征，为提高分析效率，所选取的量化指标往往需和地震需求参数相匹配。

地震动具有随机性，所选的地震波要求与场地条件相符、与设计反应谱一致，这样能够大大降低分析结果的离散型，用有限元软件对结构进行非线性动力时程分析，得到结构以地震需求参数为横轴，地震动强度参数为纵轴的IDA曲线簇。基于文献[6]的研究，地震动强度与地震动参数指标均服从对数正态分布，通过数值拟合分析，分别建立两个参数指标间的函数关系，便可得到分析结果。

4 建筑结构抗震性能评估的研究

近几年来，设计人员逐渐认识到不断增加建筑结构的强度并不能有效提升结构的安全性，同时，对建筑结构在大震作用下的损伤帮助不大，因此，近几年建筑结构抗震性能评估得到了高度重视。其本质是比较抗震能力与地震需求，建筑结构抗震性能的评定方法分为两大类：确定性评定方法和非确定性评定方法。其关键在于是否通过确定的地震动作用进行评估，考虑到地震的不确定性，所以最为理想的方案就是通过随机作用于结构的地震动来评估其抗震性能，但目前对于随机振动的理论研究还不够成熟，与实际的地震动情况相差太大，还是以确定的地震动作用分析为主。确定结构抗震性能评估方法归纳起来有五种：经验法、振动测量法、规范校核法、能量法、需求能力系数法。

值得一提的是需求能力系数法[（7]Demand and capacity factor method，简称DCFM），该法是从两个方面考虑其随机性和不确定性：①结构在所选地震动作用下的地震需求；②结构相应于各性能目标的抗震能力，从而得到不同性能目标下的置信系数，使设计人员对把握结构的抗震性能有的放矢。该方法思路清晰，突出了问题的主要矛盾，结果真实、科学，但需建立在较多的数据模拟的基础上，不过，随着计算机的迅猛发展，这已经不在是问题。