砌体及框架结构建筑物震害评价与修正.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 1 1 年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V0 1 ． 28 No ． 3 S e p ． 2 0 1 1 砌体及框 架结构建筑物震 害评价与修正 汪国良， 包 宇， 肖林海， 赵煜哲， 李 黎 华中科技大学a ． 土木工程与力学学院； b ． 控制结构湖北省重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 7 4 摘要 在广泛收集武汉市城区建筑样本的基础上， 对砌体结构和框架结构进行震害评价计算 ， 对 4 0 0多栋框 架结构与砌体结构建筑样本信息进行统计分析， 得到震害矩阵； 考察同类建筑物在实际震害下的震害矩阵， 研 究对比震害评价指数与震害等级之间的合理对应关系， 对已有的计算方法或震害评判标准进行合理修正。 关键词 砌体结构； 框架结构； 震害评价； 震害矩阵； 修正 中图分 类号 T U 3 1 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 - 0 9 8 5 2 0 1 1 0 3 - 0 0 5 0 - 0 5 历次震害表 明， 城市地震 灾害， 包括经济损 失 、 人员伤亡以及次生灾害等 ， 主要是 由建筑物的 破坏和倒塌造成 的。因此 ， 对城市建筑进行震 害 评价 ， 找出城市抗震能力薄弱环节 ， 有利于采取有 效 防御对策 ， 最大限度减轻灾害损失。 为了提高城市整体抗震 防灾能力， 武汉市从 2 0 0 8年底启 动了抗震 防灾规划修编工作。建筑 抗震性能评价是 城市震害预测工作 的前提 和基 础， 是抗震防灾规划基础研究的重要组成部分 ， 是 规划编制的依据。为了掌握武汉市城区建筑在 目 前抗震设防标准下 的抗震能力 ， 满足新 的武汉市 抗震防灾规划的要求 ， 本文课题组研究开发了城 市建筑快速震 害预测系统 ⋯。该系统首先 收集 建筑的结构特性参数 ， 然后采用不同的简化计算 方法或者建立三维有限元模型进行结构分析对 比 计算 ， 详细的单体计算成果形成样本库 ， 最后在此 平台上采用模糊对比法对所调查的建筑进行群体 抗震性能评价 。鉴于砌体和框架结构在武汉市城 区建筑中所 占比例很高 ， 本文建立 了 2 9 6栋 砌体 样本 ， 2 0 2栋框架样本 。在 比较 了各 种简化 方法 计算结果和有限元建模分析结果的基础上 ， 对砌 体 样本抗震性 能 的评 价 ， 选 用 了楼层 平均 剪力 法 作为简化方法 ； 对框 架样本抗震性能评 价， 选用了薄弱楼层延伸率法作为简化方法。对砌体 与框架结构样本建筑的抗震性能评价结果进行统 计分析 ， 与两类结构在实际震害下产生 的震害矩 阵对比， 研究了震害评价指数与震害等级之间的 合理对应关系， 对 已有的计算方法或震害评判标 准进行了探讨修正。 1 砌体结构单体震害评价计算 1 ． 1 尹之潜楼层剪力法公式扩展 尹之潜 经过大量计算分析 ， 给 出了不 同烈 度下震害指数 的计算公 式 3 j 。对 于经 过抗震设 防的城市来说 ， 建筑物震害评价研究 的是按某烈 度设防的房屋遭遇不同等级地震时的地震反应， 一 般 需要 考虑 建 筑物 在 小震 5 O年超越 概 率 6 3 ％ 、 中震 5 0年超越概率 1 0 ％ 、 大震 5 0年超 越概率 2 ％ 下的震害程度。因此 ， 有必要对其公 式进行扩展。武汉市于 2 0 0 5年完成了武汉市 主 城规划区 地震动参数小 区划工作 ， 根据 建筑抗 震设计规范 中 5 ． I ． 4条注 ， 首先查 阅武汉市 地震动小区划图， 得到建筑物对应的场地类型， 查 小区划参数表得到相应参数 ， 利用线性插值方法 ， 扩展震害指数计算公式。 ⅡA场地扩 展结果如 下 ， 其他场地类型同理可得 。 D 6 3 ％ 1 ． 8 3 1 0 ． 0 0 7 3 R 1 a D 1 0 ％ 1 ． 9 6 5 0 ． 0 0 6 1 R 1 b D 2 ％ 1 ． 9 7 5 0 ． 0 0 5 2 R 1 c 式中， 尺 为第 s 层楼的抗力值 ； D 为扩展后的第 s 层楼的震害指数。 1 ． 2 算例对比计算 1 ． 2 ． 1 工程概 况 本工程是武汉市某高校学生宿舍楼 1 0 ， 六 层砌体结构 ， 建筑面积 8 2 7 ． 5 m 。采用 MU 1 0 K P 1 多孔砖 ， 规格为 2 4 0 m m1 1 5 mm9 0 m m， 采用 M5混合砂浆砌筑 ， 楼板为装配整体式。场地土类 收稿 日期 2 0 1 1 7 3 作者简介 汪 国良 1 9 8 9 - ， 男 ， 安徽太湖人 ， 硕士 ， 研究方向为工程结构抗震减震 E m a i l w g 1 ． 0 7 0 4 1 6 3 ． c o m 第 3期 汪国良等 砌体及框架结构建筑物震害评价与修正 5 1 别为 ⅡA类 ， 抗震设 防烈度 为 6度 ， 该 房屋建 于 2 0 0 2年 。 1 ． 2 ． 2 计算分析 按尹之潜扩展公式和评判标准， 编制 C语言 程序对砌体结构样本进行计算 ， 计算结果如表 1 所示 。 表 1 砌 体样 本实例简化方法程序计 算结果 据此综合评判可知 ， 该建筑在小震 、 中震 、 大 震作用 下的震 害等级分 别为 基本完好 、 中等破 坏 、 中等破坏。 1 ． 2 ． 3 P K P M 建模 分析 多层砌体结构房屋震害主要是由墙体的抗剪 强度不足造成的， 因而我们利用墙体 的极限剪力 系数 i 判断墙体的破坏程度 ， 见表 2 。 表2 砖墙不同破坏状态的 值的范围 在 P K P M 软件的 P MC A D模块 下 ， 依 次完 成 建筑模型建立及荷载输入 、 传导计算等过程 ， 然后 进行砌体结构抗震验算 。图 1 所示为结构立体效 果 图。 图 1 立体模型 从抗震验算所得 抗力与效应之 比 结果图 中， 提取相关数据， 结果如表 3所示。 经过 比较 分析 ， 简化方 法计算 所得 的结 果 表 4 与 P K P M有限元建模精确计算 的结果基本 一 致 ， 且偏于安全 ， 能够满足此课题 的计算要求。 表 3 P K P M计算结果 地震烈度 6 a 0 ． 1 1 3 7 a 0 ． 2 2 5 8 a 0 ． 4 5 2 砌体 结构评价结果分析及修正 2 ． 1 评 价结 果统 计 针对已有 的砌体 建筑样本信息 开展统计 分 析 ， 样本总数为 2 9 6栋 ， 总建筑面积 5 1 7 8 7 7 ． 7 m 。 汇总得到砌体结构总体震 害矩阵 ， 如表 5所示 。 表 5 砌体结构震 害矩 阵 建筑面积百分比统计 按照尹之潜方法评价计算 ， 经统计 ， 砌体房屋 样本 的破 倒率 包 括严 重破 坏和 倒塌 情 况 为 2 8． 4 5％ 。 2 ． 2评价结果分析及修正 2 ． 2 ． 1 评 价结 果讨 论 由于气候的影 响， 我 国不 同地区砌体结构 的 外墙厚度不 同， 结构抗力有差异， 据此将全国分为 三类 ， 武汉市属 于第 Ⅲ类 北纬 3 5 。 以南 ， 外墙 厚度一般为 2 4 c m 。尹之潜根据我国 1 9 8 6年全 国城镇房屋普查资料 ， 给 出了不同地 区砖混结构 的震害矩阵 ， 可作 为武汉市砌体结构参考震害矩 阵 ， 如表 6所示 。 表 6Ⅲ类地区 6度设防砖 混结构的震害矩阵 查阅大量文献资料 ， 可 以得到实际震害 调查的砌体房屋震害矩阵， 如表7所示。 计算各 自的破倒率 ， 比较如图 2所示。 5 2 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 表7 实际震害调查所得砌体震害矩阵 阵如表 9所示。 砌体结构 大震作 用下破倒 率比较 0 o ％ 广 一 0 o ％l - _ 坠 0 o ％ 盟 一 o o ％ 1 7． 7 5 ％ 。o％h 丁 丽 丽 一 E 二 二 二 二 二 二 二 郑 州新区 明江 大研 包头 五南 大姚五南 宁洱参考矩 阵本文 预测 地震名 称 图2 砌体结构大震作用下破倒率比较 可以看出， 与文献 中给出的建筑物实际破倒 情况相比， 通过简化方法计算 的破倒率过高。可 能原因为 1 简化评价方法 中， 只考虑了承重墙 体抗剪承载能力 ， 没有充分考虑到砌体结构房屋 中构造柱 、 圈梁等重要构造构件对其抗震能力的 影响； 2 忽视 了建筑物 整体空 间作 用 的影 响； 3 震害指数与建筑物震害程度的对应关系需要 修正。 2 ． 2 ． 2 修正探讨 本文用两种不同方法尝试对砌体结构评价结 果进行修正 ， 以使其与实际更接近。 1 评判标准修正 对尹之潜结构震害等级和相应震害指数的对 应关系进行调整 ， 如表 8所示 。 表8 结构震害等级和震害指数对应关系调整前后 震害 基本完好 轻微破坏 中等破坏 严重破 坏 倒塌 根据调整后 的评价指标范 围， 对原有的砌体 结构样本数据重新进行评价， 统计所得的震害矩 表 9 调整后震害矩阵 震害 基本完好 轻微破坏 中等破坏 严重破坏 倒塌 小震7 2 ． 8 2 ％2 3 ． 4 5 ％ 3 ． 2 8 ％0 ． 4 4 ％0 ． 0 0 ％ 中震7 ． 2 8 ％ 5 3 ． 0 6 ％3 6 ． 9 0 ％ 2 ． 7 6 ％0 ． 0 0 ％ 大震0 ． 9 8 ％ 1 7 ． 8 3 ％6 3 ． 6 9 ％1 5 ． 9 0 ％ 1 ． 6 1 ％ 经过修正以后 ， 震害矩阵有较大变化 ， 破倒率 变为 l 7 ． 5 1 ％， 有所降低。 2 公式修正 考察简化评价方法程序计算 的结果， 结合前 面讨论 的简化方法存在的问题没能很好体现 圈梁 、 构造柱以及整体空间作用的影响等 ， 对尹之 潜楼层剪力法中的地震剪力折算系数计算公式进 行修正。 修正前 2 3 ∑i 修 正 胁 1 3 1 ’ ⋯ 式 中 ， 1 是 一 4 “ N i N N N N A 、 的 系 数 ， 在增加砌体结构抗力值 时， 针对不同楼层有所不 同 ， 楼层越高， 增加值越小 ， 以考虑底部楼层对上 部楼层的影响。 修正后 ， 对计算实例重新计算 ， 过程从略 ， 小 震 、 中震、 大震作用下的评价结果分别 为基本完 好 、 轻微破坏、 中等破坏。与 P K P M有限元建模计 算所得结果相符。 对样本库中的部分样本按修正后公式计算 ， 得到震害矩阵如表 l 0所示。 表 1 0 公式修正后计算所得震害矩阵 3 修 正 比较 修正后， 两种方案所得砌体结构样本总体破 倒率 分 别 为 1 7 ． 5 1 ％ 、 1 4 ． 0 l ％ ， 与 修 正 前 的 2 8 ． 4 5 ％相 比， 降低幅度明显 ， 更接近于实际情况。 破倒率对 比如图 3所示 。 方案一主要调整严重破坏和倒塌情况对应的 震害指数范围， 调整效果不影响前面评价计算的 部分； 方案二是考虑到相关影响因素修正， 地震剪 力折算系数有不 同程度提高， 评价结果有所体现。 修正后公式的适用性有待进一步验证。 如 加 2 均 O 瓣蕈 第 3期 汪国良等 砌体及框架结构建筑物震害评价与修正 。5 3 地震名 称 图3 修正前后破倒率对比 3 框 架结构震 害评价及修正 可以看出， 按此简化方法评定 的震害结果和 按有限元建模方法评 定的震 害结果基本一致 ， 相 差不超过一个震 害等级 。据此认为 ， 对框架结构 样本采用按薄弱楼层延伸率方法进行震害评价是 破 倒 率 可行 的 。 3 ． 2 框 架 结构破 倒 率 的修正 原有的薄弱楼层延伸率与框架结构震害等级 之间的关系见表 1 3 ． 表 1 3 薄弱楼层延伸率与框架 结构震 害等级对应关系 3 ． 1 震害评价方法对比 从收集得到 的 2 0 2栋 框架结构建 筑物样 本 中， 选取一栋建筑物作详细分析 ， 包括按楼层屈服 强度系数 、 薄弱楼层延伸率 楼层弹塑性位移 角 0的简化评价方法和基于 E t a b s的有限元建模 方法和 P u s h o v e r 分析 ， 各种方法 的评价结果汇总 如表 1 1所示。 表 1 l 框架样本 实例 结果对 比 评价方法 小 震 中 震 大 震 按层问屈服强度系数基本完好 基本完好 轻微破坏 按薄弱楼层延伸率 基本完好 基本完好 轻微破坏 按楼层弹塑性位移角 基本完好 轻微破坏 中等破坏 按有限元建模方法 基本完好 轻微破坏 中等破坏 按 P u s h o v e r 方法 基本完好 基本完好 中等破坏 从上表的分析结果可 以看出 ， 对于实例建筑 ， 各种方法计算结果差异不大。考虑到实用性与计 算方便 ， 拟选用按薄弱楼层延伸率的简化评价方 法对样本进行评价计算。为验证 可行性 ， 选取部 分样本建筑分别运用薄弱楼层延伸率简化评价方 法和 E t a b s 有限元建模方法评价 ， 结果见表 l 2 。 表 1 2 薄弱楼层延伸率简化方法和 E t a b s 建模方法 评价结果 比较 建筑名称 小 震 中震 大震 破坏状态 基本完好轻微破坏中等破坏 严重破坏倒塌 延伸 率／ ． t ≤1 1 ≤3 3 ≤6 61 0 按此评判标准 ， 对所有框架结构样本进行震 害评价 ， 得到按建筑面积百分 比统计的震害矩阵 ， 如表 1 4所示。 表 1 4框架结构样本总体震 害矩 阵 从上述震害矩阵 中可以看 出， 框架结构按原 有评价标准得到 的破倒率为 2 3 ． 3 4 ％， 而尹之潜 等人推算 6度抗震设防地 区框架结构房屋的参考 震害矩阵如表 1 5所示 。 表 1 5 框 架结构 参考震 害矩阵 烈度 基 本完好 轻微破 坏 中等破坏 严重破坏 倒塌 对 比表 1 4与表 1 5可知 ， 按原有评价标准得 到的框架破倒率偏高， 需进行适 当修正。 对 2 0 2栋框架结构建筑物在大震作用下的楼 层延伸率按照组距 0 ． 5进行 统计分析 ， 并采用对 数正态曲线进行拟合 ， 如图 4 ， 横 坐标为延伸率组 距 ， 纵坐标为建筑面积百分 比与组距之比。 省艺术学校学生公寓 基本完好 轻微破坏 严重破坏 按薄 同济医学院学生食堂 基本完好 轻微破坏 中等破坏 塑 同济医学院学生公寓 基本完好 基本完好 轻微破坏 ， 。 篆 市瓦楞厂综合楼A 基本完好 轻微破坏 严重破坏 评价 职业技术学院公寓基本完好 轻微破坏 中等破坏 自来水公司洪山食堂 基本完好 基本完好 轻微破坏 。 省艺术学校学生公寓 基本完好 基本完好 中等破坏 同济医学院学生食堂 基本完好 轻微破坏 中等破坏 限 同济医学院学生公寓 基本完好 轻微破坏 中等破坏 同济医学院学生公寓 基本完好 轻微破坏 中等破坏 模 市瓦楞厂综合楼 A 基本完好 中等破坏 严重破坏 职业技术学院公寓基本完好 轻微破坏中等破坏 ⋯ 自来水公司洪山食堂 基本完好 轻微破坏 中等破坏 图 4 框架结构样本总体统计分析及曲线拟合 参考 图4， 确定新 的薄弱楼层延伸 率与框架 如 加 O 瓣露崔 5 4 土木工程与管理学报 2 0 1 1 焦 结构震害等级之间的关系 ， 如表 1 6所示 。 表 l 6 薄弱楼层延伸率与框架结构震害等级调整后关系 根据调整后的对应关 系， 重新评价 2 0 2栋框 架结构建筑物样本的震 害等级 ， 可以得到按建筑 面积百分 比统计的震害矩阵， 如表 1 7所示。 表 1 7 公式修正后计算所得震害矩阵 震害等级 小震 中震 大震 基本完好 9 9 ． 6 8 ％4 6 ． 5 2 ％8 ． 0 6 ％ 轻 微破 坏0 ． 3 2 ％ 5 0 ． 5 4 ％ 5 7 ． 5 7 ％ 中等破坏0 ． 0 0 ％ 2 ． 7 3 ％ 2 2 ． 9 1 ％ 严 重破 坏0 ． 0 0 ％0 ． 2 1 ％ 1 1 ． 3 5 ％ 倒塌0 ． 0 0 ％0 ． 0 0 ％0 ． 1 1 ％ 修正后 ， 样本框架结构的破倒率为 1 1 ． 4 6 ％ ， 与之前相 比， 降低幅度较大， 与实际的震害情况更 接近。 4 结 语 本文在武汉市既有的砌体结构和框架结构房 屋中采集了大量有代表性的样本 ， 结合武汉市地 震动小区划参数 ， 对这些样本在三种超越概率地 震作用下的震害进行 了评价 ， 得出了相应 的统计 规律 ， 通过与大量实 际震害调查 中砌体与框架结 构震害矩阵对 比， 修正 了部分震害评判标准和评 价公式 ， 工作方法可 以为其他城市其他类型建筑 震害评价提供参考 。 参考文献 叶昆， 李黎 ， 张斐．武汉市城区建筑抗震性 能评价系统的开发及研制[ J ] ．华中科技大学学报 城市科学版 ， 2 0 1 0 ， 2 7 4 9 3 - 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d e r r e a l e a rt h q u a k e wa s c o l l e c t e d ． T h e r e a s o n a b l e c o r r e s p o n d e n c e b e t we e n e a rt h q u a k e d a ma g e a s s e s s me n t i n d e x a nd s e i s mi c d a ma g e l e v e l wa s s t u di e d，t h e e x i s t i n g c a l c u l a t i o n me t h o d o r e v a l u a t i o n s t a n d a r d wa s c o r r e c t e d r e a s o n a b l e ． Ke y wo r d s ma s o n ry ；f r a me w o r k；e a rth q u a k e d a ma g e a s s e s s me n t ；e a rth q u a k e d a ma g e ma t r i x ；c o rre c t i o n ] J 1 』] ] j 1● J 1 j 1 2 3 4 5 6 7 8 rL rrL_ -r●