保定市典型多層磚混結(jié)構(gòu)震害預(yù)測(cè)分析1

孟紫陽(yáng) 郭明珠 趙慧乾

1）機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450007

2）北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124

引言

多層磚混結(jié)構(gòu)是我國(guó)城鎮(zhèn)主要的結(jié)構(gòu)類(lèi)型之一。由于多層磚混結(jié)構(gòu)采用脆性材料，其抗拉、抗剪、抗彎能力很低，因而在地震中抵抗地震災(zāi)害的能力較差。在唐山地震中，唐山市區(qū)的多層磚混結(jié)構(gòu)樓房95.8%遭到破壞，其中63.2%倒塌，32.6%嚴(yán)重破壞（于山，2003）。汶川地震中，北川縣城等極震區(qū)多層磚混結(jié)構(gòu)80%以上倒塌或嚴(yán)重破壞，綿竹縣等高烈度區(qū)的多層磚混結(jié)構(gòu)部分房屋倒塌，多數(shù)嚴(yán)重破壞或中等破壞（李英民等，2009）。因此，對(duì)多層磚混結(jié)構(gòu)進(jìn)行震害預(yù)測(cè)分析，對(duì)減輕地震造成的損失有十分重要的意義。

目前磚混結(jié)構(gòu)震害預(yù)測(cè)的方法主要有易損性分析法、強(qiáng)度判別法、延性系數(shù)判別法、多元判別分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊類(lèi)比法、結(jié)構(gòu)理論計(jì)算法等。本文采用結(jié)構(gòu)易損性方法對(duì)保定市部分磚混結(jié)構(gòu)資料進(jìn)行震害預(yù)測(cè)分析。

1 結(jié)構(gòu)易損性方法

磚混結(jié)構(gòu)抵抗地震作用的主要構(gòu)件是墻體，含墻率愈大，抗震能力愈強(qiáng)。故采用樓層單位面積的平均抗剪強(qiáng)度作為磚混結(jié)構(gòu)的抗力指標(biāo)（尹之潛，1995），抗力表示為

式中，F(xiàn)k為第s層第k片墻的斷面積（cm2）；As為第s樓層的平面面積（m2）；f為砂漿強(qiáng)度等級(jí)；n為該樓總層數(shù)。

通過(guò)對(duì)歷史震害的分析，得到不同烈度下樓層單位面積平均抗剪強(qiáng)度 Rs與震害指數(shù) Ds（I）的關(guān)系（馮啟民，2004）如下：

考慮到結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和建筑物使用現(xiàn)狀的影響，將計(jì)算的震害指數(shù)按下式修正（當(dāng)Ds≤0時(shí)，取Dsm= 0.05）：

式中，Dsm（I）為修正后的第s樓層的震害指數(shù)，按表2確定樓層的破壞等級(jí)；Ci為抗力修正系數(shù)，結(jié)合馬克儉等（1999）以及本次震害預(yù)測(cè)調(diào)查工作給出，如表1所示；房屋的破壞等級(jí)按照破壞最嚴(yán)重的樓層計(jì)。

表1 磚混結(jié)構(gòu)的修正系數(shù)Ci值Table 1 Correction factor value (Ci ) for brick and concrete structure

表2 震害等級(jí)對(duì)應(yīng)的震害指數(shù)的中值和上下限Table 2 Median and bound of seismic damage index corresponding to damage grade

2 震害預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

2.1 調(diào)查房屋概況

抽取保定市典型多層磚混結(jié)構(gòu)共42棟，建筑面積98909m2。按年代、用途及層數(shù)分類(lèi)的情況見(jiàn)表3。

表3 按年代、用途及層數(shù)分類(lèi)情況Table 3 Classification of age, use and number of stories

2.2 房屋震害預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

按照上述方法進(jìn)行逐棟計(jì)算，總體的震害矩陣見(jiàn)表 4；按年代和用途所得震害矩陣見(jiàn)表5；按層數(shù)所得震害矩陣見(jiàn)表6。

表4 總體震害矩陣Table 4 General damage matrix

表5 按年代和用途分的震害矩陣Table 5 Seismic damage matrix according to age and use

續(xù)表

表6 按層數(shù)分的震害矩陣Table 6 Seismic damage matrix according to number of stories

續(xù)表

為了評(píng)價(jià)所調(diào)查的建筑物的抗震能力和破壞情況，可以采用破壞等級(jí)和破壞指數(shù)的關(guān)系（喬亞玲等，2006），如表7所示。

表7 破壞等級(jí)和破壞指數(shù)Table 7 Damage grade and damage index

某類(lèi)型結(jié)構(gòu)在某一地震烈度下的平均抗震能力指數(shù)可由下式計(jì)算：

式中，P（dj| I）為某類(lèi)結(jié)構(gòu)在烈度I下發(fā)生dj級(jí)破壞的比例（一般取面積比值）；dj為結(jié)構(gòu)的破壞指為某類(lèi)結(jié)構(gòu)在烈度I下的平均震害指數(shù)；D（I）為某類(lèi)結(jié)構(gòu)在烈度I下的平均抗震能力指數(shù)。

由式（4）可得到總體平均震害指數(shù)分布，如圖1所示；按年代、用途、層數(shù)分類(lèi)的平均抗震能力指數(shù)分布，如圖2所示。

圖1 總體平均震害指數(shù)分布圖Fig. 1 The overall average seismic capacity index diagram

由圖1可知，總體的平均震害指數(shù)在小震下為0.23，較輕微破壞稍重；中震時(shí)為 0.35，尚未達(dá)到中等破壞；大震時(shí)為0.54，未達(dá)到嚴(yán)重破壞。由此，調(diào)查的典型磚混結(jié)構(gòu)基本滿足“三個(gè)水準(zhǔn)”的設(shè)防要求。

由圖2可看出，①按年代分，建造年代越晚，抗震能力越強(qiáng)。另外00年代與90年代抗震能力相差較大，這是由于 00年代所選用樣本 89.05%為住宅，墻率高提升了抗震能力。②按用途分，住宅類(lèi)抗震能力最強(qiáng)，教學(xué)類(lèi)最弱，辦公、醫(yī)院類(lèi)居中。③按層數(shù)分，2—3層和6—7層抗震能力較強(qiáng)，4—5層抗震能力較弱，6—7層建筑由于選取的主要為00年代建造，且多為住宅且建造年代較晚，故其抗震能力較強(qiáng)。

圖2 分別按年代、用途、層數(shù)分的平均抗震能力指數(shù)分布圖Fig. 2 Average seismic capacity index diagram, according to age, use and number of stories

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)保定市 42棟典型多層磚混結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)易損性方法進(jìn)行震害預(yù)測(cè)分析，并分別按照年代、用途、層數(shù)分類(lèi)，列出震害矩陣，利用平均抗震能力指數(shù)評(píng)價(jià)總體和各分類(lèi)的抗震能力，得出以下結(jié)論

（1）所調(diào)查的 42棟典型多層磚混結(jié)構(gòu)基本滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

（2）得出了按年代、用途、層數(shù)分類(lèi)時(shí)，抗震能力強(qiáng)弱排序的規(guī)律，分析結(jié)論可為保定市多層磚混群體震害預(yù)測(cè)提供參考。

馮啟民，2004. 《地震災(zāi)害損失預(yù)測(cè)及其信息管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》宣貫教材. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

李英民，韓軍，劉立平等，2009. “5·12”汶川地震砌體結(jié)構(gòu)房屋震害調(diào)查與分析. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）．（5）：606—611.

馬克儉，常業(yè)軍，1999. 多層砌體結(jié)構(gòu)房屋震害預(yù)測(cè). 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），（6）：54-57.

喬亞玲，閆維明，2006. 在役建筑物群體與單體震害預(yù)測(cè). 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，（3）：5—8.

尹之潛著，1995. 地震災(zāi)害及損失預(yù)測(cè)方法. 北京：地震出版社.

于山，2003. 唐山大地震震后救援與恢復(fù)重建. 北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社.