框架-剪力墻結(jié)構(gòu)基于地震強(qiáng)度的新一代抗震性能評(píng)估方法研究

朱漢波， 梁興文， 黨英杰

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210096；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；3.陜西理正勘察設(shè)計(jì)有限公司，西安 710016)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)基于地震強(qiáng)度的新一代抗震性能評(píng)估方法研究

朱漢波1， 梁興文2， 黨英杰3

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210096；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；3.陜西理正勘察設(shè)計(jì)有限公司，西安 710016)

近幾年來(lái)，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，基于概率理論的新一代抗震性能評(píng)估方法已開(kāi)始用于特定建筑物的抗震性能評(píng)估。研究基于全概率理論的新一代抗震性能評(píng)估方法，并將其應(yīng)用于我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估，對(duì)于減災(zāi)防災(zāi)和提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能有重要意義。以FEMA P-58的抗震性能評(píng)估流程為框架，結(jié)合我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和規(guī)范要求，以某一單個(gè)建筑物為對(duì)象，采用有限元分析軟件PERFORM 3D和抗震經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估分析軟件PACT，用增量動(dòng)力分析(IDA)方法進(jìn)行建筑物各個(gè)強(qiáng)度狀態(tài)的易損性分析；用基于強(qiáng)度的性能評(píng)估方法，依據(jù)構(gòu)件易損性分組和人員流動(dòng)模型，得到包括人員傷亡、修復(fù)和重建造價(jià)以及居住中斷時(shí)間等建筑性能的概率分布，為我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估提供了參考。

新一代抗震性能評(píng)估方法；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；增量動(dòng)力分析(IDA)；建筑抗震性能評(píng)估計(jì)算工具；三維結(jié)構(gòu)非線性分析及性能評(píng)估工具

在20世紀(jì)80年代中期，性能化評(píng)估方法開(kāi)始在美國(guó)出現(xiàn)[1-2]，到2012年，這一方法趨于完善[3-4]。我國(guó)經(jīng)過(guò)30多年城市化建設(shè)的積累，大量的已有建筑物到了其壽命的中、后期，無(wú)論對(duì)其進(jìn)行交易、維修加固還是更新淘汰，都需要從安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性等方面提供精確的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法體系。性能化抗震性能評(píng)估方法采用業(yè)主、房屋使用者、投資者等利害關(guān)系人都能理解的性能指標(biāo)，方便各學(xué)科共同參與建筑物的相關(guān)決策，得到最優(yōu)解決方案。目前，對(duì)于已有建筑物的抗震性能評(píng)估有兩種思路：①以整體結(jié)構(gòu)的易損性作為抗震性能評(píng)估依據(jù)；②以單個(gè)構(gòu)件的易損性作為抗震性能評(píng)估依據(jù)。第一種是目前國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展建筑物抗震性能研究的主要思路，也取得了一些成果[5-8]；第二種方法是結(jié)合兩種易損性對(duì)建筑物進(jìn)行抗震性能評(píng)估。在美國(guó)，F(xiàn)EMA(聯(lián)邦應(yīng)急管理中心)經(jīng)過(guò)最近十年的努力，出版FEMA P-58及相關(guān)內(nèi)容，標(biāo)志著新一代抗震性能評(píng)估方法在美國(guó)趨于完善；而在中國(guó)，這一評(píng)估方法的使用才剛剛起步，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)簡(jiǎn)化上述評(píng)估方法，從整體結(jié)構(gòu)易損性出發(fā)，對(duì)建筑物抗震性能評(píng)估的研究取得了一些成果[9-11]；但對(duì)于從各個(gè)構(gòu)件的損傷易損性出發(fā)的建筑物抗震性能評(píng)估方面，研究成果十分有限。本文以FEMA P-58的建筑物抗震性能評(píng)估流程為框架，結(jié)合我國(guó)實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和規(guī)范要求，基于新一代建筑物抗震性能評(píng)估的概率理論，以某一單體建筑物為對(duì)象，采用有限元分析模型(用 PERFORM 3D)和抗震經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估分析模型(用 PACT)，對(duì)該建筑物進(jìn)行抗震性能評(píng)估，最終得到建筑物在各個(gè)地震強(qiáng)度下的修復(fù)成本、修復(fù)時(shí)間、死亡人數(shù)和受傷人數(shù)的概率分布。

1 基于地震強(qiáng)度的新一代抗震性能評(píng)估方法

新一代抗震性能評(píng)估大體分為三種方法，即：①基于地震強(qiáng)度的評(píng)估(Intensity-based assessments)；②基于建筑場(chǎng)地情境的評(píng)估(Scenario-based assessments)；③基于地震危險(xiǎn)性的評(píng)估(Time-based assessments)。這里只對(duì)第一種方法的概況進(jìn)行介紹。

1.1 基于地震強(qiáng)度的評(píng)估方法

基于地震強(qiáng)度的評(píng)估(Intensity-based assessments)，即基于特定地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度(如阻尼比為5%的彈性加速度反應(yīng)譜)確定性能函數(shù)，評(píng)估房屋在某一選定的地震強(qiáng)度下，其抗震性能指標(biāo)(人員傷亡、修復(fù)或重建費(fèi)用、居住中斷時(shí)間等)的概率分布。

此法主要解決兩個(gè)問(wèn)題：①如果某一房屋遭遇相當(dāng)于其設(shè)計(jì)地震強(qiáng)度的地震(基本烈度地震)所需要的平均修復(fù)費(fèi)用為多少，修復(fù)費(fèi)用超過(guò)某一值(如100萬(wàn)元)的概率是多少；②如果某一房屋遭遇相當(dāng)于其罕遇烈度地震強(qiáng)度的地震，平均而言，需要多長(zhǎng)時(shí)間能夠修復(fù)。

此法一般可用于可以準(zhǔn)確進(jìn)行地震強(qiáng)度測(cè)量的地區(qū)(如一些大中型城市)，可以準(zhǔn)確地得到地震強(qiáng)度指標(biāo)。在震前，可以得到在各個(gè)地震動(dòng)強(qiáng)度下的性能函數(shù)，便于震后迅速估計(jì)受損結(jié)構(gòu)性能，為各個(gè)部門(mén)的快速?zèng)Q策提供初步依據(jù)。

1.2 基于地震強(qiáng)度的評(píng)估方法的操作流程

基于地震強(qiáng)度的建筑物抗震性能評(píng)估過(guò)程如下：

(1)建立建筑物有限元模型；

(2)對(duì)模型進(jìn)行增量動(dòng)力分析(IDA)，得到各個(gè)地震強(qiáng)度下的性能需求參數(shù)(EDP)；

(3)建立基于整體抗震性能的建筑物倒塌結(jié)構(gòu)易損性函數(shù)；

(4)建立建筑物人員流動(dòng)模型和構(gòu)件易損性分組；

(5)建立基于構(gòu)件易損性分組的建筑物各個(gè)未倒塌狀態(tài)的結(jié)構(gòu)易損性函數(shù)；

(6)計(jì)算各個(gè)地震強(qiáng)度下性能函數(shù)(包括人員傷亡、修復(fù)或重建費(fèi)用、居住中斷時(shí)間等的概率分布)。具體評(píng)估流程如圖1。

圖1 抗震性能評(píng)估流程圖Fig.1 Seismic performance calculation process

本文只對(duì)步驟(1)～(3)進(jìn)行大概說(shuō)明，給出計(jì)算結(jié)果；著重于步驟(4)～(6)的實(shí)現(xiàn)說(shuō)明。

2 建立基于整體抗震性能的建筑物倒塌易損性函數(shù)

2.1 工程概況

某大學(xué)辦公-教學(xué)綜合樓，結(jié)構(gòu)主體為 10 層鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示，陰影部分表示剪力墻。其中首層層高為 4.5 m，其余各層為 3.6 m，結(jié)構(gòu)總高度為 36.9 m。設(shè)計(jì)基本加速度為 0.2g，按 8 度抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為 0.35 s?？蚣懿糠譃槎?jí)抗震等級(jí)，剪力墻部分為一級(jí)抗震等級(jí)。

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.2 Layout of structure

梁、板采用 C25 混凝土，柱、剪力墻采用 C30 混凝土。箍筋、構(gòu)造鋼筋以及剪力墻中的分布鋼筋采用 HPB235 鋼筋，其余縱向受力鋼筋均采用 HRB335 鋼筋。內(nèi)填充墻使用 600 mm×200 mm×200 mm 加氣混凝土砌塊，圍護(hù)墻為 190 mm×190 mm×90mm空心磚，用 M5 水泥砂漿。

2.2 建立結(jié)構(gòu)有限元模型

應(yīng)用SAP2000建立幾何有限元模型[12]，將結(jié)構(gòu)幾何信息導(dǎo)入PERFORM 3D中[13-14]，基于截面層面和材料層面定義結(jié)構(gòu)非線性。

2.2.1. 基于截面層面

梁、柱單元選用塑性區(qū)模型，梁塑性區(qū)截面選用層模型，柱塑性區(qū)截面選用纖維模型，表示梁、柱的彎曲非線性；剪力墻截面選用纖維模型，表示其彎曲非線性；用構(gòu)件整體剪切模型，表示其剪切非線性，如圖3所示。

圖3 剪力墻單元的纖維模型Fig.3 The fiber model of shear wall unit

2.2.2. 基于材料層面

本文鋼筋和非約束混凝土本構(gòu)關(guān)系按照我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算[15]，鋼筋屈服強(qiáng)度、混凝土單軸受壓強(qiáng)度均使用平均值。在PERFORM 3D中分別用四折線和五折線曲線關(guān)系進(jìn)行擬合。約束混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，考慮鋼筋約束效應(yīng)，使用修正的Kent-Park模型[16-17]，使用五折線曲線關(guān)系，如圖4。剪力墻剪切非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(圖5)用Hirosawa(廣澤)公式[18]進(jìn)行計(jì)算。

圖4 混凝土修正的Kent-Park模型曲線Fig.4 Updated Kent-Park concrete mode

圖5 剪力墻骨架曲線參數(shù)示意Fig.5 Shear wall skeleton curve parameters

2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

本文選取與結(jié)構(gòu)基本自振周期相應(yīng)的反應(yīng)譜加速度Sa(T)為地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)(IM)，根據(jù)我國(guó)抗震規(guī)范[19]的彈性加速度反應(yīng)譜可知：

(1)

式中，PGA表示地震動(dòng)峰值加速度。

選取最大層間位移角為工程需求參數(shù)(EDP)。在鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻結(jié)構(gòu)為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，當(dāng)剪力墻完全破壞，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到倒塌狀態(tài)。其倒塌狀態(tài)的最大層間位移角限值可取3.6%。

2.4 倒塌狀態(tài)結(jié)構(gòu)易損性分析

選取FEMA P695中提供的22對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)震記錄，共44條水平方向地震波[20]，用IDA方法，縱坐標(biāo)為PGA，橫坐標(biāo)為最大層間位移角，作IDA曲線分布圖。最大層間位移角達(dá)到3.6%時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到倒塌狀態(tài)。該建筑方縱向的剪力墻數(shù)量較橫向少，參考模態(tài)分析，橫向所在的方向?yàn)榛菊裥头较?。因此這里限定建筑物倒塌為沿橫向的整體垮塌，沿橫向的IDA分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 IDA曲線分布圖Fig.6 IDA curve distribution

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得到倒塌狀態(tài)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)易損性曲線，用對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，可知倒塌易損性曲線的兩個(gè)參數(shù)：PGA均值為2.5，均方差為0.5，如圖7所示。由Sa(T)=2.5g×0.94=2.35g換算可得：Sa(T)為2.35g，均方差為0.5。

圖7 結(jié)構(gòu)倒塌易損性曲線Fig.7 Structure collapse fragility curve

3 人員流動(dòng)模型和構(gòu)件易損性分組

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估中，建立人員流動(dòng)模型和構(gòu)建構(gòu)件易損性分組是兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。FEMA P-58提供的人員流動(dòng)模型和構(gòu)件易損性[21]分組是以美國(guó)北加利福尼亞州為背景建立的，本文案例與美國(guó)北加利福尼亞地區(qū)在建筑物的使用類型、人員流動(dòng)模型、構(gòu)件易損性分組及數(shù)量等方面有一定差別。

應(yīng)用FEMA P-58中單體建筑物抗震性能評(píng)估方法對(duì)本文案例建筑進(jìn)行評(píng)估，需要結(jié)合我國(guó)規(guī)范和建筑物的實(shí)際情況，在FEMA P-58提供的人員流動(dòng)模型和構(gòu)件易損性分組基礎(chǔ)上進(jìn)行修改、補(bǔ)充和完善。本文將結(jié)合我國(guó)規(guī)范和建筑物的實(shí)際情況，建立人員流動(dòng)模型，并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行易損性分組。

3.1 人員流動(dòng)模型

人員流動(dòng)模型是不同建筑物內(nèi)的人員數(shù)量隨時(shí)間變化的預(yù)測(cè)模型。依據(jù)FEMA P-58提供的人員流動(dòng)模型架構(gòu)，由一年中不同月份的人口比例，一周內(nèi)不同日期的人口模型、一天內(nèi)不同時(shí)刻的人口模型和峰值人口數(shù)量四部分構(gòu)成。前三項(xiàng)內(nèi)容借助FEMA P-58提供的人員流動(dòng)模型類型結(jié)合中國(guó)的實(shí)際情況修改、補(bǔ)充和完善。峰值人數(shù)通過(guò)以下方式獲得：①長(zhǎng)期的實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果；②我國(guó)相關(guān)規(guī)范條文及地方法規(guī)等(建筑設(shè)計(jì)定額、企業(yè)本身的設(shè)計(jì)定額等)；③社會(huì)規(guī)律和生活常識(shí)。

依照這一思路，就本案例而言，該綜合教學(xué)樓功能劃分如下：一層、七層、八層和十層為辦公室；二層、三層、四層、九層為普通授課教室；五層、六層為微機(jī)房。以微機(jī)房為例，在FEMA P-58提供的教學(xué)樓人員流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)該樓的教學(xué)安排[22]和實(shí)際情況對(duì)流動(dòng)模型加以修正；人口模型峰值人數(shù)，應(yīng)以實(shí)際教室的占用率、座位數(shù)和排課安排等具體信息加以計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示。

(a)工作日年人員流動(dòng)模型

(b)休息日年人員流動(dòng)模型圖8 年人員流動(dòng)模型Fig.8 Plot of variation in population (relative to expected peak population) by month of the year

圖9 計(jì)算機(jī)中心日人員流動(dòng)模型Fig.9 Plot of variation in population (relative to expected peak population) by time of day for computer center occupancies

根據(jù)機(jī)房使用情況的統(tǒng)計(jì)資料可知，計(jì)算機(jī)中心擁有電腦1 100臺(tái)左右，一年內(nèi)學(xué)生上機(jī)總學(xué)時(shí)為10萬(wàn)小時(shí)，上午和下午機(jī)房占用率有較大區(qū)別，晚上機(jī)房關(guān)閉。只有開(kāi)學(xué)期間工作日正常開(kāi)放。

上午、中午、晚上峰值人數(shù)的比例為100%、50%、0%。人口模型峰值人數(shù)：9.6人/100m2，離差為0.2。

同理根據(jù)以上3條原則，得到辦公室樓層人員流動(dòng)模型、教師樓層人員流動(dòng)模型如圖10、圖11所示。

圖10 辦公室人員流動(dòng)模型Fig.10 Plot of variation in population (relative to expected peak population) by time of day for office occupancies

圖11 教室人員流動(dòng)模型Fig.11 Plot of variation in population (relative to expected peak population) by time of day for classroom occupancies

一層、八層、十層為高級(jí)辦公室：11.4人/100m2，離差為0.2；七層為一般辦公室：21.2人/100m2，離差為0.2。人口模型峰值人數(shù)：22.0人/100m2；離差為0.2。

3.2 易損性分組

對(duì)所有的易損性結(jié)構(gòu)構(gòu)件(主要包括梁、柱、剪力墻構(gòu)件)、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和內(nèi)部財(cái)物進(jìn)行歸類分組，并對(duì)某一易損性分組的各個(gè)性能進(jìn)行分組。對(duì)于建筑物每一個(gè)性能分組的構(gòu)件(包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件)和內(nèi)部財(cái)物的數(shù)量都可以通過(guò)建筑的詳細(xì)清單得出，或者用FEMA P-58給出的相似建筑物的占用情況的數(shù)量分布來(lái)確定其數(shù)量。

對(duì)于特定類別建筑物和其占用情況下相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需要收集和提供易損性的結(jié)果數(shù)據(jù)，F(xiàn)EMA P-58-2附錄D(構(gòu)件易損性規(guī)定)給出了一個(gè)易損性分組匯總清單，可以得出建筑物的構(gòu)件(結(jié)構(gòu)構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件)和內(nèi)部財(cái)物的易損性。

3.2.1構(gòu)件易損性分組

易損性分組，就是按具有相同損傷特性(用損傷敏感性和損傷后果表示)劃分的類似構(gòu)件的集合[23]。即同一易損性分組內(nèi)的構(gòu)件具有兩個(gè)特征：①具有相同的地震需求參數(shù)；②在基于構(gòu)件層面的相同作用時(shí)，損傷程度相同。

根據(jù)FEMA-58-2 Table 2-3 Fragility Groups in PACT，選取符合建筑物的構(gòu)件分類，結(jié)合建筑物設(shè)計(jì)及情況[24-25]，對(duì)其中不符合該類易損性分組的信息進(jìn)行調(diào)整、修改及添加，本案例的構(gòu)件易損性分組如表1所示。

3.2.2構(gòu)件性能分組

性能分組是對(duì)易損性分組的進(jìn)一步劃分，因?yàn)闃菍?、?gòu)件方向及位置不同，使得構(gòu)件處于不同的破壞狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)是因?yàn)榛跇?gòu)件層面的作用不同，使得構(gòu)件表現(xiàn)為不同的損傷狀態(tài)。由于在一次地震中導(dǎo)致基于構(gòu)件層面作用不同的因素很多，這里只用樓層進(jìn)行性能劃分，定義易損性分組的子集。

在易損性曲線的基礎(chǔ)上，某一構(gòu)件易損性分組中的構(gòu)件由于所在樓層或布置方向的不同，導(dǎo)致不同的地震需求參數(shù)(層間峰值位移角、樓面加速度峰值等)，據(jù)此進(jìn)行構(gòu)件性能分組。

3.2.3構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量定額是以實(shí)際使用中的建筑物為基準(zhǔn)，對(duì)單位面積的構(gòu)件數(shù)量、占用財(cái)物數(shù)量的估計(jì)值。FEMA P-58根據(jù)3 000個(gè)使用情況大相徑庭的建筑物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到的數(shù)據(jù)，這一數(shù)量定額給出10%、50%和90%三個(gè)分位值的參照標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合我國(guó)具體情況，有兩種方法可用于對(duì)建筑物占用數(shù)量進(jìn)行評(píng)估。

(1)結(jié)合各個(gè)分部工程施工圖(包括基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、建筑裝飾裝修、建筑屋面、建筑給排水及采暖、建筑電氣等工程)，對(duì)各個(gè)占用物品的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。這種方法計(jì)算結(jié)果相對(duì)精確，但操作起來(lái)比較復(fù)雜，工作量較大，適合于建筑資料保存較全的各個(gè)占用類型的建筑物。

(2)將建筑物與FEMA P-58給出的8種典型占用類型的建筑物進(jìn)行對(duì)應(yīng)，對(duì)綜合占用類型的建筑物，按實(shí)際占用情況分區(qū)統(tǒng)計(jì)構(gòu)件占用數(shù)量。這種方法計(jì)算相對(duì)粗糙，但操作起來(lái)比較容易，適合于建筑資料保存不全、占用類型典型的建筑物。

以該建筑物為例，分為三種建筑占用類型：①一層、七層、八層和十層為辦公室，依照商務(wù)辦公室類型進(jìn)行占用財(cái)物的數(shù)量評(píng)估；②二層、三層、四層和九層為教室，依照教學(xué)樓(小學(xué)、初中和高中)類型進(jìn)行評(píng)估；③五層和六層為微機(jī)房，此種類型在FEMA P-58中沒(méi)有確切的對(duì)應(yīng)類型，可以類比科研實(shí)驗(yàn)樓類型進(jìn)行評(píng)估。

綜上所述，本案例結(jié)合以上兩種方法，使用FEMA P-58和分部工程施工圖及實(shí)際統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)占用數(shù)量的評(píng)估。操作方法如表2所示。

表1 構(gòu)件易損性分組

表2 性能分組的計(jì)量方法說(shuō)明

4 基于地震強(qiáng)度的建筑物抗震性能評(píng)估

根據(jù)調(diào)整后的人員流動(dòng)模型函數(shù)和構(gòu)件易損性分組函數(shù)，代入通過(guò)IDA分析所得該建筑物各個(gè)地震強(qiáng)度下的性能需求參數(shù)(EDP)向量，假定同一地震強(qiáng)度下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)向量發(fā)生概率相同，隨機(jī)選取大量EDP向量輸入、統(tǒng)計(jì)、求和得到建筑物在各個(gè)地震強(qiáng)度下的修復(fù)成本、修復(fù)時(shí)間和人員傷亡等建筑物抗震性能分布。

直接利用上述方法過(guò)程復(fù)雜繁瑣，運(yùn)算量大。FEMA P-58-3提供的PACT軟件可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的這一評(píng)估過(guò)程，同時(shí)操作簡(jiǎn)單、節(jié)約評(píng)估時(shí)間。

以設(shè)防烈度地震為依據(jù)進(jìn)行評(píng)估，其50年設(shè)計(jì)使用期間內(nèi)的超越概率達(dá)到10%，且對(duì)建筑物有一定的破壞力，這一狀態(tài)對(duì)應(yīng)七個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的第二個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。PACT可以給用戶提供豐富的抗震性能分析結(jié)果。

4.1 修復(fù)費(fèi)用結(jié)果分析

如圖12所示，PACT軟件選項(xiàng)卡的下半部分，提供了一條建筑物修復(fù)成本的易損性曲線，有 50%可能性達(dá)到的修復(fù)成本不超過(guò)90 714美元；有90%可能性達(dá)到的修復(fù)成本不超過(guò)210 000美元。平均修復(fù)費(fèi)用為105 713美元，達(dá)到可完全替換成本的1%。

圖12 修復(fù)成本結(jié)果分析曲線Fig.12 The repair cost results curve

PACT軟件選項(xiàng)卡上半部分對(duì)應(yīng)于每一個(gè)易損性組的修復(fù)成本，用不同顏色的柱狀圖表示，這里表示有50%可能性達(dá)到的修復(fù)成本的組成情況，如圖13及表3所示。

圖13 修復(fù)成本組成柱狀圖Fig.13 The repair time results curve

類別編號(hào)類別描述損失/美元所占比例B1044.071帶邊柱的剪力墻2786930.72%B1052.001填充墻5104756.27%E1025.001電子計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備1155812.74%E2022.001辦公用品2410.27%注:填充墻在抗震時(shí)破壞最為嚴(yán)重,需要的花費(fèi)超過(guò)了總費(fèi)用的一半,說(shuō)明這也是抗震過(guò)程中比較重要的耗能構(gòu)件。另外,其修復(fù)費(fèi)用是以相應(yīng)的施工工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的

4.2 修復(fù)時(shí)間結(jié)果分析

同樣，如圖14，由修復(fù)時(shí)間易損性曲線可知，50%可能性達(dá)到的修復(fù)時(shí)間不超過(guò)5.75天； 90%可能性達(dá)到的修復(fù)時(shí)間不超過(guò)16.1天；平均修復(fù)時(shí)間為7.31天。

圖14 修復(fù)時(shí)間結(jié)果分析曲線Fig.14 The repair time results curve

圖15表示采用同時(shí)進(jìn)行施工的方式，不同樓層和每一樓層中各個(gè)構(gòu)件的修復(fù)時(shí)間。本圖表示50%可能性達(dá)到的修復(fù)時(shí)間的組成情況，在這種狀況下，6、7樓層的修復(fù)工作量最大；剪力墻和填充墻所占的修復(fù)時(shí)間，占用了絕大部分修復(fù)時(shí)間，同時(shí)從損失的角度，說(shuō)明6、7層為結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)比較嚴(yán)重。

圖15 修復(fù)時(shí)間柱狀分布圖Fig.15 Repair time histogram

4.3 人員受傷和死亡情況結(jié)果分析

圖16表示人員傷亡情況結(jié)果分析圖，由圖可知，死亡人數(shù)平均為0，受傷人數(shù)平均值為0。

圖16 人員傷亡情況結(jié)果分析圖Fig.16 The casualties and injuries result

所有地震強(qiáng)度等級(jí)下的建筑物抗震性能見(jiàn)表4。

表4 建筑物抗震性能列表

5 結(jié) 論

本文以框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為例，通過(guò)建立構(gòu)件性能分組的易損性信息和人員流動(dòng)模型，利用基于強(qiáng)度的性能評(píng)估方法，對(duì)該結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)估，得到該建筑物在各個(gè)地震強(qiáng)度下的修復(fù)成本、修復(fù)時(shí)間、死亡人數(shù)和受傷人數(shù)的概率分布。結(jié)論如下：

(1)在PERFORM 3D中，用基于材料非線性的分段截面纖維模型可以較好地模擬梁、柱、墻的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，用基于整個(gè)構(gòu)件力-位移關(guān)系可以較好地模擬墻的剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

(2)用PERFORM 3D進(jìn)行IDA分析，得到大量且連續(xù)的地震強(qiáng)度指標(biāo)(IM)和結(jié)構(gòu)地震需求參數(shù)(EDP)之間的關(guān)系，建立結(jié)構(gòu)各個(gè)損傷狀態(tài)的易損性曲線。

(3)應(yīng)用FEMA P-58性能評(píng)估方法，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在各個(gè)損傷狀態(tài)(除倒塌狀態(tài)外)，建立構(gòu)件性能分組的損傷易損性函數(shù)；同時(shí)建立在倒塌狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)整體倒塌易損性函數(shù)。分別建立相應(yīng)的易損性函數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失、修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間以及人員傷亡之間的函數(shù)關(guān)系，得到有關(guān)這些指標(biāo)的結(jié)構(gòu)性能評(píng)估結(jié)果。

(4)應(yīng)用PERFORM 3D，可以得到各個(gè)地震強(qiáng)度等級(jí)下結(jié)構(gòu)易損性分析使用的主要地震需求參數(shù)(層間絕對(duì)加速度峰值和層間位移角)，為PACT利用IDA曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行性能評(píng)估提供了準(zhǔn)確的需求向量，且為今后統(tǒng)一這兩種軟件，用于性能評(píng)估提供了實(shí)例依據(jù)。

(5)建立易損性分組和人員流動(dòng)模型，是結(jié)構(gòu)抗震性能分析的前提，直接影響這種方法能否準(zhǔn)確地計(jì)算結(jié)構(gòu)性能，甚至決定了這一方法是否可以在我國(guó)推廣應(yīng)用。這兩方面的內(nèi)容有待進(jìn)步一步研究。

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New generation of seismic performance evaluation method for frame-shear wall structures based on seismic intensity

ZHU Hanbo1，LIANG Xingwen2，DANG Yingjie3

(1.School of Civil Engineering,Southeast University , Nanjing 210096, China；2.School of Civil Engineering ,Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055, China；3.Shaanxi Lizheng Engineering Exploration & Design Co,Ltd.,Xi’an 710016,China)

Recently, a new generation of seismic performance evaluation method based on the total probability theory has been greatly developped in advanced countries and has been used in the evaluation of some specific buildings. The new seismic performance evaluation method is more scientific and reasonable than the existing methods, and is of good theoretical significance and practical value to mitigate the earthquake disaster and improve the seismic performance of structures .Based on the framework of seismic performance evaluation process in the FEMA P-58 and considering the characteristics of China’s building structures and specification requirements, the total probability evaluation idea was introduced and adopted in the seismic performance evaluation of an individual building. The vulnerability of the building was analyzed and evaluated using the incremental dynamic analysis (IDA)method with the finite element analysis software PERFORM 3D and seismic performance assessment analysis software PACT.Using intensity-based assessment methods, the building performance probability distributions with respect to the casualties, restoration and reconstruction cost and break period were achieved according to the component fragility performance grouping and population model.

new generation of seismic behavior evaluation methods; frame-shear wall structure; incremental dynamic analysis(IDA); performance assessment calculation tool (PACT); PERFORM 3D

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278402)

2015-12-09 修改稿收到日期：2016-03-25

朱漢波 男，博士生，1989年11月生

梁興文 男，教授，碩士，博士生導(dǎo)師，1952年2月生 E-mail：Zhubobo610113@163.com

TU375

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.10.023