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土木工程結(jié)構(gòu)地震易損性分析的研究進展
摘要： 地震易損性分析在土木工程建設(shè)中具有重要的應(yīng)用價值，吸引了國內(nèi)外的大批學(xué)者去研究。本文從以下幾個方面來介紹目前土木工程結(jié)構(gòu)地震易損性分析的研究進展：一是土木工程結(jié)構(gòu)地震易損性概述，二是地震易損性的國外研究概況，三是地震易損性的國內(nèi)研究概況，四是目前地震易損性研究方面的問題與發(fā)展趨勢。 Abstract： Seismic vulnerability analysis has important application value in the construction of civil engineering， attracted a large number of scholars at home and abroad. This paper introduces the research progress in civil engineering structure seismic vulnerability analysis from the following several aspects： first， the summary of civil engineering structure seismic vulnerability； second， general situation of the abroad study seismic vulnerability； third， general situation of the domestic research on seismic vulnerability； fourth， the present problems and development trend of the studies on the seismic vulnerability. 關(guān)鍵詞： 土木工程結(jié)構(gòu)；地震易損性分析；研究進展 Key words： civil engineering structures；seismic vulnerability analysis；research progress 中圖分類號：TU311.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）26-0061-02 0 引言 地震易損性分析是地震安全評定中的重要內(nèi)容之一。地震易損性是指在不同的地震強度下土木工程結(jié)構(gòu)被破壞的概率，它能從概率的層面反映工程結(jié)構(gòu)的抗震性能，較為客觀地反映了地震與工程結(jié)構(gòu)二者之間的關(guān)系，在土木工程中能為人們更好的防范地震帶來的危害。因此，土木工程項目的地震易損性成為了人們關(guān)注的焦點問題，對于地震易損性的研究進展也須引起相關(guān)專家和學(xué)者的重視。 1 土木工程結(jié)構(gòu)地震易損性概述 所謂地震易損性，是說在強度不同的地震作用下，土木工程結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的破壞狀態(tài)，以及這種情況發(fā)生的概率。它是從概率的層面對地震發(fā)生機率、強度和土木工程破壞程度之間的關(guān)系進行宏觀的預(yù)測，成為土木工程施工單位和地震工程研究界研究的重點問題。最早提出地震工程和抗震設(shè)計的是美國，美國的太平洋地震工程研究中心提出了供統(tǒng)一分析的地震參數(shù)和破壞參數(shù)等地震破壞指標，使地震易損性分析的研究進入到一個新階段。用這種地震易損性分析方法只需要將工程需求參數(shù)輸入進地震易損性的計算函數(shù)中去，就可以推斷地震對土木工程破壞的參數(shù)和概率，使對地震易損性的分析更加的規(guī)范化與科學(xué)化。 土木工程的地震易損性分析是土木工程建設(shè)在設(shè)計、規(guī)劃時的重要研究內(nèi)容，在工程結(jié)構(gòu)風(fēng)險分析和地震損失概率分析方面能夠發(fā)揮重要的推測作用，從而為土木工程項目的設(shè)計和施工提供數(shù)據(jù)支持。這是對工程項目負責(zé)也是對人民的生命財產(chǎn)安全負責(zé)，需要進行深入的理論與應(yīng)用研究。通過這些系統(tǒng)性的研究工作來確保工程項目的安全，保障工程項目的順利開展。 2 地震易損性的國外研究概況 國外較早地開始了對土木工程結(jié)構(gòu)的地震易損性進行研究。他們意識到地震會對土木工程項目以及人民的生命財產(chǎn)安全帶來巨大的安全隱患。因此，國外的工業(yè)發(fā)達國家很早就開始了對地震易損性的研究，如美國的Ghiocel對美國東部的核電站進行結(jié)構(gòu)分析，對工程的地震反應(yīng)和易損性進行了分析與評定。Ozaki對日本的核反應(yīng)堆所在的建筑也進行了結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)其核反應(yīng)堆建筑的地震易損性指數(shù)，考慮了工程項目的非線性特征和結(jié)構(gòu)變異特征。一位美籍華人黃洪謀也對地震易損性如何更好地運用到電力系統(tǒng)工程建設(shè)中去進行了分析與研究，并將其研究成果推廣、應(yīng)用到電力變電站等設(shè)備中去，對電力系統(tǒng)中的設(shè)備和建筑進行安全評定，以確保電力工程的安全性與可靠性。 此外，在軟件的開發(fā)上，美國也率先推出了HAZUS軟件，通過這種地震易損性分析軟件，美國可以在對土木工程項目的研究成果的基礎(chǔ)上，對地震給工程項目帶來的破壞進行估計和預(yù)測，采用性能設(shè)計的方法根據(jù)軟件所得出的數(shù)據(jù)進行能力譜繪制，計算地震所帶來的連鎖反應(yīng)，以地震易損性曲線的方式來反映建筑物的抗震性。 Tanaka在評估公路建設(shè)工程的地震易損性時，提出了一種地震易損性的正態(tài)分布函數(shù)。通過對工程項目的地震易損性進行兩參數(shù)的分析，以正態(tài)分布的函數(shù)的形式向人們提供建筑工程的地震未知參數(shù)。通過這種地震易損性函數(shù)他總計將橋梁的結(jié)構(gòu)形式劃分為五種，這五種結(jié)構(gòu)形式又把橋梁損傷劃分為五種不同的形式，并按照不同的損傷形式和損傷程度把土木工程的損傷水準分為五個等級，為人們系統(tǒng)的研究公路的地震易損性提供了參考。 人們在對地震易損性進行分析時，常常用兩種易損性曲線來表示，即經(jīng)驗易損性曲線和理論易損性曲線，不同的研究者根據(jù)不同的研究方向和具體工程項目的建設(shè)情況來選擇不同的易損性曲線。經(jīng)驗性曲線在這兩種曲線當(dāng)中是一種可信度較高的地震易損性曲線，因為它使用的數(shù)據(jù)來源于以往地震所造成的危害情況和具體的動參數(shù)，對這些實際的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以此來得出較為真實可信的數(shù)據(jù)指標。但經(jīng)驗性曲線也有其自身的局限，因為地震所造成的危害會因為客觀環(huán)境的不同而有所不同，如在不同的地震環(huán)境、場地和工程結(jié)構(gòu)中，地震所打來的危害都是不一樣的，因此，這種地震經(jīng)驗易損性曲線沒有其廣泛的推廣意義，再加上其需要具體的數(shù)據(jù)分析，人們在獲得這些數(shù)據(jù)時會有很大的難度。這些都限制了經(jīng)驗易損性曲線的推廣使用，需要做進一步的改善。 除了經(jīng)驗易損性曲線之外，理論易損性曲線也是地震易損性分析中的一種重要參照曲線。采用理論易損性曲線研究地震的易損性通常要從地震的相應(yīng)分析數(shù)據(jù)入手，采用反應(yīng)譜、靜力、時程分析等分析方法，對地震易損性進行系統(tǒng)的分析與評估。同樣，理論易損性分析也可以采用不同的分析與研究方法，如Monte Carfo模擬法，但這種方法需要較長的運算時間，為此Fukushima提出了一種更為方便、快捷的分析方法，即評估結(jié)構(gòu)響應(yīng)的分析方法，這種方法通過振動理論來對土木工程的易損性進行分析，在一個頻域內(nèi)，它所得出的結(jié)果是準確可靠的。 此外，Singhal、shinozuka和Basoz等也對地震的易損性進行了廣泛的研究，這些研究人員都在地震易損性的研究領(lǐng)域取得了重要的研究成果，促進了國外地震易損性分析的研究進程，使土木工程項目在更安全的工程環(huán)境下運行，加大了工程項目的安全系數(shù)。 3 地震易損性的國內(nèi)研究概況 與國外的土木工程結(jié)構(gòu)地震易損性的研究相比，我國在地震易損性研究方面起步較晚，主要是對土木工程結(jié)構(gòu)的地震易損性進行經(jīng)驗性曲線分析。經(jīng)驗性分析的對象是一些群體性的房屋建筑，對這些群體性的房屋建筑進行震害預(yù)測。我國最早對土木工程項目的地震易損性進行研究的學(xué)者是尹之潛教授，尹教授在地震風(fēng)險分析和震害預(yù)測方面都開展了大量的研究工作，取得了很大的研究成果。其研究結(jié)論是建立在大量真實的震害數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出來的，并根據(jù)其實驗數(shù)據(jù)分析了地震強度與土木工程結(jié)構(gòu)破壞度之間的關(guān)系，對多種土木工程結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的分析與研究，如磚砌體建筑、工廠的排架結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)，并分別根據(jù)這些結(jié)構(gòu)的不同特點進行了有針對性的地震易損性分析，在地震危險性分析、地震易損性分析和震災(zāi)評估等方面都取得了重大的成就，得出了較為系統(tǒng)和完整了土木工程地質(zhì)易損性研究結(jié)論與成果，起到了很好的震災(zāi)預(yù)測的實際效果。此外，尹教授還通過與國外專家者之間的相互學(xué)習(xí)、相互交流，并系統(tǒng)學(xué)習(xí)了美國斯坦福大學(xué)的地震易損性分析相關(guān)方面的課程，開發(fā)了對地震震災(zāi)進行系統(tǒng)預(yù)測的PDSM SM B-1地震易損性預(yù)測系統(tǒng)，大大加快了我國在地震易損性分析方面的研究進展。 此外，高小旺、張令心、鐘益樹等人也在地震易損性的研究領(lǐng)域內(nèi)作出了重要的貢獻，針對不同的土木工程結(jié)構(gòu)進行有針對性的震災(zāi)預(yù)測，加快了我國在地震易損性方面的研究進展，在此不一一細述。 4 目前地震易損性研究方面的問題與發(fā)展趨勢 4.1 地震易損性研究存在的問題 針對目前國內(nèi)外對地震易損性分析的研究現(xiàn)狀，在地震易損性分析領(lǐng)域還存在著很多問題，如輸入?yún)?shù)、破壞準則、分析類型、分析方法等方面都存在著很多問題。具體說來，在輸入?yún)?shù)上分析地震易損性方面我國還沒有取得相關(guān)的理論研究成果，并在易損性的分析上面過于依賴地震動輸入，僅僅用一個物理量來描述地震易損性顯然不可行，只能用多物理量來解決。在破壞準則方面，不同的破壞準則會帶來不同的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過不同的破壞準則計算出來的數(shù)據(jù)會有很大的差別，對于這種差別很大的情況人們顯得無所適從。另外，在分析類型和分析方法方面我國的地震易損性分析也存在著很大的問題，目前的計算類型與計算方法在運用的過程中計算量過大，對計算機的要求很高，通過分析得出的結(jié)果在可信度方面也不能令人滿意，這些都是我國在發(fā)展結(jié)構(gòu)地震易損性分析方面的主要問題。 4.2 地震易損性研究的發(fā)展趨勢 4.2.1 兩種地震易損性分析法的發(fā)展方向 目前國內(nèi)外對于結(jié)構(gòu)地震易損性的分析是基于經(jīng)驗分析法和理論分析法這兩種方法的研究成果之上發(fā)展起來的。對于經(jīng)驗易損性分析方法，在分析的準確性與可靠性方面有其無可替代的重要作用，是目前土木工程結(jié)構(gòu)地震易損性分析的重要方法。理論易損性分析方法可以通過比較相關(guān)的數(shù)值，對地震與土木工程破壞之間的關(guān)系進行分析和統(tǒng)計，進而對工程的抗震性進行評價。但這兩種方法又都有其局限性，因此，優(yōu)化目前的易損性分析方法是土木工程結(jié)構(gòu)地震易損性研究的未來發(fā)展方向。 4.2.2 經(jīng)驗與理論相結(jié)合的易損性分析方法 經(jīng)驗與理論結(jié)合的分析方法能夠充分利用兩種分析方法的優(yōu)點，盡可能地將所有的地震破壞因素都考慮在內(nèi)，并且采用理論分析與經(jīng)驗分析相結(jié)合的方式來分析工程的地震易損性，具有精確性和可靠性高的優(yōu)點，并能夠?qū)κ占降馁Y料進行排序，詳細地為人們提供地震易損性的分析結(jié)果，對建筑物的易損性進行系統(tǒng)、完整的分析，滿足人們對地震易損性的詳細程度和精確度方面的要求，是未來地震易損性研究分析的主要發(fā)展方向。 5 結(jié)語 土木工程結(jié)構(gòu)的地震易損性分析是土木工程項目在結(jié)構(gòu)損失分析中最重要的一部分，在結(jié)構(gòu)損失分析中處于核心地位，是工程項目設(shè)計、優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，要結(jié)合土木工程結(jié)構(gòu)地震易損性分析的研究進展與發(fā)展趨勢采取既包含經(jīng)驗分析又包含理性分析的易損性分析方法，把兩種分析方法結(jié)合起來，對結(jié)構(gòu)的地震易損性進行全面的分析。 參考文獻： [1]周艷龍，張鵬.結(jié)構(gòu)地震易損性分析的研究現(xiàn)狀及進展[J].四川建筑，2010（06）. [2]呂大剛，李曉鵬，王光遠.基于可靠度和性能的結(jié)構(gòu)整體地震易損性分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2011（04）. [3]呂大剛，宋鵬彥，于曉輝.土木工程結(jié)構(gòu)抗震可靠度理論的研究與進展[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009（14）. [4]于曉輝，呂大剛，王光遠.土木工程結(jié)構(gòu)地震易損性分析的研究進展[J].地震工程與工程震動，2009（14）.
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