关键词:
抗震韧性
震后恢复
地统计学
损失评估
区域工程结构
博弈论
结构功能
易损性
摘要:
地震往往会造成严重的经济损失、人员伤亡和环境影响,我国是受地震影响最严重的国家之一。大量震害调查表明,地震造成的间接经济损失可能超过甚至远远超过直接经济损失,而震后建筑、桥梁等工程结构的功能无法快速恢复到震前水平是造成间接经济损失的主要原因。虽然按照当前抗震规范对结构进行设计能够有效减少结构破坏,进而减少直接经济损失和人员伤亡,但巨大的间接经济损失使人们认识到,地震作用下不仅要保证结构功能能够维持在可接受的水平,而且也要保证这些结构能够在震后快速恢复。抗震韧性是评估结构抗震性能、地震损失和震后恢复的综合指标。震前对单体结构或区域工程结构进行全面的、可靠的抗震韧性研究,并对不满足预期韧性目标的结构进行加固或拆除重建,将有效减少结构破坏并极大缩短震后恢复重建所需时间,进而减少人员伤亡、直接和间接经济损失以及地震对人们生产生活造成的其他影响。本文在已有研究的基础上,采用理论分析与案例研究相结合的方法,对单体建筑、群体建筑、桥梁结构以及由建筑和桥梁组成的区域工程结构的抗震韧性进行系统的研究。主要研究内容如下:
(1)根据地震工程学理论,提出了结构破坏影响评估模型。该模型考虑了修复费用、间接经济损失、修复时间、非理性中断时间、人员伤亡和停用概率等重要性能指标。建立了多层RC框架办公建筑、住宅建筑、学校建筑和公共服务性建筑的非线性有限元分析模型,地震作用下评估各建筑物的修复费用,进而对各建筑物的直接损失比进行评估。与现有RC框架结构直接损失比推荐范围相比,验证了本文提出的结构破坏影响评估模型的准确性。
(2)基于结构破坏影响评估模型、建筑功能相互依赖模型、结构类型和建筑类别等,提出了群体建筑功能分析模型。根据结构破坏影响评估模型,分别计算多层RC框架和钢框架办公建筑、住宅建筑、学校建筑和公共服务性建筑的功能损失比。根据结构易损性分析和功能损失比评估各单体建筑物的功能。根据单体建筑功能及相互依赖关系模型等,评估群体建筑的功能。
(3)考虑现有震后功能恢复模型并结合建筑震后功能恢复实际情况,提出了单体及群体建筑震后功能恢复模型。该模型兼备了直线型、指数型等常用的单体建筑恢复模型的特性,它不仅适用于单体建筑,也适用于群体建筑。基于456栋建筑震后恢复统计数据,验证了提出的恢复模型的有效性并标定模型中的相关参数。基于结构破坏影响评估模型、单体建筑功能分析模型、群体建筑功能分析模型、单体及群体建筑震后功能恢复模型等,建立了单体及群体建筑抗震韧性分析框架。以某简化的群体建筑为例,说明了提出的群体建筑抗震韧性分析框架的实际应用。同时,以新型自复位钢框架为例,说明了提出的单体建筑抗震韧性分析框架的适用性。
(4)根据桥梁结构易损性分析、震后因桥梁关闭造成的附加距离成本和时间成本等,提出了桥梁功能分析模型。考虑桥梁震后功能恢复实际情况,提出了桥梁震后功能恢复模型。基于桥梁震后功能恢复统计数据,验证了提出的功能恢复模型的有效性。基于桥梁功能分析模型和桥梁震后功能恢复模型,建立了桥梁抗震韧性分析框架。为了提高桥梁的抗震性能,采用7种方案加固非抗震设计的桥梁。根据提出的韧性分析框架评估未加固和加固后桥梁的抗震韧性。基于加固前后桥梁的抗震韧性、加固成本和未加固桥梁的重置费用,提出了基于抗震韧性的成本效益分析方法。以某非抗震设计的桥梁为例,说明了提出的桥梁抗震韧性分析框架和基于抗震韧性的成本效益分析方法的实际应用。
(5)基于地统计学原理,提出了场地与场地之间地震动强度相关性分析模型。基于博弈论中完全信息静态博弈,提出了区域工程结构抗震韧性评估方法。根据群体建筑抗震韧性分析框架、桥梁抗震韧性分析框架、基于地统计学原理的相关性分析模型、地震动衰减关系和博弈论等,建立了区域工程结构抗震韧性分析框架。以某简化后的区域工程结构为例,说明了提出框架的可行性。同时,研究了抽样次数、抽样方法、场地与场地之间相关性对区域抗震韧性的影响,比较分析了基于传统方法和博弈论的区域抗震韧性。