国标《建筑抗震韧性评价标准》编制启动会于11月23日在清华大学召开

2017-11-24 陆新征等 陆新征课题组 陆新征课题组

一、抗震韧性的基本概念

(本节内容源自 《建筑抗震弹塑性分析(第二版)》,中国建筑工业出版社, 2015.)

2011年2月22日,在新西兰Christchurch市发生了一次6.3级地震。虽然这次地震震中就位于市中心,但是由于新西兰执行了严格的抗震设计,使得这次地震造成的建筑物倒塌和人员伤亡都很小。但是,这次地震后人们吃惊的发现,Christchurch市中心超过70%的建筑物都因为破坏过大而不得不拆除重建。其中,Christchurch市最高的51栋高层建筑,虽然没有一栋在地震下发生倒塌,但是其中的37栋却不得不被拆除(Wikipedia 2012)。由此造成的经济损失极其惊人,预计达到150亿美元 (Ponserre et al. 2011)。

Chirstchurch地震的沉重教训极大的震动了世界地震工程界。它表明,即便是按照现行抗震设计方法做得再到位,仍然不能避免震后整个城市需要拆除重建的风险。如果类似的灾难再次发生在东京、旧金山等经济发达的大城市,那整个城市拆除重建导致的后果将是难以想象的。因此,基于韧性(Resilience)(也被称为“基于可恢复能力”)的抗震设计,成为近年来国际地震工程界非常关注的话题。

韧性抗震减灾概念最早在2003年由Bruneau等提出(Bruneau et al. 2003),它要求一个城市、或社区、或建筑物,在灾害发生时其损失要尽可能的小,在灾害发生后其恢复正常功能的时间要尽可能的短。以图1为例,一个城市、社区或建筑物,在没有地震时,其处于一个稳定的状态,灾难一旦发生,则其功能会有一个迅速的下降,而后通过灾后重建恢复,其功能又逐渐得到回升。显然,如果这个城市、社区或建筑物在灾害下功能下降得越少,灾后恢复的时间越短,则灾害造成的影响也越小,也就是说,这个城市、社区或建筑物的韧性也就越强。

图1 可恢复功能的基本概念


Bruneau等(Bruneau et al. 2003)提出了4个“R”来评价韧性,即“Robustness,Rapidity,Resourcefulness和Redundancy”,其含义为:

Robustness:就是工程结构或社区应该有抵抗灾害的能力,在灾害作用下损失应该尽可能的小。对于地震灾害而言,工程结构的抗震能力是Robustness的核心环节。

Rapidity:就是一旦灾害发生后,能够迅速有效的采取减灾救灾措施。包括灾前的各种预案、演习等等都是确保Rapidity的关键。

Resourcefulness:就是灾害发生后,要有足够的资源来满足灾后应急和重建的需要。包括灾前的各种物资储备以及灾害发生后及时的物资调度等等。

Redundancy:就是灾害的发生导致社区或城市部分功能失效后,要有备用的手段。例如灾害导致某条交通路线中断后,要有其它备用路线来完成人员和物资的运输。

显然,相比起传统的性能化抗震设计,基于韧性的抗震设计考虑的因素更加全面,也更符合工程抗震防灾的实际需求。因此,这一思想提出后,得到学术界和工程界广泛的重视。

基于韧性的抗震设计和基于性能抗震设计之间的关系可以用图2来简要概括。图2中黑色线框为常规基于性能抗震设计已经考虑的内容。而虚线框中则是基于韧性的抗震设计增加的内容。可见基于韧性的抗震设计是以往性能化抗震设计的合理发展和延伸。

图 2 基于韧性抗震设计的基本框架


我国抗震规范,从89版开始就提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的目标,这是非常先进的。但是对于如何判断是否“中震可修”,如何评价达到“大震不倒”的要求,其具体措施还不完备。而性能化设计的发展,通过地震危险性分析、结构弹塑性分析和结构损失分析,给出了“中震可修”、“大震不倒”的具体量化评价方法。例如可以通过地震危险性分析,选择合理的地震动输入;进而通过弹塑性计算,获得结构构件的变形大小;最后把计算得到的构件变形与损伤阈值进行对比,判定构件当前的损伤状态,进而给出结构整体的损伤程度或者抗倒塌能力评价,这是非常重要的进步。

但是传统的性能化设计,并不能回答结构“值不值得修”,“需要花多大的代价、多长的时间去维修”这样的问题。最后也就出现了前文所述的Christchurch地震的后果:结构没有倒塌,但是维修代价太大,或者维修时间太长,虽然“可修”,但是根本不值得修,只好拆除重建。而基于韧性的抗震设计,就是要进一步回答:修复到底需要多大的代价、多长的时间,地震带来的功能停滞会造成多大的经济损失;另外,如果希望工程结构在地震后功能恢复时间以及经济损失都控制在预期标准内,需要在应急预案、物资储备、备用手段方面做哪些准备,等等。因此,基于韧性的抗震设计可以进一步指导工程结构的利益相关者采取更加合适的措施,去改进或提高其可恢复功能能力,或者采取其它的防灾备灾预案,从而达到更加有效的减灾目标。


二、《建筑抗震韧性评价标准》的目标与大纲

长久以来,工程抗震设计领域只有“符合规范”的结构和“不符合规范”的结构,结构工程师的水平和主观创造性得不到足够的认可。从而在工程设计界产生了两个不好的趋势:一方面对于常规的工程结构,由于在“符合规范”和“不符合规范”之外没有合适的评价指标,业主没有主动提高结构抗震性能的积极性,往往强迫工程设计人员按照规范的最低标准进行设计,产生了很多所谓“保证最小用钢量合同”,“抽筋师”等不合理行为,阻碍了工程抗震安全水平的提高。另一方面由于常规工程中结构工程师的价值难以得到体现,使得结构设计片面追求“高”, “大”, “长”, “怪”等,也不符合科学发展的要求。

因此,随着基于韧性的抗震设计日益在国内外受到关注,清华大学联合中国地震局工程力学研究所、中国建筑科学研究院、北京市建筑设计研究院、同济大学、ARUP工程咨询公司等多家机构,组织编写国家标准《建筑抗震韧性评价标准》(国标委综合[2017]84号文件),由清华大学土木工程系系主任潘鹏教授担任主编。

图3 编制组合影


《建筑抗震韧性评价标准》计划包括11章的内容(1. 总则;2. 术语和符号;3. 一般规定;4. 分析模型及方法;5. 结构构件易损性;6. 非结构构件易损性;7. 建筑损伤状态计算方法;8. 直接经济损失评价;9. 修复时间评价;10. 人员伤亡评价;11. 抗震韧性评级)。

本标准希望在充分参考国内外已有研究成果和工程经验的基础上,结合我国建筑实际和工程需求,针对建筑的抗震设计成果,基于客观可操作的抗震韧性评价标准,给出一个易于理解的抗震韧性评价结果。其最终目的是使得优秀的抗震设计成果得以体现,推动业主和住户重视提升工程抗震性能,积极采纳先进工程抗震技术。


三、本课题组在抗震韧性方面开展的研究工作

2012年,清华大学联合同济大学、美国斯坦福大学和加州伯克利大学,申请到了中国国家自然科学基金和美国国家科学基金联合资助项目:“High-fidelity simulation of structural response and performance-based seismic design for earthquake-resilient super-tall buildings”,针对超高层建筑的抗震韧性问题进行了深入研究。本课题组在该项目及其他相关项目的支持下,主要开展了以下三个方面的研究工作:

3.1 高层建筑抗震韧性评价研究

基于目前国际上主要的抗震韧性评价标准,即美国的FEMA P-58,我们对按照中美规范设计的高层建筑进行了详细的抗震韧性对比,其内容可参阅“Quantifying the seismic resilience of two tall buildings designed using Chinese and US codes, Earthquakes and Structures, 2016”。其结论为:按照中国规范设计的高层建筑,因为刚度较大,因此在大约50年一遇地震(频遇地震)和大约500年一遇地震(设防地震)作用下,经济损失比按照美国规范设计的结构要小,2500年一遇地震(罕遇地震)作用下,二者经济损失相当。从修复时间上看,按照中国规范设计的高层建筑在频遇地震和设防地震下修复时间较短,但是在罕遇地震下修复时间要长一些,因为按照中国规范设计的高层建筑结构受损构件更多,修复时间更长。

图4 中美高层建筑抗震韧性对比

图5 中美高层建筑地震经济损失对比

图6 中美高层建筑震后修复时间对比


另外,我们还对比了北京某典型超高层建筑不同结构方案的抗震韧性,其内容可参阅“Development and application of a simplified model for the design of a super-tall mega-braced frame-core tube building. Engineering Structures, 2016”。结果表明,该超高层建筑改进后的结构方案,在罕遇地震作用下地震能量耗散主要通过连梁完成,震后易于修复,更加符合韧性抗震的设计原理。

图7 典型超高层建筑不同结构方案抗震韧性对比

图8 原方案不同构件耗能情况

图9 改进方案不同构件耗能情况


3.2 符合韧性抗震原理的新型结构构件研发

基于韧性抗震原理,尽量避免难于更换的构件损伤,采用易于更换的构件作为结构的耗能构件,我们开发了新型BRB-高强钢伸臂桁架,其内容可参阅“Experimental study and finite element analysis of energy dissipating outriggers. Advances in Structural Engineering, 2017”。通过采用高强弦杆和狗骨式节点,从而有效提高伸臂桁架的弹性变形能力。通过采用可更换的BRB,满足大震下耗能需求。

图10 新型BRB-高强钢伸臂桁架

图11 新型BRB-高强钢伸臂桁架可提升大震可恢复能力


此外,我们还研究了端部带摩擦阻尼器的耗能伸臂桁架结构,其内容可以参阅“带端部阻尼器伸臂桁架的抗震性能试验研究, 工程力学, DOI:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.04.0318,试验结果表明,端部摩擦阻尼器可以充分耗能,且地震后可以快速修复。伸臂桁架主体保持弹性,避免地震损伤,从而达到韧性抗震的设计目标。

图12 端部带摩擦阻尼器伸臂桁架

图13 加载过程中阻尼器充分耗能

图14 加载结束后阻尼器可迅速修复重新使用,伸臂桁架主体保持弹性


3.3 城市与区域的抗震韧性评价

从单体建筑出发,结合我们研发的城市抗震弹塑性分析方法,可以开展整个城市与区域的抗震韧性评价,其内容可以参阅“Application of the FEMA-P58 methodology for regional earthquake loss prediction, Natural Hazards, 2016”。由于城市抗震弹塑性分析可以得到每栋建筑不同楼层的层间位移结果和楼层加速度结果,也就是建筑抗震韧性评价所需的EDP都有了,只要提供建筑内部的结构和非结构构件信息,就可以评价整个区域的抗震韧性。我们以清华大学校园为例进行了区域抗震韧性评价,发现罕遇地震下清华校园里面主要的震损来源是破坏后难以修复的建筑导致损失。该结论和Christchurch等近年震害结论相同。

图15 清华校园地震损失分析


类似的,我们开展了北京CBD、西安灞桥区等城市区域的震害分析,其内容可以参阅“Earthquake Disaster Simulation of Civil Infrastructures: From Tall Buildings to Urban Areas, Singapore: Springer, 2017”第十一章“Earthquake Disaster Simulation of Typical Urban Areas”。结果都表明:罕遇地震下建筑震害导致的经济损失非常大,常规抗震设计方法或加固方法对控制罕遇地震下的经济损失仍然比较困难。该方法还被美国国家科学基金重大平台NHERI SimCenter采纳,用于美国旧金山湾区184万建筑的抗震韧性分析。

图16 西安灞桥区建筑加固后损失变化分析

图17 北京CBD高层建筑地震损伤分析

图18 美国旧金山湾区184万建筑在预设地震情境下的损失分析

图19 美国旧金山湾区184万建筑在预设地震情境下的修复时间分析


相关资料

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