从韧性说起

2021-11-30 22:32:38

韧性Resilience最早用来描述生态系统在遭受环境扰动时，恢复到正常状态的能力。Michel Bruneau教授最早将这个概念引入到土木工程领域中，希望建筑、社区乃至城市能够在灾害发生后，快速恢复到灾害前的功能水平，以最小化灾害所带来的影响。近年来，我国地震灾害频发，不仅给社会生活生产带来极大损失，也严重威胁到人民的生命财产安全，为此，韧性城市成为舆论关注的热点。中国建筑标准设计研究院工程技术研究所所长邓烜认为，韧性城市理念有多个维度，提高建筑物抗震韧性便是其中之一。
国内相关规范、条例中也明确指出有关建筑震后使用功能的相关要求。

其中《建筑工程抗震管理条例》（征求意见稿）中指出：
位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、应急指挥中心、应急避难场所等公共建筑应当采用隔震减震技术，保证发生本区域设防地震时不丧失建筑功能。”

《建筑隔震设计标准》中指出：
“为贯彻执行国家有关建筑工程防震减灾的法律法规，实行以预防为主的方针，使建筑采用隔震技术后，地震安全性得到进一步提高，遭遇设防地震后建筑使用功能不中断，避免人员伤亡和次生灾害，减少社会影响和经济损失，制定本标准。”

本文将从传统建筑地震下的表现入手，分析造成建筑功能丧失的主要原因；
介绍现有抗震韧性的评价方法，并通过案例分析对比不同结构方案对抗震韧性的影响；
最后，提出了一种便于工程人员实际操作的抗震韧性评价方法。

一、建筑地震表现

按照现行规范设计建造的建筑，基本满足了小震结构不发生破坏、大震结构不发生倒塌的要求。然而，人们从历次地震中发现，传统的设计方法有效减轻了地震破坏，但由于建筑功能丧失所造成的经济损失依旧巨大。引起建筑功能丧失的主要因素体现在以下三个方面：
①结构安全性的丧失；

②非结构构件的破坏；

③设备机能的丧失；

以上提到的三方面，使传统建筑结构很容易在地震灾害下成为“站立的废墟”，即建筑震后功能无法得到有效保证。为了体现以上三方面对建筑震后使用功能的影响，国内外学者对建筑抗震韧性进行了量化。

二、建筑抗震韧性的量化方法

相比于直接量化建筑抗震韧性，量化震后建筑的修复花费、修复时间及人员伤亡，可以更加直观、方便地评估建筑震后功能的可持续性。《建筑抗震韧性评价标准》中根据建筑在地震下修复花费、修复时间及人员伤亡的评级结果，将建筑的抗震韧性分成三个星级。美国联邦应急管理署FEMA于2012年颁布了FEMA-P58，通过结构层间位移角、楼面加速度等指标量化了震后建筑的修复花费、修复时间及人员伤亡，为建筑震后功能可持续性的评估提供了帮助。

下面将简单介绍FEMA-P58对修复花费、修复时间及人员伤亡的计算流程：

从整体的角度来说，FEMA-P58是基于概率的评估方法。通过蒙特卡洛模拟的方法，充分考虑了地震动不确定性、工程需求参数不确定性、结构损伤状态不确定性等等。最终的计算结果将以某一分位值作为计算结果的代表值。
从计算流程中可以看出，构件易损性作为联系工程需求参数与构件损伤状态的“桥梁”是十分重要的。构件易损性曲线描述了构件在某一给定的工程需求参数下发生不同程度损伤的概率分布情况。
下图为某一钢筋混凝土梁柱构件的易损性曲线，横轴为最大层间位移角，纵轴为构件在不同损伤状态（Damage State, DS_i）下的超越概率。为了方便理解，这里以层间位移角为4%为例来说明。图中A、B、C、D的高度分别代表了当最大层间位移角为4%时，该类构件未发生损伤、发生轻微损伤、发生中等损伤与发生严重损伤的概率。
可以看出，随着最大层间位移角的逐渐增大，该类构件发生较严重损伤的概率逐渐变大，相应的修复时间与修复花费也随之增高。不同损伤状态所对应的修复花费与修复时间往往存在巨大差异，这是由于相应修复手段的差异所造成的。

钢筋混凝土梁柱构件的易损性曲线

除了结构构件的易损性信息，非结构构件与建筑设备的易损性信息是更加值得注意的，它们往往是造成建筑物使用功能中断的主要原因。与结构构件不同的是，非结构构件与建筑设备的损伤情况往往对楼面加速度等工程需求参数更加敏感。下图中给出了建筑吊顶系统的易损性信息。

建筑吊顶系统的易损性曲线

有了建筑结构中主要构件与建筑设备的易损性信息，便可以计算得到建筑结构的修复花费、时间与人员伤亡，从而进行建筑结构抗震韧性的评估工作。

三、案例分析

下面将以一个实际的工程项目为例，通过计算罕遇地震下的修复时间与修复花费来评估其抗震韧性。此外，分别对采用传统结构方案、基础隔震方案与减震方案的建筑结构进行计算，量化采用不同结构方案对建筑抗震韧性的影响。
某幼儿园项目，主体结构三层，无地下室，钢筋混凝土框架结构。设防类别为乙类重点设防，抗震设防烈度：8度半，场地特征周期0.55s。所考虑的建筑内容中结构构件包括框架梁与框架柱；非结构构件包括建筑幕墙、内隔墙、吊顶、吊灯、给水系统、排水系统、喷淋系统、应急发电机、空调机组与置物架。
三种结构方案在罕遇地震下工程需求参数平均值的计算结果如下：

将多次罕遇地震作用下工程需求参数的计算分析结果输入到程序中，程序会对工程需求参数矩阵进行扩充，并采用蒙特卡洛模拟的方法计算每一工程需求参数向量所对应的修复时间与修复花费，最后将以某一分位值的修复时间与花费作为计算结果代表值。这里以84%分位值为例，对比不同结构方案的修复时间与修复花费。

从计算结果中可以发现，采用隔震方案可以大幅降低结构的修复时间与修复花费，根据《建筑抗震韧性评价标准》中的有关评价标准，可获得抗震韧性三星；减震结构与传统结构无法获得抗震韧性星级评价。即本案例采用基础隔震方案可以有效保证建筑在地震灾害后的功能可持续性，大幅降低震后的修复花费与修复时间。

四、今后待解决问题

通过以上对抗震韧性评估方法的介绍及案例分析，大家对抗震韧性评估的基本流程已经有所了解。然而，这样的方法虽然有相对完善的理论基础，但仍有以下三个丞待解决的问题：
①基于概率方法来进行韧性评估，理论复杂，且不易于工程人员使用；
②需要相对精确的建筑内容信息，统计困难；
③需要建立庞大且繁杂的本土化构件易损性信息数据库，工作量大。为了解决以上提到的三点问题，这里尝试建立相对明确的层间位移角和楼面加速度限值，以将建筑功能可持续性分为优、良、差三个等级，以极大方便在实际工程中考虑建筑抗震韧性的问题。

经过初步试算，将不同结构类型下层间位移角和楼面加速度的限值列于下表：

五、小结

1、为了实现建筑功能可持续的目标，应在结构设计阶段综合考虑结构变形、楼面加速度等指标，减小建筑物内非结构构件与建筑设备的破坏，提高建筑抗震韧性；
2、对于低矮建筑结构，采用隔震技术可显著降低结构变形与楼面加速度，更容易实现震后功能可持续优的目标；
3、应建立便于工程人员实际操作的建筑抗震韧性评估方法。尽管本文尝试给出了限值的初步计算结果，但这一领域还有待进一步研究。