中国高地震风险区基于性能的建筑直接经济损失估计

论文摘要

各次大地震的震后调查和统计分析均表明,由结构破坏引起的直接经济损失非常大,于是美国太平洋地震工程研究中心（PEER）在21世纪初提出了采用概率方法的第二代基于性能的地震工程用于基于性能的估计和设计,以指导地震风险决策、有效降低未来地震损失。本文采用基于性能的直接经济损失估计方法分别估计了由地震风险引起的两幢六层框架办公建筑的期望损失。这两个框架建筑分别处于中国高地震风险区包头（抗震设防八度（0.3g）区）和昆明东川（抗震设防九度（0.4g）区）。本文通过估计建筑直接损失期望,检验了中国建筑规范在直接经济损失这个性能指标方面的有效性和合理性。本论文主要进行了下列研究工作:①选择峰值地面加速度PGA作为地震风险度量指标IM,获取包头（0.3g）和昆明（0.4g）两个城市的地震风险曲线,即峰值地面加速度的年平均超越概率。②对严格按中国混凝土规范（GB50010-2002）和抗震规范（GB50011-2001）等中国建筑标准的最低限分别设计的抗震设防烈度为八度（0.3g）区和九度（0.4g）区的钢筋混凝土框架办公楼,采用双频段选波法选择了合适的地震地面运动的加速度记录。用地震工程模拟开放系统（OpenSees）和增量动力分析法（IDA）计算结构在地震下的反应,获取工程需求参数EDP。将EDP随IM不同而变化的规律P（EDP│IM）模拟为对数正态累积分布,用改进的极大似然法得到了EDP均值和对数标准差随IM变化的函数表达式。③利用已有的钢筋混凝土结构各构件和非结构构件的易损性函数得到EDP条件下各构件在各损伤状态DS下的概率（P DS = dsi|EDP = edp）。④用中国建筑成本数据计算构件价值L。利用各构件各损伤状态对应的标准化经济损失期望和EDP条件下各构件各损伤状态的概率计算各构件在结构不倒塌、EDP条件下的标准化损失期望。再利用EDP在IM条件下的概率计算各构件在结构不倒塌、IM条件下的标准化损失期望。将各构件的标准化损失期望和构件价值相乘再累积求和得到结构不倒塌、IM条件下建筑的损失期望。然后再计算建筑在IM条件下倒塌的概率P（C│IM）。最后求得建筑在IM条件下的损失期望和建筑年平均损失期望。初步评估了按中国规范设计的八度（0.3g）区和九度（0.4g）区框架建筑的地震直接经济损失的合理性。通过上述分析,本文得出了如下结论:①EDP的均值基本上随着IM的增大而增大,但是八度（0.3g）区框架第四层的最大层间位移角IDR4在IM大于35m/s2后有下降趋势,九度（0.4g）区的框架第四层和的第六层最大层间位移角IDR4和IDR6分别在IM大于80m/s2和60m/s2后有下降趋势。说明EDP值在IM达到一定程度后有饱和。而EDP的对数标准差随IM的增大的变化幅度不大。②柱转角占层间位移角的比例随楼层不同变化较大,底层柱转角占层间位移角的比例较小,顶层柱转角占层间位移角的比例较大。柱转角占层间位移角的最大比例随地震地面运动强度的增加有一定程度的增大,但增大的程度不如随楼层增加而增大的程度大。③非结构构件在建筑总价值中所占比重大于结构构件所占的比重,且非结构构件损失也大于结构构件损失。对于结构构件,八度（0.3g）区的结构在结构未倒塌情况下,一、二、三层的结构构件在IM条件下的损失期望比较大,尤其是第三层,4-6层的结构构件在IM条件下的损失期望相对较小;九度（0.4g）区的结构在结构未倒塌情况下,一、二、六层的结构构件在IM条件下的损失期望比较大,尤其是第六层,另外三层的结构构件在IM条件下的损失期望相对较小。对于非结构构件,第二、三、四层构件在大震下的损失期望相对于其他三层来说更大。④八度（0.3g）区和九度（0.4g）区的框架结构均在各层层间位移角最大值达到0.1时接近倒塌。⑤严格按规范设计的八度（0.3g）区和九度（0.4g）区钢筋混凝土框架办公楼在多遇烈度水准、设防烈度水准、罕遇烈度水准下的损失比都较为一致。在多遇烈度水准下,建筑直接经济损失约占建筑总价值的1.5%;在设防烈度水准下,建筑直接经济损失约占建筑总价值的10%;在罕遇烈度水准下,建筑经济损失约占建筑总价值的20%。在上述三个地震强度水准下的建筑直接经济损失比均在可以接受的范围内。⑥包头（八度（0.3g）区）钢筋混凝土框架办公楼的年平均损失期望大约为昆明东川（九度（0.4g）区）钢筋混凝土框架办公楼的年平均损失期望的一半,主要原因在于昆明的地面运动峰值加速度年平均超越概率在多数地震强度下均高于包头的地面运动峰值加速度年平均超越概率。总的来说,两个框架建筑的年平均损失期望值都较小,正常运营条件下远小于年收益额,证明建筑设计在直接经济损失这个性能指标方面的有效性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 具体建筑直接经济损失估计研究的发展历程
• 1.2 “第二代PBEE”的理论框架及损失估计的最新研究成果
• 1.2.1 PBEE 损失估计目标
• 1.2.2 PBEE 损失估计方法
• 1.3 基于构件的直接经济损失估计
• 1.4 基于层的直接经济损失估计方法
• 1.5 损失分解方法
• 1.6 易损性函数的确定方法
• 1.6.1 实验法
• 1.6.2 经验法
• 1.7 损失估计工具箱简介
• 1.8 国内建筑经济损失估计介绍
• 1.9 本文的研究目的
• 1.10 本文的主要研究内容
• 2 场地地震风险和地震波的选取
• 2.1 地震风险
• 2.2 结构设计
• 2.3 地震波的选取
• 2.4 本章小结
• 3 结构非线性反应分析
• 3.1 OpenSees 程序简介
• 3.2 本文所涉及的OpenSees 模型介绍
• 3.3 非线性反应分析结果
• 3.3.1 不同地震波输入下各层EDP-PGA
• 3.3.2 各层 EDP 在给定 IM 值下均值和对数标准差的估计
• 3.3.3 各层EDP 在IM 条件下的概率
• 3.3.4 柱构件和梁柱节点构件的IDR 取值
• 3.4 本章小结
• 4 建筑经济损失期望估计
• 4.1 易损性函数的选用
• 4.2 构件价格的确定
• 4.3 由结构不倒塌构件修复或重置引起的损失
• 4.4 结构倒塌概率估计
• 4.5 建筑总损失
• 4.6 建筑年平均损失估计
• 4.7 建筑经济损失合理性评价
• 4.8 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 本文的研究工作和主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录