第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 新一代建筑抗震性能评估方法 梁兴文吴继伟朱汉波 （1西安建筑科技大学土木工程学院陕西西安：710055：2台州职业技术学院） 摘要：介绍了FEMAP58提出的新一代建筑抗震性能评估方法.
此法能用于新建筑和既有建筑的抗震性能评估，能够评 估未来地震下单个建筑的反应结果：评估结果用包括人员伤亡、修复和重建造价、能源消耗和碳排放量以及居住中断时 间等的概率分布表达，便于设计人员与业主、投资人或房屋用户等进行沟通：设计人员通过计算性能指标，可以比较不 同结构体系潜在年平均地震风险或不同抗震加固方法的效果：业主可根据性能指标作各种决策，如结构体系的选择及房 屋成本控制等.
本法可对某一特定地震动强度、或某一震级、震中距地震以及某一时间段内可能发生的全部地震情况下 的建筑抗震性能进行评估.
关键词：地震动强度：抗震性能评估：性能指标：修复造价：人员伤亡 0引言 目前的结构抗震性能设计与评估方法用离散方法表达结构的性能水准，如“正常使用”“生命安全” 和“防止倒塌”等：一般以结构的反应加速度、位移、构件内力等业主及一般人较不熟悉的参数为性能 指标，造成工程师与业主及房屋使用者沟通困难.
另外，由于地震强度、材料性能、结构反应和破坏情 况等，均具有不确定性，所以用概率方法处理各种参数的变异性更有实用意义.
鉴于此，FEMAP-58-21 用关键地震性能指标的概率表达地震性能，称为性能函数，如图1所示，关键地震指标包括人员伤亡 （casualties）、修复造价、修复时间和环境因素（CO排放量、能源消耗和垃圾填埋等）等.
地震损失 概率按下式确定[3]： 地震损失概率=IJ{PM/DS}{DS/EDP}{EDP/1}d (1) 式中：PM表示性能指标（performancemeasure），如对应于某一损伤状态（DS）的修复造价等：EDP 表示工程需求参数（engineeringdemand parameter），如对于某一地震动强度（I），构件塑性转角需求的 反应量等.
0.8 06 0.4 0.2 实际数信 图1典型的性能函数 基金项日：国家自然科学基金资助项日（51278402，51078305)）：长江学者和创新团队发展计划资助（PCSIRT）.
作者简介：梁兴文，男，1952.3出生，教授.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 1评估方法 FEMAP-58法可用三种方法进行建筑抗震性能评估.
（1）基于地震强度的评估（Intensity-based assessments），即基于特定地面运动强度（如阻尼比为5% 的弹性加速度反应谱）确定性能函数，评估房屋在某一选定的地震强度下，其抗震性能指标（人员伤亡、 修复或重建费用、居住中断时间等）的概率分布.
此法主要解决两个间题：1）如果某一房屋遗遇相当于其设计地震强度的地震（基本烈度地震），所 遇相当于其罕遇烈度地震强度的地震，平均而言，需要多长时间能够修复.
图2表示对某一房屋进行4种不同强度地震的性能评估结果，地震强度等级由11至14（相应于小 震、中小地震、中震和大震）依次递增.
每条曲线表示某一强度地震下，修复费用超过某一特定金额之 概率.
9′0 一联坏等级： 0.4 一平等证？
一坏等能3 环等4 34567 总修复成本（百万美元） 图24种强度地震等级房屋修复费用超概率曲线 （2）基于建筑场地情境的评估（Scenario-based assessments），即基于建筑场地的震级和震中距的 特定地震情境确定性能函数，评估房屋在某一地震情境事件发生后，其抗震性能指标（人员伤亡、修复 或重建费用、居住中断时间等）的概率分布.
地震情境事件包括两个重要参数：地震震级和场地距断层之距离.然后根据地震震级和震中距确定 地震动强度参数.
一般用适用于该场地的地震衰减率模型推算具有5%阻尼比弹性加速度反应谱，包括 反应谱平均值和变异系数.
这种评估方法应考虑反应谱值的变异性对结构反应和抗震性能指标的影响.
这种评估拟解决两个间题：1）如果距离某一房屋xkm处发生M级地震，该房屋所需的平均修复 费用为多少？
修复费用超过某一值（如100万元）的概率为多少？
2）若某断层发生M级地震，位于某 地的某一建筑受损，死亡人数超过y人的概率为多少？
评估结果与图2相同.每一地震情景的抗震性能评估会产生一条概率曲线，表示某一房屋在该地震 情景下，性能指标超过某特定数之概率.
（3）基于地震危险性的评估（Time-based assessments），即考虑建筑使用期间可能发生的地震 情况和每种情况下的年超越概率确定性能函数，评估房屋抗震性能指标的年超越概率：也可推算在某一 时间段内，抗震性能指标超越某个数值的概率.
地震灾害曲线(seismic hazard curve)是概率地震危险性分析(probabilistic seismic hazard analysis）的结 果，表示某一场地地震强度（可以是最大地表加速度或某周期的加速度反应谱值）的年超越概率，如图3 所示.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 评估结果如图4所示.
横坐标为房屋性能指标（此处为修复费用），纵坐标为年超越概率.
由图4 可见，本例修复费用超过100万元之年超越類率约为0.5%.
图4曲线所围的面积即为潜在的地震灾害 所导致之年平均修复费用，约为34.000元.
此值可作为保险公司制订保险费的依据.
200 0.06 0.04 年0.02 0.1 0.20.3 0%0.50.60.70.80.9 地霸强度 图3地震危险性曲线与地震强度参数 0.06 0.04 0.02 0.5 1.5 总修复费用 2 2.5 3 3.5 图4总修复费用年超越概率曲线 修复费用为多少？
修复费用超过某一数值的年超越概率为多少？
2）某一办公大楼，在未来30年内，因 地震而需停工超过一个月的概率为多少？
2评估过程 该法的评估过程如下： （1）建立建筑物的性能模型： （2）确定建筑物的地震风险水平（地震动强度）： （3）模拟建筑物的地震反应： （4）建立建筑物的倒塌易损性函数： （5）计算性能函数（包括人员伤亡、修复或重建费用、居住中断时间等的概率分布）.
2.1建筑物的性能模型 建筑物的性能模型是结构和非结构构件以及体系对地震损伤引起的易损性的一种分类.
构件分
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 易损性组为对地震损伤具有相似敏感性和相似后果的一类构件，如混凝土外挂板、装饰玻璃、天花 板吊顶、石膏板、照明吊灯等.
每个易损性组依据NIST统一格式分类，内容包括：构件描述：可能的 损伤状态描述：损伤参数识别：每个损伤状态对应的反应参数的均值和离差：各损伤状态之间的逻辑关 系：描述损失分布的结果函数.
对于损伤状态，FEMAP-58法选用离散状态表示，它是与修复方法、 生命损失、或震后居住状况相关的唯一结果.
例如，对于混凝土墙，第一个损伤状态是包括用环氧 注入的裂缝大小和严重程度：第二个损伤状态是除环氧注入裂缝以外，需要重新浇筑混凝土的裂缝和混 凝土剥落部分：第三个损伤状态是与需要置换墙相关的钢筋屈服和压曲.
性能组包括符合特定易损性组、且遭受相同地震需求的建筑构件，地震需求可以是楼面峰值加速度 或层间侧移.
例如，一个三层建筑的外挂墙可能有六个不同的性能组，每组包括特定层和特定方向，建 筑物侧移在每个方向可能不同， 结果函数（Consequence functions）是考虑造价和效益不定性的统计分布，可根据修复量和难易程 度调整.
FEMAP-58报告提供了700多个易损组的全部数据，包括结构和非结构构件的变化.
易损组库包 括混凝土、砌体、钢和木结构体系，建筑物外围护构件和玻璃幕墙，电梯，机械、电器和管道体系.
提 供的不同易损性规定考虑了不同的抗震构造情况，这些易损性组应用峰值楼面加速度或峰值层间侧移作 为需求参数确定损伤状态.
未采取固定措施构件的滑移和倾覆用峰值速度作为预测需求.
建筑物人口模型（Building population models）用于确定人员伤亡，是每1000f²楼层空间中每一天 的不同时段以及每周的不同天的人员数目.
FEMAP-58报告提供了8类不同建筑物的人口模型，包括 教育、医疗保健、招待、办公、研究、住宅、零售和仓库建筑.
2.2建筑物的地震反应模拟 FEMAP-58方法允许采用两种方法计算结构的地震反应.
优先采用非线性动力分析方法，用目标 地震动强度表示的多组地面运动进行分析.
根据多组分析结果，提取关键反应参数的均值和变异系数， 以及相关矩阵和变异性.
对于具有中等非弹性需求的低、中层结构，可采用简化分析方法，即采用弹性等效侧向力方法.
残余侧移（Residualdrift）是确定损失的一个重要参数.
FEMAP-58方法推荐将残余侧移作为峰值 瞬时侧移的一部分，如用峰值瞬时侧移与屈服侧移之比来度量，宜考虑非弹性反应量.
2.3地震风险水准 表征灾害地震的方式取决于评估类型和选用的结构分析方法.
对于基于地震烈度的评估，必须选用与能够表示相应烈度的弹性加速度反应谱.
如果采用简化方法 进行结构分析，则需要确定与结构两主轴方向的每一方向结构基本自振周期相应的谱反应加速度，并作 为结构分析的输入.
如果采用非线性时程分析方法进行结构分析，则需要一组峰值加速度经过调整的地 面运动记录.
如果选择的地面运动记录与目标谱在形状上一致，则需采用7条地面运动记录进行分析： 否则，需至少11条地面运动记录进行分析.
对于基于场景的评估，必须采用地面运动预测模型确定与震级-震中距相应的平均加速度反应谱.
如果采用简化方法进行结构分析，需要从与结构基本周期相应的均值谱中提取谱加速度.
如果采用非线 性时程分析方法进行结构分析，则需要一组峰值加速度经过调整的地面运动记录.
与地面运动预测方程 相关的离差应合并到反应统计中，以考虑给定场景地面运动的不确定性.
对于基于时间的评估方法，必须确定建筑有效基本周期处建筑场地谱反应加速度地震灾害曲线（图 3），有效基本周期取建筑两主轴方向的每一方向基本周期的平均值.
然后，将地震灾害曲线分为8段， 范围从几乎不产生损伤的谱加速度到与显著影响累积损伤相应的谱加速度，影响频率可取年频率为 0.0002.
对每个地震灾害曲线段，取其中心处对应的谱加速度，采用基于地震烈度的评估方法进行评估.
根据8段分别基于烈度的评估结果，采用数值积分方法进行基于时间的评估，并考虑灾害发生的年频率
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 进行加权.
2.4倒场易损性函数 倒塌易损性函数表示建筑物遗遇局部或整体倒塌的概率，它是与建筑物基本周期相应的谱反应加 速度的函数，如图5所示.
倒塌易损性函数取用均值和离差表示的对数分布形式.
1 80 90 0.4 0.2 0 S0 基本握型的反应谱加速度（单位：g） 1.5 2.5 图5对于假定建筑结构的经典倒竭易损性曲线 可采用增量动力分析方法确定倒場易损性，但此法费时.
另一个方法是，对若干个地震水准，根 据有限数量分析获得的倒塌数，推断倒塌易损性.
也可将倒场易损性与Pushover曲线进行结合，或采 用工程判断确定倒塌易损性.
对于给定的倒塌情况，必须识别唯一的倒塌模型和每个倒塌模型发生的概率.
每个倒塌模型用上部 楼层倒塌所掉落的残散占本楼层面积的百分率表示.
2.5性能计算 用MomteCarlo法确定损失的可能分布.
应用由结构分析得到的反应均值和离差来考虑模型离差和 场景反应的不确定性，将需求组装到均值矩阵和相关性矩阵，以产生数以万计的模拟反应状态.
每个反 可能结果.
对于每个评估结果，计算损失的过程如图6所示.
每个实现从评估是否发生倒場开始.
用检查随机整数从0到100的损伤易损性函数进行.
如果对于与实 现条件相应的地震烈度，从倒塌易损性得到的倒場概率大于或等于随机整数，则假定发生倒塌.
如果发 生倒塌，再次应用随机整数和每个倒塌模型发生的概率确定倒塌模型.
再次，应用随机整数确定倒塌发 户提供的倒塌建筑面积内人员死亡和严重伤害的概率一起，可得到人员伤亡数目.
修复造价和修复时间 取建筑重建值，而与确定的模型无关.
如果预测建筑物不倒塌，则必须确定建筑物内每个易损性构件的损伤状态.
这根据性能组来确定.
建立建筑性能损伤模型时，必须识别损伤与性能组构件的相关性.
如果相关，性能组中的构件具有 相同的损伤程度.
对于相关的性能组，该法采用随机数和性能组易损性函数确定已经发生的损伤状态.
对于不相关的性能组，确定每个构件的损伤状态.
重复上述步骤，直至建筑物中的每个易损性构件的损 伤状态被确定.
然后，应用结果函数和产生的附加随机数，确定与这个损伤状态相应的结果，包括修复 造价、修复时间、人员伤亡等.
最后，需确定建筑物不能修复的残余侧移（residualdrift）.
推荐的残余侧移易损性（residualdrift
