CN107480393A - 考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法，属于土木工程防灾减灾技术领域。该方法首先结合多层剪切模型和坠物运动分析，给出了既定地震动下建筑群次生坠物分布范围的计算方法；然后，考虑地震动不确定性和区域地震危险性，基于逐步动力增量时程分析给出了设计周期内建筑群坠物分布概率计算方法；最后，通过不同建筑坠物概率叠加，确定建筑地震次生坠物的影响范围，进而为紧急避难场所选址确定了可用的安全范围。本发明在北京某住宅小区进行了应用，根据地震坠物计算重新规划了紧急避难场所，提高紧急避难场所的安全性。本发明为紧急避难场所选址提供了一种可以考虑建筑地震次生坠物影响的选址方法。

Description

考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法

技术领域

本发明涉及土木工程防灾减灾技术领域，特别是指一种考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法。

背景技术

在地震中，建筑物外围非结构构件破坏引起的坠物危害是导致人员受伤的主要原因之一。在美国Northridge地震中，超过一半以上的人员受伤都是由于坠物撞击造成的。因此，在我国《防灾避难场所设计规范》(住房和城乡建设部.防灾避难场所设计规范GB51143-2015,中国建筑工业出版社,2016)中,认为当有可靠抗灾设计保证建(构)筑物不会发生倒塌或破坏时，紧急避难场所应不小于两侧建筑防止坠落物安全距离之和，以避免避难人员遭受坠物打击。

然而，目前国内外建筑物外围非结构构件坠物危害的研究非常有限(F.Braga,V.Manfredi,A.Masi,A.Salvatori,M.Vona.Performance of non-structural elementsin RC buildings during the L’Aquila,2009earthquake.Bulletin of EarthquakeEngineering,9:307–324,2011.)，缺乏可以量化坠物危害距离的计算方法。

本发明提出了一种考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法，不仅可以计算建筑地震次生坠物的危害距离，还可以考虑地震动不确定性，给出坠物分布概率，从而为紧急避难场所选址提供准确的技术参考。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法。

该方法包括如下步骤：

(1)建筑群坠物分布计算：

首先，采用多层剪切模型进行建筑群结构地震反应计算，得到楼层结构反应数据；然后，进行围护结构破坏判断；最后，进行坠物分布计算，坠物的落点距离其中，h_j为在i个时间步建筑j层围护结构的高度，v_i,j为该围护结构的速度；

(2)地震动不确定分析：

采用逐步动力增量时程分析方法，获得地震动强度IM与某点被坠物覆盖的概率P的关系曲线；在此基础上，结合地区地震危险性分析，计算建筑结构设计周期内不同距离被坠物覆盖的概率P(d_max≥d₀in Y years)。

(3)紧急避难场所选址：

首先，考虑不同建筑物的碎块叠加影响，在GIS平台上，将目标区域划分成精细的网格，将不同建筑物坠物覆盖该网格的概率进行叠加，得到该网格最终的被坠物覆盖的概率；

其次，确定可接受的概率水平，在GIS平台下，选择坠物覆盖概率大于等于1％的网格，这些网格将是坠物危害的影响区域，在紧急避难场所选址时予以排除。

其中，步骤(1)中围护结构分为玻璃幕墙和外部非结构墙两类，玻璃幕墙的破坏条件D_glass≥max(1.25I_eΔ_aA,0.013/h_sx)，外部非结构墙的破坏条件D_wall≥max(Δ_aA,0.013/h_sx)，其中，h_sx表示层间位移角涉及的层高度；Δ_aA表示结构所允许的层间位移角限值，I_e取1.0。

步骤(2)中逐步动力增量时程分析方法具体步骤如下：

①选择一组地震动纪录N_total，并对该组地震记录进行归一化处理；

②在某一地震动强度下，对结构输入上述步骤①中的地震记录，计算得到一组坠物最大距离d_max，记录d_max≥d₀的地震动数，记为由此得到该地震动强度下d₀位置被坠物覆盖的概率为：

其中，d₀为某一点到建筑墙面的水平距离；

③单调增加地震动强度，重复步骤②，得到结构在不同地震动强度输入下的P(d_max≥d₀)；

④以地震动强度为随机变量，按照对数正态分布模型进行参数估计，获得结构在地震动强度连续变化下的P(d_max≥d₀)曲线，即为d₀位置被坠物覆盖的易损性曲线。

步骤(2)中设计周期内不同距离被坠物覆盖的概率P(d_max≥d₀in Y years)具体计算如下：

其中:P(d_max≥d₀in Y years)为结构在设计使用年限Y年内发生坠物覆盖距离d₀的概率；P(IM)为结构所在场地在设计使用年限Y年内发生强度为IM地震的可能性，由地震危险性分析给出；P(d_max≥d₀|IM)由步骤(2)动力增量时程分析方法得到。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明为建筑地震次生坠物危害问题提供了可行分析方法，并为考虑地震中坠物危害的紧急避难场所的选址问题提供了量化的决策依据。

附图说明

图1为本发明的考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法的流程图；

图2为多层剪切模型示意图；

图3为不同PGA情况下坠物距离大于10m的概率分布；

图4为50年内地震危险性曲线；

图5为在50年设计期内建筑不同距离的坠物覆盖概率；

图6为小区内坠物分布概率；

图7为坠物危害影响区域与紧急避难场所选址。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法。

如图1所示，该方法包括3部分：1.建筑群坠物分布计算、2.地震动不确定分析、3.紧急避难场所选址。

1.建筑群坠物分布计算

1.1建筑群结构地震反应计算

结构地震反应计算采取多层剪切模型。该模型将楼层简化为质点，如图2所示，可以得到楼层位移、加速等结构反应数据，且具有极高的计算效率，非常适合区域分析。对于结构规则的建筑，仅需要获得结构类型、层高、层数、建筑年代、楼层面积等5个宏观参数，就可以获得这些建筑的层间滞回关系。而且这5个宏观参数一般都可以从城市的GIS基础数据库中获得，不必依赖详细、复杂的设计资料。但对于不规则的建筑，如竖向截面变化较大的建筑，为了保证地震响应计算的准确性，需要采取与精细化模型的滞回关系对照的方法。具体而言，需要根据不规则建筑的设计资料建立精细化的结构模型，通过非线性pushover分析得到层间力与位移的滞回曲线。然后，不断调整基于层剪切滞回模型得到层间力与位移的滞回曲线，当两个滞回曲线一致，所采用的参数为该建筑的滞回模型参数。确定层间滞回参数后，根据确定的地震动记录就可以计算非结构构件分析所需的层间位移角、速度等数据。

1.2围护结构破坏判断

在本发明中，围护结构可以分为玻璃幕墙和外部非结构墙两类。

玻璃幕墙和外部非结构墙的破坏条件分为式(1)、(2)所示：

D_glass≥max(1.25I_eΔ_aA,0.013/h_sx) (1)

D_wall≥max(Δ_aA,0.013/h_sx) (2)

其中，h_sx表示层间位移角涉及的层高度；Δ_aA表示结构所允许的层间位移角限值，I_e取1.0。

基于公式(1)(2)，根据结构地震反应计算所得的层间位移角数据，就可以判断围护结构破坏状态和破坏时刻。

1.3坠物分布计算

围护构件破坏后，产生的碎块具有楼层的水平速度，将发生平抛运动。假设在i个时间步建筑j层围护结构发生破坏，其高度为h_j，速度为v_i,j，则坠物的落点距离如式(3)所示：

其中，速度v_i,j由结构地震反应计算所得。

对于一栋建筑而言，尽管大部分碎块的落点非常靠近建筑，但是离建筑越远的碎块具有的动能更大，破坏性更强，因此，其坠物危害距离应该为所有碎块落点的最大距离。假设楼层数为m，围护结构破坏后的时间步总数为n，则建筑碎块的危害距离如式(4)所示：

由于地震在方向上具有不确定性，假设建筑非结构坠物在各个方向上均可达到最大距离d_max。根据以上方法，可以求出确定地震动下每一栋建筑物的外围非结构坠物分布范围，进而可以计算整个区域的坠物分布情况。

2.地震动不确定分析

地震动具有明显的不确定性，因此建筑外围非结构坠物的计算必须要要考虑这种不确定性的影响。假设某一点到建筑墙面的水平距离为d₀，坠物的最大距离为d_max，则该点被坠物覆盖的概率为P(d_max≥d₀)。本发明采用逐步动力增量时程分析方法，也就是对建筑结构输入一组地震动记录，并逐步增大的地震动强度(intensity measure,IM)，最终获得地震动强度IM与P(d_max≥d₀)的关系曲线。具体方法如：

(1)选择一组地震动纪录(记为N_total)，这些记录能够反映结构所在场地的地震动特性，且地震记录数量足够多以反映地震动随机性。应选取合适的地震动强度指标IM，并对该组地震记录进行归一化处理。

(2)在某一地震动强度下，对结构输入上述地震记录，按照前文的坠物分布计算方法得到一组坠物最大距离d_max。记录d_max≥d₀的地震动数(记为)，由此得到该地震动强度下d₀位置被坠物覆盖的概率为：

(3)单调增加地震动强度，重复上一步骤，得到结构在不同地震动强度输入下的P(d_max≥d₀)。

(4)以地震动强度为随机变量，按照对数正态分布模型进行参数估计，获得结构在地震动强度连续变化下的P(d_max≥d₀)曲线，即d₀位置被坠物覆盖的易损性曲线。

该易损性曲线给出了结构在遭遇给定地震动强度下坠物覆盖指定距离的条件概率P(d_max≥d₀)，而建筑结构抗震设计、区域防灾规划等都需要评估和控制设计使用年限(Y年)内发生倒塌的全概率，故还需要考虑设计使用年限内遭遇不同强度地震动的可能性。

地震危险性分析给出了设计使用年限(Y年)内建筑结构所在场地遭遇不同地震动强度IM的概率密度，用P(IM)表示。因此，结构在设计使用年限(Y年)内的坠物危害是否大于指定距离的概率，可用设计使用年限Y年内结构坠物覆盖指定距离的全概率来量度，其表达式如式(6)所示。

其中:P(d_max≥d₀in Y years)为结构在设计使用年限Y年内发生坠物覆盖距离d₀的概率；P(IM)为结构所在场地在设计使用年限Y年内发生强度为IM地震的可能性，由地震危险性分析给出。

结构地震响应需要选用合适的地震动强度指标IM对地震动输入进行归一化处理。为与现行抗震规范较好地衔接，本发明采用广泛应用的最大地震动加速度(peak groundacceleration,PGA)作为地震动强度指标。结构抗倒塌易损性分析需要采用大量地震动输入进行逐步动力增量时程分析，以反映地震动的随机特性影响。本发明建议按以下规则选择地震动输入：

1)震级≥6.5。

2)震源位于走滑断层或逆冲断层。

3)观测场地为基岩或硬土场地，场地土剪切波速≥180m/s。

4)近场地震断层距≤10km，远场地震断层距>10km。

5)同一地震事件不超过两条记录。

6)强震记录，PGA>0.2g且最大地震动速度>15cm/s。

7)观测对象为自由地表或者低层建筑的首层地面。

8)强震仪的有效频率范围至少达到4s。

根据上述地震动选取原则，选择不少50条地震动记录。然后，选取一组逐渐增大的d₀，根据上述方法可以计算出该结构周边不同距离被坠物覆盖的概率P(d_max≥d₀in Yyears)，进而可以根据此结构评价建筑周边的坠物分布的危险性。将上述方法应用到不同建筑上就可以得到一个区域内坠物分布的危险性，为紧急避难场所的选址提供依据。

3紧急避难场所选址

对于紧急避难场所选址问题，最重要的是给出可接受的区域建筑群坠物分布范围。

首先，需要考虑不同建筑物的碎块叠加的影响。在GIS平台上，将目标区域划分成精细的网格。对于每个网格，不同建筑物坠物的影响是独立的，可以进行概率相加。因此，将不同建筑物坠物覆盖该网格的概率进行叠加，可以得到该网格最终的被坠物覆盖的概率，以此作为坠物风险评价的依据。

其次，要确定可接受的概率水平。结构设计以50年设计周期内倒塌概率不超过1％作为设计目标，因此，本发明也采用超越概率1％作为可接受水平的概率水平。在这种情况下，建筑不发生倒塌，坠物危害是影响紧急避难场所选址的主要因素之一。因此，在GIS平台下，选择坠物覆盖概率大于等于1％的网格，这些网格将是坠物危害的影响区域。

在具体实施例中选取中国北京市海淀区某一高层住宅小区，共有16栋住宅，均为钢筋混凝土结构，平均每栋建筑20层，平均高度约为60m。按照以下三个步骤进行紧急避难场所的选址规划：

步骤1：建筑群坠物分布计算

该小区建筑外围围护结构为填充墙，建筑的风险等级为Ⅱ级，其层间位移角限值为0.020。按照本发明的坠物距离计算方法，将对不同PGA情况下碎块距离超过某一固定范围的概率进行计算。以小区其中一栋典型建筑为例，该楼20层，61.5m高。当d₀＝10.0m时，不同PGA情况下P(d_max≥d₀)的概率情况，也就是易损性曲线，如图3所示。当PGA小于0.3g时，坠物距离大于10m的概率几乎为零，这说明PGA很小时围护结构未发生破坏或发生破坏但速度很小没有达到10m的距离；而当PGA为1.0g时，碎块距离大于10m的概率为100％，说明PGA很大时结构反应也非常大。因此，该概率分布曲线与实际震害经验相符合。

步骤2：地震动不确定分析

根据中国规范中规定的该地区地震危险性特征分区，该小区所在区域50年超越概率分别为63％、10％和2％的设计地震动强度PGA分别为0.07g、0.20g、0.41g。50年超越概率是指未来50年内工程场地至少发生一次地震动强度超过给定值PGA的概率，因此地震危险性曲线(50年超越概率与地震动强度的关系，用函数P(PGA)表示)需要满足如下两个边界条件:当PGA＝0时，50年内工程场地遭受地震动强度大于PGA的地震是必然事件，其50年超越概率应为100％；当PGA＝+∞时，50年内工程场地遭遇地震动强度大于PGA的地震是不可能事件，其50年超越概率应为0％。为了满足地震危险性曲线的边界条件，并使得拟合的地震危险性曲线尽量接近规范数值，故地震危险性曲线采用式(7)形式进行拟合，如图4所示。

根据50年内地震危险性概率拟合曲线(图4)和不同PGA情况下坠物距离大于10m的概率拟合曲线(图3)，按照式(6)进行积分，可以得到该建筑在50年期限内坠物距离大于10m的全概率为6.8％。取d₀从1m到15m，可以得到该建筑坠物分布情况在50年期限内的全概率如图5所示。可以看出，该建筑的坠物覆盖概率随距离增加逐渐减少，这与震害实际经验相吻合。特别地，当距离大于15m后，坠物覆盖概率为0.0，这说明所采用的50条地震动的在最大PGA下建筑非结构坠物的最大距离均未超过15m。

步骤3：紧急避难场所选址

对小区16栋建筑都进行坠物覆盖概率的计算，得到小区整体的坠物分布的概率如图6所示。在图6中颜色越红的区域表明被坠物覆盖的概率越大，坠物危害风险也越高。该结果已经考虑了不同建筑坠物的叠加，由图6可以看出建筑间隔较密区域的红色会非常突出，这很好地反应了建筑群对非结构坠物分布的影响。

取覆盖概率大于等于1％的区域作为坠物影响区域，则该小区坠物影响区域如图7所示。从图7可以看出，坠物影响区域是非常大的，因此紧急避难场所的可用空间也非常有限。在碎块影响区域外，存在一个空白的平面区域非常适合作为紧急避难场所，如图7所示。另外，小区已有的紧急避难场所区域也如图7所示。新旧紧急避难场所的面积是相同的，且都靠近道路，便于疏散。但是，通过对比可以发现旧紧急避难区域有部分位于坠物影响区域内，这部分重叠区域是非常危险，人员很可能被建筑的非结构坠物击中而造成伤亡。而新选择的紧急避难区域完全避开了坠物影响区域，相对更加安全、可靠。

因此，本发明建筑外围非结构坠物危害的分析对紧急避难场所的选址决策具有重要影响。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)建筑群坠物分布计算：

首先，采用多层剪切模型进行建筑群结构地震反应计算，得到楼层结构反应数据；然后，进行围护结构破坏判断；最后，进行坠物分布计算，坠物的落点距离其中，h_j为在i个时间步建筑j层围护结构的高度，v_i,j为该围护结构的速度；

(2)地震动不确定分析：

采用逐步动力增量时程分析方法，获得地震动强度IM与某点被坠物覆盖的概率P的关系曲线；在此基础上，结合地区地震危险性分析，计算建筑结构设计周期内不同距离被坠物覆盖的概率P(d_max≥d₀in Y years)；

(3)紧急避难场所选址：

首先，考虑不同建筑物的碎块叠加影响，在GIS平台上，将目标区域划分成精细的网格，将不同建筑物坠物覆盖该网格的概率进行叠加，得到该网格最终的被坠物覆盖的概率；

其次，确定可接受的概率水平，在GIS平台下，选择坠物覆盖概率大于等于1％的网格，这些网格将是坠物危害的影响区域，在紧急避难场所选址时予以排除。

2.根据权利要求1所述的考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法，其特征在于：所述步骤(1)中围护结构分为玻璃幕墙和外部非结构墙两类，玻璃幕墙的破坏条件D_glass≥max(1.25I_eΔ_aA,0.013/h_sx)，外部非结构墙的破坏条件D_wall≥max(Δ_aA,0.013/h_sx)，其中，h_sx表示层间位移角涉及的层高度；Δ_aA表示结构所允许的层间位移角限值，I_e取1.0。

3.根据权利要求1所述的考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法，其特征在于：所述步骤(2)中逐步动力增量时程分析方法具体步骤如下：

①选择一组地震动纪录N_total，并对该组地震记录进行归一化处理；

②在某一地震动强度下，对结构输入上述步骤①中的地震记录，计算得到一组坠物最大距离d_max，记录d_max≥d₀的地震动数，记为由此得到该地震动强度下d₀位置被坠物覆盖的概率为：

<mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>d</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <msub> <mi>d</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>total</mi> </msub> </mrow>

其中，d₀为某一点到建筑墙面的水平距离；

③单调增加地震动强度，重复步骤②，得到结构在不同地震动强度输入下的P(d_max≥d₀)；

④以地震动强度为随机变量，按照对数正态分布模型进行参数估计，获得结构在地震动强度连续变化下的P(d_max≥d₀)曲线，即为d₀位置被坠物覆盖的易损性曲线。

4.根据权利要求1所述的考虑建筑地震次生坠物危害的紧急避难场所选址方法，其特征在于：所述步骤(2)中设计周期内不同距离被坠物覆盖的概率P(d_max≥d₀in Y years)具体计算如下：

<mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi> </mi> <mi> </mi> <mi>Y</mi> <mi> </mi> <mi>y</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mrow> <mo>+</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> </msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>|</mo> <mi>I</mi> <mi>M</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mi>M</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>I</mi> <mi>M</mi> </mrow>

其中:P(d_max≥d₀in Y years)为结构在设计使用年限Y年内发生坠物覆盖距离d₀的概率；P(IM)为结构所在场地在设计使用年限Y年内发生强度为IM地震的可能性，由地震危险性分析给出；P(d_max≥d₀|IM)由步骤(2)动力增量时程分析方法得到。