CN113435091B - 一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法 - Google Patents

一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法 Download PDF

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CN113435091B CN202110729242.4A CN202110729242A CN113435091B CN 113435091 B CN113435091 B CN 113435091B CN 202110729242 A CN202110729242 A CN 202110729242A CN 113435091 B CN113435091 B CN 113435091B
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Abstract

本发明是一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法。本发明涉及地震工程技术领域，本发明收集建筑群和桥梁群基础信息；根据收集到的建筑群和桥梁群基础信息，确定建筑群和桥梁群的地震抗力能力；根据每个建筑物或桥梁输入的地震动的加速度时间历程数据以及建筑或桥梁的基础信息计算谱加速度；根据输入的地震动的加速度时间历程数据计算的谱加速度以及建筑或桥梁的地震抗力能力评价地震破坏情况。本发明计算效率高，无需对城市中的建筑群桥梁群建模，所需城市建筑群桥梁群基本信息较少，能够用于城市地震场景的震害预测和震害分析。

Description

一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法
技术领域
本发明涉及地震工程技术领域，是一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法。
背景技术
城市作为经济密集中心和人口密集中心，当遭遇大型自然灾害时，会造成巨大的人员生命安全和经济财产损失。为了在灾后对受灾区域及时开展救援，快速评定受灾区域的建筑物和桥梁破坏情况是一项至关重要的工作。
由于城市中的建筑物和桥梁的种类各不相同，考虑对不同建造年代、不同结构类型以及不同场地条件上建设的建筑物和桥梁使用统一的方法进行震害评价是一个困难的问题。另一方面，在对城市中的大部分建筑物和桥梁进行震害评价和抗震能力分析时，往往难以获得建筑物和桥梁的详细设计资料。
根据建筑物和桥梁震害的统计资料来确定地震易损性矩阵，地震易损性矩阵中给出了每一类建筑和桥梁在给定地震烈度下达到某一破坏状态的概率，这种方法要求有历史统计资料，对于缺少历史震害资料的地区不适用；非线性时程分析可以分析建筑物和桥梁在给定地震动时程作用下的动力响应，进一步分析建筑物和桥梁的破坏状况，但建立精细有限元模型进行非线性时程分析需要详细的设计资料并且消耗大量的计算机算力；对城市里的建筑物和桥梁建立简化模型只需要宏观设计资料，但简化模型的建立需要满足结构规则前提。
因此需要开发一种不需要大量建筑物和桥梁设计资料和历史震害资料，适用于各类建筑物、桥梁，不需要大量计算的评价建筑物和桥梁地震破坏状态的方法。
发明内容
本发明为了能应用于规则结构和不规则结构，计算效率高，本发明提供了一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法，本发明提供了以下技术方案：
一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法，包括以下步骤：
步骤1：收集建筑群和桥梁群基础信息；所述步骤1中基础信息由地理信息系统中和城市统计信息两个信息来源收集建筑群、桥梁群基础信息，基础信息包括建筑物或桥梁地理坐标、平面轮廓、高度、结构类型、建造年代。
步骤2：根据收集到的建筑群和桥梁群基础信息，确定建筑群和桥梁群的地震抗力能力；
当针对建筑群时，所述步骤2具体为：
步骤2.1：确定建筑物地震设计强度，根据建筑物的地理坐标以及建造年代确定建筑物所依据的抗震设计规范以及抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组；
根据抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组确定建筑物在不同设防水准地震强度下的水平地震影响系数最大值；
步骤2.2：确定建筑物的一阶周期，当建筑物结构类型为钢筋混凝土框架结构或框剪结构时，根据《中国建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012),一般可用式(1)确定结构的一阶周期，当结构的长短轴方向的尺寸相差过大时，采取式(1)难以较好的反应结构的平面特性，这时采用式(2)。由于规范中并未给出结构长短轴尺寸相差过大的明确限值，认为长轴与短轴之比大于 1.5时其尺寸相差过大。
T1＝0.1n (1)
Figure BDA0003138708820000021
式中T1——结构的一阶周期(s)；
n——结构层数；
H——结构总高度(m)；
B——结构平面宽度(m)。
当建筑物的结构类型为砌体结构时，式(3)和式(4)分别可以计算设防砌体和未设防砌体结构的一阶周期。如果结构的平面形状长短轴方向尺寸相差较大，那么上式计算得到的周期很难较好反映结构的平面形状特性。此时应将房屋高度和宽度等参数纳入考虑因素，应采用式(5)和式(6)计算结构的第一周期。当长轴与短轴之比大于1.5时，认为结构的平面尺寸相差过大。
T1＝0.064+0.053n (3)
T1＝0.221+0.025n (4)
Figure BDA0003138708820000031
Figure BDA0003138708820000032
当建筑物结构类型为钢框架时，根据《中国建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)，一般可用根据式(7)确定建筑物的一阶周期。当结构的长短轴方向的尺寸相差过大时，采取式(7)难以较好的反应结构的平面特性，这时采用式(8)计算结构的一阶周期。由于规范中并未给出结构长短轴尺寸相差过大的明确限值，认为长轴与短轴之比大于1.5时其尺寸相差过大。
T1＝(0.10～0.15)n (7)
Figure BDA0003138708820000033
当建筑物结构类型为剪力墙结构时，根据《中国建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)，一般可用根据式(9)确定建筑物的一阶周期。
Figure BDA0003138708820000034
步骤2.3:确定超强系数，当建筑物结构类型为钢筋混凝土框架结构时，建筑物的屈服超强系数均值为2.5195，标准差为1.09321，中位值为2.2234；
当建筑物结构类型为砌体结构时，建筑物的开裂超强系数均值为1.363，标准差为0.257，中位值为2.33；
当建筑物结构类型为剪力墙结构时，建筑物的峰值超强系数均值为2.18281，标准差为0.90696，中位值为1.89；
当建筑物结构类型为框架剪力墙结构时，建筑物的弯矩超强系数均值为 1.741，标准差为0.38799，中位值为1.65；
步骤2.4:确定建筑群的地震抗力能力，通过下式表示地震抗力系数F：
F＝Ω*α (10)
其中，Ω为建筑物的超强系数，α为建筑物在各设防水准地震强度下的水平地震影响系数。
优选地，当针对桥梁时，所述步骤2具体为：
S2.1：确定桥梁地震设计强度，根据桥梁的地理坐标以及建造年代确定桥梁依据的抗震设计规范以及抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组；
根据抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组确定桥梁在不同设防水准地震强度下的水平地震影响系数最大值；
S2.2：确定桥梁的一阶周期，当桥梁的结构类型为连续梁桥时，确定自振周期的上限由式(11)和下限由式(12)：
当4m≤L≤20m,
Figure BDA0003138708820000041
当20m≤L≤100m，
Figure BDA0003138708820000042
Figure BDA0003138708820000043
当桥梁的结构类型为悬索桥时，可用式(13)或式(14)确定悬索桥的竖向弯曲自振周期：
Tb＝0.0117L+0.7878 (13)
Tb＝2.8255e0.0014L (14)
其中，Tb表示悬索桥的竖向弯曲自振周期，L表示悬索桥的主跨跨径；
当桥梁的结构类型为斜拉桥时，根据双塔斜拉桥的竖向弯曲基本周期通过下式估算：
Figure BDA0003138708820000051
Figure BDA0003138708820000052
S2.3:当桥梁的结构类型为连续梁桥时，连续梁桥的桥墩超强系数按1.2 计算,由于桥墩为连续梁桥梁体地震惯性力的主要受力构件，所以用桥墩的抗震能力代表整个桥墩的抗震能力；当桥梁的结构类型为悬索桥和斜拉桥时，由于缺乏统计数据，按钢筋材料分项系数1.1计算；
S2.4:确定桥梁实际地震抗力能力,桥梁的实际抗震能力用超强系数和设计抗震能力来评价，用地震抗力系数F来表示，通过下式表示地震抗力系数F：
F＝Ω*α (10)
其中，Ω为桥梁的超强系数，α为桥梁在各设防水准地震强度下的水平地震影响系数；
步骤3：根据每个建筑物或桥梁输入的地震动的加速度时间历程数据以及建筑或桥梁的基础信息计算谱加速度；
步骤4：根据输入的地震动的加速度时间历程数据计算的谱加速度以及建筑或桥梁的地震抗力能力评价地震破坏情况。
所述步骤4具体为：
输入的地震动的加速度时间历程数据计算的谱加速度代表所述地震动对结构的最大作用力，与建筑物的实际抗震能力相比较，得出在所述地震动作用下，建筑物发生的破坏程度；当计算对象为建筑物且当建筑物所依据的抗震设计规范为《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)时，在四个设防水准地震强度作用下，分别比较输入的地震动的加速度时间历程数据计算的谱加速度与结构的地震抗力系数。
当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度小于所述建筑在小震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为基本完好；当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度大于所述建筑在小震水平下的地震抗力能力且小于在中震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为轻微破坏；当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度大于所述建筑在中震水平下的地震抗力能力且小于在大震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为中等破坏；当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度大于所述建筑在大震水平下的地震抗力能力且小于在巨震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为严重破坏；当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度大于所述建筑在中震水平下的地震抗力能力且小于在大震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为倒塌破坏。
本发明具有以下有益效果：
本发明方法首先根据建筑物和桥梁的场地信息和基本尺寸信息估算建筑物和桥梁的设计抗震能力，假设当遭到不同重现期水平的地震时，建筑物和桥梁会发生不同等级的破坏，通过比较建筑物和桥梁在受到给定地震动时所产生的最大加速度与所述建筑物和桥梁在不同重现期水平的设计抗震能力，可以快速推定建筑物和桥梁在该地震动作用下的破坏情况。这种方法计算效率高，无需对城市中的建筑群桥梁群建模，所需城市建筑群桥梁群基本信息较少，能够用于城市地震场景的震害预测和震害分析。
附图说明
图1为一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法流程图；
图2为城市建筑群或桥梁群地震损伤确定流程图；
图3为结构的平面布置和立面布置示意图；
图4为6条地震动记录经调幅后的反应谱、均值谱与目标谱的拟合情况示意图；
图5为对比结果图；
图6为城市的基本地理信息；
图7为城市的基本地理信息；
图8为四条地震动记录的加速度时程曲线；
图9为在选定的4条地震记录作用下，城市建筑物破坏情况分布图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图9所示，本发明提供一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法，采集建筑物和桥梁数据，根据所述建筑和桥梁数据获得所述建筑和桥梁对应的地震抗力指数，根据每个建筑或桥梁输入的地震动的加速度时程数据计算对应所述建筑或桥梁的谱加速度，根据所述建筑或桥梁在所述地震动作用下的谱加速度和所述建筑或桥梁的地震抗力指数获得所述建筑或桥梁在所述输入地震动下的破坏状态结果。
所述建筑和桥梁数据包括建筑和桥梁的结构类型、建筑和桥梁的建造年代、建筑和桥梁的平面轮廓、建筑和桥梁的高度中的一项或多项。
根据所述建筑和桥梁数据获得所述建筑和桥梁对应的实际抗震能力，进一步包括根据所述建筑和桥梁的结构类型、建筑和桥梁的建造年代、建筑和桥梁的平面轮廓、建筑和桥梁的高度获取所述建筑和桥梁的一阶振动周期，根据所述建筑和桥梁在抗震设计时所应用的抗震设计谱确定结构的实际抗震能力。其中，在抗震设计中所应用的抗震设计谱可以通过建筑物和桥梁所在地区的抗震设计规范中所规定的抗震设防水准规定的地震强度确定。
根据每个建筑或桥梁输入的地震动的加速度时程数据计算对应所述建筑或桥梁的谱加速度，将建筑物或桥梁简化为单自由度体系，根据结构动力学方程计算单自由度体系在所述地震动时间序列作用下的最大加速度，即为谱加速度。
根据所述建筑或桥梁在所述地震动作用下的谱加速度和所述建筑或桥梁的实际抗震能力获得所述建筑或桥梁在所述输入地震动下的破坏状态结果。
如图所示，该城市建筑群、桥梁群地震损失分析方法包括以下步骤：
步骤一、由地理信息系统中和城市统计信息等信息来源收集建筑群、桥梁群基础信息。基本信息包括建筑物或桥梁地理坐标、平面轮廓、高度、结构类型、建造年代。
步骤二、根据建筑或桥梁的基本信息获取地震抗力能力。
根据建筑物或桥梁地理坐标、平面轮廓、高度、结构类型及建造年代计算建筑物或桥梁的地震抗力能力。
在城市中各个时代建造的建筑物和桥梁都应依照当时的抗震设计规范，各个国家和地区的抗震设计规范中都规定了多个抗震设防水准及目标，抗震设防水准规定了该地区的建筑物或桥梁在进行抗震设计时需要验算的地震强度，抗震设防目标规定了在对应抗震设防水准的地震强度下，建筑物或桥梁的发生的破坏不能超出设防目标所规定的破坏情况。
同时由于各种原因，如结构的设计是由构造要求或抗风设计等主导的，所使用材料的实际强度与设计强度之间的差异，内力重分布如塑性铰等的影响，建筑物和桥梁的实际抗震能力大于其设计抗震能力，超强系数等于实际抗震能力与设计抗震能力比值，所以可以用结构的超强系数与规范中所规定的当地设防地震强度下建筑物或桥梁受到的地震作用力乘积来代表建筑物或桥梁的实际抗震能力。
下面将对本发明实施例的确定建筑物或桥梁的地震抗力能力计算方法进行详细介绍：
首先，介绍建筑物的参数确定流程，建筑物的参数确定流程如图所示，具体包括：
第一步，确定建筑物地震设计强度。
(1)根据建筑物的地理坐标以及建造年代确定该建筑物所依据的抗震设计规范以及抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组。
(2)根据抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组确定建筑物在不同设防水准地震强度下的水平地震影响系数最大值。
具体地，当建筑物所依据的抗震设计规范为《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010)时，规范中所规定的抗震设防水准为“三水准”是指即多遇地震、设防地震、罕遇地震即小震、中震、大震，同时参考《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)中规定的极罕遇地震即巨震，共四个设防水准。三水准的设防目标为小震不坏，中震可修，大震不倒，可以认为巨震的设防目标大于大震。
由抗震设防烈度、设计基本地震加速度、设计地震分组可以确定建筑物在不同设防水准下的水平地震加速度，水平地震影响系数可根据水平地震加速度查阅规范得，若规范中没有给出该设防水准下的水平地震影响系数最大值，可以根据下式确定
αmax＝k·βmax (1)
式中，k表示地震系数，为地面最大加速度与重力加速度的比值；βmax表示动力系数最大值，为体系最大加速度反应与地面最大加速度之比，βmax≈ 2.25。
各设防烈度规定的地震动峰值加速度可由《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)中规定的多遇地震动峰值加速度宜不低于基本地震动峰值加速度的1/3倍确定，罕遇地震动峰值加速度宜不低于基本地震动峰值加速度的 1.6～2.3倍确定，极罕遇地震动峰值加速度宜不低于基本地震动峰值加速度的 2.7～3.2倍确定，可以确定各设防水准的设计基本地震加速度。带入上述公式可以计算出水平地震影响系数最大值。
(3)确定建筑物的一阶周期。
当建筑物结构类型为钢筋混凝土框架结构或框剪结构时，根据《中国建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012),一般可用式(1)确定结构的一阶周期，当结构的长短轴方向的尺寸相差过大时，采取式(1)难以较好的反应结构的平面特性，这时采用式(2)。由于规范中并未给出结构长短轴尺寸相差过大的明确限值，认为长轴与短轴之比大于1.5时其尺寸相差过大。
T1＝0.1n (2)
Figure BDA0003138708820000101
式中T1——结构的一阶周期(s)；
n——结构层数；
H——结构总高度(m)；
B——结构平面宽度(m)。
当建筑物的结构类型为砌体结构时，式(4)和式(5)分别可以计算设防砌体和未设防砌体结构的一阶周期。如果结构的平面形状长短轴方向尺寸相差较大，那么上式计算得到的周期很难较好反映结构的平面形状特性。此时应将房屋高度和宽度等参数纳入考虑因素，应采用式(6)和式(7)计算结构的第一周期。当长轴与短轴之比大于1.5时，认为结构的平面尺寸相差过大。
T1＝0.064+0.053n (4)
T1＝0.221+0.025n (5)
Figure BDA0003138708820000102
Figure BDA0003138708820000103
当建筑物结构类型为钢框架时，根据《中国建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)，一般可用根据式(8)确定建筑物的一阶周期。当结构的长短轴方向的尺寸相差过大时，采取式(8)难以较好的反应结构的平面特性，这时采用式(9)计算结构的一阶周期。由于规范中并未给出结构长短轴尺寸相差过大的明确限值，认为长轴与短轴之比大于1.5时其尺寸相差过大。
T1＝(0.10～0.15)n (8)
Figure BDA0003138708820000111
当建筑物结构类型为剪力墙结构时，根据《中国建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)，一般可用根据式(10)确定建筑物的一阶周期。
Figure BDA0003138708820000112
(4)确定建筑物在不同设防目标下的设计强度。
根据上述确定的水平地震影响系数最大值并带入设计反应谱计算，根据建筑物的一阶周期可以获得建筑物在各设防目标地震强度下的水平地震影响系数。水平地震影响系数可以代表建筑物在该设防目标下的设计强度。
第二步，确定超强系数。
由以往的大量的实验数据和数值分析的数据基础上，并参考以往的总结规律，根据建筑物的结构类型、层数得出超强系数的分布。根据统计的分布结果可以随机确定符合概率分布的超强系数。
当建筑物结构类型为钢筋混凝土框架结构时，根据统计，建筑物的屈服超强系数均值为2.5195，标准差为1.09321，中位值为2.2234。
当建筑物结构类型为砌体结构时，根据统计，建筑物的开裂超强系数均值为1.363，标准差为0.257，中位值为2.33。
当建筑物结构类型为剪力墙结构时，根据统计，建筑物的峰值超强系数均值为2.18281，标准差为0.90696，中位值为1.89。
当建筑物结构类型为框架剪力墙结构时，根据统计，建筑物的弯矩超强系数均值为1.741，标准差为0.38799，中位值为1.65。
当建筑物结构类型为排架结构时，建筑物的超强系数分布为：
第三步，确定建筑物地震抗力能力。
建筑物的实际抗震能力可以用超强系数和设计抗震能力来评价，用地震抗力系数F来表示，F可以用下式计算：
F＝Ω*α (11)
式中，Ω为建筑物的超强系数，α为建筑物在各设防水准地震强度下的水平地震影响系数。
其次，介绍桥梁的参数确定流程，桥梁的参数确定流程如图所示，具体包括：
第一步，确定桥梁地震设计强度。
(1)根据桥梁的地理坐标以及建造年代确定该建筑物所依据的抗震设计规范以及抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组。
(2)根据抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组确定桥梁在不同设防水准地震强度下的水平地震影响系数最大值。
具体地，当桥梁所依据的抗震设计规范为《公路桥梁抗震设计细则》 (JTG/T B02-01-2008)时，规范中所规定的抗震设防水准为“两水准”，即指E1地震作用和E2地震作用，分别对应重现期为475年和2000年的地震作用。根据桥梁的跨径和所处道路的重要性程度，桥梁在E1、E2设防水准地震强度下的设防目标分别为“不坏”、“可修”、“不倒”。
由桥梁结构的抗震重要性系数、场地系数、阻尼调整系数以及水平向设计基本地震动加速度峰值可以确定水平设计加速度反应谱最大值，其中，所述的结构抗震重要性系数、场地系数及水平向设计基本地震动加速度峰值可由所述桥梁结构的基本信息确定，阻尼调整系数若无特殊要求可由规范规定确定。水平设计加速度反应谱最大值即为所求的水平地震影响系数最大值。
(3)确定桥梁的一阶周期。
当桥梁的结构类型为连续梁桥时，可参考欧洲规范BS EN 1991-2:2003给出的铁路梁桥自振频率估算公式，其中自振周期的上限由式(12)、(13) 确定，下限由式(14)确定：
当4m≤L≤20m,
Figure BDA0003138708820000121
当20m≤L≤100m，
Figure BDA0003138708820000122
Figure BDA0003138708820000131
当桥梁的结构类型为悬索桥时，可用式(13)或式(14)确定悬索桥的竖向弯曲自振周期：
Tb＝0.0117L+0.7878 (15)
Tb＝2.8255e0.0014L (16)
式中，Tb表示悬索桥的竖向弯曲自振周期，L表示悬索桥的主跨跨径。
当桥梁的结构类型为斜拉桥时，根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01—2004)，双塔斜拉桥的竖向弯曲基本周期可以用式(15)、式(16) 估算：
Figure BDA0003138708820000132
Figure BDA0003138708820000133
(4)确定桥梁在不同设防目标下的设计强度。
根据上述确定的水平设计加速度反应谱最大值并带入设计反应谱计算，根据桥梁的一阶周期可以获得桥梁在各设防目标地震强度下的水平地震影响系数。水平地震影响系数可以代表桥梁在该设防目标下的设计强度。
第二步，确定超强系数。
由以往的大量的实验数据和数值分析的数据基础上，并参考以往的总结规律，根据建筑物的结构类型、层数得出超强系数的分布。根据统计的分布结果可以随机确定符合概率分布的超强系数。
当桥梁的结构类型为连续梁桥时，根据《公路桥梁抗震设计规范》(JTG/T 2231-01—2020)，连续梁桥的桥墩超强系数可按1.2计算。由于桥墩为连续梁桥梁体地震惯性力的主要受力构件，所以可以用桥墩的抗震能力代表整个桥墩的抗震能力。
当桥梁的结构类型为悬索桥和斜拉桥时，由于缺乏统计数据，可按钢筋材料分项系数1.1计算。
第三步，确定桥梁实际地震抗力能力。
桥梁的实际抗震能力可以用超强系数和设计抗震能力来评价，用地震抗力系数F来表示，F可以用下式计算：
F＝Ω*α
式中，Ω为桥梁的超强系数，α为桥梁在各设防水准地震强度下的水平设计加速度反应谱。
(4)确定桥梁在不同设防目标下的设计强度。
根据上述确定的水平地震影响系数最大值并带入设计反应谱计算，根据桥梁的一阶周期可以获得桥梁在各设防目标地震强度下的水平地震影响系数。水平地震影响系数可以代表桥梁在该设防目标下的设计强度。
步骤三、根据每个建筑物或桥梁输入的地震动的加速度时间历程数据以及建筑或桥梁的基础信息计算谱加速度。
将建筑物简化为单自由度结构，根据结构动力学公式，可以计算出所述地震动的加速度时间历程作用的谱加速度。
步骤四、根据输入的地震动的加速度时间历程数据计算的谱加速度以及建筑或桥梁的地震抗力能力评价地震破坏情况。
输入的地震动的加速度时间历程数据计算的谱加速度可以代表所述地震动对结构的最大作用力，与建筑物的实际抗震能力相比较，可以得出在所述地震动作用下，建筑物发生的破坏程度。
具体地，当所述计算对象为建筑物且当建筑物所依据的抗震设计规范为《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)时，在四个设防水准地震强度作用下，分别比较输入的地震动的加速度时间历程数据计算的谱加速度与结构的地震抗力系数。
当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度小于所述建筑在小震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为基本完好；当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度大于所述建筑在小震水平下的地震抗力能力且小于在中震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为轻微破坏；当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度大于所述建筑在中震水平下的地震抗力能力且小于在大震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为中等破坏；当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度大于所述建筑在大震水平下的地震抗力能力且小于在巨震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为严重破坏；当所述地震动作用下所述建筑的谱加速度大于所述建筑在中震水平下的地震抗力能力且小于在大震水平下的地震抗力能力，所述建筑在所述地震动下即为倒塌破坏。
以依照我国《建筑设计抗震规范》(GB50011-2010)设计的五个钢筋混凝土框架为例，验证了本专利中所提出的地震破坏快速分析方法，五个钢筋混凝土框架分别为3层、5层、8层、12层和18层，其中首层为4.2m，其余层高为3.3m。各个结构的平面布置相同。图3所示为结构的平面布置和立面布置。结构场地类型为II类场地、设计地震分组为第1组、设防烈度为7度 (0.15g)。对上述结构进行有限元建模，并进行动力时程分析。
为了较好反应地震动的随机性，依据我国抗震规范从PEERNGA WEST2 数据库中，选取6条地震动记录。6条地震动记录经调幅后的反应谱、均值谱与目标谱的拟合情况分别见图4，可见所挑选的6条地震动与目标谱拟合较好。对地震动的基本信息汇总如表1所示。
表1地震动记录汇总
Figure BDA0003138708820000151
Figure BDA0003138708820000161
以PGA为强度指标，分别将以上六条地震动记录调幅到小震、大震和巨震的地震强度水平。对比上述五个钢筋混凝土框架结构精细有限元模型(杆系模型)时程分析的结果以及使用本专利所提出的快速评价地震破坏的方法，对比结果如图5所示。
以中国华北地区某城市为例，本发明实施例通过公开的地理信息系统平台获得到该地区的地理信息基本数据，包括建筑和桥梁的结构类型、建筑和桥梁的建造年代、建筑和桥梁的平面轮廓、建筑和桥梁的高度中的一项或多项。基于本发明实施例中的提出的建筑物和桥梁震害快速评价方法对该案例城市中的桥梁建筑物在特定地震场景下的破坏情况进行模拟。该案例城市的基本地理信息如图6、图7所示。表2列出了根据FEMA P695推荐的近场地震动中选出的4条代表性地震动。
表2地震动记录汇总
Figure BDA0003138708820000162
Figure BDA0003138708820000171
图9表示了在选定的4条地震记录作用下，该案例城市建筑物破坏情况分布图，图中五种破坏程度建筑物分别用不同的颜色标记。
以上所述仅是一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法的优选实施方式，一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：收集建筑群和桥梁群基础信息；
所述步骤1中基础信息由地理信息系统和城市统计信息两个信息来源收集建筑群、桥梁群基础信息，基础信息包括建筑物或桥梁地理坐标、平面轮廓、高度、结构类型、建造年代；
步骤2：根据收集到的建筑群和桥梁群基础信息，确定建筑群和桥梁群的地震抗力能力；
步骤3：根据每个建筑物或桥梁输入的地震动的加速度时间历程数据以及建筑或桥梁的基础信息计算谱加速度；
步骤4：根据输入的地震动的加速度时间历程数据计算的谱加速度以及建筑或桥梁的地震抗力能力评价地震破坏情况；
当针对建筑群时，所述步骤2具体为：
步骤2.1：确定建筑物地震设计强度，根据建筑物的地理坐标以及建造年代确定建筑物所依据的抗震设计规范以及抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组；
根据抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组确定建筑物在不同设防水准地震强度下的水平地震影响系数最大值；
步骤2.2：确定建筑物的一阶周期，当建筑物结构类型为钢筋混凝土框架结构或框剪结构时，根据式(1)确定结构的一阶周期，当结构的长轴与短轴之比大于1.5时，采用式(2)；
T1＝0.1n (1)
Figure FDA0003783046030000011
式中T1为结构的一阶周期s，n为结构层数；H为结构总高度，单位为m，B为结构平面宽度，单位为m；
当建筑物的结构类型为砌体结构时，式(3)和式(4)分别计算设防砌体和未设防砌体结构的一阶周期；当结构的平面形状长轴与短轴之比大于1.5，采用式(5)和式(6)计算结构的第一周期；
T1＝0.064+0.053n (3)
T1＝0.221+0.025n (4)
Figure FDA0003783046030000021
Figure FDA0003783046030000022
当建筑物结构类型为钢框架时，根据式(7)确定建筑物的一阶周期；当结构的长短轴方向的尺寸相差过大时，采用式(8)计算结构的一阶周期；由
T1＝(0.10～0.15)n (7)
Figure FDA0003783046030000023
当建筑物结构类型为剪力墙结构时，根据式(9)确定建筑物的一阶周期：
Figure FDA0003783046030000024
步骤2.3:确定超强系数，当建筑物结构类型为钢筋混凝土框架结构时，建筑物的屈服超强系数均值为2.5195，标准差为1.09321，中位值为2.2234；
当建筑物结构类型为砌体结构时，建筑物的开裂超强系数均值为1.363，标准差为0.257，中位值为2.33；
当建筑物结构类型为剪力墙结构时，建筑物的峰值超强系数均值为2.18281，标准差为0.90696，中位值为1.89；
当建筑物结构类型为框架剪力墙结构时，建筑物的弯矩超强系数均值为1.741，标准差为0.38799，中位值为1.65；
步骤2.4:确定建筑群的地震抗力能力，通过下式表示地震抗力系数F：
F＝Ω*α (10)
其中，Ω为建筑物的超强系数，α为建筑物在设防水准地震强度下的水平地震影响系数；
当针对桥梁时，所述步骤2具体为：
S2.1：确定桥梁地震设计强度，根据桥梁的地理坐标以及建造年代确定桥梁依据的抗震设计规范以及抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组；
根据抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组确定桥梁在不同设防水准地震强度下的水平地震影响系数最大值；
S2.2：确定桥梁的一阶周期，当桥梁的结构类型为连续梁桥时，确定自振周期的上限由式(11)和下限由式(12)：
当4m≤L≤20m,
Figure FDA0003783046030000031
当20m≤L≤100m，
Figure FDA0003783046030000032
Figure FDA0003783046030000033
当桥梁的结构类型为悬索桥时，用式(13)或式(14)确定悬索桥的竖向弯曲自振周期：
Tb＝0.0117L+0.7878 (13)
Tb＝2.8255e0.0014L (14)
其中，Tb表示悬索桥的竖向弯曲自振周期，L表示悬索桥的主跨跨径；
当桥梁的结构类型为斜拉桥时，根据双塔斜拉桥的竖向弯曲基本周期通过下式估算：
Figure FDA0003783046030000034
Figure FDA0003783046030000035
S2.3:当桥梁的结构类型为连续梁桥时，连续梁桥的桥墩超强系数按1.2计算,由于桥墩为连续梁桥梁体地震惯性力的主要受力构件，所以用桥墩的抗震能力代表整个桥墩的抗震能力；当桥梁的结构类型为悬索桥和斜拉桥时，由于缺乏统计数据，按钢筋材料分项系数1.1计算；
S2.4:确定桥梁实际地震抗力能力,桥梁的实际抗震能力用超强系数和设计抗震能力来评价，用地震抗力系数F'来表示，通过下式表示地震抗力系数F'：
F'＝Ω'*α' (17)
其中，Ω'为建筑物的超强系数，α'为建筑物在设防水准地震强度下的水平地震影响系数。
2.根据权利要求1所述的一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法，其特征是：所述步骤3具体为：
根据每个建筑物或桥梁输入的地震动的加速度时间历程数据以及建筑或桥梁的基础信息计算谱加速度。
3.根据权利要求1所述的一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法，其特征是：所述步骤4具体为：
输入的地震动的加速度时间历程数据计算的谱加速度代表所述地震动对结构的最大作用力，与建筑物的实际抗震能力相比较，得出在所述地震动作用下，建筑物发生的破坏程度。
4.根据权利要求3所述的一种快速评价城市建筑群桥梁群地震损伤的方法，其特征是：
当所述地震动作用下所述建筑物或桥梁的谱加速度小于所述建筑物或桥梁在某设防地震作用水平下的地震抗力能力，则所述建筑物或桥梁在所述地震动作用下发生的破坏小于该设防地震作用水平对应的设防目标；当所述地震动作用下所述建筑物或桥梁的谱加速度大于等于所述建筑物或桥梁在某设防地震作用水平下的地震抗力能力，则所述建筑物或桥梁在所述地震动作用下发生的破坏大于等于该设防地震作用水平对应的设防目标；通过比较所述地震动作用下所述建筑物或桥梁的谱加速度和所述建筑物或桥梁在各设防地震作用水平下的地震抗力能力，确定所述建筑物或桥梁在所述地震动作用下的破坏状态。
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