关于砌体结构建筑抗震能力快速评估方法研究

本文根据砌体震害特点、抗震鉴定相关规范和标准、以及现有评价方法提出以砌体结构抗震承载力和抗压承载力作为评价指标，并且以抗力比的形式给出；在此基础上筛选了影响其抗震和抗压性能的 9 个主要影响因素。本文根据砌体结构受力的客观关系对抗震承载力和抗压承载力分别进行了公式推导和简化；找出了部分影响因素与指标间的客观关系，不仅使影响因素降维
1 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

  地震是源于地壳中能量迅速释放所引起的振动，于此同时会产生地震波。地震过程中释放的巨大能量使其破坏性极强，严重危害着全人类的生命财产安全，正因如此，地震被列为众多自然灾害中的群灾之首。根据全球板块构造理论，世界上有三个主要的地震带，但有两个地震带（ 太平洋和欧亚地震带 ）在我们的 领土范围 ，并且我们国家处于其交汇处 。因此我国地震发生的几率高、振动强度大，波及范围广。根据全球地震数据的统计数据可以看出，尽管中国的土地面积仅占全球约 6%，但中国陆上地震已经占全球陆地地震 33%，而因地震死亡的人数竟达到了全球地震死亡人数的一半以上。 20世纪以来 ，全世界曾经发生果 3 次 8.5 级以上的强震，而中国就占了两例。我国历史上发生过两次导致 20 万人以上死亡的地震，一次是1920年宁夏海员地震（23 万多人死亡），而另一次则是骇人听闻的 1976 年唐山大地震（24 万多人的死亡），而伤亡如此惨重的地震在世界范围内是绝无仅有的[F1]。5.12 四川汶川等地发生的 8 级特大地震是新中国成立以来震害程度最大、波及范围最广 、救灾工作开展最困难的一次地震，也成为了继唐山大地震后的又一次毁灭性地震。这些事实无疑给我们敲响了警钟，一次次的让我们清醒的意识到我国地震带来的灾难的严重性。中华人民共和国防震减灾方针法规定中国防震减灾是预防为主，防治与救助相结合。所谓“以防为主”，主要是指两方面，一是新建工程的抗震设防，二是既有建筑的抗震鉴定加固。并且基于我国建筑物的原有使用功能滞后、抗震性能恶化等情况，建筑业的重心逐步由建筑物的新建转移到对既有建筑物的鉴定、加固与改造上来。这就使得既有建筑的抗震鉴定工作逐步会成为我国防震减灾工作中的重要项目和主要方向。在汶川大地震后，教育部、住房和城乡建设部以及国务院先后发布了通知，要求在全国范围内有序开展学校 、医院等人员密集场所现有房屋的抗震等级调查及鉴定工作 ，并根据鉴定结果进行加固改造 。在此次中小学校舍及人员密集场所建筑物抗震性能排查工作中发现砌体结构占了所有建筑形式中的绝大多数。并且时至今日，尽管应用新建筑材料和结构形式，例如混凝土结构、钢结构和组合结构等，的建筑已经逐渐大量出现，但在多层和低层建筑设计中仍大量采用砌体结构形式，尤其是在中小城市的居住、办公、学校等建筑范围仍然大量地采用着各种砌体材料和砌体结构。砂浆和砖是砌体结构常用的材料，但因其脆性材料的特性，使砌体结构在抵抗地震力时的抗拉、抗剪强度较低，所以相对于其他结构形式的房屋，砌体结构建筑的抗震性能相对较差。在国内外历次大地震统计中也能够看出，砌体结构的破损率是非常高的。因此，排 查既有砌体结构的抗震性能是我国房屋抗震鉴定及加固的重点，也是最先要解决的一类建筑

1.2 国内主要研究现状

  我国对建筑物的抗震性能评价工作体现在震前防御和震后调查两方面。在震前防御方面，目前主要是从城市—单体的层次来采取综合防御措施。城市层次的房屋抗震评价是对城市建筑物进行震害预测，是大范围、粗略的对整个城市建筑物抗震能力评价的结果；单体层次的房屋抗震评价是逐一对单体建筑进

行详细的抗震性能调查与计算，是小范围、精准的抗震鉴定。在震后调查方面，救援抢险阶段要对建筑物震害进行快速评估，是对建筑物的应急鉴定；在恢复重建阶段可进行常规的建筑抗震鉴定，即震前单体建筑的抗震鉴定方法[F4][F5]。本文研究的砌体结构抗震能力快速评估方法是在单体建筑层面对现有抗震鉴定方法的简化。尽管我国目前还没有房屋抗震快速鉴定相关的标准，但在其他层面的研究方法仍可为本文工作带来很多启发。
2 砌体结构抗震能力快速评估指标体系

  砌体结构抗震快速评估既区别于大范围、区域性的城市建筑物震害预测，又区别于现有小范围、精准的逐一对单体建筑进行详细调查与计算的房屋抗震鉴定。尽管本文研究方向有别于其他层面的评价方法，但是首先仍需要建立能反映砌体结构抗震性能的因素和评价指标体系。砌体抗震性能快速评价结果的合理性在很大程度上取决于评价指标的可靠性和准确性，评价指标应充分反映砌体抗震性能的基本状况。影响砌体抗震性能的因素也有很多，包含大量的定性数据和定量数据。如何确定能代表砌体抗震性能的指标和从大量的影响因素中提取主要因素是本章将要解决的问题[F22]。

2.1 砌体结构抗震能力快速评估范围

2.1.1 抗震设防烈度

  地震烈度是指地震对地表工程建筑物的影响程度。地震烈度既是制定减轻和防御地震灾害对策的依据，同时也是建筑的抗震设防依据，国民经济建设和国土利用规划的基础资料。抗震设防烈度是一个地区的抗震设防依据，在国家批准的情况下作为的本地地震烈度。抗震设防烈度可采用中国地震动参数区划

图的地震基本烈度，一般情况下，我国抗震设防烈度分为 6 度、7 度、8 度和 9度。对已编制抗震设防区划的城市,可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行设防，取 50 年内超越概率为 10%的地震烈度。本文研究所用砌体结构建筑样本是采集自青岛市，青岛市建筑的抗震设防烈度规定为 6 度，所以本文研究范围是 6 度地区的砌体结构抗震能力，其他设防烈度地区也可采用本文相似研究方法。
2.1.2 抗震设防标准[F23]
  工程抗震设防的基本目的是在一定的经济条件下，最大限度地限制和减轻建筑物的地震破坏，保障人民生命财产的安全。我国现在有建筑抗震鉴定的设防目标是在后续使用年限内具有相同概率保证的前提下，实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”。“小震不坏”—当遭受低于本地区设防烈度（50 年内超越概率约为 63%）的多遇地震影响时。建筑物一般不受损坏或不需修理仍可使用；“中震可修”—当遭受相当于本地区设防烈度（50 年超越概率约为 10%）的地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理即可恢复正常使用；“大震不倒”—当遭受高于本地区设防烈度（50 年内超越概率约为 2%-3%）的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。我国根据建筑遭遇地震破坏后，可能造成的人员伤亡、直接间接经济损失、社会影响程度及其在抗震救灾中的作用等因素，把各类建筑的抗震设防类别划分为以下四类：

（1）特殊设防类：简称甲类，指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑；应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施，按高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用；

（2）重点设防类：简称乙类，指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑；应按高于本地区抗震防烈度一度的要求加强其抗震措施，按本地区抗震设防烈度确定其地震作用；

（3）标准设防类：指大量的除 1、2、4 款以外按标准要求进行设防的建筑，简称丙类；应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用；

（4）适度设防类：指使用上人员稀少且真损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑，简称丁类

2.2 砌体结构抗震能力快速评估指标

2.2.1 抗震鉴定标准方法

  A 类：A 类砌体房屋应按房屋的纵横两个方向分别计算。当综合抗震能力指数不符合第一级鉴定的具体情况时，采取第二级鉴定，同时，应根据房屋分别采用楼层平均抗震能力指数方法、楼层综合抗震能力指数方法和墙段综合抗震能力指数方法。

（1）结构体系，整体性连接和易引起倒塌的部位均符合第一级鉴定的要求，但横墙间距和房屋宽度均超过或其中一项超过第一级鉴定限值的房屋，可采用楼层平均抗震能力指数方法进行第二级鉴定，按下式计算：《民用建筑可靠性鉴定标准》[F24]将已有的建筑物的可靠性鉴定划分为安全性鉴定与正常使用性鉴定两个部分。标准指出当有严重自然灾害预报时，应对可能受袭击或的地危害标建筑进行的以排险与暂时牢固为目标的安全性审查与评定。所以对于抗震的建筑可靠性鉴定主要是针对建筑物的安全性进行鉴定与评估。本标准将被鉴定的建筑物划分为构件、子单元和鉴定单元三个层次，对安全性鉴定划分为 A、B、C、D 四个等级，然后根据每一层次各检查项目的检查评定结果确定其安全性。在构件层次上，不同结构的建筑的鉴定方法有所不同。按照承载能力、构造以及适于继续承载的位移和裂缝四个检查项目对砌体结构构件的安全性进行评定。承载能力作为砌体结构安全性的评定标准，属于定量评价，应按表 2-1 的规定，分别评定每一验算项目的等级，然后取其中最低一级作为该构件承载能力的安全性等级。对砌体结构构件构造、适于继续承载的位移和裂缝的评价内容均属定性评价。

3 砌体结构抗震能力快速评估简化公式

3.1 基于抗震承载力简化公式

3.2 基于抗压承载力简化公式

4 人工神经网络理论研究

4.1 人工神经网络概述

4.2BP神经网络

4.3BP神经网络在建筑抗震能力快速评估中应用的可行性
4.4 基于MATLAB的BP神经网络实现

5 基于BP神经网络的评估模型实现

5.1 样本数据整理

5.2 神经网络结构设计

5.3 抗震承载力预测模型实现

5.4 抗压承载力预测模型实现

6 简化公式修正及优化

6.1 抗震承载力简化公式修正

6.2 抗压承载力简化公式修正

6.3 修正公式验证

结论与展望

  现有砌体结构抗震鉴定方法不仅对工作人员的专业水平要求高，而且耗时耗力，难以在短时间内掌握大量的既有房屋的抗震能力。本文意在提供一种快速鉴定方法，可以作为现有详细的鉴定工作前期的初步筛选，筛选通过的建筑则不需进一步计算，未通过的则需要更为详细的计算来确定建筑最终的安全性

等级。本文提出了两种快速鉴定砌体结构抗震能力的方法，一种是简化公式法，一种是神经网络预测法。本文通过公式推导，建立神经网络预测模型和公式修正给出了砌体结构抗震能力快速评估的可靠方法，也得到了一些研究结论。具体工作内容和结论总结如下：

  本文根据砌体震害特点、抗震鉴定相关规范和标准、以及现有评价方法提出以砌体结构抗震承载力和抗压承载力作为评价指标，并且以抗力比的形式给出；在此基础上筛选了影响其抗震和抗压性能的 9 个主要影响因素。本文根据砌体结构受力的客观关系对抗震承载力和抗压承载力分别进行了公式推导和简化；找出了部分影响因素与指标间的客观关系，不仅使影响因素降维，又避免了主观性较强的评价方法和评价体系，为本文提出的评估体系和结果提供了客观性的依据。虽然公式的参数包含了部分影响因素，但仍有部分定性因素，例如构造柱设置是否完整无法计入公式。基于本文有条件可以获取 30 例青岛地区砌体结构样本，并可以应用 PKPM 软件对各个建筑进行精确计算，所以本文应用 BP 神经网络方法建立了预测模型，通过由 30 组基本样本扩充得到的 100 组训练样本训练得到了可用于同类地区砌体结构抗震性能的预测神经网络模型。由于简化公式的计算结果与 PKPM 的精确解有一定的差距，本文利用训练好的网络对参数变化后的设计样本进行了预测，找出了预测结果与简化公式计算的差距和规律。抗震承载力公式中对层高、墙厚、构造柱进行了修正；抗压承载力公式中对砖强度、较小纵墙段进行了修正。并且经验证此两种方法的误差均在可接受范围。