面向多灾害韧性评价的RC框架结构经济损失快速评估方法

本发明属于多种灾害联合作用下经济损失评估技术领域，具体涉及一种面向多灾害韧性评价的rc框架结构经济损失快速评估方法。

背景技术：

如今自然灾害频发，多种灾害的连续作用也时有发生。特别是在沿海地区在受到强烈的地震作用后，可能再次受到由地震作用诱发的海啸作用(2004年的印度洋地震、2010的智利地震、2011年东京地震后都诱发了强烈的海啸作用)，多灾害的连续作用往往会对城市造成巨大的经济损失以及人员伤亡，因此提供一种简易可行的面向多灾害韧性评价的rc框架结构经济损失快速评估方法是十分必要的。

目前，国外的学者做过一些关于地震-海啸多灾害作用下框架结构响应分析的研究，国内针对地震-海啸联合作用的研究起步较晚，只有少数学者对桥梁结构进行了地震-海啸作用下结构的动力响应分析，但是国内外学者都没有对rc框架结构在地震-海啸多灾害作用下经济损失评估方法进行研究。鉴于沿海城市有大量的rc框架结构，地震-海啸多灾害连续作用又会造成巨大的破坏，有必要对rc框架结构在地震-海啸多灾害连续作用下的经济损失评估进行研究，可为沿海地区rc框架结构在受到两种灾害连续作用后的结构性能、经济损失提供有效的依据，以此为沿海地区rc框架结构设计理论提供参考，减少地震-海啸连续灾害带来的经济损失。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有缺乏面向多灾害韧性评价的rc框架结构经济损失的评估方法，而提供一种面向多灾害韧性评价的rc框架结构经济损失快速评估方法。

本发明面向多灾害韧性评价的rc框架结构经济损失快速评估方法按照以下步骤实现：

一、建立多层rc框架结构的有限元(计算)模型，选择地震-海啸事件的地震动建立地震动分析样本库；

二、对rc框架结构进行动力时程分析，在地震的加速度时程曲线后加入加速度为“0g”的时程曲线模拟在地震作用后自由振动的过程，并保证海啸作用时rc框架结构处于静止；

三、对rc框架结构进行海啸力作用下的pushover分析，获得基底剪力-顶部位移的推覆曲线，推覆曲线与海啸需求力曲线的交点处的反应即为地震-海啸连续作用下rc框架结构的真实反应；

其中海啸需求力ft的计算公式如下：

式中，cd表示动力系数，ρ表示海啸流体密度，u表示海啸流速，g表示重力加速度，h表示海啸淹没深度，λ表示海啸导向系数，frc表示弗劳德数临界值，fr表示弗劳德数b表示海啸力作用下计算单元宽度；

四、重复步骤二和步骤三计算地震动分析样本库的所有地震动，进而得到每个地震-海啸连续作用下rc框架结构的真实反应，分析rc框架结构在地震-海啸作用下的倒塌易损性曲线和rc框架结构的工程需求参数，倒塌易损性曲线是指rc框架结构达到ls3极限状态时以海啸流速为参数变量的结构易损性曲线，工程需求参数包括各层最大层间位移角和各层的层间峰值加速度；

五、建立rc框架结构建筑的性能模型，性能模型包括建筑信息、建筑物相关的人口模型和建筑物构件的性能组；

六、确定rc框架结构(潜在)倒塌模式，计算海啸强度换算系数；

其中海啸强度换算系数的计算公式如下：

ti＝ft/q；

式中，ti表示海啸强度换算系数，ft表示海啸侧向力大小，q表示结构重力荷载大小；

七、利用步骤四的计算结果对地震-海啸作用下的结构进行经济损失评估：

s71、通过倒塌易损性曲线和rc框架结构(潜在)倒塌模式判断rc框架结构建筑物是否倒塌；

s72、当判断rc框架结构建筑物发生倒塌，rc框架结构的修复费用与修复时间为重建结构的费用与时间，计算结束后跳转至步骤s73；

s73、当判断rc框架结构建筑物未发生倒塌，通过步骤五中建筑物构件的性能组中的结果函数与构件易损性曲线和步骤六中的海啸强度换算系数并结合工程需求参数计算经济损失；

s74、重复步骤s71-步骤s73，对所得样本数据进行对数正态分布拟合，获得rc框架结构在地震-海啸作用后的经济损失结果。

本发明提供的地震-海啸作用下的rc框架结构经济损失评估方法，是一种简易有效的有充分理论依据的损失评估方法，利用动力时程分析模拟地震动作用、非线性静力推覆模拟海啸作用，获得rc框架结构的倒塌易损性曲线及结构工程需求参数，进而将所得结果结合结构潜在倒塌模式、建筑性能模型和海啸强度换算系数进行结构经济损失评估。为地震-海啸多灾害连续作用下rc结构的损失预测、多灾害设防投保，提供了良好的技术支持，可用于地震-海啸连续灾害下的风险防控。同时也为多灾害韧性评价的rc框架结构的设计理论提供了有效的依据，进而提高rc框架结构在多灾害连续作用下的结构性能，实现地震-海啸多灾害高风险地区的防灾减灾目的。

附图说明

图1为多灾害韧性评价的的rc框架结构经济损失快速评估方法的流程图；

图2为实施例中4层rc框架结构有限元模型示意图；

图3为实施例中地震-海啸多灾害连续作用下的4层rc框架结构在海啸高度为6m时的倒塌易损性曲线；

图4为实施例中地震-海啸多灾害连续作用下的4层rc框架结构在海啸高度为6m、海啸流速为4m/s时的经济损失图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式多灾害韧性评价的rc框架结构经济损失快速评估按照以下步骤实施：

一、建立多层rc框架结构的有限元(计算)模型，选择地震-海啸事件的地震动建立地震动分析样本库；

二、对rc框架结构进行动力时程分析，在地震的加速度时程曲线后加入加速度为“0g”的时程曲线模拟在地震作用后自由振动的过程，并保证海啸作用时rc框架结构处于静止；

三、对rc框架结构进行海啸力作用下的pushover分析，获得基底剪力-顶部位移的推覆曲线，推覆曲线与海啸需求力曲线的交点处的反应即为地震-海啸连续作用下rc框架结构的真实反应；

其中海啸需求力ft的计算公式如下：

式中，cd表示动力系数，ρ表示海啸流体密度，u表示海啸流速，g表示重力加速度，h表示海啸淹没深度，λ表示海啸导向系数，frc表示弗劳德数临界值，fr表示弗劳德数b表示海啸力作用下计算单元宽度；

四、重复步骤二和步骤三计算地震动分析样本库的所有地震动，进而得到每个地震-海啸连续作用下rc框架结构的真实反应，分析rc框架结构在地震-海啸作用下的倒塌易损性曲线和rc框架结构的工程需求参数，倒塌易损性曲线是指rc框架结构达到ls3极限状态时以海啸流速为参数变量的结构易损性曲线，工程需求参数包括各层最大层间位移角和各层的层间峰值加速度；

五、建立rc框架结构建筑的性能模型，性能模型包括建筑信息、建筑物相关的人口模型和建筑物构件的性能组；

六、确定rc框架结构(潜在)倒塌模式，计算海啸强度换算系数；

其中海啸强度换算系数的计算公式如下：

ti＝ft/q；

式中，ti表示海啸强度换算系数，ft表示海啸侧向力大小，q表示结构重力荷载大小。

七、利用步骤四的计算结果对地震-海啸作用下的结构进行经济损失评估：

s71、通过倒塌易损性曲线和rc框架结构(潜在)倒塌模式判断rc框架结构建筑物是否倒塌；

s72、当判断rc框架结构建筑物发生倒塌，rc框架结构的修复费用与修复时间为重建结构的费用与时间，计算结束后跳转至步骤s73；

s73、当判断rc框架结构建筑物未发生倒塌，通过步骤五中建筑物构件的性能组中的结果函数与构件易损性曲线和步骤六中的海啸强度换算系数并结合工程需求参数计算经济损失；

s74、重复步骤s71-步骤s73，对所得样本数据进行对数正态分布拟合，获得rc框架结构在地震-海啸作用后的经济损失结果。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中采用opensees有限元软件建立多层rc框架结构的有限元模型。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤三pushover分析中的pushover的侧向力采用正三角分布模式，沿海啸高度下的每个楼层作用5个侧向力，5个侧向力的作用点分别位于每个楼层高度5等分区域的中心。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中弗劳德数临界值frc的计算公式如下：式中w表示渠道水流宽度；frd，c表示建筑物后侧弗劳德数临界值，ch取0.58，b表示海啸力作用下计算单元宽度。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤三中建筑物后侧弗劳德数临界值frd，c的计算公式如下：

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中动力系数cd的计算公式如下：

式中cd0取1.9。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中海啸导向系数λ的计算公式如下：

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中所述ls3极限状态为在地震-海啸多灾害作用下结构最大层间位移角达到0.04所对应的极限状态。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤五中采用pact软件建立rc框架结构建筑的性能模型。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤五中建筑信息包括：楼层层高、建筑面积、重建费用、重建时间、占用系数、高度调整系数、每平方最大工作人数和人口模型。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是步骤s74中利用蒙特卡洛方法模拟地震-海啸下结果的不确定性对预测经济损失的作用。

实施例：本实施例面向多灾害韧性评价的rc框架结构经济损失快速评估方法按照以下步骤实施：

一、利用opensees软件建立4层rc框架结构的有限元计算模型，4层rc框架结构有限元模型示意图如图1所示，选择地震-海啸事件中的地震动建立地震动分析样本库，地震动数量m(本实施例m取20)；

二、令i＝1，对rc框架结构进行非线性动力时程分析，在地震的加速度时程曲线后加入一段加速度为“0g”的时程曲线模拟在地震作用后自由振动的过程，并保证海啸作用时rc框架结构处于静止；

三、对rc框架结构进行海啸力作用下的pushover分析，pushover的侧向力模式采用正三角分布，同时沿海啸高度下的每个楼层作用5个侧向力，作用点分别位于单个楼层高度5等分区域的中心，获得基底剪力-顶部位移的推覆曲线，推覆曲线与海啸需求力曲线的交点处的反应即为地震-海啸连续作用下结构的真实反应；

根据公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)和公式(5)计算海啸需求力ft：

式中，cd表示动力系数，ρ表示海啸流体密度，u表示海啸流速，g表示重力加速度，h表示海啸淹没高度，λ表示海啸导向系数，frc表示弗劳德数临界值，w渠道水流宽度，frd，c表示建筑物后侧弗劳德数临界值，ch由试验确定为0.58，cd0确定为1.9，fr表示弗劳德数b表示海啸力作用下计算单元宽度(本实施例b取3.6m)；

四、令i＝i+1，当i＜m，转至步骤二继续计算，当i＝m，则停止计算，计算地震动分析样本库的所有地震动，得到每个地震-海啸连续作用下rc框架结构的真实反应，分析rc框架结构在地震-海啸作用下的倒塌易损性曲线和rc框架结构的工程需求参数，工程需求参数包括各层最大层间位移角和各层层间峰值加速度；本实施例在地震-海啸多灾害连续作用下海啸高度为6m时的倒塌易损性曲线如图3所示，本实施例在地震-海啸多灾害连续作用下海啸高度为6m、海啸流速为4m/s时的工程需求参数如表1和表2所示；

五、利用pact(performanceassessmentcalculationtool)软件建立rc框架结构建筑的性能模型，性能模型包括建筑信息、建筑物相关的人口模型和建筑物构件的性能组；

1)确定建筑信息：

建筑基本信息包括建筑物的基本参数，包括：楼层层高、建筑面积、重建费用、重建时间、占用系数、高度调整系数、每平方最大工作人数；

2)确定与该rc框架结构建筑物相关的人口模型：

建筑物相关的人口模型是指时间与建筑物内人数的相关函数，不同类型的建筑都有特定的人口模型，选择与本建筑物相关的人口模型，用于计算地震-海啸连续作用下的人员伤亡；

3)确定建筑物构件的性能组(performancegroups)：

性能组是指一类材料属性、施工方式、损伤模式相近的构件集合，确定建筑物构件的性能组是为了获得易损性数据库中各个性能组都相对应的结果函数(构件损伤与经济损失的相关函数)以及构件易损性曲线；

六、确定rc框架结构潜在倒塌模式，计算海啸强度换算系数；结构潜在倒塌模式是指结构各层发生潜在倒塌的超越概率，结构潜在倒塌模式与倒塌易损性结合判断结构是否发生倒塌；海啸强度换算系数是指地震-海啸多灾害连续作用下，以海啸强度作为参数变量来进行经济损失评估时，利用海啸强度换算系数将海啸强度等效为地震谱加速度进行经济损失结果的预测，本实施例中4层rc框架结构海啸强度换算系数如表3所示；

七、利用步骤四的计算结果对地震-海啸作用下的结构进行经济损失评估：

s71、通过倒塌易损性曲线和结构潜在倒塌模式软件判断rc框架结构建筑物是否倒塌；

s72、当判断rc框架结构建筑物发生倒塌，rc框架结构的修复费用与修复时间为重建结构的费用与时间，计算结束后跳转至步骤s74；

s73、当判断rc框架结构建筑物未发生倒塌，通过步骤五中建筑物构件的性能组中的结果函数与构件易损性曲线、步骤六中海啸强度换算系数并结合工程需求参数计算经济损失；

s74：重复步骤s71-步骤s73，利用蒙特卡洛方法模拟地震-海啸下结果的不确定性对预测经济损失的作用，直至运行次数达到设定的1500次，停止计算；

s75：对所得样本数据进行对数正态分布拟合，获得结构在地震-海啸作用后的经济损失结果，以横坐标为经济损失，纵坐标为超越概率，结合步骤七的计算结果，即可得到如图4所示的4层rc框架结构在地震-海啸连续作用下海啸高度为6m、海啸流速为4m/s时经济损失图。

表1为rc框架结构在地震-海啸连续作用下海啸高度为6m、海啸流速为4m/s时的各层最大层间位移角；

表1

表2为rc框架结构在地震-海啸连续作用下海啸高度为6m、海啸流速为4m/s时的各层层间峰值加速度；

表2

表2中单位为g。

表3为4层rc框架结构海啸强度换算系数。

表3

本实施例利用动力时程分析模拟地震动作用、非线性静力推覆模拟海啸作用，获得rc框架结构在地震-海啸作用下的倒塌易损性曲线及结构工程需求参数，进而利用所得结果结合结构潜在倒塌模式、建筑性能模型和海啸强度换算系数进行结构经济损失评估。

通过本实施例实现了多灾害韧性评价的rc框架结构经济损失快速评估。本发明有充分理论依据，且简易有效，为rc框架结构连续灾害下建筑风险防控、结构设计理论提供了有效的依据。