清水池震害评估模型研究.pdf

《清水池震害评估模型研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《清水池震害评估模型研究.pdf（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、第 3 8卷 第 1 期 2 0 1 3年 2月 广西大学学报：自然科学版 J o u r n a l o f Gu a n g x i U n i v e r s i t y：N a t S c i E d V o l _ 3 8 No 1 F e b 2 0 1 3 文章编号：1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 1 3)0 l-0 0 4 8-0 7 清水 池震 害评估模 型研 究 高 霖，郭恩栋，刘 智，洪广磊(中国地震局 工程力学研究所，中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 0)摘要：为了评估清水池的地震破坏状态，基于海城地震、唐山地震中较详细

2、的水池震害资料，分析了水池的主 要震害现象、特征，并找出了影响水池震害的主要因素。采用最 bS-乘法对震害数据进行回归分析，得到了各 震害影响因素不同情况下的回归系数取值，从而建立了清水池震害经验统计回归模型。经计算该模型的相关 系数为 0 6 6 1，标准差为0 4 4 7。经回判分析，模型回判成功率为9 1 2。对于模型中未考虑到的震害影响因 素，根据实际震害经验，给出新增影响因素的建议系数。对汶川 I、玉树等地震中遭到破坏的清水池进行评估，结果与实际震害基本相符，初步验证了该评估模型的可靠性。关键词：清水池；震害；回归分析；评估模型；汶川地震 中图分类号：P 3 1 5 9 文献标识码：

3、A S t u d y o n e v a l u a t i o n mo d e l o f e a r t h q u a k e d a ma g e t o c l e a n wa t e r t a nk GAO Li n，GUO En d o n g，L I U Z h i，HONG Gu a n g l e i (K e y L a b o r a t o r y o f E a h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d E n gin e e r i n g V i b r a t i o n，I n s t i t u t e o f

4、 E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s，C h i n a E a h q u a k e A d m i n i s t r a t i o n，H a r b i n 1 5 0 0 8 0，C h i n a)Ab s t r a c t：I n o r d e r t o a s s e s s t he s e i s mi c d a ma g e o f c l e a n wa t e r t a n k s，ba s e d o n t h e d e t a i l e d e a r t h q u a k e d a ma g e

5、 d a t a o f c l e a n w a t e r t a n k s f r o m Ha i c h e n g e a r t h q u a k e a n d T a n g s h a n e a r t h q u a k e，t h e p h e n o me n a a n d c h a r a c t e ri s t i c s o f c l e a n w a t e r t a n k s s u b j e c t e d t o e a r t h q u a k e d a m a g e a r e a n a l y z e d a n

6、d t h e ma i n i n fl u e n c e f a c t o r s a r e f o u n d T h e l e a s t s q u a r e me t h o d i s u s e d i n t h e r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f t h e e a rt h q u a k e d a ma g e d a t a t o o b t a i n e d t h e r e g r e s s i o n c o e f f i c i e n t s o f i n fl u e n c e f

7、a c t o r s o f e a rth q u a k e d a ma g e u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s a n d t o e s t a b l i s h a n e mp i r i c a l mo d e 1 t o e v alu a t e t h e e a rt h q u a k e d a ma g e o f c l e a n wa t e r t a n k s T h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e mo

8、 d e 1 i S 0 6 6 1 a n d t h e s t a n d ard d e v i a t i o n i s 0 4 4 7Th e mo d e l h a s a n a c c u r a c y o f 9 1 2 b y t h e r e g r e s s i o n d i s c r i mi n a n t a n a l y s i s Ac c o r d i n g t o t h e e a rt h q u a k e e x p e ri e n c e，t h e a d j u s t m e n t c o e f f i c i

9、e n t s f o r n e w i n f l u e n c e f a c t o r s t h a t a r e n o t c o n s i d e r e d i n t h e mo d e l a r e g i v e n Ev a l u a t i o n r e s u l t s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e a c t u a l d a ma g e t o t h e c l e a n wa t e r t a n ks i n W e n c h ua n e a rth q u a k e a

10、n d Yu s h u e a rth q ua k e，a n d e t c Th u s，t h e mo d e l i s p r e l i mi n a ri l y p r o v e d t o b e r e l i a b l e Ke y wo r d s：c l e a n w a t e r t a n k；e a r t h q u a k e d a ma g e；r e g r e s s i o n a n a l y s i s；a s s e s s me n t mo d e l：We n c h u a n e a rt h q u a k e 收

11、稿 日期：2 0 1 2-07-2 7；修订日期：2 0 1 3-01-0 5 基金项目：中国地震局地震行业科研专项重点项目(2 0 1 0 0 8 0 0 5)通讯联系人：郭恩栋(1 9 6 6 一)，男，辽宁辽中人，中国地震局工程力学研究所研究员，博士生导师；E-m a i l：i e m g e d 2 6 3 ne t。第 l 期 高霖等：清水池震害评估模型研究 4 9 供水系统作为生命线工程的重要组成部分，一旦其遭受地震破坏，将严重影响社会的正常生产和生 活秩序。清水池在整个供水系统中处于关键地位，是输配水工程中的重要构筑物。如果清水池破坏，供 水 系统会丧失储水等重要功能，甚至导致

12、某一条输配水线路功能失效。清水池的地震破坏较普遍：1 9 7 5 年海城地震中，营口市某厂给水站 的清水池破坏严重；2 0 0 8年汶川地震中，仅 四川省就有 2 0多个市 县水厂的清水池遭到不 同程度破坏 J。震害评估是防震减灾的基础性工作之一，目地是为了发现城市 或区域抗震防灾的薄弱环节，为制定抗震防灾规划或有针对性的地震防御措施提供依据。历史震害表 明我国城乡供水系统中还存在大量易于遭受地震破坏 的清水池结构，为了对清水池在未来地震发生时 的功能状态进行评估，同时也为 了对震后水池的破坏程度进行快速评估，有必要研究合理的清水池震害 评估方法来满足实际需求。目前，国内外对水池的抗震研究主要

13、集 中在裂缝宽度公式计算 的震害预测方法 刮和考虑液固耦合 效应 的地震反应分析方法。这些方法计算 结果相对准确，但过程复杂、耗时较 长，不能应用于水池 震后快速评估工作。而基于历史地震震害资料建立 的经验统计回归模 型适合震后 结构 的快速评估，故 本文基于收集到的清水池震害资料，找出影响清水池震害的主要因素，经回归分析和修正后，得到清水 池震害经验统计回归模型，并通过汶川、玉树等地震中清水池震害实例对模型的合理性进行检验，初步 验证了评估模型的可靠性。1 清水池 的震害 清水池是给水工程 中主要构筑物之一。清水池常用的平面形状为 圆形或矩形，池体结构一般是由 池壁、顶盖和底板三部分组成。给

14、水工程 中的清水池多数是有顶盖的。按照建造在地面上下位置不 同，水池又可分为地下式、半地下式及地上式。从建造材料和容量角度来看，大、中型水池通常采用钢筋混 凝土材料砌筑，而小型水池常采用砖石砌体材料。清水池在历次地震中破坏较普遍，当水池采用上 述不同的组合形式时，震后其破坏情况不尽相同。根据历史地震 中清水池震 害资料，先 由水池的主要震 害类型和地震破坏等级划分标准等基本工作人手，找出影响水池震害的主要因素，继而建立清水池震害 评估模型。1 1 主要震害类型 对现有清水池震害资料分析发现，水池的震害类型主要有：裂缝、变形沉陷、渗漏、顶板塌落、内部立 柱开裂或产生横向位移等。下面对各种震害类型

15、进行简述。裂缝：裂缝是水池最常见 的震害现象，主要分为水平裂缝、竖 向裂缝、斜 向裂缝和环向裂缝，根据 可视性分为明缝和暗缝。震害不严重时，常出现细微的水平、竖向裂缝或较短的斜向裂缝。当出现贯通 裂缝、环向裂缝导致水池整体破坏时，破坏几乎不可修复。沉陷：由于水池下填土没有很好地压实，基础土层松软，或水池内外温差较大，存在温度应力，地 震后均会引起水池沉陷。液化也可能是水池沉陷的原因之一。渗漏：水池在使用期间出现一定量的漏水是正常的，但若震后渗漏量明显增大，则水池池壁或池 底产生了大裂缝或贯通裂缝。最严重的情况会导致蓄水漏尽。顶板塌落：z k 池顶板与池壁体连接不强，地震时可能会引起顶板错位、塌

16、落。这不仅会影响水 质，同时顶板可能会砸坏内部立柱或其他的附属设施，引起二次破坏。内部立柱开裂或产生横 向位移：对于面积较大的水池，设计时通常会在内部增加立柱，以增加水 池 的整体刚度。由于立柱与顶板或底板的刚度不 同，受到的地震作用也不 同，地震后产生的位移就不相 同，直接导致立柱顶、底端裂缝或 出现塑性铰。如果大多数立柱均有破坏，水池震后难以修复。1 2 地震破坏等级划分 参考文献 1 5 ，水池的地震破坏划分为五个等级，即基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁 坏，如表 1。为方便模型的建立，对各破坏等级赋予相应的震害指数。表 1 中列出了不同地震破坏等 级对应的震害指数范围及破坏状

17、态描述。5 0 广西大学学报：自然科学版 第 3 8卷 1 3 震害影响因素 通过对水池震害调查资料的分析发现，影响水池震害的因素主要分为四大类：水池 的自身特性，水 池所在区域的场地条件，地震烈度和水池 的修建使用状况。水池 的 自身特性主要包括材料、构造形 式、形状和容量。水池的修建使用状况包括抗震设防烈度、建造年代和施工质量。2 清水池震害统计 回归模型 基于回归分析建立 的统计 回归模型较广地应用于结构震害评估。通过选定清水池样本和回归计算 公式建立模型，经 M A T L A B软件计算，得到各震害影响因素的系数取值，得到初步的统计 回归模型后，随即进行回判分析和修正，最终得到修正的

18、清水池震害统计 回归模型。2 1 多元线性回归方法 回归分析方法是研究随机现象中变量之间相关关系的一种重要分析方法。由多个 自变量的最优组 合共同来预测或估计因变量，比只用一个自变量进行预测或估计更有效，更符合实际。若想经过回归分 析得到较好的结果，应满足以下几点条件：对于资料样本，总体应服从多元正态分布；样本数应足够 大，至少应是自变量个数的5 倍；分类变量在回归分析中，有序分类其治疗效果为=0(无效)，=l (有效)，=2(控制)。多元线性 回归模型的一般形式为：=卢 0+1 X 1 +卢 2 X 2 +卢 X 航+(i=1，2，t)，(1)其中，k为解释变量 的数 目，称为回归系数。式(

19、1)也被称为总体回归函数的随机表达式。它的非随机表达式为：=卢 0+卢 1 X 1+卢 2 X 2 +卢 X“(i=1，2，n)，(2)式 中，卢 也被称为偏 回归系数。2 2 简化的经验统计回归模型 袁一凡在文献 1 8 中首先提出了土坝震害评估的经验统计回归模型。由于清水池结构形式和功 能较土坝结构简单，故本文将土坝震害评估模型进行简化，作为清水池震害评估模型。基于多元线性回 归公式 的变形，震害指数作为因变量，震害影响因素的系数作为 自变量，自变量对清水池震害的影响表 示为连乘积的形式。回归公式为：，K=兀。(3)将式(3)两边取对数，可化为一般的线性回归：，K l n D I =y6

20、l n b jk，(4)、式(4)右端是由乘积项的求和项组成的，其中 i 为清水池编号 为项 目编号；为 项目的类别编号；D I i 为第 i 座水池的震害指数；6 为 项 目k类别的系数值；6 为克拉奈特记号，当清水池具有 项 目k类别 结构特征时取 1，否则取 0。2 3 模型的建立 表 2 是对 1 4 7座发生在海城地震和唐山地震中的清水池震害基本信息的统计。将这些水池按场地 第 1 期 高霖等：清水池震害评估模型研究 5 1 条件、结构材料、形式、形状、容量进行了分类，每一类又分成两类子情况。对 于每个水池，用符号“O”表示具有某种性质，对于不具有的性质则显示为空。根据水池的震害现象

21、由表 1 确定其破坏等级。对 于震害指数是这样取值 的：基本完好为 1，轻微破坏为 2，中等破坏为 3，严重破坏为 4，毁坏为 5。按此方 法给样本水池赋予相应的震害指数，填入表 2相应列 中。表 2 样本水池震害基本信息 Ta b 2 Ba s i c i n f o r ma t i o n o f e a r t h q u a k e d a ma g e f o r s a m p l e wa t e r t a n k s 整个计算过程应用 M A T L A B软件，采用最 b-乘法对水池震害资料进行线性 回归。为便 于理解，将能相对减轻清水池地震破坏程度的有利因素即类别 1的

22、系数取值为 1 0 0，某项 目下其他类别的取值 均按与类别 1 的比值来确定，得到震害影响因子的建议系数，其数值越大影响越大。这样处理可以方便 地对 比不同项 目或同一项 目不同类别对清水池震害影响程度 的大小。经过试算拟合，得 到模型的相关 系数为 0 6 6 1，标准差为 0 4 4 7。将水池震害因子分类及系数取值列于表 3中。应用公式(3)对清水池进行评估时，震害影响因素的取值选用表 3最后一行 的建议系数。求得震 害指数 后，查表 1 确定所评估清水池的破坏等级。表3 清水池震害影响因子分类及系数取值 Ta b 3 Cl a s s i f i c a tio n a n d v

23、a l u e o f e a r t hq u a k e d a ma g e i n flu e n c e f a c t o r s f o r c l e a n wa t e r t a n k s 5 2 广西大学学报：自然科学版 第 3 8卷 从表 3各类别的建议系数值可以看出：地震烈度和容量是影响清水池地震破坏程度的主要因素；结 构形式和场地条件次之，结构形状和材料影响相对较小。2 4 模型回判分析 将表 3中震害影响因素建议系数 回代人式(3)，对样本清水池进行 回判分析，得到计算震害指数。若计算震害指数正好落在实际破坏等级对应的震害指数区间之内，则回判成功。对于计算震害

24、指数在 相邻两破坏等级分界值附近时，很难确定其破坏等级，对于这种情况，需对水池进行更详细的评估。由 于震害程度是按等级划分，而震害指数是连续值，本文假定：计算震害指数与震害所属区间左、右端点值 相差在 0 1范围内时，均认为其破坏等级与实际相符。1 4 7座样本水池 回判结果显示：模型计算震害等 级与实际震害等级相符的水池有 1 3 4座，相差一级 的有 9座，相差二级的有4座，符合率为9 1 2 ，可见 此统计 回归模型符合率较高。2 5 模型的修正 对所建立的清水池统计回归模型进行修正。考虑到抗震设防烈度、建造年代和施工质量三个因 素对清水池震害程度的影响，分别给出各因素的建议系数，详见表

25、 4。表 4中建造年代划分为三阶 段，主要是依据我国给水工程水池的相关规范。1 9 8 4年 给水排水工程结构设计规范(G B J 6 9 8 4)的颁 布施行，对水池结构的设计有了一定 的标准和要求，但 由于该规 范在内容上概 括 了给水排水工 程的各类构筑物，内容过于综合，不利于单个构筑物结构设计 的发展；2 0 0 2年颁布的 给水排水工 程构筑物结构设计规范(G B 5 0 0 6 9 2 0 0 2)和 给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程(C E C S 1 3 8 2 0 0 2)，近一步地规范 了水池结构的设计。由于我 国规范通 常 l 0年一更新，所 以将第三 时间段 暂定

26、为 2 0 0 2 2 0 1 2年。表 4 新增影响因素的震害调整系数 T a b 4 T h e a d j u s t me n t c o e ffic i e n t s o f n e w l y i n c r e a s e d i n f l u e n c e f a c t o r s 综上所述，建立 了修正的清水池震害评估模型。应用公式(3)对待评估清水池的震害指数进行计 算，其中=1 9分别为表 3和表 4中的 9个项 目，为某项 目的类别号。当待评估清水池具有 项 目k 类别特征时，诚 为 1，否则为 0。若表 3中项 目未知时，为准确估计清水池的地震破坏状态，对未

27、知项 目 采用最有利和最不利两种界限状态分别对清水池进行评估，给出评估破坏等级区间。未知项 目个数越 少时，评估区间越小，评估结果越接近实际破坏等级。若表 4中的项 目未知时，则不考虑该项 目对清水 池震害的影响。3 算例 应用以上建立的清水池震害评估模型对汶川地震、玉树地震和新疆于田一策勒地震 叫中 1 0座清 水池进行评估。将待评估清水池实际破坏等级与模型评估结果列于表 5中。当实际破坏等级落在模型 评估区间内或与区间端点相同时，认为评估结果与实际破坏等级相符。从表5可以看出，模型评估结果与实际破坏等级相符率较高，所建立的评估模型具有一定的可靠 性，可以满足工程需要。图1、图2 分别为表5

28、中编号 6、编号7清水池震害图片，均属于清水池的典型 破坏 5 4 广西大学学报：自然科学版 第 3 8卷 1 9 59，8 5：3 5-42 1 0 A N D R I A N A R I S O N 0，O HA Y O N I L C o m p r e s s i b i l i t y a n d g r a v i t y e f f e c t s i n i n t e rna l fl u i d-s t r u c t u r e v i b r a t i o n s：B a s i c e q u a。t i o n s a n d a p p r o p r i a

29、t e v a r i a t i o n a l f o r m u l a t i o n s J C o m P u t Me t h o d s A P P I M e c h E n g r g，2 0 0 6，1 9 5：1 9 5 8-1 9 7 2 1 1 刘云贺，王克成，陈厚群 储液池的抗震问题探讨 J 地震工程与工程振动，2 0 0 5，2 5(1)：1 4 9 1 5 4 1 2 刘洁平，胡明棉，张令心 考虑液固耦合水池地震反应分析方法及其应用 J 哈尔滨工业大学学报，2 0 1 1，4 3(S 1)：1 8 2 1 8 7 1 3 张飘 给水排水工程结构 M 北京：机械

30、工业出版社，2 0 1 0 1 4 高霖，郭恩栋，王祥建，等 供水系统水池震害分析 J 自然灾害学报，2 0 1 2，2 1(5)：1 2 0 1 2 6 1 5 全国地震标准化技术委员会(S A C T C 2 2 5)G B T 2 4 3 3 6-2 0 0 9 生命线工程地震破坏等级划分 s 北京：中国 标准 出版社，2 0 0 9 1 6 郭恩栋，张丽娜，王亚东，等 土坝震害评估模型研究 J 岩土力学，2 0 1 1，3 2(1 2)：3 6 6 7-3 6 7 1 1 7 王家全，张信贵，易念平，等 场地土卓越周期变化的试验分析 J 广西大学学报：自然科学版，2 0 1 0，3 5

31、(4)：6 8 4-6 9 2 1 8 袁一凡 岩土工程结构震害预测方法研究 R 1 9 北京市市政工程设计研究总院 G B 5 0 3 3 2 2 0 0 2 社，2 0 0 2 哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2 0 0 0：3-2 2 给水排水工程管道结构设计规范 s 北京：中国建筑工业出版 2 0 新疆维吾尔自治区地震局 新疆于田一策勒 7 3级地震灾害损失及地震烈度分布 E B O L 2 0 0 9-0 2-0 9 2 0 1 2-1 0 2 8 h t t p：w w w e q-x j g o v c n m卸a g e h t r I】船0 8 1 8 l 1 2 6 b e b d a o l 1 2 6 b e o 4 d d 0 0 0 o 1 c o n t e n 0 9 0 9 l 2 3 4 1 6 6 9 0 9 3 5 3 h t m 1 (责任编辑唐汉民梁健)