基于能力曲线的燃气系统地震脆弱性评估方法

第28卷第1期2013年1月

灾害学

JOURNALOFCATASTROPHOLOGY

Vol.28No.1Jan.2013

基于能力曲线的燃气系统地震脆弱性评估方法

颜

峻

（中国劳动关系学院安全工程系，北京100048）

*

——需求谱方法建立了燃气系统地震脆弱性摘要：为了定量评估燃气系统在地震中的脆弱性水平，基于能力—

评估方法。评估方法从地震潜在危险性分析、结构抗震能力、需求谱与脆弱性曲线建立以及破坏状态预测等四方面着手研究。基于上述模型与方法，研究了地震动作用下燃气系统最大承载能力、破坏等级及概率。最后以某天然气压缩站主体建筑为例，建立了反映场地地震潜在危险性的地震反应谱，构建了用于确定性能点的抗震

——需求谱，并基于FEMA273绘制了不同破坏等级的脆弱性曲线，定量分析了该压缩站遭受破坏等级能力—和概率。

关键词：天然气系统；地震；脆弱性；能力曲线；需求谱；评估方法中图分类号：X43；P511.2文献标志码：A文章编号：1000－811X（2013）01－0028－04

0引言

燃气系统是确保城市正常运行的生命线，在破坏性地震中不但其自身建筑、设施及管道会遭受严重的破坏，而且容易导致泄漏、火灾、爆炸等次生灾害事故，造成的损失可能要比地震造成

［1］

的直接损失更加严重。建立燃气系统地震脆弱性评估方法，对有效开展城市生命线工程地震风险性分析、进行有针对性的灾害事件应急处置决策具有重要的参考价值。

燃气系统可能遭受破坏的对象主要包括设备

［2－3］

，燃气系统设施及管线。根据已有的研究成果

主要破坏的部位包括中压配气管道、管间和支管连接部件、阀门以及高压设施。其中加气站中高压储气罐闸门和管线焊接处在地震中断裂极易导致燃气泄漏，地下燃气输送管线虽然在地震过程中发生扭曲但并不一定产生严重的损坏。地面的燃气设施或管线却由于建构筑物的局部坠落或整体倒塌而受损。目前针对燃气系统在地震中的损坏主要通过理论分析和经验统计方法进行研究。理论分析方法主要是通过计算管道变形值用以确

［4］

定管道破坏状态的概率。基于经验统计方法包

［5］

括建立地震烈度与管道震害率之间经验公式。一直以来，尤其是在国内的地震风险评估中均将地震烈度等同于地震动参数加以应用。但人们逐渐发现，地震烈度与地震动参数之间并不存在明确的对应关系，有研究表明两者之间存在较大的离散性，因此将烈度值代替地震动参数用以地震

，而以地震动风险评估及损失预测是不适合的

参数为基础的地震损失预测分析方法逐渐被国内

［8－11］

。外广大研究人员所关注

本文将基于静力弹塑性分析（Pushover分析）原理建立用于燃气系统震害脆弱性的评估方法。将从地震潜在危险性分析着手，找到确定抗震能力极限（性能点）的基本思路，最终确定衡量燃气系统脆弱性的评估方法。

［6－7］

1评估方法及模型

本文所建立的燃气系统地震灾害脆弱性评估——需求谱相结方法是一种将脆弱性曲线与能力—

合，用于描述承灾体破坏程度概率的定量分析方法。首先基于我国《建筑抗震设计规范》中所给出的地震设计反应谱确定地震潜在危险性，将其转换为表征场地地震强度的需求谱。参照FEMA273中有关能力曲线的设置，建立燃气系统主体建筑抗震能力曲线。最后，结合能力曲线与需求谱确定性能点，并将性能点对应的反应峰值作为脆弱性曲线输入，得到燃气系统不同破坏等级的概率。方法中涉及到的模型如下。1.1地震反应谱

地震危险性一般通过地震反应谱加以描述。地震反应谱代表了单自由度弹性系统在不同地震固有周期下的反应最大值（包括峰值地面加速度、峰值地面速度等）。其横坐标对应不同地震周期，纵坐标为各结构自振周期对应体系的反应最大值。

《建筑抗震设计规范》在我国中以地震影响系数作

*

收稿日期：2012－05－25修稿日期：2012－06－16

“典型城市自然灾害预测预警模型及灾后损失评估方法研究”（10YYA030）基金项目：中国劳动关系学院院级科研项目

mail：yanjunn@http://www.77cn.com.cn作者简介：颜峻（1977－），男，天津人，博士，讲师，从事公共安全管理及自然灾害风险评估研究．E-

1期颜峻：基于能力曲线的燃气系统地震脆弱性评估方法

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为抗震设计的依据，给出的地震设计反应谱（地

［12］

（图1）。图1中α为地震影震影响系数曲线）

响系数，α=Sa/g（无量纲）；Sa为单质点体系在地震作用下的最大反应加速度（g）；g为重力加

2

速度（m/s）；αmax为地震影响系数最大值（无量纲）；η1为直线下降段的斜率调整系数（无量纲）；γ为衰减指数（无量纲）；Tg为特征周期（s）；η2为阻尼调整系数（无量纲）；T为结构自振周期（s）

。

限承载能力两个控制点确定能力曲线的形状。已

2

知Ay=Csγ/α，Dy=9.8AyTe，Au=λAy，Du=λμDy，式中Cs为设计强度系数（无量纲）；Te为结构处于弹性状态时间（s）；α为结构处于静力弹塑性模式自重系数（无量纲）；γ为屈服承载能力相对于设计承载能力的结构强度超过系数（无量纲）；λ为极限承载能力相对于屈服承载能力的结构强度超过系数（无量纲）；μ为延性系数（无量纲）。各

MH相关说明［14］。变量取值可参考HAZUS-1.2.2需求谱建立

在建立以周期为横坐标的加速度反应谱的基础上，将其转换为加速度与位移关系的需求谱，Sa

［14］

与Sd之间的转换关系为：

（1）Sd（T）=0.25×Sa（T）×T2。式中：Sd为单质点体系在地震作用下的最大位移

（m）；再采用谱折减系数R将弹性需求谱进一步转化为阻尼比为5%的弹塑性需求谱。Newmark和Hall给出的加速度谱折减系数RA和速度谱折减系

［14］

数RV计算公式为：RA=2.12/（3.21－0.68ln（Beff）），RV=1.65/（2.31－0.41ln（Beff））。式中Beff为有效阻尼（N·s/m）。1.3脆弱性曲线

对于燃气设施以脆弱性曲线代表其易损性。脆弱性曲线以对数正态分布函数的形式给出了一定地面震动强度或地基失效程度下承灾体达到或超过特定破坏等级的累积概率分布。以峰值地面位移Sd为例，承灾体达到或超过特定破坏等级的

［14］

概率分布函数有如下形式：

Sa1

P［ds|Sa］=Φln。（2）

珔Sa，βdsds

Sa，式中：ds为破坏等级；珔ds承灾体达到破坏程度ds

所承受的峰值地面加速度的中位值（g）；βds为Sd取自然对数的标准差；Φ为标准正态分布累积函数。

1.4损失状态预测

将需求谱与能力曲线画于同一坐标内，两者的交点即为性能点，反映了建筑物在地震荷载的作用下所能承受极限承载能力。再将性能点对应的地震强度（谱位移Sd或谱加速度Sa）作为脆弱性曲线的输入参数，便可得到不同破坏等级的累积

［15］

概率值。

图1地震设计反应谱

1.2

抗震能力曲线与需求谱

——需求谱分析方法的理论基础为目前能力—

在抗震设计中广泛采用的静力弹塑性分析方法，

over分析方法。建构筑物在地震中的反应即Push-由能力曲线代表，该曲线反映了结构受到地震横

向载荷与顶点位移关系曲线（能力谱）。再将地震波到达建构筑物场地的反应谱转化为需求谱，两曲线的交点即性能点，作为建筑物在地震作用下的峰值位移或加速度。1 …… 此处隐藏：6470字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……