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日本灾害评估及新技术在灾害评估中的潜在应用

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摘要

地震发生后，评估受灾地区建筑物的损坏程度是非常重要的。在日本，会进行快速检查，以评估余震造成的倒塌风险。如果检测到任何损坏，需要进行损坏分类，这需要时间，但将其损坏分为5类。日本有快速检查和损坏分类的标准。本章简要介绍了它们。类似于损害分类，房屋和家中物品的损失为地震保险。并介绍了地震保险的方法。由于它们是基于目测的，因此很难调查高层建筑和被整理覆盖的建筑物的损坏情况。近年来，利用传感器进行损伤自动、实时分类的研究越来越多。介绍了一种基于容量谱法的加速度计结构健康监测方法，目前已在40多座建筑中应用。

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2.1简介

日本是地震多发国家之一。我们采用的抗震规范要求具有非常高的抗震性能，其中短周期建筑的基础剪切系数要求为1.0。由于需求太高，无法保持建筑物的弹性，因此可以接受非线性行为，如弯曲屈服，以安全地消耗输入能量并减少需求。韧性最强的钢筋混凝土建筑的基础剪力系数需求为0.30。可以说，建筑物在强烈地震时可能会受到破坏。

为了防止余震造成的悲剧，在大地震发生后迅速检查现有建筑物是至关重要的。作为避难所的公共建筑等民用基础设施需要评估在余震期间的抗震性能。另一方面，在主震发生后不久，筛选出仍有足够抗震能力的建筑物也是非常重要的，因为许多人即使有足够的抗震能力，也会因为害怕倒塌而逃离他们的房子。它可以帮助减少难民的数量。

在本章中，快速检查法在日本(日本建筑防灾协会)2015)介绍。如果检测到任何损坏，则根据更详细的调查，将损坏级别分为“无”、“轻微”、“轻微”、“中等”、“严重”和“坍塌”六个级别。这就是所谓的损伤分类方法。在日本，该标准可用于对受影响建筑物的损坏程度进行分类，并在修复时评估是否需要加固。文中还介绍了标准的概述。

与快速检查一样，地震保险也需要在地震发生后立即评估受灾建筑物的损坏程度。保险金额应根据其损害程度支付。本文还介绍了地震保险中快速损失评估的方法2019)．

目前，建筑必须由工程师或研究人员根据以上三种方法逐个检查。例如，在神户地震时，对受灾地区的4.6万栋建筑物进行快速检查，需要5068名工程师，耗时19天。19天太长了，但被检查的建筑数量还不够。此外，许多建筑被判定为“限入”，需要工程师进行详细评估。“限入”判决是灰色地带，并不能消除居民的焦虑。此外，目前的快速检查系统提出了一个困境，因为建筑物应该通过工程师的视觉观察来检查。因此，根据工程师的经验，判断是不同的。

为了解决上述问题，作者一直在开发实时剩余抗震能力评价系统，该系统只需要几个相对便宜的加速度计。该系统利用廉价的加速度计，通过测量地基和结构各点的加速度来计算性能和需求曲线，并通过比较这些曲线进一步估计结构的剩余抗震能力。为了绘制性能曲线，需要每个点的绝对响应加速度和相对响应位移。位移由加速度通过系统中的二重积分得到。本文将介绍该系统的概要，以及从2011年日本东北地震期间一座仪器建筑的记录数据中获得的结果。

2．2日本的快速检验方法

快速检测方法和损伤分类方法是建设部1981-1985年“地震损伤建筑修复技术开发”项目提出的。1986年出版了《建筑物震后重建技术手册(草案)》。手册上说快速检查是为了评估非结构构件的倒塌和倒塌风险，并标注“不安全”、“限入”和“已检查”，如图所示。2.1(日本建筑防灾协会2015)．
图2.1

标签根据快速检查结果(日本建筑防灾协会2015）

在日本，快速检查方法被用于“快速”找出伴随余震的危险建筑物。检查是基于从建筑物外的视觉观察。对结构和基础的风险进行了相应的评估。根据构件的裂纹类型和残余裂纹宽度，将构件的损伤程度分为5类。首先，根据构件的破坏形式或施工年份将构件分为“受弯构件”和“受剪构件”。其次，根据残余裂纹宽度、类别和损伤情况对构件的损伤进行分类，如表所示2.1．在耗散应变能的基础上，从概念上定义了每一类损伤d \ (E {} _ {} \)和剩余应变能r \ (E {} _ {} \)，如图所示。2．2．
表2.1

损害等级根据指南(日本建筑灾害预防协会2015）

伤害类

条件

受弯构件

剪切成员

我

只有细小的裂缝(宽度< 0.2 mm)存在，但没有钢筋应该屈服

2

构件可能屈服，两端存在明显裂缝(宽度0.2 mm ~ 1.0 mm)

存在明显剪切裂缝(宽度0.2 ~ 1.0 mm)

3

非线性变形增大，出现较宽的弯曲裂缝(宽度1.0 mm ~ 2.0 mm)，但覆盖层混凝土下陷不大，核心混凝土完好

出现多处剪切裂缝，宽度较宽(1.0 mm ~ 2.0 mm)，覆盖层混凝土下移不大，核心混凝土完好，恢复力保持

4

有许多宽阔的裂缝，覆盖混凝土掉落很多，核心混凝土受损，钢筋可见。侧力承载能力可能会降低，但柱和墙仍然承受重力荷载

宽剪裂缝较多，覆盖层混凝土较多跌落，核心混凝土损坏，但未见钢筋或箍屈曲/断裂。横向力承载能力可以保持

V

钢筋变形，甚至核心混凝土也会倒塌。看起来几乎没有横向承载能力了。列/墙缩短。可以观察到倾斜或沉降。钢筋可能断裂
图2.2

损伤等级根据能量耗散(Bunno et al。2006）

结构损伤评估见表2．2．检查的对象是受损最严重的楼层。如果任何成员的损坏被归类为III级、IV级或V级，则该建筑物被归类为“B级”。若破坏等级为IV级和V级的柱数之比较高，则将建筑物列为B级或c级。若不均匀沉降导致的倾斜度较大，则将其列为B级或c级。同时还考虑了相邻建筑物和基础的风险。根据所有评估等级，如果该建筑的等级为C或更高，则该建筑被归类为“不安全”。如果所有风险都被评估为A级，则该建筑被归类为“已检查”。其他建筑被归类为“限制进入”。
表2.2

根据基础和结构的风险快速检查结果(日本建筑防灾协会)2015）

排一个

等级B

等级C

(1）

存在III级或以上损坏

没有

是的

- - - - - -

邻近的建筑物或地基看起来很危险

没有

未知的

是的

倾斜由于不均匀沉降

< 1/60

1/60-1/30

1/30 <

立柱损坏(损坏最严重的楼层)

（2）

损坏等级V的检出柱数%

< 1%

1 - 10%

< 10%

破损等级检验柱数%

< 10%

10 - 20%

< 20%

判断

检查

都是A级

谨慎

只有一个等级B

不安全的

其他人

整体判断(在(1)和(2)之间取较坏的情况)

检查

谨慎

不安全的

检查员必须是居住在受影响地区的一级或二级注册建筑师或木结构建筑建筑师。检查员需要参加当地政府的讲座，并进行注册。快速检查应该在地震发生后不久开始，并在七天内完成。

非结构元件、窗户和框架、干湿整理、招牌/机械、室外楼梯等的风险由表格评估2．3．如果所有风险都被评估为A级，则该建筑被归类为“已检查”。其他建筑被归类为“限制进入”。最后，在结构损伤和非结构损伤类别中，该建筑属于损伤最严重的类别。
表2.3

根据非结构构件的风险快速检查结果(日本建筑防灾协会)2015）

排一个

等级B

等级C

窗口中,框架

几乎没有损坏

变形/破裂

跌倒风险高

湿整理

几乎没有损坏

部分损坏

重大的损失

干燥完成

接头细小裂纹

观察到的差距

重大转变

招牌/机械

没有倾向

轻微的倾斜

跌倒风险高

室外楼梯

没有倾向

轻微的倾斜

重要的倾向

其他()

安全

谨慎

不安全的

综合判断

检查

都是A级

谨慎

一个或多个等级B

不安全的

一个或多个等级C

2．3损伤的分类

一旦观察到结构损坏，不仅需要根据损坏程度，还需要根据现场的地震强度，进行更详细的评估，以评估建筑物是否应该修复或拆除。评估采用“地震灾害等级划分标准”。首先，不考虑损伤的建筑抗震指标，\({我}_{年代}\)，由式计算(2.1)．
$ ${我}_{年代}= {E} _{0} \乘以{年代}_ {D} \ \ mathrm {T} $ $
(2.1)

在那里;

\ ({E} _ {0} \)抗震能力指标，用公式计算(2．2)．

D \ ({} _ {} \)不平衡指数。

\ (\ mathrm {T} \)老化指数
$${E}_{0}=\frac{1}{{A}_{i}}\乘以C\乘以F$$
(2.2)

在那里;

我\ ({}_ {}\)恢复力在垂直方向上的形状因子分布。

\ (C \)力量指数。

\ \ (F)延性指数。

其次，考虑破坏的地震指标，\ ({{} _ {d}我}_{年代}\)为计算值。强度指标C根据抗震能力减容系数减小，\ \ upeta \ ()，根据损伤等级定义，如表所示2.4．该因子是根据残余应变能的比值定义的，r \ (E {} _ {} \)，对总应变能，\ ({E} _ {d} + {E} _ {r} \)在无花果。2．2．
表2.4

抗震减容系数(\ \ upeta \ ()Bunno等人。2006）

伤害类

受弯构件

剪切成员

我

0.95

0.95

2

０．７５

0.60

3

0.50

0.30

4

0．10

0

V

0

0
剩余抗震能力指标R定义为还原后的抗震指标与还原因子与原始条件下(w/o损伤)的抗震指标之比，如式(2．3)．根据R的值，将建筑物的破坏等级分为“无破坏”(R = 1.0)、“轻微破坏”(R > 0.95)、“轻微破坏”(0.95 > R > 0.80)、“中等破坏”(0.80 > R > 0.60)、“严重破坏”(0.60 > R)、“倒塌”。根据损坏程度和地震烈度的矩阵，决定是否拆除或修复受损建筑物。例如，即使破坏等级为“轻微破坏”，如果现场地震烈度较小(按标准小于5+)，则不建议进行修复。
$ $ R = \压裂{{{}_ {d}我}_{年代}}{{我}_{年代}}$ $
(2.3)

因为它至少需要几周的时间，而且计算成本很高\({我}_{年代}\)而且\ ({{} _ {d}我}_{年代}\)，标准中还提出了简化函数。每个竖向构件分为a.受弯构件，b.剪力构件，c.平面墙，d.带一根边界柱的平面墙，e.两端有边界柱的平面墙。组间强度比设为a:b:c:d = 1:1:2:6。的\({我}_{年代}\)而且\ ({{} _ {d}我}_{年代}\)以假设强度C计算，抗震减容系数见表2.4，延性系数F(=1)。

2.4地震保险损失估计

日本的地震保险是在1964年新泻大地震后，于1966年发展起来的。该保险的目的是补偿房屋和家庭物品的损失，以支持重建日常生活。保险资金由政府提供。本文介绍了房屋地震损失保险。保险制度发展之初，保险赔付只针对完全倒塌的房屋。改为“崩溃”、“半崩溃”、“部分崩溃”3个类别，并根据类别决定支付金额。在2011年日本东北大地震之后，该类别被更改为完全损坏、部分损坏+、部分损坏-和轻微损坏。指定的检查人员进行评估。

类别是根据损害比的总和推导出来的，如表所示2.5．如果损失比例之和等于或大于50%，则支付100%的地震保险费。如果是“部分损害+”、“部分损害-”、“轻微损害”，则分别支付地震保险费的60%、30%、5%。
表2.5

根据损失计算地震保险费(日本一般保险协会)2019）

伤害类

补偿损失

已付保险费

建筑

完全破坏)

地震造成的结构损失百分比等于或大于建筑物的50%

地震保险费的100%(以建筑物实际价值为限)

部分受损的+

地震造成的结构损失率达到建筑物的40-50%

地震保险费的60%(最高为建筑物实际价值的60%)

部分损坏−

地震造成的结构损失率达到建筑物的20 - 40%

地震保险费的30%(最高不超过建筑物实际价值的30%)

轻微损坏

由于地震，结构的损失率变成建筑物的3-20%

地震保险费的5%(最高不超过建筑物实际价值的5%)
首先根据沉降和倾斜度计算整个建筑的损伤率，如表所示2.6．如果最大沉降大于100mm，或者倾角大于2.1/100，则将破坏归类为“完全破坏”，不计算破坏比。
表2.6

沉降和倾斜造成的损害比例标准表(日本一般保险协会)2019）

损害

破损率(%)

损害

损伤率(%)

建筑物损坏

最大沉降

①大于5厘米，小于等于10厘米

3.

②大于10厘米，小于等于15厘米

5

③大于15厘米，小于等于20厘米

10

④大于20cm，小于等于25cm

15

⑤大于25厘米，小于等于30厘米

20.

⑥大于30厘米，小于等于40厘米

25

⑦大于40厘米，小于等于50厘米

30.

⑧大于50厘米，小于等于60厘米

35

⑨大于60厘米，小于等于80厘米

40

⑩大于80厘米，小于等于100厘米

45

⑤大于100厘米

完全损坏

倾向

①大于0.2/100(约0.1°)，

且小于或等于0.3/100(约0.2°)

3.

②大于0.3/100(约0.2°)，

且小于或等于0.6/100(约0.4°)

5

③大于0.6/100(约0.4°)，

且小于或等于0.9/100(约0.6°)

10

④大于0.9/100(约0.6°)，

且小于或等于1.2/100(约0.7°)

15

⑤大于1.2/100(约0.7°)，

且小于或等于1.5/100(约0.9°)

20.

⑥大于1.5/100(约0.9°)，

且小于或等于1.8/100(约1.1°)

30.

⑦大于1.8/100(约1.1°)，

2.1/100(约1.2°)

40

⑧大于2.1/100(约1.2°)

完全损坏
其次，计算了构件损伤的损伤比。比率列于表中2.7，按各损伤等级的数量与总数量的比例计算。该比率是根据受损最严重的楼层计算的。构件的损伤等级与损伤等级相同，但将损伤等级IV和V合并为一个损伤等级IV，如果损伤等级IV的构件数量超过50%，则将该建筑归为“完全损坏”，不计算损伤比例。
表2.7

会员损失损失比例标准表(日本一般保险协会)2019）

损害

损坏情况(物理损坏率)

破损率(%)

我

近距离可以看到的细小裂纹

小于或等于10%

0．5

②大于10%且小于等于20%

1

③大于20%且小于等于30%

2

②大于30%且小于等于40%

3.

②大于40%且小于等于50%

4

②大于50%

5

2

裂缝清晰可见

①小于或等于5%

0．5

②大于5%且小于等于10%

1

③大于10%且小于等于15%

2

④大于15%且小于等于20%

4

⑤大于20%且小于等于25%

5

⑥大于25%，小于等于30%

6

⑦大于30%小于等于35%

8

⑧大于35%，小于等于40%

9

⑨大于40%，小于等于45%

10

⑩大于45%且小于等于50%

11

半数以上。

13

3

混凝土部分破碎，有很宽的裂缝，可以看到钢筋/钢

①大于3%

2

②大于3%且小于等于5%

3.

③大于5%且小于等于10%

5

④大于10%且小于等于15%

8

⑤大于15%且小于等于20%

10

⑥大于20%，小于等于25%

13

⑦大于25%，小于等于30%

15

⑧大于30%且小于等于35%

18

⑨大于35%，小于等于40%

20.

⑩大于40%且小于等于45%

23

⑤大于45%且小于等于50%

25

大于50%

30.

4

有许多宽阔的裂缝，覆盖混凝土掉落很多，核心混凝土受损，钢筋可见

钢筋变形，甚至核心混凝土也会倒塌

①小于或等于3%

3.

②大于3%且小于等于5%

5

③大于5%且小于等于10%

9

④大于10%且小于等于15%

14

⑤大于15%且小于等于20%

18

⑥大于20%，小于等于25%

23

⑦大于25%，小于等于30%

27

⑧大于30%且小于等于35%

32

⑨大于35%，小于等于40%

36

⑩大于40%且小于等于45%

41

⑤大于45%且小于等于50%

45

大于50%

完全损坏

2.5结构健康监测系统

2.5.1系统概要

评估大纲如图所示。2．3(Kusunoki2016，2018；Kusunoki和Teshigawara2003，2004；Kusunoki等人。2008，2012，2018 ）．在主震和余震期间的最大响应被估计为容量和需求曲线的交点。容量曲线是代表恢复力和代表位移之间的关系，这是由测量到的加速度仪器进入建筑物，如图。2.4．需求曲线是响应加速度谱和响应位移谱之间的关系，响应加速度谱由建筑物地基处的加速度推导而来。在推导需求曲线时，需要假设阻尼系数的大小。弹性阶段的阻尼系数可设为粘性阻尼比为5%，如图“曲线1”所示。2.1．当建筑经验产生如图(A)点。2．3时，需要考虑非线性响应引起的附加阻尼效应。由于附加阻尼效应随建筑物的破坏而增大，因此总阻尼系数随代表性位移的增大而增大。因此，需求曲线从点(B)开始缩减为图中的“曲线2”。2．3．主冲击期间的最大响应被预测为产能曲线与减少需求曲线(曲线2)的交集(图中点(C))。2．3．
图2.3

性能曲线和需求曲线(Kusunoki等。2018）

图2.4

监控配置

另一方面，同样的方法可以用于预测余震期间的最大反应，将主震和随后的余震视为一个非常长持续时间的地震。因此，组合地震的输入能量大于主震的输入能量;此时最大响应可能大于主震的响应。这意味着等效阻尼效应小于仅主激波的等效阻尼效应，如图“曲线3”所示。2．3．在假定最大余震与主震相同的前提下，预测余震期间的最大响应为曲线3与容量曲线的交点。

为了评价建筑物的安全性，需要提取响应的第一阶模态来推导承载力曲线。最终点由每层楼的安全极限来确定。每层的最大层漂移由最大代表位移和第一模态振型得到。由于所提出的安全评价是基于第一模态，如果高模态效应可以忽略不计，如高层建筑，则需要单独考虑高模态效应。2.5)．
图2.5

其最大代表位移的容量曲线及其类别(Kusunoki et al。2018）

2.5.2测量加速度的容量曲线

代表性加速度\({} _{年代}\ ddot{\三角洲}+ {\ ddot {x}} _ {0} \)代表性位移\({} _{年代}\三角洲\)可以用方程式推导。（2．3)及(2.4)，分别基于第一种模式（Kusunoki等人。2012 ）：
$ $ \离开({}_ {1}\ ddot{\三角洲}+ {{}_ {1}\ ddot {x}} _{0} \右)= \压裂{\和{m} _{我}\ cdot {{} _ {1} {x} _{我}}^{2}}{{\左总和(\ {m} _{我}\ cdot {} _ {1} {x} _{我}\右)}^ {2}}\ cdot \ sum_ {i = 1} ^ {N} {{} _ {1} P} _{我}$ $
(2.3)
$ ${} _{1} \δ= \压裂{\和{m} _{我}\ cdot {{} _ {1} {x} _{我}}^{2}}{\和{m} _{我}\ cdot {} _ {1} {x} _{我}}。$ $
(2.4)

有代表性的位移可由式(2.4)，利用优势位移时程计算得到的相对位移。

外力分布的形状\({} _{1} \页)式的(2．3)应与第一模态向量成比例。为了使绝对加速度与第一模态矢量成比例，刺激因子\({}_{1}\beta \cdot \左\{{}_{1}u\右\}\)第一模态的加速度必须乘以地面加速度\ ({{} _ {1} \ ddot {x}} _ {0} \)．这意味着单位矢量{1}的第一模态乘以地面加速度。因此，得到与第一模态矢量成正比的外力为。
$ $ {} _ {1} {P} _{我}= {m} _{我}\离开({}_ {1}{\ ddot {x}} _{我}+{}_{1}\β\ cdot{} _{1}{你}_{我}\ cdot {{} _ {1} \ ddot {x}} _{0} \右),$ $
(2.5)
式中有代表性的加速度(2.6)则由式(2.5)代入Eq. (2．3)：
$ $ \离开({}_ {1}\ ddot{\三角洲}+ {{}_ {1}\ ddot {x}} _{0} \右)= \压裂{\和{m} _{我}\ cdot {{} _ {1} {x} _{我}}^{2}}{{\左总和(\ {m} _{我}\ cdot {} _ {1} {x} _{我}\右)}^ {2}}\ sum_ {i = 1} ^ {N} {m} _{我}\ cdot {} _ {1} {\ ddot {x}} _{我}+ {{}_ {1}\ ddot {x}} _{0}。$ $
(2.6)

如式所示(2.6)，当代表加速度由实测加速度导出时，只需要用代表加速度的相对加速度项除以等效质量比即可。

在方程式。（2.4)及(2.6)，即质量的顺序\ ({m} _{我}\)分母和分子相同。因此，我们要求楼层之间的质量比，而不是绝对质量。如果建筑物所有楼层的用途相同，则可以使用容积率来代替质量比。

2.6目标建立

2008年初，横滨国立大学建筑系的建筑安装了拟议的健康监测系统。这座建筑有八层，地下一层。建筑高度为30.8 m，结构形式为钢筋混凝土。该建筑是在1981年之前设计的，当时日本建筑法规修订以确认建筑物的极限强度。人们发现建筑物没有足够的极限强度，然后对建筑物进行了改造。改造工程从2008年7月至2009年5月进行，传感器在那时被拆除。改造前后的建筑如图所示。2.6．关键方案如图所示。2.7．EW方向为纵向，NS方向为横向。
图2.6

仪器的建筑

图2.7

建筑的主要平面图

2011年3月11日14时36分发生在太平洋海岸的东北大地震，在开始监测后，到2011年为止共测量了112次地震的反应。此后，直到2011年底，大约测量了530次地震记录。

2.72011年日本东北地震时的反应

健康监测系统在2011年东北地震太平洋海岸期间工作良好(Kusunoki Et Al。2018 ）．数字2.8．显示了地下室和屋顶的横向加速度。最大加速度为91.5 cm/s2在地下室，410厘米/秒2在屋顶上。加速度的主导分量持续了约180 s。
图2.8

2011年日本东北太平洋沿岸的地震

实测性能曲线、性能曲线骨架曲线和EW方向的需求曲线如图所示。2.9．需求曲线纵轴为响应绝对加速度谱Sa，横轴为粘性阻尼系数为5%时的响应位移谱Sd。在正方向测量的最大代表性位移为1.7 cm。从最大位移点到正方向的等效周期为0.48 s。为了得到与最大响应周期相同的0.48需求值，需求曲线计算的粘性阻尼为5.04%，这是一个合理的值。
图2.9

2011年东北大地震太平洋沿岸(东西向)实测性能和需求曲线

由于地震前东西向的自然周期约为0.41 s，因此0.48的等效周期比地震前的周期长。数字2.10显示了骨架曲线和周期为0.41和0.48 s的斜率。结果表明，在典型加速度约为100 cm/s时，刚度开始发生衰减2．随着周期从0.41到0.48 s的变化，刚度下降到73%。
图2.10

2011年东北大地震太平洋沿岸(东西向)实测性能骨架曲线

从无花果。2.10，可以说性能曲线比传递函数更能准确地观察到频率的变化，因为性能曲线的斜率是优势角频率的平方ω\ (\ \)．当地震发生较大非线性时，传递函数有时不显示任何优势频率。此外，虽然性能曲线显示该建筑物尚未屈服，但目前尚不清楚仅由频率变化造成的破坏是否严重。

主震发生后，对建筑物内部发生的裂缝进行了调查。Y3框架观察到的裂缝如图所示。2.11．裂缝主要出现在连续剪力墙底部和开口角处。这些裂纹可能导致图中所示性能曲线的刚度退化。2.11．
图2.11

Y3机架(EW方向)观察到裂纹

2.8结论

本章介绍了地震保险中基于目测的快速检查法、损害分类法和损失分类法，并在日本得到了应用。最近的地震表明，目测很难进行，因为大多数结构构件都被精加工覆盖，尤其是高层建筑。地震发生后，要想掌握地震破坏的大致情况是相当困难的，这是确定检查目标地区所必需的。传感技术可能有助于克服这些问题。日本国土交通省组织了一个委员会，讨论如何将结构健康监测系统应用于快速检查。日本综合保险协会也组织了专门委员会，讨论如何适用于缩短保险支付期限的问题。传感技术将在减灾领域得到广泛应用。需要研究如何将结构健康监测结果与现有的检测方法联系起来。

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  1. 1.东京大学地震研究所东京日本

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