结构台风灾害风险评估的研究进展

结构台风灾害风险评估的研究进展

风灾是人类面临的主要自然灾害之一，主要包括台风（风、风暴、强热带等）。根据瑞典联合局的统计，在20世纪70年代至2007年造成的最大风险灾难中，台风造成的八个问题中，一个与台风有关。中国是世界受台风影响最大的国家之一。台风灾害的总趋势是人员严重受伤，但经济损失正在增加。风灾损失的主要部分通常由各种技术结构的破坏造成。在不同的地区，不同类型的技术结构中的风灾损失主要是出于风和受影响的类型。然而，在世界范围内，台风影响下建筑结构尤其是下层建筑的破坏，已成为评价当前结构风灾的主要重点。笔者总结评述近几十年来国内外在建筑结构台风灾害风险评估方面的研究成果,其研究思路和方法,也可为其他致灾性风暴及其他结构的风灾评估借鉴参考.限于篇幅,仅列出主要参考文献.1研究成果与评估方法结构台风灾害风险评估是指,对于一定台风易发区域内的工程结构,评估其在未来一定时段内遭受不同强度台风灾害的可能性及其后果.20世纪60年代起美国等国家先后开展了台风灾后调查.此后,大量科研人员和机构进行了结构台风灾害风险评估的理论和应用研究,并取得丰富成果.研究范围涉及台风危险性分析、承灾体研究、结构易损性评估、损失估算、减灾措施评估等.评估对象方面,现有成果以建筑结构为主[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],并涉及户外广告牌、输电系统等.评估方法上,经历了从定性到定量、从经验到解析、从静态到动态的发展.评估工具方面,地理信息系统得到广泛应用,开发了评估软件,综合应用了当前台风风险评估的主流技术.商业化评估软件出现于20世纪80年代;技术细节对外公开的非商业软件出现于本世纪初,有代表性的是2004年加入飓风风险评估功能的美国多自然灾害评估系统HAZUS-MH(HAZards,U.S.MultiHazard)、2006年发布的佛罗里达公共飓风损失评估模型(Floridapublichurricanelossprojectionmodel,FPHLPM).2台风致灾属性的定义一般认为,台风致灾因子有强风、暴雨,以及包括风暴潮、海浪等在内的次生海洋效应.目前研究中主要考虑强风作用,较少涉及其他因素.台风危险性(typhoonhazard)描述未来台风灾害可能发生的空间、时间及强度属性,通常采用某一区域一定时间内致灾因子强度的超越概率定义.以台风风速为例,当不计风向因素时,台风强风危险性可用下式定义:Pt(v>V)=1−∑x=0∞P(v<V|x)pt(x)(1)Ρt(v>V)=1-∑x=0∞Ρ(v<V|x)pt(x)(1)式中:Pt(v>V)为时间t内台风极值风速v超过某一值V的概率;P(v<V|x)为x次台风发生时极值风速v小于V的概率;pt(x)为时间t内发生x次台风的概率.2.1概率分布模型由于目前实测台风风速数据较少,难以通过实测数据的统计分析进行台风强风危险性评估.Russell最早提出采用数值方法模拟生成台风风速,经后续研究者改进和发展,被广泛接受,并已用于中国东南沿海城市的台风危险性分析.模拟的基本过程是:利用已发生台风的记录数据,统计得到台风关键参数的概率模型,根据成熟台风的物理模型,用蒙特卡洛模拟产生台风极值风速序列,确定相应于某一重现期的极值风速.台风关键参数是模拟台风发生及风场所依据的物理参数,包括特定地点的台风年发生率、台风移动方向角、台风路径与模拟点间的最小距离、台风移动速度、最大风速半径和台风中心气压差等.研究者已提出了各参数的一些常用概率模型.采用拟合优度检验,可从备选模型中选择模拟抽样时所用的概率分布模型.台风的物理模型描述台风路径、风场内空气微团的运动平衡、风场风压分布、边界层内的风速剖面、边界层紊流特征、登陆台风衰减特性等.20世纪以来,研究者提出一些工程领域适用的台风模型,如Rankine涡旋模型及其修正模型、Chow模型、Batts模型、Holland模型及其修正模型、Shapiro模型、Georgiou模型、YanMeng模型、CE模型及其改进模型、Vickery模型.文献对上述部分台风模型进行了评述.根据模拟得到的台风风速推算极值风速,常用阶段极值采样法(stageextrememethod)和越界峰值法(peak-over-thresholdmethod)进行样本抽样.前者一般采用1年时间间隔,得到年极值风速序列的经验分布和不同重现期的对应风速,以经验分布为标准衡量其他概率分布模型描述年极值风速的优劣程度.目前,台风极值风速概率模型包括极值Ⅰ型分布(Gumbeldistribution)、极值Ⅲ型分布(reverseWeibulldistribution)、对数正态分布(lognormaldistribution)、威布尔分布(Weibulldistribution)等.越界峰值法可在较短风速序列基础上估计极值风速,与之关联的概率分布模型一般采用广义跨阈分布(generalizedParetodistribution),这种分布不是以年为基准期的最大风速分布,但可用于推算不同重现期的风速.2.2结构台风的降雨化模型台风灾后调查表明,建筑物围护结构破损是主要的破坏形式.围护结构破坏后,雨水进入室内,可使总损失激增.目前在结构台风灾害评估中,仅有较为简单的台风降雨量化模型.HAZUS-MH根据历史统计数据建立了计算某一区域降雨量的经验方法,将降雨量作为台风最大风速半径、估算点与台风中心距离的函数,并考虑台风中心气压变化、台风移动速度、台风登陆等因素对其修正.2.3台风风速和风暴潮联合概率分布目前关于台风风暴潮、海浪等海洋效应的研究主要集中在海洋科学、水文学等领域.在结构台风灾害风险评估中,有少量台风风暴潮、海浪的危险性分析.Phan和Simiu研究了风速与风暴潮的联合概率分布,风暴潮模拟采用美国国家海洋及大气管理局的SLOSH(Sea,Lake,andOverlandSurgesfromHurricanes)数值模式.Wang和Vickery同时考虑了台风风速和海浪的危险性,采用了Wavewatch-Ⅲ和SWAN海浪模式.美国加勒比海减灾项目(Caribbeandisastermitigationproject)建立了TAOS飓风灾害评估系统,综合分析了强风、降雨、风暴潮、海浪等致灾因子危险性.3建筑表粗糙度ha-mh承灾体(exposure)包括研究区域的地形环境、建筑、基础设施、生命线工程、人员等.一般需建立承灾体信息的数据库,并及时更新,以尽可能反映当前状况.地形通常采用地表粗糙度定义.HAZUS-MH和FPHLPM以土地使用和覆被(landuseandlandcover,LULC)分类为基础,对每一类用地赋以合适的地表粗糙度值,形成地表粗糙度地图.建筑物的信息包括位置、类型、数目、面积、高度、房龄、用途、价值以及相关的人口状况等.HAZUS-MH根据结构易损性和建筑用途对建筑物分类,统计数据来自各级政府相关部门的数据库及商业数据库.FPHLPM将住宅划分为现场建造房屋和移动房屋,并分别细分成若干子类;数据来源包括一些机构的数据库、相关文献和灾后调查.4结构破坏程度与台风强度关系结构易损性(structuralvulnerability)描述结构破坏程度与台风强度的关系,其评估方法有定性、定量2类;定量方法包括经验分析法、逻辑假设法、结构可靠度法和人工智能法等.实际评估中,可联合使用多种方法.4.1大数据分析为各类评估方法提供理论基础和评估依据,为各种评估方法提供理论基础和实践依据美国、澳大利亚、日本、中国等国家开展了台风灾后现场调查和遥感调查.通过调查,可获得受灾地区的结构分布数据,直观了解结构的破坏模式和破坏程度,为各种评估方法提供理论基础、数据来源或评估结果的校验依据.4.2主观性和不确定性这类方法定性描述结构可能遭受的破坏和损失程度与结构分类或台风强度的关系.定性评估方法较为简单,评估时需要了解的结构特性信息较少,可被非专业人员掌握,但仅能粗略评定结构易损性,难以建立描述破坏程度与风速关系的连续性曲线,评估的主观性和不确定性较大.4.3结构的易损性评估经验分析法应用较早,其思路是根据台风灾后调查得到的损失数据,利用曲线拟合得出表示某类结构的整体破坏程度与风速关系的易损性函数曲线(vulnerabilitycurve).这种方法不分析单独构件的易损性,是一种直接计算法(directapproach).常见的衡量破坏程度的指标有:破坏率(damageratio)或破坏指数(damageindex),定义为结构的修复或重置成本与初始建造价值之比;损失率(lossratio),定义为保险公司赔付的受灾结构损失额与受保财产总值之比;赔偿率(claimratio),定义为需要赔偿的物业数目与投保的物业总数之比.拟合得到的易损性曲线有线性函数、分段函数、双指数函数、多项式函数等形式.利用易损性曲线,可以预测结构在一定强度台风下的易损性.经验分析法适合于一定区域内某一类群体结构的台风灾害预测,计算量小,是一种相对简单的定量评估方法,所得到的易损性曲线可在一定程度上验证其他评估方法的合理性.这种方法需要足够的损失数据,才能保证曲线拟合的可靠性.但是通过灾后调查获取大量可用的损失数据往往是困难的,并且与较高风速段对应的损失数据很有限,以此来预测低频度、高强度的台风灾害,具有难以克服的缺陷;所得的易损性函数高度依赖于数据来源地的结构特性,难以用于评估其他地区、其他结构的易损性;难以分析设计规范变化、施工工艺变更、结构老化及修缮等因素对结构易损性的影响.4.4风灾破坏及损失计算式为了克服经验分析法需要大量历史数据的缺陷,文献基于逻辑假设(logicalhypotheses),提出了一定区域内不同类型结构风灾破坏和损失的计算表达式.由于表达式中的部分参数凭借专家经验确定,进行其他地区、其他结构的易损性评估时,需重新确定参数,使其应用范围受限.4.5结构易损性评估结构可靠度法是基于构件分析的方法(componentapproach),通常将单个建筑分解为一些主要构件,如屋面覆材、屋面板、墙体、门窗等,建立确定性或概率性风荷载模型、构件抗力概率模型、飞掷物(wind-bornedebris)冲击破坏概率模型,基于结构可靠度理论,采用故障树分析、蒙特卡洛模拟、解析方法等估算各类构件的易损性.将构件易损性转换到整体结构易损性有2种方法:文献建立描述结构整体破坏等级与构件破坏程度关系的破坏矩阵,根据构件的易损性和破坏矩阵得出整体结构的易损性;文献则由构件易损性、构件成本系数、构件破坏局部化参数相乘累加得出整体结构的破坏程度.计算得到的结构易损性曲线有2种形式:平均破坏易损性曲线(vulnerabilitycurve),表示结构平均破坏水平与风速的关系;超越破坏易损性曲线(fragilitycurve),表示结构破坏超过某一特定破坏等级的概率与风速的关系.图1是某类屋面板的平均破坏易损性曲线和超越破坏易损性曲线.这种方法是真正基于概率意义上的易损性评估方法;可灵活应用于不同类型的单体结构和群体结构的易损性评估;评估过程中,可以考虑地形、风向、临近建筑物干扰、建筑物封闭状态改变等因素;能够计算构件易损性和飞掷物冲击破坏,研究不同构件破坏的依赖关系,分析结构的破坏模式;能定量分析提高构件性能、加装防护构件、改变规范要求等减灾措施的效果;可以及时采用工程界在风荷载、构件抗力、飞掷物等方面的最新研究成果,以改进评估模型.由于这种方法的众多优点,自20世纪90年代提出以来,已发展成为结构风灾易损性评估的主流方法.但是这种方法复杂、计算量大.4.6基于用户体验的易损性分析在结构风灾易损性评估中应用的人工智能技术有专家系统和人工神经网络.前者内置大量专家在风灾评估领域的知识和经验,按照一定规则进行推理,可由一般用户通过用户界面获得专家级水平的评估结论.人工神经网络具有自学习和自适应能力,用其他方法获得有限多种影响因素组合下的易损性评估结果后,以此作为训练样本,分析影响因素与易损性之间的潜在规律,可以推算出新的组合情况下的易损性.5结构风灾损失的计算结构因台风造成的总损失一般包括结构自身破坏造成的损失、内部财物损失和结构不能使用造成的损失.在此基础上,考虑免赔额、保单限额等保单条件后得出保险损失.HAZUS-MH计算外部构件损失、内部构件损失、内部财物损失、建筑停用造成的损失.FPHLPM有更详细的分类.Kumar认为与易损性评估相类似,损失估算的思路有直接计算法和构件分析法.前者首先计算整体结构的易损性,然后用结构整体破坏程度指标与结构总价值或总保险价值、总保单数相乘累加,以估算风灾损失;后者得到不同构件的易损性后,先将以物理状态描述的构件破坏程度转换为货币化的构件损失率,再估算其他损失.文献使用直接法估算保险损失.HAZUS-MH和FPHLPM均采用构件分析法计算经济损失.6抗风能力的提高为了降低台风造成的损失,研究者提出了一些减灾措施,如:选择对建筑抗风有利的场地;改进设计施工标准或规范以提高结构抗风能力;选择合理的房屋体型;提高围护结构的抗风和防水性能;消除飞掷物来源等.减灾措施的应用会造成结构成本的变化,只有当增加的成本低于降低的风灾损失时,减灾措施才具有成本效益.研究者普遍借助于结构易损性和损失评估方法,模拟、比较实施减灾措施前后的破坏程度和经济损失,判断减灾方法的合理性.7建筑易损性变化模型事实上,某一区域的台风气候、承灾体分布、结构易损性和潜在损失是不断变化的.一些研究考虑了结构台风灾害风险评估的动态性.Walker对建于1980年前后的北昆士兰住宅,用经验分析法分别给出不同的易损性函数,以考虑规范变化对易损性的影响.Stewart用经验分析法得到住宅建筑的易损性函数,基于假设模拟了现有住宅加固、抗风性能更高的新住宅比例上升对于风灾损失的影响.Kumar建立了预测某一区域台风风险变化的方法,其中的建筑承灾体变化模型从评估区域内人口结构变化入手,采用经验方法推算建筑数目、分布、类型随时间的变化;建筑易损性变化模型分析建筑规范变更、技术革新、拆除旧建筑和建造新建筑、结构老化及加固对易损性的影响;经济变化模型分析建造成本的通货膨胀、建筑及其内部财物价值变化对风灾损失的影响.8风灾易损性分析通过不确定性和敏感性分析,可以甄别对于结构台风灾害风险有显著影响的因素及其相对重要程度,明确进一步细化研究的重点.文献分析了结构台风灾害风险评估中不确定性的来源.Iman等基于拉丁超立方抽样法(Latinhypercubesampling)进行敏感性分析和不确定性分析.Iman等发现风场模型的不同是造成台风损失估算差异的主要因素.Li研究了木结构住宅风灾易损性对建筑封闭状态、屋檐高度、有无挑檐、玻璃破坏模式、屋面板铺钉形式等的敏感性,并定量分析了不同台风风场和构件抗力