砌体集合体内封闭结构单元抗震性能评估的代理回归模型

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Surrogate regression models for seismic performance assessment of enclosed structural units within masonry aggregates

　　

针对既有无筋砌体(URM)结构在地震中表现欠佳的问题，研究人员以里斯本都市区(MAL)前规范URM建筑为对象，考察了建筑集合体（aggregate）相互作用对封闭单元抗震能力的影响。既有研究多聚焦孤立建筑而忽略相邻结构交互，且区域尺度评估缺乏考虑集合效应的实用工具。研究人员从既有合成数据库选取16th、50th、84th百分位三类原型（A3、B2、C1），采用应用单元法(AEM)建立三单元对齐集合体数值模型，通过增量地加速度(IGA)分析获取能力曲线与极限状态（即时使用IO、损伤限制DL、显著损伤SD、近倒塌NC）。基于云分析识别孤立与封闭单元抗震性能关系，构建代理回归模型，可快速估算不同平面与立面配置下集合效应对各极限状态结构能力的影响。结果表明：集合效应在纵向(X向)显著，横向(Y向)可忽略；等高或邻单元更高时中部单元受益，邻单元为1层时损伤上移至首层、能力低于孤立单元；MP4（差质量砌体）多数布局呈有益效应，MP2（好质量砌体）分散度更高。该研究为MAL及类似历史城区区域尺度抗震安全评估提供了免全集合体精细模拟的实用预测工具。

研究背景方面，既有无筋砌体(URM)结构在全球历史城区广泛分布，里斯本都市区(MAL)约35%为前规范URM建筑，1958年才首颁抗震规范，既有研究多评估孤立建筑而忽视建筑集合体（aggregate，即多栋互联或紧邻建筑因共享墙体与基础产生的结构交互）效应，且区域尺度易损性模型极少嵌入集合交互，工程师缺乏兼顾精度与效率的实用工具。为此，研究人员旨在建立代理回归模型，将精细非线性分析能力嵌入区域评估流程，快速量化集合效应对封闭单元抗震能力的影响。

主要关键技术方法方面，研究人员从MAL既有合成几何数据库中抽取16^th、50^th、84^th百分位原型A3(7.5×16.0 m)、B2(12.5×12.5 m)、C1(17.5×8.0 m)，材质取MP2（好质量砌体）与MP4（差质量砌体）中位值；采用应用单元法(AEM)于Extreme Loading for Structures中建立伪立方30 cm刚块介观模型，界面弹簧赋予线弹性刚度与Maekawa受压抛物线-Mohr-Coulomb受剪本构；以三单元对齐集合体（中部为参考单元i，两侧i?1、i+1取1/3/5层组合，共27种×3原型=81组，对称布局兼顾双向地震）为对象，沿纵向(X向)施加增量地加速度(IGA)至近倒塌；按EC8-3判定IO、DL、SD、NC四个极限状态，提取谱加速度S_a与谱位移S_d能力值，经云分析拟合孤立—封闭单元能力比，建立代理回归模型。

研究结果部分，小节“2. Construction of aggregate building archetypes”中，研究人员通过既有MAL合成数据库选样与材质赋值，明确了三原型平面与MP2/MP4力学参数表，并以三单元系统覆盖27种层高组合，奠定几何—材质—布局变量空间。“3. Structural modelling via the Applied Element Method (AEM)”中，研究人员通过刚块-弹簧AEM离散、IGA加载方向与三单元/五单元 prelim 分析对比，确认邻单元主导响应、X向效应显著、Y向可忽略，故锁定三单元+X向方案；“3.2”节进一步用B2三层原型prelim分析佐证该简化合理性。“4. Prediction of structural behavior”中，研究人员经IGA获能力曲线（图4、5），发现中部单元S_a随层数由3增至5而降、MP2高于MP4，C1因长立面X向S_a最高；集合效应使MP4多数布局能力优于孤立单元，MP2则在邻单元1层时能力低于孤立单元且损伤由底层迁至首层（图6）；“4.2 Statistical distribution of Limit States (LS)”中，研究人员对全样本按DL/SD/NC统计S_a与S_d，COV随损伤加深而减小，分布正偏，表明多数单元能力偏低、少数高强 outlier 受材质与布局驱动；箱线图显示层数增加S_a下降、A3因质量-基底剪比低而表现特殊。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：建筑集合体交互在纵向地震动下不可忽略，等高邻单元或单侧更高邻单元可提升中部单元抗侧能力，但大高差（如邻单元仅1层）会将破坏层位上移并削弱能力；所提代理回归模型能以孤立单元能力乘集合效应修正系数快速估算封闭单元各极限状态S_a，免除全集合体AEM-IGA计算负担，适用于MAL及类似历史城区1—5层、平面长宽比0.4—2.5、邻高比≥0.20的规整URM建筑区域尺度易损性评估；模型假定盒式响应、共面楼板、共享墙完全连接，未涵盖出平面、碰撞与楼板错位等局部机制，该边界需在后续标准中明示。

该文发表于《RELIABILITY ENGINEERING》，为区域抗震风险框架纳入集合效应提供了标准化预测工具与研究基准。