近場地震作用下鋼框架地震易損性研究

羅 銳 何廣杰*

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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近場地震作用下鋼框架地震易損性研究

羅 銳 何廣杰*

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

為比較鋼框架結(jié)構(gòu)在近場和遠(yuǎn)場地震作用下的響應(yīng)規(guī)律，建立了6層鋼框架結(jié)構(gòu)，對模型在選取的近場和一般場地震動下采用IDA方法進行地震易損性分析，研究表明，近場地震動下鋼框架結(jié)構(gòu)更具易損性；地震易損性函數(shù)的離散性參數(shù)建議采用分析結(jié)果統(tǒng)計值。

近場地震動,鋼框架,IDA，地震易損性，離散性參數(shù)

0 引言

我國地震斷層分布復(fù)雜、數(shù)量繁多，處于環(huán)太平洋和歐亞地震帶兩大地震帶之間，許多城市不可避免地位于地震帶或斷層附近[1]。眾多震害現(xiàn)象表明位于近場區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)物較遠(yuǎn)場在地震時發(fā)生破壞的程度嚴(yán)重[2]。但目前缺乏對近場地震動從概率意義上對結(jié)構(gòu)地震易損性的定量研究。

針對以上問題，選用當(dāng)前流行的鋼框架結(jié)構(gòu)，采用基于IDA的地震易損性分析方法，研究鋼框架在近場及一般場地震下超越各種破壞狀態(tài)的概率，從概率形式上定量描述鋼框架結(jié)構(gòu)在抗震力學(xué)性能的變化，同時在此過程中對易損性計算公式進行推導(dǎo)并討論參數(shù)的取值。獲得的結(jié)論一方面對近場地震動對結(jié)構(gòu)物的抗震性能的影響加深認(rèn)識；另一方面可對結(jié)構(gòu)地震易損性函數(shù)的離散性有更深刻的理解。

1 模型建立及分析條件設(shè)定

運用Opensees建立6層鋼框架結(jié)構(gòu)[3]，平面尺寸為18 m×12 m。抗震設(shè)防烈度為8度(0.20g)，Ⅱ類場地，第二組設(shè)計抗震分組，場地特征周期0.40 s[4]。材料采用Q345鋼，梁截面采用600×300×10×12H型號，柱截面采用429×13空心鋼管柱截面。恒載15 kN/m，活載10 kN/m，如圖1所示。

1.1 地震動選取

關(guān)于地震動選取的方法研究正在經(jīng)歷從單純考慮地震動參數(shù)到考慮反應(yīng)譜特性參數(shù)的改變[5]。本文采用依反應(yīng)譜的雙頻率段選波方法。從PEER數(shù)據(jù)庫選取地震動的基本條件如表1所示[6],分別得到100條近場地震記錄和一般場地震記錄。

表1 PEER數(shù)據(jù)庫地震動篩選條件

再根據(jù)雙頻率選波法分別選擇12條近場地震動記錄和12條一般場地震動記錄。

1.2 極限狀態(tài)定義

同一結(jié)構(gòu)在不同方法定義的極限狀態(tài)下，其所獲得的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)超越概念必然不同，甚至?xí)袠O大差別，因此合理定義極限狀態(tài)是需要解決的又一關(guān)鍵問題。

本文擬以鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移角為依據(jù)定義極限狀態(tài)。不同的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范給出的層間位移角限值并不相同。由于在后續(xù)易損性分析過程中，我們將就易損性函數(shù)的離散性參數(shù)取值與HAZUS中建議值進行對比分析，故本文擬采用HAZUS的層間位移角限值相結(jié)合作為鋼框架地震易損性研究的極限狀態(tài)指標(biāo)[7]，見表2。

表2 層間位移角限值[θ]

2 IDA分析

增量動力分析法(IDA)是新興的一種通過一系列多比例調(diào)幅地震動進行非線性動力時程分析以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的地震需求和極限狀態(tài)能力的預(yù)測功能的方法[8]。本文采用等步長法，即把地震動峰值加速度PGA從0.05g按照0.05g的步長依次調(diào)幅至1.0g。

近場地震動與一般地震動的IDA分析對比。

分別對近場和一般場地震動作用下的模型進行IDA分析得到遠(yuǎn)近場最大層間位移角均值曲線圖，如圖2所示。相同的地震動強度參數(shù)(PGA)下，地震動斷層距所決定的近遠(yuǎn)場特性對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響大，在近場地震動作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角遠(yuǎn)大于一般場地震動。

3 地震易損性分析

3.1 地震易損性基本原理

結(jié)構(gòu)的易損性可用式(1)表達(dá)其含義[9-12]：

F(x)=P(D>C|IM=x)

(1)

其中，D為結(jié)構(gòu)的變形需求(即結(jié)構(gòu)在地震動作用下的最大層間位移角θmax);C為結(jié)構(gòu)的變形能力(即結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)所對應(yīng)的最大層間位移角限值[θ])。由式(1)可知，易損性是以某一選定的地震動參數(shù)(如PGA)為自變量，以結(jié)構(gòu)某一極限狀態(tài)的超越概率為因變量，表示在不同給定地震動參數(shù)條件下結(jié)構(gòu)響應(yīng)需求超過特定極限狀態(tài)能力的條件概率，其實質(zhì)是超越條件概率問題。

假設(shè)需求函數(shù)D、能力函數(shù)C均服從對數(shù)正態(tài)分布，可得：

(2)

通過線性回歸分析及概率計算，得:

(3)

3.2 地震動易損性分析

據(jù)IDA分析結(jié)果和HAZUS規(guī)定的極限狀態(tài)值，得近場和一般場地震動下模型的地震易損性曲線如圖3,圖4所示。

3.3 對比分析

設(shè)計罕遇地震易損性矩陣如表3所示。

表3 設(shè)計罕遇地震易損性矩陣

通過對表3分析可得：

1)若不考慮近場特性進行地震易損性分析，則當(dāng)發(fā)生8度(0.20g)罕遇地震時，結(jié)構(gòu)超越HAZUS各極限狀態(tài)的損傷概率均大于僅考慮一般場地震動，小于僅考慮近場地震動特性。

以上兩點均說明，對建筑結(jié)構(gòu)物所在場地所面臨的潛在地震威脅進行近場或一般場地震動劃分很有必要。

4 結(jié)語

1)在近場地震動作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角遠(yuǎn)大于一般場地震動，近場地震動下鋼框架結(jié)構(gòu)更具地震易損性。我國西南、西北山區(qū)許多城市處于地震多發(fā)區(qū)或高烈度區(qū)，建筑物受到近場地震動的威脅，應(yīng)重點考慮近場地震動對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

2)運用IDA方法進行地震易損性分析時離散性參數(shù)采用統(tǒng)計分析值較準(zhǔn)確。

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lnD-lnC～(lnmD|IM-lnmC，σ)

On seismic vulnerability of steel framework under near-field seismic effect

Luo Rui He Guangjie*

(CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

In order to compare the response laws of the steel framework under the near-field and far-field earthquakes, 6 layer of steel frame structure is established, the paper adopts IDA method to undertake the seismic vulnerability analysis of the model under the selected near-field and normal field, proves by the research that the steel framework can be easily vulnerable under the near-field earthquakes; the statistic values of the analysis results can be adopted for the dispersive parameter of the seismic vulnerability function.

near-field earthquake, steel framework, IDA, seismic vulnerability, dispersive parameter

1009-6825(2017)11-0037-02

2017-01-24

羅 銳(1991- )，男，在讀碩士

何廣杰(1964- )，男，博士，教授

TU352

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