近斷層地震作用下RC框排架結(jié)構(gòu)易損性研究

張淑云, 周 杰, 黃 磊, 王 剛, 馬尤蘇夫

(1. 西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710054;2. 陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710018)

0 引言

一般將距離斷層破裂面小于20 km的區(qū)域看作近斷層區(qū)域[1],大于該范圍的地震動(dòng)統(tǒng)稱為遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)。對(duì)已獲得的記錄研究發(fā)現(xiàn),斷層附近的地震動(dòng)均伴隨有較大的速度和位移脈沖,這種脈沖效應(yīng)會(huì)使結(jié)構(gòu)在開(kāi)始時(shí)就承受高能量沖擊作用,引起較大的內(nèi)力和變形,與遠(yuǎn)場(chǎng)地震區(qū)相比,破壞力更加驚人。在我國(guó)672個(gè)城市中有很多城市都發(fā)生過(guò)近斷層地震,從古至今,大約有40%的城市發(fā)生過(guò)4級(jí)以上的近斷層地震[2]。

近斷層地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是近20年地震工程中非常活躍的研究領(lǐng)域[3]。葉昆等[4]進(jìn)行了含有速度脈沖效應(yīng)的近斷層地震作用下RC結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),結(jié)果表明:對(duì)于近斷層地震的脈沖效應(yīng)現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范考慮不充分,結(jié)構(gòu)的層間位移角并不能滿足1/50的限制條件,并提出設(shè)計(jì)建議。易偉建等[5]進(jìn)行了近場(chǎng)地震下框架剪力墻高層結(jié)構(gòu)地震易損性分析,結(jié)果表明:近斷層地震作用將會(huì)引起結(jié)構(gòu)的損傷并且大于遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用。

由于框排架結(jié)構(gòu)是工業(yè)廠房的主要結(jié)構(gòu)形式之一,且其整體結(jié)構(gòu)布置較復(fù)雜、不規(guī)則,抗震性能較差[6],在近斷層地震下發(fā)生嚴(yán)重破壞或倒塌,將引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。本文基于增量動(dòng)力分析方法(IDA)對(duì)框排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析,得到結(jié)構(gòu)在近斷層地震作用下發(fā)生破壞的失效概率,并與遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)比,為近斷層地區(qū)框排架結(jié)構(gòu)震害預(yù)測(cè)提供參考。

1 地震動(dòng)記錄的選取與調(diào)整

多脈沖小波分析方法(簡(jiǎn)稱MPA方法)就是利用連續(xù)小波變換以確定水平雙向地震動(dòng)能量的最強(qiáng)方向,并且可定量確定最強(qiáng)方向上的脈沖指數(shù)、脈沖周期和顯著小波個(gè)數(shù)等重要參數(shù)[7]。MPA方法分析結(jié)果表明,當(dāng)脈沖指數(shù)在0.85以上時(shí)即可判斷為此地震動(dòng)屬于脈沖型地震動(dòng)[8]。利用MPA方法判斷地震動(dòng)是否包含速度脈沖更為精確。

本文利用多脈沖小波分析方法從美國(guó)太平洋地震工程研究中心數(shù)據(jù)庫(kù)選取Chi-Chi地震近斷層地震記錄,根據(jù)斷層距不大于20 km的標(biāo)準(zhǔn)分別選取了8條脈沖型及非脈沖型近斷層地震波,另外選取8條斷層距大于80 km的遠(yuǎn)場(chǎng)地震波,所選取的24條地震記錄如表1所列。

由于輸入的地震記錄均為實(shí)際的強(qiáng)震記錄,根據(jù)場(chǎng)地的峰值加速度與地震動(dòng)峰值加速度值相對(duì)應(yīng)的原則,按規(guī)范對(duì)罕遇地震所采用的地震動(dòng)記錄的PGA進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)幅,調(diào)整到0.4g。

表1 本文分析所用地震動(dòng)記錄的基本信息Table 1 Basic information of ground motion records for analysis in this study

2 有限元模型建立

選取某實(shí)建的鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)作為典型結(jié)構(gòu)。該廠房所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g,設(shè)計(jì)分組為一組,安全等級(jí)為二級(jí)。結(jié)構(gòu)高度為17 m,長(zhǎng)度66 m,寬32.1 m。

該建筑A-B軸為框架部分,B-C軸為排架部分,其中框架部分作為辦公使用,地上三層,底部層高4.8 m,上面兩層為3.6 m,屋面為不上人屋面;排架部分跨度為24 m,柱標(biāo)高17 m,12 m處有一起吊重量為20 t的吊車,屋面為網(wǎng)架結(jié)構(gòu),且屋架與排架的連接當(dāng)作理想鉸接。結(jié)構(gòu)平面布置圖、立面圖分別見(jiàn)圖1、圖2所示,梁、柱截面尺寸詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.1 Structure plan layout

圖2 ○-○軸立面圖Fig.2 The elevation drawing of ○-○axis

梁、柱和樓板整體現(xiàn)澆,混凝土等級(jí)為C40,樓板板厚均為100 mm。樓面活載為3.5 kN/m2,屋面活載0.5 kN/m2。基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2,基本雪壓0.25 kN/m2。

利用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000建立模型,其中梁、柱及支撐采用梁、柱單元,考慮單元的剪切變形和軸向變形;框架樓板采用薄殼單元來(lái)模擬,建立的三維分析模型如圖3所示。構(gòu)件的非線性采用在單元兩端添加塑性鉸來(lái)模擬,梁兩端添加彎矩鉸,柱兩端添加PMM鉸,支撐構(gòu)件中間及兩端指定軸力鉸,根據(jù)截面配筋量計(jì)算塑性鉸特征值。

圖3 結(jié)構(gòu)三維分析計(jì)算模型Fig.3 Three-dimensional analysis and calculation model

3 地震動(dòng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)

3.1 地震動(dòng)參數(shù)的選取

根據(jù)已有研究,對(duì)于框排架結(jié)構(gòu),雖然使用結(jié)構(gòu)第一周期對(duì)應(yīng)的譜加速度Sa(T1,5%)時(shí)增量動(dòng)力曲線的發(fā)散程度較低,但是否適合于不規(guī)則的,受高階振型影響的結(jié)構(gòu)還未有定論,建議采用PGA[10]。本文選擇PGA作為地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)(IM)。

3.2 結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)確定

大量的研究表明,最大層間位移角θmax能夠準(zhǔn)確反映各層構(gòu)件變形的綜合影響。本文選用θmax作為結(jié)構(gòu)性能參數(shù)(DM)。

結(jié)合已有研究資料[11],本文取框排架結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)為五檔LS1～LS5,對(duì)應(yīng)的限值列于表2。

表2 鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)及量化指標(biāo)

4 框排架結(jié)構(gòu)的易損性分析

4.1 增量動(dòng)力分析

對(duì)結(jié)構(gòu)雙向輸入地震波[12]進(jìn)行增量動(dòng)力分析(IDA),所采用的地震波加速度峰值調(diào)整為0.1g,0.2g,0.3g,…,2.0g,…。模型中采用的阻尼為Rayleigh經(jīng)典阻尼,取值為0.05,經(jīng)過(guò)1 000余次彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析,得到該結(jié)構(gòu)的IDA曲線簇見(jiàn)圖4所示。

圖4 24條地震波作用下結(jié)構(gòu)的IDA曲線簇Fig.4 IDA curve cluster of structure under the action of 24 seismic waves

從圖4中可以看出1#～8#曲線為脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下θmax-PGA關(guān)系曲線,該系列曲線表現(xiàn)出明顯的“軟化”,隨著PGA的增長(zhǎng)較快屈服;9#～16#曲線為非脈沖型近斷層地震動(dòng)作用下θmax-PGA關(guān)系,該系列曲線較集中,“軟化”現(xiàn)象不明顯;17#～24#曲線為遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下θmax-PGA關(guān)系,該系列曲線相對(duì)集中,大多沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的屈服現(xiàn)象。

4.2 易損性曲線的形成

結(jié)構(gòu)的地震易損性是指在給定地震動(dòng)參數(shù)IM強(qiáng)度水平下,結(jié)構(gòu)性能需求DM達(dá)到或超越每個(gè)性能水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的量化指標(biāo)LSi的條件概率[13],即P(LSi|IM=x),將LSi作用于結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)DM進(jìn)行量化后的指標(biāo)限值表示為dmi,即

P(LSi|IM=x)=P(DM≥dmi|IM=x)

(1)

假定性能水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的條件概率服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,則易損性可表示為:

P(DM≥dmi|IM=x)=

1-P(DM

(2)

式中:DM的對(duì)數(shù)均值為μlnDM|IM=x;標(biāo)準(zhǔn)差為βlnDM|IM=x。

4.2.1 近斷層地震與遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)比分析

利用式(2)可求出近斷層地震與遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下五檔性能水準(zhǔn)下所對(duì)應(yīng)的失效概率,以地震動(dòng)強(qiáng)度PGA為X軸、超越概率P為Y軸,擬合得到遠(yuǎn)場(chǎng)地震及近斷層地震作用下框排架結(jié)構(gòu)的易損性曲線如圖5所示。

圖5 近斷層地震作用下結(jié)構(gòu)的易損性曲線Fig.5 Fragility curves of structure under near-fault earthquakes

從圖5可以看出,遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下得到的易損性曲線,8度多遇地震即PGA=0.07g及基本地震PGA=0.2g時(shí),結(jié)構(gòu)五個(gè)極限狀態(tài)的超越概率均為0,滿足“小震不壞,中震可修”的抗震要求;當(dāng)發(fā)生8度罕遇地震即PGA=0.4g時(shí),所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)僅超越正常使用極限狀態(tài)的概率為2.08%,滿足“大震不倒”的抗震要求。

而近斷層地震作用下8度多遇地震時(shí),結(jié)構(gòu)前四個(gè)極限狀態(tài)均超越;8度基本地震時(shí),所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)超過(guò)基本修復(fù)后使用的極限狀態(tài)概率為16.62%,有2.40%的概率達(dá)到生命安全的極限狀態(tài),此種情況下已經(jīng)危害生命;8度罕遇地震時(shí),結(jié)構(gòu)處于修復(fù)后使用和生命安全狀態(tài)概率較高,接近倒塌的概率為15.4%,超越極限狀態(tài)較遠(yuǎn)場(chǎng)地震大,并不能很好地滿足抗震設(shè)防原則。

4.2.2 脈沖型與非脈沖型近斷層地震對(duì)比分析

脈沖效應(yīng)是近斷層地震的顯著效應(yīng)之一，圖6分別繪制脈沖型及非脈沖型近斷層地震作用下結(jié)構(gòu)的易損性曲線，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6 脈沖型及非脈沖型近斷層地震作用下結(jié)構(gòu)的易損性曲線Fig.6 Fragility curves of structure under pulse-like and non-pulse-like near-fault earthquakes

由圖6可得，脈沖效應(yīng)對(duì)框排架結(jié)構(gòu)的失效概率影響較大，8度多遇地震及基本地震時(shí)不太明顯，但在8度罕遇地震時(shí)，脈沖型近斷層地震作用下結(jié)構(gòu)修復(fù)后使用的概率為非脈沖近斷層地震的2.2倍，達(dá)到生命安全極限狀態(tài)的概率為非脈沖近斷層地震的11.32倍，脈沖型近斷層地震作用下防止倒塌的概率為40.02%，而非脈沖型近斷層地震作用下結(jié)構(gòu)防止倒塌的概率為零。因此，近斷層地震的脈沖效應(yīng)對(duì)框排架結(jié)構(gòu)易損性的影響是不可忽略的。

5 結(jié)論

(1) 與遠(yuǎn)場(chǎng)地震相比,近斷層地震作用下結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,生命安全及防止倒塌的失效概率較大;近斷層地震的脈沖效應(yīng)對(duì)框排架結(jié)構(gòu)的易損性影響較大,研究時(shí)應(yīng)重視脈沖效應(yīng)。

(2) 本文框排架結(jié)構(gòu)易損性分析結(jié)果表明一般遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下框排架結(jié)構(gòu)能保持較好的抗震性能,滿足規(guī)范規(guī)定的抗震要求;而“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三設(shè)防水準(zhǔn)在近斷層地震作用下并不能得到很好的保證。

(3) 通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的易損性曲線,可以快速正確地評(píng)估在不同強(qiáng)度地震波作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度破壞的概率,為近斷層地區(qū)鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供參考。