震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)損傷評估

姜紹飛, 祝 豪, 張漳榮, 趙 劍, 王 耀

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州 350108；2.中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福州 362000)

裝配建筑因其生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保而得到蓬勃發(fā)展。我國是一個(gè)地震多發(fā)國家，汶川地震、雅安地震[1]均造成大量結(jié)構(gòu)損傷或破壞，而裝配建筑的整體性能還略差于現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)。為降低財(cái)產(chǎn)損失和方便后續(xù)結(jié)構(gòu)加固，開展震后裝配建筑快速評估顯得至關(guān)重要。

黃超等[2]基于性能的抗震評估思想，以建筑結(jié)構(gòu)的層間位移和構(gòu)件塑性變形作為抗震性能評估的目標(biāo)，從定量角度，基本上解決了目前既有RC建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能評估與加固處理問題；葉列平等[3]通過考慮建筑結(jié)構(gòu)的抗震承載與塑性變形，提出了建筑結(jié)構(gòu)抗震能力指標(biāo)IS和需求指標(biāo)IS0，并通過結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)的震害強(qiáng)度，對它們的取值進(jìn)行了確定；陳再現(xiàn)等[4]根據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過抗震性能試驗(yàn)后產(chǎn)生的裂縫位置、形狀、寬度和長度評估結(jié)構(gòu)的損傷程度；杜曉菊等[5]基于材料、構(gòu)件損傷計(jì)算結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)D來評估結(jié)構(gòu)的損傷程度；后來Park等[6]通過分析模態(tài)參與系數(shù)與層剛度損傷因子之間的關(guān)系，對環(huán)境激勵(lì)下的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別和評估。這些工作說明，選擇某一性能指標(biāo)(廣義力或者位移)、結(jié)構(gòu)固有特性(頻率、阻尼比和模態(tài)參與系數(shù)等)或外觀特性(裂縫、整體變形等)，都可以評估結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)。

隨著研究工作的深入，各國相繼開展震后RC結(jié)構(gòu)的鑒定評估標(biāo)準(zhǔn)的制訂。如日本的《既有鋼筋混凝土建筑抗震評估與加固標(biāo)準(zhǔn)》考慮構(gòu)件塑性變形、結(jié)構(gòu)抗震承載能力等因素，劃分了三級抗震評估體系[7]。歐洲EC8[8]則是基于力和基于位移進(jìn)行RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估，美國綜合考慮建筑風(fēng)險(xiǎn)識別和抗震加固方法，我國也制訂了相應(yīng)的抗震鑒定與評估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。

雖然目前關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與評估的理論比較成熟，但對于(裝配)結(jié)構(gòu)的抗震性能評估存在諸多問題有待研究：① 損傷評估多集中在結(jié)構(gòu)構(gòu)件[11]、規(guī)則結(jié)構(gòu)[12-13]，且結(jié)構(gòu)或構(gòu)件基本為現(xiàn)澆式，而不規(guī)則、裝配建筑震后評估未見報(bào)道；② 單一指標(biāo)評估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件偏差較大，如局部損傷較嚴(yán)重但整體損傷指標(biāo)卻無法較好反映真實(shí)狀態(tài)；③ 量化的評估指標(biāo)雖能指導(dǎo)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)，但對裝配建筑的量化適用性不高。

據(jù)此，基于結(jié)構(gòu)材料屬性、層間變形、扭轉(zhuǎn)變形及裂縫等參數(shù)，本文研究震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)的綜合損傷指標(biāo)DI，建立DI限值與地震破壞水準(zhǔn)之間的關(guān)系，其后用振動(dòng)臺試驗(yàn)和數(shù)值分析對所提評估理論的可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，并與脈動(dòng)無損測試、規(guī)程評估結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 地震模擬振動(dòng)臺試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]、試驗(yàn)設(shè)備和場地，設(shè)計(jì)了一棟3層1/3縮尺RC不規(guī)則裝配框剪模型(圖1)，其二、三層的剪力墻為干式連接(圖2)。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，抗震等級為二級，場地類別為Ⅱ類。結(jié)構(gòu)平面尺寸為0.9 m×1.8 m，橫向2跨(1.2 m+0.6 m)，縱向1跨(0.9 m)，層高均為1 m；梁、柱截面尺寸分別為75 mm×135 mm、100 mm×100 mm，剪力墻厚75 mm，樓板厚60 mm，梁、柱、剪力墻以及樓板的混凝土強(qiáng)度均為C30；箍筋為鍍鋅鐵絲，梁箍筋為?3@50，柱箍筋為?3@60，梁柱縱筋均采用直徑為6 mm的HPB300級鋼筋；剪力墻采用雙排雙向受力分布筋?6@100；鋼板為Q235且厚度為5 mm，螺栓為8.8級，連接鋼框總長為660 mm；混凝土保護(hù)層厚度均為5 mm。相關(guān)材料參數(shù)見表1、2。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼材力學(xué)性能

選取El-Centro波、Taft波以及SHW2波作為地震動(dòng)輸入，沿結(jié)構(gòu)橫向施加地震動(dòng)，對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動(dòng)臺試驗(yàn)。選取峰值地面加速度(PGA)作為強(qiáng)度度量參數(shù)，PGA取值為0.1g、0.15g、0.2g、0.31g、0.4g、0.51g和0.62g，其中SHW2波只加到0.51g。

1.2 變形分布

圖3～圖5給出了El-Centro波、Taft波和SHW2波作用下結(jié)構(gòu)各層的層間位移，反映了整體結(jié)構(gòu)的變形情況。當(dāng)樓層變形超過結(jié)構(gòu)本身的變形能力時(shí)，便發(fā)生破壞，層間變形的最大響應(yīng)一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)受損較嚴(yán)重的部位即1～2層，它也反映了結(jié)構(gòu)裂縫分布的主要規(guī)律。

圖3 El-Centro波作用下的層間位移

圖4 Taft波作用下的層間位移

圖5 SHW2波作用下的層間位移

圖6～圖8給出了三種波作用下結(jié)構(gòu)各層的扭轉(zhuǎn)角最大值。由于結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻，質(zhì)量中心與剛度中心不重合導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。幾個(gè)圖中都可看出，最大扭轉(zhuǎn)變形出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)第2～3層，即不規(guī)則層，反映了結(jié)構(gòu)平立面剛度分布的不規(guī)則性，增大了結(jié)構(gòu)損傷程度。

圖6 El-Centro波作用下的扭轉(zhuǎn)角

圖7 Taft波作用下的扭轉(zhuǎn)角

圖8 SHW2波作用下的扭轉(zhuǎn)角

1.3 裂縫分布

混凝土裂縫直觀反映了結(jié)構(gòu)的損傷情況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂縫檢測，以保障其繼續(xù)安全使用至關(guān)重要。

圖9給出了不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)裂縫分布圖，測量其主要構(gòu)件的25條裂縫，部分損傷較嚴(yán)重的列入表3，裂縫寬度及其數(shù)量如表4。

表4 裂縫寬度與其數(shù)量

(a)三維立體圖

損傷最嚴(yán)重幾條未列入表 3：編號1貫穿梁端外沿，裂寬為0.861 mm；編號2孔洞缺陷較多，裂縫貫穿梁端外沿且柱端局部硂有脫落風(fēng)險(xiǎn)，裂寬為0.689 mm；編號5裂縫貫穿柱端表面外延，縫寬>1 mm且縫長接近100 mm，也可能為樓層拼接裂縫；編號22孔洞裂紋較多，裂縫貫穿梁柱相接部分。

表3 主要構(gòu)件裂縫

1.4 動(dòng)力特性

地震損傷引發(fā)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的改變，進(jìn)而引起動(dòng)力參數(shù)的變化，這里用動(dòng)力參數(shù)的變化來評價(jià)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

(1)自振頻率：它與結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度相關(guān)，一般結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量不會發(fā)生變化，故結(jié)構(gòu)自振頻率變化反映的是結(jié)構(gòu)剛度的改變。由圖10知，IAFSW結(jié)構(gòu)前二階頻率變化趨勢基本一致，其中震前結(jié)構(gòu)前兩階頻率分別為4.639 Hz、6.836 Hz，PGA=0.62g時(shí)下降為3.418 Hz、5.371 Hz，且隨地震波PGA增大而下降幅度增大。說明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)累積損傷，整體剛度受到極大削弱。

圖10 不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)頻率變化

(2)阻尼比：它反映結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中的耗能程度，阻尼比越大，耗能越大、結(jié)構(gòu)損傷越輕微；當(dāng)結(jié)構(gòu)接近或進(jìn)入彈塑性階段后，阻尼比會隨結(jié)構(gòu)內(nèi)力或變形的增加而迅速增大[16]。從圖11的前2階阻尼比看出，在PGA=0.2g前前2階阻尼比基本一致，但PGA=0.51g前結(jié)構(gòu)一階阻尼比大于二階阻尼比。

從振動(dòng)形態(tài)看，結(jié)構(gòu)一階主要表現(xiàn)為橫向平動(dòng)，結(jié)構(gòu)二階表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)變形；結(jié)構(gòu)受到地震波PGA越大或越早進(jìn)入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)平扭耦合變形越明顯，而一階阻尼比突然大于二階說明一階阻尼對結(jié)構(gòu)的平動(dòng)耗能程度大于二階阻尼對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耗能程度。圖11看出震前一二階阻尼比為11.12%、12.35%，PGA=0.62g時(shí)提高到17.46%、16.31%，阻尼比均隨地震波PGA增大而變大，說明結(jié)構(gòu)阻尼對整體結(jié)構(gòu)耗能越來越大。

圖11 不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)阻尼比變化

(3)振型：結(jié)構(gòu)主振型與質(zhì)量、剛度有關(guān)，隨著地震波PGA增大結(jié)構(gòu)損傷不斷積累，結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本不變而剛度變小。由圖12知，彈性階段，不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)一階振型呈彎剪變形形態(tài)，一、二層振型有逐漸外凸的跡象，整體變形形態(tài)由彎剪型向彎曲型過渡。由圖知整體結(jié)構(gòu)隨地震波PGA增大而振型變化幅度較小，振型從反映了結(jié)構(gòu)的相對剛度，說明低層結(jié)構(gòu)振型對結(jié)構(gòu)損傷影響較小。

圖12 不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)一階振型變化

2 震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)損傷評估

2.1 現(xiàn)澆RC結(jié)構(gòu)規(guī)程:層間最大位移角

按照現(xiàn)澆混凝土GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]規(guī)定，按照層間最大位移角限值(表5)對震損IAFSW結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷評估。

表5 不同破壞等級的層間最大位移角限值

由于IAFSW結(jié)構(gòu)各層均為1 m,結(jié)合圖3～圖5的層間位移，可知層間最大位移角[θ]:①各樓層的層間最大位移角均小于抗規(guī)限制值0.02，滿足“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防要求；②各樓層最大層間位移角總的趨勢是max([θ]1)≥max([θ]2)≥max([θ]3)，在地震波不變的情況下，3層最大層間位移角與1、2層最大層間位移角差值隨地震強(qiáng)度增加而增大，說明1、2層層間變形越來越大，3層層間變形相對很小；③圖4中1、3層在0.51gPGA下的最大層間位移角以及圖5中2層在0.31gPGA下的最大層間位移角變化較大。圖4是由于1層抗側(cè)剛度不及2層和3層的，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)或彎剪變形突然加大；圖5是局部構(gòu)件中鋼筋疲勞甚至屈服，提前進(jìn)入彈塑性階段或地震波頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率很接近。

除SHW2波作用下PGA=0.51g時(shí)，結(jié)構(gòu)層間最大位移角為0.005 295 8>4[Δue]=0.005(層高1 m)外，其余層間最大位移角對應(yīng)的結(jié)構(gòu)破壞程度都在中等破壞或中等破壞以下。按最大損傷程度綜合評估震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)，應(yīng)屬中等破壞。

2.2 層間最大扭轉(zhuǎn)角

由圖13計(jì)算可得結(jié)構(gòu)1～3層剛度中心的X向坐標(biāo)：1.191 2 m、1.181 5 m、1.166 m，知結(jié)構(gòu)樓層剛心不重合；另外計(jì)算樓層在El-Centro波、Taft波和SHW2波作用下的最大層間位移δmax均介于1.2倍～1.5倍的樓層兩端最大層間位移的平均值(δ1+δ2)/2，兩者的比值在Y向分別為：1.31、1.44和1.42，故本文研究結(jié)構(gòu)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

圖13 結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則平面圖

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角越大，結(jié)構(gòu)扭動(dòng)就越厲害，結(jié)構(gòu)累積損傷效應(yīng)也隨之增加，扭轉(zhuǎn)角亦是評估震損不規(guī)則結(jié)構(gòu)的指標(biāo)。這里采用廣義層間扭轉(zhuǎn)角θ/h來表征損傷[17]：

θ/h=(μ-1)[θ]/(μR)

(1)

式中:θ為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角；h為結(jié)構(gòu)層高；μ為扭轉(zhuǎn)位移比，取值為1.2～1.5；[θ]為結(jié)構(gòu)的層間位移角；R為構(gòu)件到樓層轉(zhuǎn)動(dòng)中心的最大距離，假定結(jié)構(gòu)剛度中心與轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合。

廣義層間扭轉(zhuǎn)角θ/h限值可由層間最大位移角[θ]限值范圍確定。由式(1)得震損結(jié)構(gòu)1～3層的廣義扭轉(zhuǎn)角限值分別為2/815×10-3、2/753×10-3和1/665×10-3。

由圖6～圖8知，不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)各層扭轉(zhuǎn)角隨PGA的增大而增大，最大扭轉(zhuǎn)角都出現(xiàn)在三層，但每層的扭轉(zhuǎn)角增長幅度卻不一樣，它隨著樓層的增加而降低；與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)模型的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)還和地震波的類型有較大關(guān)聯(lián)，由于上海人工波強(qiáng)震時(shí)間長，所帶來的地震沖擊力更大，在PGA為0.4g時(shí)，SHW2波所引起的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)明顯要大于其他波。

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)除以層高h(yuǎn)=1 m與上述限值比較，評定震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)為嚴(yán)重破壞。

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫

裂縫可獲得構(gòu)件損傷情況。由GB 50011—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]中結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大縫寬限值和張坤[18]所述混凝土裂縫限值標(biāo)準(zhǔn)，知震損結(jié)構(gòu)整體屬輕微破壞。

用單面平測法[19]測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫深度。裂縫深度h與結(jié)構(gòu)厚度H關(guān)系如下：h≤0.1H表面裂縫；0.1H

2.4 綜合損傷指標(biāo)DI

2.4.1 DI與結(jié)構(gòu)性能等級

DI的范圍為[0,1]：DI=0，完好狀態(tài)；DI≥1，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件完全破壞，DI值越大結(jié)構(gòu)損傷越嚴(yán)重。DI能夠反映從材料到構(gòu)件截面、構(gòu)件、樓層及結(jié)構(gòu)多個(gè)層面[20]，可精確評估震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

基于材料屬性，通過加權(quán)系數(shù)得到初步的指標(biāo)DI0，然后基于試驗(yàn)中的變形、裂縫分布等，對指標(biāo)計(jì)算式中的系數(shù)修正，并依據(jù)文獻(xiàn)[21]建立損傷指標(biāo)限值DI與地震破壞水準(zhǔn)之間的關(guān)系。DI計(jì)算過程如下。

DI0由混凝土和鋼材損傷加權(quán)得到，其中混凝土纖維損傷量化采用雙線性模型[22]，見式(2)～(3)，混凝土單軸本構(gòu)為考慮箍筋約束作用的Mander模型[23]。

(2)

(3)

式中：Dci為第i根混凝土纖維的損傷指標(biāo)；Dcu為混凝土達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度時(shí)對應(yīng)的損傷指標(biāo)；σcd、σcu、σcf為混凝土棱柱體(150 mm×150 mm×450 mm)的初始破壞強(qiáng)度、極限抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，εcd、εcu、εcf為前述混凝土強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變。

鋼筋、鋼板和螺栓均屬鋼材，采用由CB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]附錄C中應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型，鋼材纖維損傷量化采用式(4)來確定[24]。

(4)

式中：Dsi為第i根鋼材纖維的損傷指標(biāo)；(2Nf)j為第j周期下按塑性應(yīng)變幅值加載至鋼材斷裂的半周期數(shù)。

震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、樓層和結(jié)構(gòu)體系的損傷指標(biāo)值，均按式(5)計(jì)算：

(5)

式中:λi為構(gòu)件或樓層加權(quán)系數(shù)，λi修正為λi(1+λc+λd)。

構(gòu)件加權(quán)系數(shù)除考慮材料外，還需考慮構(gòu)件開裂影響，所以引入單個(gè)構(gòu)件裂縫數(shù)量與結(jié)構(gòu)總裂縫數(shù)量比值λc作為附加考量因子，由1.3節(jié)確定。樓層加權(quán)系數(shù)除使用構(gòu)件損傷指標(biāo)外，還應(yīng)引入層間變形影響因子λd，來考慮薄弱層與損傷樓層位置的變化對結(jié)構(gòu)的影響。

λd=λθ·λt

(6)

(7)

(8)

式中:λθ為考慮層間最大位移的加權(quán)系數(shù)；λt為考慮層間最大扭轉(zhuǎn)的加權(quán)系數(shù)。

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，這里使用修正的DI對震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷分析，將結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)劃分為五個(gè)等級，如表6所示。

表6 不同性能等級

2.4.2 結(jié)構(gòu)損傷評估

圖14和圖15分別為震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件損傷值分布圖、由構(gòu)件損傷值加權(quán)組合得到的結(jié)構(gòu)樓層損傷圖，可以發(fā)現(xiàn)樓層越高結(jié)構(gòu)損傷越輕，由式(5)得到結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)值DI=0.193 3，所以震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)為中等破壞。

圖14 震損IAFSW結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷指標(biāo)值

圖15 震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)樓層損傷指標(biāo)值

3 IAFSW結(jié)構(gòu)損傷模型與驗(yàn)證

3.1 IAFSW結(jié)構(gòu)的損傷模型

圖16 結(jié)構(gòu)有限元模型

上述有限元模型建立的過程中需要對材料本構(gòu)模型修正。2.4.1小節(jié)的結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)DI考慮了結(jié)構(gòu)材料最大的損傷程度，故可將其應(yīng)用于混凝土材料和鋼材，作為梁、柱、剪力墻中材料本構(gòu)的影響因子。

對于混凝土材料的單軸本構(gòu)修正，即將實(shí)測得到的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度(見表7)輸入Mander曲線中并考慮損傷因子DI對本構(gòu)參數(shù)的影響。其中結(jié)構(gòu)模型第三層除剪力墻外，其余構(gòu)件損傷不明顯。

表7 結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度

對于鋼材的本構(gòu)模型修正，因裝配結(jié)構(gòu)模型的損傷指標(biāo)DI裝配=0.193 3屬中等破壞，而由戚永樂[11]給出的中等破壞限值知，縱筋的極限拉應(yīng)變應(yīng)取為εsu=0.05/0.6=0.083，結(jié)構(gòu)震后?6鋼筋的屈服強(qiáng)度fy裝配=203×(1-0.193 3)=163.76 MPa，相應(yīng)地抗拉強(qiáng)度ft裝配=215.48 MPa，而鋼筋的彈性模量Es裝配根據(jù)各個(gè)構(gòu)件的損傷程度確定。?3箍筋本構(gòu)各個(gè)參數(shù)修正同?6鋼筋。

3.2 模型有效性驗(yàn)證

3.2.1 無損脈動(dòng)測試

用DH5920測試分析系統(tǒng)對震損IAFSW結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力參數(shù)檢測，布置x、y向各一個(gè)加速度傳感器于如圖17(a)，測試結(jié)構(gòu)2個(gè)方向振動(dòng)加速度。

圖17 現(xiàn)場動(dòng)力測試震損裝結(jié)構(gòu)

使用DHDAS動(dòng)態(tài)信號采集分析系統(tǒng)對IAFSW結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析，提取模態(tài)參數(shù)并分析頻率、阻尼比和振型的變化，如圖18～圖20所示。

分析圖18與1.4小節(jié)結(jié)構(gòu)自振頻率發(fā)現(xiàn)，(1)脈動(dòng)法測試的不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)震后自振頻率小于前述1.4小節(jié)結(jié)構(gòu)震前自振頻率，但兩者很接近，結(jié)構(gòu)震后前2階頻率衰減程度均不超過6%，說明結(jié)構(gòu)經(jīng)地震作用后剛度退化，有真實(shí)損傷產(chǎn)生；(2)脈動(dòng)法測試的結(jié)構(gòu)自振頻率明顯大于結(jié)構(gòu)在PGA=0.62g時(shí)的3.418 Hz和5.371 Hz。這里考慮到結(jié)構(gòu)在震中受到的損傷是一個(gè)不斷累積疊加的過程，持續(xù)受到強(qiáng)荷作用，而脈動(dòng)法測試的條件是環(huán)境激勵(lì)，結(jié)構(gòu)受自然條件的影響，另外考慮到結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量的影響，整體結(jié)構(gòu)在震中的自身質(zhì)量包含樓層的配重塊質(zhì)量，而脈動(dòng)測試無樓層配重塊質(zhì)量，由(1)知結(jié)構(gòu)是有真實(shí)損傷的，剛度存在退化，所以脈動(dòng)法測試的結(jié)構(gòu)自振頻率大于PGA=0.62g時(shí)結(jié)構(gòu)的自振頻率。

傳統(tǒng)的“食品添加劑”課程教學(xué)模式較為單一，多采用以教師為主的講授式教學(xué)方法，機(jī)械性地將不同種類的食品添加劑分章節(jié)“滿堂灌”，導(dǎo)致學(xué)生將“食品添加劑”簡單理解為“食品化學(xué)”課程的延伸，無法真正理解食品添加劑在食品行業(yè)和日常生活中的作用，使得部分學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、興趣不濃厚。因此，傳統(tǒng)的教學(xué)模式亟待革新突破以適應(yīng)“食品添加劑”在新形勢下的教學(xué)需求。

圖18 結(jié)構(gòu)震前后頻率

分析圖19與1.4小節(jié)結(jié)構(gòu)阻尼比部分發(fā)現(xiàn)，而脈動(dòng)法測試的不規(guī)則震損結(jié)構(gòu)前兩階阻尼比小于結(jié)構(gòu)震前阻尼比和結(jié)構(gòu)在PGA=0.62g時(shí)的前兩階阻尼比17.46%和16.31%，原因是脈動(dòng)法測試與后兩者測試的條件不同，前者是自然條件下的阻尼比而后兩者受地震波(白噪聲和其它波)作用，另外結(jié)構(gòu)阻尼比大小反映著結(jié)構(gòu)耗能程度，在自然條件下結(jié)構(gòu)耗能明顯小于在地震波作用下的結(jié)構(gòu)耗能。

圖19 結(jié)構(gòu)震后阻尼比

由圖20和1.4小節(jié)的圖12知，IAFSW結(jié)構(gòu)震后一階振型第一層增大8.73%、第二層增大26.12%，線型外凸，幾乎呈線性。在此過程中，結(jié)構(gòu)變形形態(tài)由彎剪型向彎曲型過渡，說明振型的變化與結(jié)構(gòu)變形形態(tài)有關(guān)，從而對結(jié)構(gòu)損傷有影響。

圖20 結(jié)構(gòu)震前后一階振型

由圖18～圖20知，考慮頻率、阻尼比和振型的影響，結(jié)構(gòu)震后損傷增大，一二層損傷較第三層明顯。

3.2.2 有限元驗(yàn)證

為保證有限元模型能夠可靠地反映前述結(jié)構(gòu)的真實(shí)損傷，和為了能夠更好地且有效地保證參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性，本小節(jié)對修正后的有限元損傷模型進(jìn)行了模態(tài)分析，模態(tài)參數(shù)亦是檢查模型是否正確建立的標(biāo)志之一。將白噪聲、有限元程序和脈動(dòng)法對應(yīng)的頻率分別記為f白、f有和f脈，誤差記為e1=|f有-f白|/f白,e2=|f有-f脈|/f脈。

由表8知，不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)震前在有限元程序里面的一二階頻率與試驗(yàn)時(shí)白噪聲所得頻率分別相差1.23%和0.57%，震后在有限元程序里面的一二階頻率與脈動(dòng)法所測頻率分別相差5.15%和0.87%，上述比例均不超過6%，說明結(jié)構(gòu)模態(tài)周期匹配良好。

表8 結(jié)構(gòu)模型模態(tài)頻率

由圖21知，IAFSW結(jié)構(gòu)震前在有限元程序里面的一階振型第一、二層的振型數(shù)值與試驗(yàn)時(shí)白噪聲所得數(shù)值分別相差0.02%和7.64%，震后在有限元程序里面的一階振型第一、二層的振型數(shù)值與脈動(dòng)法所測數(shù)值分別相差3.63%和1.15%，上述比例均不超過5%，說明結(jié)構(gòu)振型匹配良好。

圖21 結(jié)構(gòu)模型一階振型

結(jié)構(gòu)模型的阻尼比在程序中默認(rèn)為0.05，經(jīng)分析裝配框-剪結(jié)構(gòu)模型震后一二階阻尼均比為0.050 2，可發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)震后阻尼比會返回至接近最初狀態(tài)的值。

綜上所述，結(jié)構(gòu)模擬效果較好，說明有限元損傷模型中的參數(shù)設(shè)置合理，可用于相關(guān)后續(xù)的分析工作。

3.3 比較與討論

采用“全面分析、綜合判斷”的原則可快速掌握震損結(jié)構(gòu)的整體破壞狀態(tài)和薄弱環(huán)節(jié)，如表9所示。

脈動(dòng)法評估指標(biāo)由式(9)確定，該指標(biāo)基于劉成清等[25-26]提出的考慮高階振型、振型參與系數(shù)、結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼比等影響因素的損傷模型，本文對其損傷指標(biāo)進(jìn)行了修正。

(9)

由式(9)計(jì)算得D試驗(yàn)=0.593 4；D脈動(dòng)=0.443 3，兩者均介于0.4～0.6之間[26]，脈動(dòng)法評估結(jié)果與1.4節(jié)試驗(yàn)評估結(jié)果一致，不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)屬中等破壞。

由表9知，震損IAFSW結(jié)構(gòu)由試驗(yàn)結(jié)果直接取層間最大扭轉(zhuǎn)角、層間最大位移角和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性等指標(biāo)評價(jià)時(shí)，震損結(jié)構(gòu)分別為嚴(yán)重破壞、中等破壞和中等破壞；采取測量手段使用裂縫參數(shù)評價(jià)震損結(jié)構(gòu)時(shí)，震損結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為輕微破壞，表明結(jié)構(gòu)局部損傷并不嚴(yán)重；而使用修正的結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)DI評價(jià)震損結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為中等破壞，這與無損脈動(dòng)法、規(guī)范層間最大位移評估結(jié)果一致。由此可知，震損IAFSW結(jié)構(gòu)評估為中等破壞才符合實(shí)際狀態(tài)，即DI能精確評估震損結(jié)構(gòu)。

表9 無損指標(biāo)評估

4 結(jié) 論

(1)提出了不規(guī)則裝配建筑損傷指標(biāo)DI，并對指標(biāo)計(jì)算式中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了修正，該指標(biāo)考慮了結(jié)構(gòu)材料屬性、層間變形、扭轉(zhuǎn)變形以及裂縫參數(shù)等影響，此外，還建立了該指標(biāo)DI限值與地震破壞水準(zhǔn)之間的關(guān)系，對震后結(jié)構(gòu)破壞程度的整體快速評估和局部薄弱環(huán)節(jié)的識別具有重要意義。

(2)使用振動(dòng)臺試驗(yàn)案例和有限元分析對所提結(jié)構(gòu)綜合損傷指標(biāo)DI進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)綜合損傷指標(biāo)DI相對層間最大扭轉(zhuǎn)角、裂縫等更能真實(shí)反映震損結(jié)構(gòu)損傷情況，而且與基于脈動(dòng)法的結(jié)構(gòu)整體損傷檢測評估和規(guī)范層間最大位移評估結(jié)果一致，說明結(jié)構(gòu)綜合損傷指標(biāo)DI用于評估裝配震損結(jié)構(gòu)是可行的。

本文初步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)震害級別與所提評估指標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，但還需更多的試驗(yàn)或仿真來進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)理論。上述工作為裝配混凝土結(jié)構(gòu)損傷評估、震損結(jié)構(gòu)剩余使用壽命預(yù)測以及加固提供技術(shù)參考。