基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估方法

龔曙暉,謝 昊,喻 璽,江燦勛

(湖南益陽市資陽區水利局,湖南 益陽 413001)

0 引 言

水利建筑是建筑工程領域中十分重要的一項內容。在臨江臨海等靠近水源的地區的水利建筑尤其多。在水利建筑的建設中,為了保證后續使用的安全性,需要保證水利建筑的結構設計具有一定的抗震性。尤其是在地震帶區域的水利建筑建設中,對于其建筑結構的抗震性能尤其重視[1]。在這樣的情況下,對水利建筑結構的抗震性能進行有效評估十分關鍵。

建筑結構的抗震性能主要針對的是地震這樣的自然災害所造成的建筑結構構件產生力的作用下的變形情況[2]?？拐鹦阅苣軌驅λㄖY構中各個構件的剛度、承載能力、變形能力進行綜合性表達。同時,還能夠根據水利建筑結構各個構件在地震力作用下產生的不同的破壞形態進行分析,以便在后續的水利建筑結構設計中針對不同的問題進行精準改進。靜力彈塑性分析能夠對水利建筑結構中的梁和柱等構件進行較為精準的模擬,再通過梁柱等構件的模擬結果來實現不同震力下發生的變形程度,從而繪制出水利建筑結構構件的力與變形程度之間的關系曲線[3]。通過這樣較為直觀的方法來對水利建筑結構的抗震性能進行評估,能夠得到較為精準的評估結果[4]。

精準地評估水利建筑結構的抗震性能,能夠幫助水利建筑結構的設計目標更加具體,能夠根據具體的抗震要求對水利建筑的結構及各個構件的材質進行更加科學地設計與選擇,使得水利建筑結構擁有更高的抗震性能,滿足實際的使用需求。基于上述分析,文章設計了基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估方法。

1 選取水利建筑結構目標性能點

在水利建筑結構中,存在著一些對于該建筑結構抗震性能有著較大影響的結構點。這些結構點被稱為該水利建筑結構的目標性能點。首先要進行目標性能點的選取與確定。文章采用目標位移法來進行性能點的選取與確定。目標位移法需要在各項工序均完成之后才能使用。換句話說,目標位移法的選用需要該水利建筑結構是該建筑的最終使用狀態[5]。文章設計的利用目標位移法選取水利建筑結構目標性能點的過程如圖1所示。

圖1 目標位移法選取目標性能點示意圖

如上圖所示,目標位移法在選取目標結構點主要是通過在水利建筑結構的幾何構造與外形中構成一定的拓撲關系來進行測定。首先,在水利建筑結構中選取兩個墻面或者兩個具有對應關系的建筑構件[6]。然后選擇張力足夠的繩索作為施加力的媒介。在兩段繩索中間安裝一個重力裝置,作為下拉的重量。圖1中的m即為安裝的重力裝置。為重力裝置施加不同的力以確定目標性能點。在第一次張拉時,不為重力裝置添加任何額外力,僅通過重力裝置本身向下拉繩索。調整重力球的位置使得外荷載繩索具有一定的剛度,直到重力裝置與繩索達到穩定平衡的狀態,得到重力裝置的初始點位[7]。然后再利用為重力裝置施加第一級作用力。同樣調整重力裝置的位置,使其與繩索達到穩定平衡狀態。此時的重力裝置位置記為目標位移點1。測量目標位移點1與初始點位之間的距離差,記為d1。為重力裝置施加第二級作用力,調整位置直至穩定平衡狀態。此時的重力裝置位置記為目標位移點2。測量目標位移點2與目標位移點1之間的距離差,記為d2[8]。根據兩輪施加力的測量結果,得到該水利建筑結構控制點的位移差Δd為:

Δd=d2-d1

(1)

根據式1的計算結果,對該水利建筑結構進行非線性分析。建立三維空間坐標系。通過不同目標位移點的初始坐標,計算迭代時目標性能點的新坐標y,計算公式為:

y=x+α×(x1-x2)·Δd

(2)

式中:x1為目標位移點的初始坐標;x2為施加力后的目標位移點坐標;α為該坐標系的放大系數。在層數較多的水利建筑結構中,對重力裝置施加力的輪次與樓層數呈現正相關。計算出多個施加力下重力裝置位移變化的Δd值。最終用于計算目標性能點的Δd值取多個位移差的平均值[9]。至此,完成水利建筑結構目標性能點的選取。

2 構建靜力彈塑性分析模型

基于上述水利建筑結構選取的目標性能點,構建靜力彈塑性分析模型。在靜力彈塑性分析模型中,對于水利建筑結構的高階振型并不納入考慮范圍之內,而是僅對水利建筑結構受到震力時的模態進行控制。文章設計的靜力彈塑性分析模型流程如圖2所示。

圖2 靜力彈塑性分析模型流程

如圖2所示,首先構建靜力彈塑性分析的初始模型。對該初始模型的參數進行設定。該模型的參數主要包括上文所選取的目標位移點數量、三維坐標、以及位移距離差等。設定好靜力彈塑性分析初始模型的參數后,確定該水利建筑結構的水平荷載分布形式。這一步驟主要是對水利建筑結構在受到震力時的慣性力進行檢測。根據該水利建筑結構的慣性力沿豎直高度上的分布形式進行組合疊加。在水利建筑結構中,較為常見的水平荷載分布形式有多振型分布、基本振型分布以及均勻分布等。完成水利建筑結構水平荷載分布形式的確定之后,計算豎向荷載作用下的結構內力。構建水利建筑結構的質點振動微分方程,公式為:

my(t)+cy(t)+ky(t)=0

(3)

式中:t為水利建筑結構不同構件上的目標性能點;y(t)為該目標性能點的三維空間坐標;m為該目標性能點的慣性力;c為該目標性能點的阻尼力。k表示該目標性能點所在的建筑構件的彈性恢復力。根據上式的計算得出水利建筑結構的豎向荷載作用下的結構內力。然后根據水平及豎向荷載進行逐級加載。文章采用側向加載的模式。沿著水利建筑結構的整體高度進行加載輪次的設定[10]。對水利建筑結構的各個構件逐級施加相同的作用力。記錄每級作用力下水利建筑結構構件的靜力彈塑反應。直至作用力加載到建筑構件的極限狀態,也就是構件發生損壞。對建筑構件發生開裂的作用力等級以及發生屈服、徹底損壞等各種典型狀態的作用力等級。在施加作用力的過程中,需要對水利建筑結構的構件剛度進行修正,以確保每個構件都能夠按照預想的狀態發生靜力彈塑變化[11]。最后,根據逐級加載的數據記錄結果,生成位移曲線。該位移曲線的橫坐標為逐級施加的作用力的數值,縱坐標為目標性能點與初始坐標之間的位移差。根據位移曲線得到的結果,進行靜力彈塑性分析反應譜的轉換。設反應譜的加速度為a,其轉換公式計算為:

(4)

式中:λ為該目標性能點的質量第一振型參與系數;V為施加作用力的數值;G為等效荷載的代表值。設反應譜的位移為D,其轉換公式計算為:

(5)

式中:Δdr為水利建筑結構構件的頂點位移差;γ為第一振型參與系數;N為逐級施加作用力的總級數;ψ為第一振型對應的振幅大小。根據靜力彈塑性分析反應譜的轉換結果,完成靜力彈塑性分析模型的構建。

3 分析水利建筑結構損傷程度

完成靜力彈塑性分析模型的構建后,根據分析所得出的結果,對水利建筑結構各個構件在不同等級的施加作用力下的損傷程度情況進行分析。文章采用雙參數模型進行構件損傷程度的分析。該模型的雙參數分別為構件的變形參數以及滯回耗能參數[12]。設水利建筑結構構件的損傷程度為S,其計算公式為:

(6)

式中:u0為水利建筑結構構件在震力施加下的屈服位移;u1為該構件在震力作用下產生的實際變形量;u2為該構件在第一級震力作用施加下產生的極限變形量,也就是構件發生損壞前一刻的震力變形量;E為該構件在不同等級震力施加下的累積塑性耗能;F為該構件的屈服力;μ為該雙參數模型的權重參數[13]。其中,權重系數μ的計算公式為:

(7)

式中:Ei為該水利建筑結構中,第i個構件的累積塑性耗能;Eij為兩個構件之間的累積塑性耗能。根據計算所得的水利建筑結構構件損傷程度結果,制定不同等級震力施加下的構件損傷狀態等級,如表1所示。

表1 水利建筑構件損傷等級表

根據表1的內容,制定水利建筑結構的抗震損傷范圍。

4 設定抗震性能評估指標

根據上文制定的水利建筑結構抗震損傷范圍,設定基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估指標。在實際的水利建筑結構的抗震性能評估中,與理想計算結果并不完全一致。在實際評估工作中,水利建筑結構的抗震性能還受到地理條件不同等外界因素的影響,與理想的計算結果產生一定的誤差[14]。 根據國家水利建筑抗震設計規范,水平地震對水利建筑結構的最大影響系數Z如表2所示。

表2 水平地震最大影響系數值

根據水利建筑位于的不同地質條件,文章將四個等級的影響系數與不同的地質條件進行關聯。在水利建筑結構中,常見的地質條件有黏土、粉質黏土、粉土以及粉砂土等[15]。結合地質條件與地震分組對水利建筑結構抗震性評估的特征周期R進行取值,如表3所示。

表3 水利建筑結構抗震性能評估特征周期

結合表2和表3的數據信息,綜合形成文章設計的基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估指標Q為:

(8)

式中:β為地震震源系數。根據Q值的計算結果,得出最終的評估結果。至此,完成基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估方法的設計。

5 實驗與結果分析

5.1 實驗準備

為了驗證上述設計的基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估方法的有效性,設計如下實驗。

實驗在仿真環境中完成,選取某水利建筑結構作為實驗對象。該水利建筑結構共含有四層結構,分別為地上三層以及地下一層。該建筑的主體結構為混凝土框架,地下室區域的部分內墻為磚墻結構。該水利建筑的具體建筑標準如表4所示。

表4 水利建筑結構標準

對該水利建筑結構周圍的地質條件進行勘測,如表5所示。

表5 地質條件勘測結果

在本次實驗中,采取人工模擬地震的形式對該水利建筑結構的抗震性能進行評估測試。為了保證本次實驗的科學性,設計實驗類型為對比實驗。設計加入其他兩種抗震性能評估方法的對比對象作為對照組。對比對象1設置為基于BIM的水利建筑結構抗震性能評估方法。對比對象2為設置為基于PERFORM-3D的水利建筑結構抗震性能評估方法。

針對該水利建筑結構,利用PKPM軟件構建全方位立體模型,再仿照某次真實地震的強度,對所構建的構模型模擬施加地震效果。為了保證本次對比實驗的公平性,在不同的抗震性能評估方法的實驗輪次中,采用相同數值的地震模擬施加力度。

5.2 結果分析

將文章設計的基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估方法命名為方法1,將基于BIM的建筑抗震性能評估方法命名為方法2,將基于PERFORM-3D的建筑結構抗震性能評估方法命名為方法3。利用上述三種方法分析地震作用下水利建筑結構的抗震性能,并與該建筑真實的抗震性能水平展開對比,得出實驗結果如表6所示。

表6 不同評估方法實驗結果

由表6可知,與該水利建筑結構不同層的真實抗震性能結果相比,文章所提出的基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估方法所得出的評估結果誤差較小。方法2所得出的評估結果相對偏高,而方法3所得出的評估結果相對偏低。在地上三層以及地下一層的抗震性能評估實驗中,文章所提出的基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估方法的平均誤差為0.00275。而其他兩種評估方法的結果平均誤差分別為0.0655和0.02575。由此可見,方法1的平均誤差較其他兩種方法分別減小0.06275和0.023。綜上所述,文章所提出的基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估方法能夠大幅度降低水利建筑結構抗震性能評估的誤差,具有較高的實踐應用價值[16-17]。

6 結 論

針對水利建筑結構抗震性能評估中,評估結果誤差較大的問題,提出了基于靜力彈塑性分析的水利建筑結構抗震性能評估方法。該方法通過構建靜力彈塑性分析模型,分析目標性能點的位移變化量,得出抗震性能的評估結果。該方法大幅度降低了水利建筑結構抗震性能評估的結果誤差,具有較高的實踐應用價值。在今后的水利建筑結構抗震性能評估方法的研究中,還需對高層結構的水利建筑中梁柱等構件的變形因素進行全方面分析,以獲得誤差更小的評估結果。