基于地震動參數的RC框架結構易損性分析研究

徐 超

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

（作者電子信箱，徐超：lukgop＠163.com）

結構易損性是在不同強度地震動作用下結構發生各種破壞狀態的條件概率。易損性分析既是基于性能的地震工程和基于性能的抗震設計的核心內容，又是結構破壞估計、地震損失預測以及地震風險分析的關鍵環節。深入開展結構易損性分析研究，對于地震工程學具有重要的理論意義和應用價值。

地震動與結構破壞之間的關系十分復雜。一方面，強地面運動復雜且極不規則，合理描述地震動工程特性的地震動參數一般應包括幅值、頻譜及持時三個要素。另一方面，在不同的地震動作用下結構的振動特性以及非線性反應存在很大差異。強震觀測數據及工程震害經驗反復表明，結構的破壞程度與地震動的幅值、頻譜特性及強震持時等多種因素之間存在密切而又復雜的關系。因此，選擇哪些合適的地震動參數才能有效地揭示地震動對結構的破壞作用是易損性分析研究、基于性能的地震工程以及基于性能的抗震設計所面臨的關鍵科學問題。針對此問題，本文以多層和多高層RC 框架結構作為分析對象，借助非線性動力時程分析方法，開展了基于地震動參數的易損性分析研究。首先，系統研究了幾種常用的單一地震動參數的充分有效性，研究地震動參數的有效性是為尋求與結構地震反應及破壞密切相關的主要影響因素，研究地震動參數的充分性是為了減少地震動輸入的選擇對易損性分析結果的影響。其次，鑒于單一地震動參數不能合理揭示多因素影響的地震選擇性破壞作用及其成災機理，開展了基于多地震動參數的易損性分析研究。第三，考慮到彈性反應譜不能體現地震動中多種頻率成分對結構非線性反應的影響，開展了基于彈塑性位移譜的易損性分析研究。第四，為了全面描述不同地震動工程特性對結構地震反應及其破壞的影響，研究了基于震級、距離和場地條件的易損性分析方法。此外，開展了考慮近斷層速度脈沖影響的易損性分析研究。

研究的具體內容以及得到的結論有：

（1）開展了單一地震動參數的充分性和有效性研究。借助結構非線性動力時程分析方法計算結構的地震反應，采用回歸擬合及殘差分析方法，研究了以地震動峰值加速度（PGA）、地震動峰值速度（PGV）、結構基本周期的加速度反應譜值（Sa（T1））、有效峰值加速度（EPA）、有效峰值速度（EPV）以及累積絕對速度（CAV）作為易損性分析的輸入地震動參數的充分有效性。研究表明：①以Sa（T1）作為輸入地震動參數時，結構最大層間位移角反應的離散性以及反應受到震級和距離的影響相對最小，EPV 次之；以PGA 和EPA 作為輸入地震動參數時，結構最大層間位移角反應的離散性最大且受到震級的影響明顯；以PGV 作為輸入地震動參數時，結構最大層間位移角反應受到距離的影響明顯；以CAV 作為輸入地震動參數時，結構最大層間位移角反應的離散性較大。②就中等自振周期的多層和多高層RC 框架結構而言，其地震反應以基本振型反應為主，Sa（T1）是上述地震動參數中相對最為充分有效的地震動參數，采用Sa（T1）作為易損性分析的輸入地震動參數可以更合理地揭示地震動對這類結構的破壞作用。

（2）開展了基于多地震動參數的結構易損性分析研究。采用兩個地震動參數作為易損性分析的輸入地震動參數，以期能夠更有效地揭示多因素影響的地震選擇性破壞作用及其成災機理。以結構基本周期加速度反應譜Sa（T1）為第一地震動參數，分別選取體現地震動幅值特性的參數RPGV，Sa以及體現加速度反應譜形狀的參數RT1，T2、Np和ε（T1）作為第二地震動參數。借助增量動力分析方法，研究了反映地震動幅值及反應譜形狀的多個地震動參數對結構地震反應的影響以及不同多地震動參數的充分性和有效性。建立了基于多地震動參數的易損性曲面，揭示多個地震動參數對結構破壞概率分布的影響。研究表明：除Sa（T1）之外，地震動的速度峰值以及反應譜的形狀對結構地震反應有顯著的影響。多地震動參數比單地震動參數能更有效地揭示地震動對結構的破壞作用，減小易損性分析結果的不確定性以及地震動輸入選擇對易損性分析結果的影響。基于多地震動參數的結構易損性曲面體現了多種地震動特性對結構破壞概率分布的影響，以多地震動參數作為輸入參數的易損性分析是揭示多因素影響的地震選擇性破壞作用的有效途徑。

（3）開展了基于彈塑性位移譜的易損性分析方法研究。以模態pushover分析為理論基礎，提出了基于彈塑性位移譜Sdi（T1）的易損性分析方法。研究了以彈塑性位移譜作為結構易損性分析的地震動輸入參數的有效性及充分性。鑒于彈塑性位移譜Sdi（T1）的非線性特性，采用改進的增量動力分析方法開展了基于彈塑性位移譜Sdi（T1）的結構易損性分析，建立了基于彈塑性位移譜的易損性曲線。研究表明：彈塑性位移譜Sdi（T1）克服了彈性反應譜僅反映單一頻率成分的不足，可更為充分地反映大于結構基本周期的地震動分量對結構非線性反應的影響，更合理地揭示當結構處于非線性階段時地震動的破壞作用。采用彈塑性位移譜作為輸入地震動參數可減小易損性分析中的不確定性以及地震動輸入選擇對易損性分析結果的影響。

（4）開展基于震級、距離和場地條件的易損性分析方法研究。為了全面描述不同地震動工程特性對結構地震反應及其破壞的影響，提出將震源－傳播路徑－局部場地－工程結構作為一體的研究思路。以地震動衰減關系為“橋梁”，將結構地震反應分析使用的地震動參數與震源機制、震級、距離和場地條件相聯系。提出了反映震級、距離和場地條件及加速度反應譜特性的加速度時程的選擇方法，借助結構非線性動力時程分析方法，研究了震源特性、傳播路徑和局部場地條件及依賴于這些因素的地震動幅值及頻譜特性對結構地震反應及其破壞概率分布的影響。提出一種以震級、距離等參數表述的結構易損性曲面，以此揭示多因素影響的結構破壞概率分布，提供了反映地震選擇性破壞特征的可行途徑。

（5）開展了考慮近斷層速度脈沖影響的易損性分析研究。借助增量動力分析方法，研究了近斷層速度脈沖對結構地震反應及破壞概率分布的影響，提出了考慮近斷層速度脈沖影響的易損性分析方法。分別以近斷層速度脈沖型地震動和普通地震動作為輸入，開展了基于結構基本周期加速度反應譜Sa（T1）的結構地震反應估計和易損性分析。采用殘差分析方法研究了速度脈沖周期對結構地震反應的影響。分析了采用Sa（T1）揭示脈沖型地震動的破壞作用時的不足。分別采用多地震動參數Sa（T1）和RT1，T2（T2＝2T1）、Sa（T1）和RPGV，Sa以及彈塑性位移譜Sdi（T1）作為輸入地震動參數，研究了以這些地震動參數揭示近斷層速度脈沖型地震動對結構的破壞作用時的充分性和有效性，提出了考慮近斷層速度脈沖影響的易損性分析方法。研究表明：①近斷層速度脈沖型地震動對結構的破壞作用與地震動的速度脈沖周期、結構的基本自振周期以及結構的非線性特性密切相關。在選擇合理的地震動參數描述脈沖型地震動對結構的破壞作用時，需兼顧以上幾個因素。②當采用Sa（T1）作為輸入地震動參數時，考慮速度脈沖影響和不考慮速度脈沖影響的易損性曲線存在明顯的差異，不同脈沖周期對應的易損性曲線也有明顯的不同。地震動參數Sa（T1）不能有效地揭示近斷層速度脈沖對結構地震反應及破壞概率分布的影響。③與Sa（T1）相比，多地震動參數Sa（T1）＋RT1，T2（T2＝2T1）、Sa（T1）＋RPGV，Sa以及彈塑性位移譜Sdi（T1）是更充分有效的地震動參數，能更合理地揭示近斷層速度脈沖對結構的破壞作用。