鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震主要失效模式分析與優(yōu)化

原莉

【摘 要】地震災(zāi)害是人類面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，具有極強(qiáng)的隨機(jī)性，不可預(yù)測(cè)性和大范圍的波及性，嚴(yán)重威脅著人類社會(huì)的生存和社會(huì)的發(fā)展。近年來(lái)頻繁發(fā)生的地震使得建筑結(jié)構(gòu)大量破壞，導(dǎo)致大量的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。地震動(dòng)強(qiáng)度和特性的隨機(jī)性對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)主要采用基于等效靜力的線彈性分析方法，不能很好的考慮結(jié)構(gòu)屈服后的受力狀態(tài)和整體破壞機(jī)制，結(jié)構(gòu)的材料性能未能得到充分發(fā)揮，進(jìn)而出現(xiàn)不可預(yù)期和不可控的局部失效模式或薄弱層失效模式，最終使得結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的抗震性能未達(dá)到最優(yōu)，不能有效抵抗未來(lái)潛在地震災(zāi)害。因此，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的地震失效模式進(jìn)行分析和優(yōu)化來(lái)提升結(jié)構(gòu)的整體抗震性能具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；框架結(jié)構(gòu)；地震

1引言

地震是當(dāng)前人類面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，具有極強(qiáng)的隨機(jī)性和大范圍的波及性，嚴(yán)重威脅著人類的生存和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。近年來(lái)，地震災(zāi)害發(fā)生的頻度和強(qiáng)度越來(lái)越高，如2004年發(fā)生在印度洋的8.7級(jí)大地震、2008年發(fā)生的汶川8.0級(jí)大地震、2010年發(fā)生的海地7.3級(jí)大地震、智利8.8級(jí)大地震、2011年發(fā)生的日本9.0級(jí)3.11大地震和2014年的蘆山地震等。地震累積的能量以地震波的形式向外傳播，引起大范圍的地面運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引起建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。地震給人類帶來(lái)災(zāi)難的同時(shí)，也促使人們從中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，大力發(fā)展防震減災(zāi)的手段和方法。歷次地震無(wú)不表明：土木工程方法必然是防震減災(zāi)的最有效的措施，其主要包括：場(chǎng)地選擇及其安全性評(píng)價(jià)、抗震設(shè)計(jì)、合理施工、正確使用、維護(hù)和及時(shí)加固等。因此，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抗震設(shè)防是減輕結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害的重要途徑。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)的靜力法、反應(yīng)譜方法發(fā)展到考慮結(jié)構(gòu)延性的強(qiáng)度折減系數(shù)法，再到當(dāng)前廣泛倡導(dǎo)的基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法、基于損傷的抗震設(shè)計(jì)方法和基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法（Performance-Based Seismic Design，PBSD）等。

2規(guī)范抗震設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)行的規(guī)范抗震設(shè)計(jì)方法主要按照等效靜力的線彈性分析理論來(lái)獲得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力需求，并采用能力設(shè)計(jì)方法和足夠的構(gòu)造措施來(lái)確保結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”失效模式和構(gòu)件屈服后性能，最終通過(guò)非線性分析來(lái)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在大震下的位移響應(yīng)是否超限。這種設(shè)計(jì)方法能保證結(jié)構(gòu)在小震和中震下的抗震性能，而結(jié)構(gòu)在大震下局部構(gòu)件進(jìn)入非線性，此時(shí)彈性理論和能力設(shè)計(jì)法不能反映結(jié)構(gòu)在非線性條件下的內(nèi)力分配規(guī)律，因?yàn)橐坏┯芯植繕?gòu)件進(jìn)入屈服，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力將按照屈服后的剛度來(lái)分配。因此可以看出規(guī)范設(shè)計(jì)方法：（1）用來(lái)模擬強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)樓層慣性力分布的設(shè)計(jì)側(cè)向力模式，主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)的彈性振動(dòng)狀態(tài)獲得的；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未能考慮構(gòu)件的非線性性能，特別是梁屈服后對(duì)柱端受力的影響；（3）能力設(shè)計(jì)法僅能考慮與梁相連的柱的強(qiáng)度放大，這實(shí)際上是一種局部強(qiáng)化方法；（4）未考慮強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)的整體失效模式。因此結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的抗震性能不能可靠的預(yù)測(cè)和控制，進(jìn)而出現(xiàn)不可控和不可預(yù)期的失效模式。另外，必須同時(shí)清醒的認(rèn)識(shí)到，地震動(dòng)的隨機(jī)性使得結(jié)構(gòu)在未來(lái)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的可能遭遇地震的大小實(shí)際上是未知的，且近年來(lái)發(fā)生的地震往往超過(guò)當(dāng)初設(shè)防時(shí)的強(qiáng)度，因此從這個(gè)角度來(lái)講，按照設(shè)防目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其可靠性是沒(méi)有保證的。因此，從以上分析可以看出，按當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，由于地震動(dòng)的隨機(jī)性使其在強(qiáng)震下常形成不可預(yù)測(cè)和不可控的失效模式，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料性能未得到充分發(fā)揮，使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的抗震性能未達(dá)到最優(yōu)，不能有效抵抗未來(lái)潛在地震災(zāi)害。

3地震失效模式優(yōu)化的發(fā)展

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)可靠性原理可知，結(jié)構(gòu)失效模式分析存在兩類不確定性：外界荷載激勵(lì)的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)自身的隨機(jī)性（如材料性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的隨機(jī)性等）。對(duì)于結(jié)構(gòu)的地震失效模式，由于地震動(dòng)的隨機(jī)性遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自身的隨機(jī)性，因此結(jié)構(gòu)地震失效模式主要考慮地震動(dòng)輸入的不確定性。由于不同地震動(dòng)特性的差異，結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)下具有不同的失效模式，即結(jié)構(gòu)地震失效模式具有多樣性。因此，傳統(tǒng)的識(shí)別結(jié)構(gòu)失效模式的方法，如準(zhǔn)則法和理性解析法對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，已不再適用，這是由于強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高度非線性特質(zhì)，且荷載歷程是往復(fù)滯回的，非單一情況的加載。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)地震失效模式優(yōu)化是基于靜荷載作用下的線彈性結(jié)構(gòu)的單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，這與地震作用下產(chǎn)生高度非線性的實(shí)際結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題具有很大差別。為此，一些學(xué)者對(duì)非線性優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究。非線性狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法主要有數(shù)學(xué)規(guī)劃算法和進(jìn)化算法，常用的進(jìn)化算法有EP算法、ES算法、GA算法和GP算法等。可以看出，結(jié)構(gòu)的失效模式優(yōu)化已經(jīng)從原始的靜力彈性優(yōu)化，發(fā)展到考慮非線性優(yōu)化問(wèn)題和多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，并且逐步向基于性能和基于易損性的優(yōu)化方向發(fā)展，但優(yōu)化過(guò)程僅對(duì)典型框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，且優(yōu)化過(guò)程中計(jì)算量龐大的問(wèn)題是結(jié)構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。此外，由于地震極強(qiáng)的隨機(jī)性使得結(jié)構(gòu)的抗震失效模式具有多樣性。結(jié)構(gòu)在地震作用下失效的關(guān)鍵在于非最優(yōu)的失效模式導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不能承受最大地震動(dòng)。通常，結(jié)構(gòu)在地震下存在一些發(fā)生概率較大的失效模式，我們稱其為結(jié)構(gòu)的主要失效模式，而其它發(fā)生概率較小的失效模式，由于其出現(xiàn)的可能性極低，在失效模式分析中一般被忽略。因此，通過(guò)對(duì)識(shí)別結(jié)構(gòu)的主要失效模式并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段。常見(jiàn)的識(shí)別結(jié)構(gòu)地震主要失效模式的方法有Pushover方法、時(shí)程分析方法和增量動(dòng)力分析方法（Incremental Dynamic Analysis，IDA）等。Pushover方法識(shí)別結(jié)構(gòu)失效模式的精度與所選擇的側(cè)向力模式密切相關(guān)，而時(shí)程分析方法和IDA方法直接依賴于所選擇的地震動(dòng)。

4鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震失效模式

當(dāng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中設(shè)置防屈曲支撐時(shí)，由于：（1）由于防屈曲支撐飽滿的滯回性能，將為結(jié)構(gòu)提供一個(gè)附加阻尼比，使得抗震設(shè)計(jì)時(shí)的地震影響系數(shù)降低，結(jié)構(gòu)遭受的地震作用將變小，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件比常規(guī)支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面面積小；（2）由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面變小，結(jié)構(gòu)自重變小，會(huì)進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)的地震作用；（3）在構(gòu)件截面設(shè)計(jì)時(shí)，相比于普通支撐的受壓穩(wěn)定承載力系數(shù)，防屈曲支撐由于拉壓性能近似，未有受壓穩(wěn)定承載力的折減，因此其截面面積將會(huì)比普通支撐小；（4）由于結(jié)構(gòu)中添加防屈曲支撐時(shí)，防屈曲支撐能耗散大部分地震能量，保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)，使得主體結(jié)構(gòu)的損傷減輕，結(jié)構(gòu)震后修復(fù)的代價(jià)將降低。由于這些顯著的優(yōu)點(diǎn)，防屈曲支撐體系的材料成本、建造和運(yùn)行維護(hù)等的經(jīng)濟(jì)效益是很可觀的，這使得防屈曲支撐在工程實(shí)踐中被廣泛運(yùn)用。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地震作用是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制荷載之一。建筑結(jié)構(gòu)為高冗余度結(jié)構(gòu)，由于地震極強(qiáng)的隨機(jī)性使得結(jié)構(gòu)的抗震失效模式具有多樣性。通常，僅一些發(fā)生概率較大的主要失效模式對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震可靠度有重大貢獻(xiàn)。因此，識(shí)別結(jié)構(gòu)的主要失效模式對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性分析及災(zāi)害防御至關(guān)重要。

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