近斷層地震作用下RC框排架結構易損性研究

張淑云, 周 杰, 黃 磊, 王 剛, 馬尤蘇夫

(1. 西安科技大學 建筑與土木工程學院, 陜西 西安 710054;2. 陜西省建筑設計研究院有限責任公司, 陜西 西安 710018)

0 引言

一般將距離斷層破裂面小于20 km的區域看作近斷層區域[1],大于該范圍的地震動統稱為遠場地震動。對已獲得的記錄研究發現,斷層附近的地震動均伴隨有較大的速度和位移脈沖,這種脈沖效應會使結構在開始時就承受高能量沖擊作用,引起較大的內力和變形,與遠場地震區相比,破壞力更加驚人。在我國672個城市中有很多城市都發生過近斷層地震,從古至今,大約有40%的城市發生過4級以上的近斷層地震[2]。

近斷層地震動對結構的影響是近20年地震工程中非常活躍的研究領域[3]。葉昆等[4]進行了含有速度脈沖效應的近斷層地震作用下RC結構的動力響應,結果表明:對于近斷層地震的脈沖效應現行的抗震設計規范考慮不充分,結構的層間位移角并不能滿足1/50的限制條件,并提出設計建議。易偉建等[5]進行了近場地震下框架剪力墻高層結構地震易損性分析,結果表明:近斷層地震作用將會引起結構的損傷并且大于遠場地震作用。

由于框排架結構是工業廠房的主要結構形式之一,且其整體結構布置較復雜、不規則,抗震性能較差[6],在近斷層地震下發生嚴重破壞或倒塌,將引起巨大的經濟損失和人員傷亡。本文基于增量動力分析方法(IDA)對框排架結構進行易損性分析,得到結構在近斷層地震作用下發生破壞的失效概率,并與遠場地震對比,為近斷層地區框排架結構震害預測提供參考。

1 地震動記錄的選取與調整

多脈沖小波分析方法(簡稱MPA方法)就是利用連續小波變換以確定水平雙向地震動能量的最強方向,并且可定量確定最強方向上的脈沖指數、脈沖周期和顯著小波個數等重要參數[7]。MPA方法分析結果表明,當脈沖指數在0.85以上時即可判斷為此地震動屬于脈沖型地震動[8]。利用MPA方法判斷地震動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太平洋地震工程研究中心數據庫選取Chi-Chi地震近斷層地震記錄,根據斷層距不大于20 km的標準分別選取了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的遠場地震波,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際的強震記錄,根據場地的峰值加速度與地震動峰值加速度值相對應的原則,按規范對罕遇地震所采用的地震動記錄的PGA進行統一調幅,調整到0.4g。

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

2 有限元模型建立

選取某實建的鋼筋混凝土框排架結構作為典型結構。該廠房所處地區抗震設防烈度為8度,場地類別為Ⅱ類,設計基本地震加速度為0.2g,設計分組為一組,安全等級為二級。結構高度為17 m,長度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,柱標高17 m,12 m處有一起吊重量為20 t的吊車,屋面為網架結構,且屋架與排架的連接當作理想鉸接。結構平面布置圖、立面圖分別見圖1、圖2所示,梁、柱截面尺寸詳見文獻[9]。

圖1 結構平面布置圖Fig.1 Structure plan layout

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

梁、柱和樓板整體現澆,混凝土等級為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。基本風壓為0.35 kN/m2,基本雪壓0.25 kN/m2。

利用結構分析軟件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模擬,建立的三維分析模型如圖3所示。構件的非線性采用在單元兩端添加塑性鉸來模擬,梁兩端添加彎矩鉸,柱兩端添加PMM鉸,支撐構件中間及兩端指定軸力鉸,根據截面配筋量計算塑性鉸特征值。

圖3 結構三維分析計算模型Fig.3 Three-dimensional analysis and calculation model

3 地震動參數及結構性能指標

3.1 地震動參數的選取

根據已有研究,對于框排架結構,雖然使用結構第一周期對應的譜加速度Sa(T1,5%)時增量動力曲線的發散程度較低,但是否適合于不規則的,受高階振型影響的結構還未有定論,建議采用PGA[10]。本文選擇PGA作為地震動強度參數(IM)。

3.2 結構性能指標確定

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

結合已有研究資料[11],本文取框排架結構性能水準為五檔LS1～LS5,對應的限值列于表2。

表2 鋼筋混凝土框排架結構的性能水準及量化指標

4 框排架結構的易損性分析

4.1 增量動力分析

對結構雙向輸入地震波[12]進行增量動力分析(IDA),所采用的地震波加速度峰值調整為0.1g,0.2g,0.3g,…,2.0g,…。模型中采用的阻尼為Rayleigh經典阻尼,取值為0.05,經過1 000余次彈塑性動力時程分析,得到該結構的IDA曲線簇見圖4所示。

圖4 24條地震波作用下結構的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作用下θmax-PGA關系曲線,該系列曲線表現出明顯的“軟化”,隨著PGA的增長較快屈服;9#～16#曲線為非脈沖型近斷層地震動作用下θmax-PGA關系,該系列曲線較集中,“軟化”現象不明顯;17#～24#曲線為遠場地震動作用下θmax-PGA關系,該系列曲線相對集中,大多沒有表現出明顯的屈服現象。

4.2 易損性曲線的形成

結構的地震易損性是指在給定地震動參數IM強度水平下,結構性能需求DM達到或超越每個性能水準所對應的量化指標LSi的條件概率[13],即P(LSi|IM=x),將LSi作用于結構的性能指標DM進行量化后的指標限值表示為dmi,即

P(LSi|IM=x)=P(DM≥dmi|IM=x)

(1)

假定性能水準所對應的條件概率服從對數正態分布,則易損性可表示為:

P(DM≥dmi|IM=x)=

1-P(DM

(2)

式中:DM的對數均值為μlnDM|IM=x;標準差為βlnDM|IM=x。

4.2.1 近斷層地震與遠場地震對比分析

利用式(2)可求出近斷層地震與遠場地震作用下五檔性能水準下所對應的失效概率,以地震動強度PGA為X軸、超越概率P為Y軸,擬合得到遠場地震及近斷層地震作用下框排架結構的易損性曲線如圖5所示。

圖5 近斷層地震作用下結構的易損性曲線Fig.5 Fragility curves of structure under near-fault earthquakes

從圖5可以看出,遠場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,結構五個極限狀態的超越概率均為0,滿足“小震不壞,中震可修”的抗震要求;當發生8度罕遇地震即PGA=0.4g時,所設計的結構僅超越正常使用極限狀態的概率為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,結構前四個極限狀態均超越;8度基本地震時,所設計的結構超過基本修復后使用的極限狀態概率為16.62%,有2.40%的概率達到生命安全的極限狀態,此種情況下已經危害生命;8度罕遇地震時,結構處于修復后使用和生命安全狀態概率較高,接近倒塌的概率為15.4%,超越極限狀態較遠場地震大,并不能很好地滿足抗震設防原則。

4.2.2 脈沖型與非脈沖型近斷層地震對比分析

脈沖效應是近斷層地震的顯著效應之一，圖6分別繪制脈沖型及非脈沖型近斷層地震作用下結構的易損性曲線，并對其進行對比分析。

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

由圖6可得，脈沖效應對框排架結構的失效概率影響較大，8度多遇地震及基本地震時不太明顯，但在8度罕遇地震時，脈沖型近斷層地震作用下結構修復后使用的概率為非脈沖近斷層地震的2.2倍，達到生命安全極限狀態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構防止倒塌的概率為零。因此，近斷層地震的脈沖效應對框排架結構易損性的影響是不可忽略的。

5 結論

(1) 與遠場地震相比,近斷層地震作用下結構破壞嚴重,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對框排架結構的易損性影響較大,研究時應重視脈沖效應。

(2) 本文框排架結構易損性分析結果表明一般遠場地震作用下框排架結構能保持較好的抗震性能,滿足規范規定的抗震要求;而“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三設防水準在近斷層地震作用下并不能得到很好的保證。

(3) 通過分析結構的易損性曲線,可以快速正確地評估在不同強度地震波作用下結構發生不同程度破壞的概率,為近斷層地區鋼筋混凝土框排架結構的安全評估提供參考。