近斷層雙向地震作用組合下非結構構件損傷評價

蒲瑞 潘欽鋒＊ 陳尉唯 蘇美玲 蘇文輝

（1、四川大學土木工程系，四川成都 6100652、福建工程學院土木工程學院，福建福州 3501163、廈門金恒大建設有限公司，福建廈門 3610004、福建省祿盛市政園林有限公司，福建廈門 361000）

隨著抗震設計技術的不斷發展完善，新修建筑的抗震性能得到了明顯的提高，地震導致的建筑物倒塌和內部人員傷亡得到了有效的控制[1]。雖然地震作用下主體結構的損失有效降低了，但是地震導致的直接經濟損失不僅沒有明顯的降低，反而一直居高不下。究其原因是現代建筑物的功能愈加復雜，承載的功能越復雜其內部的各類非結構構件及設備的經濟占比則越高，地震災害引起的總體經濟損失則越大。有調研統計數據顯示，對于一般公共建筑來說，其內部的非結構構件和物品的經濟價值占總投資的80%～90%[2]，遠大于建筑結構的投資。與傳統建筑主體結構相比，次級結構和建筑物內部的物品及設備在近斷層地震作用下更容易發生破壞，且破壞造成的經濟損失巨大。因此本文針對醫療建筑內部的非結構構件和布置進行假定，研究的非結構構件主要分為吊頂、管道、計算機和醫療設備四類。對于吊頂，有的文獻中指出豎向地震會加重吊頂的破壞[3-4]，對于管道，一般可分為柔性管道和剛性管道，工程實際案例中，許多采用隔震的建筑因未能考慮到隔震層在地震作用下的位移采用了剛性管道，結果在豎向地震作用下管道產生了明顯了端部破壞[5-6]。傳統結構可以通過隔震來降低建筑物的響應，但根據吳應雄[7]的研究結果表明，在不同類型地震動下考慮SSI效應后的結構隨著加速度峰值的增加，其減震效果會降低，故除了考慮建筑物主體的抗震性能，也更應該關注非結構構件的損傷。因此在進行建筑抗震經濟損失評估中應將建筑物內部的非結構構件及設備包括在內[8]。以FEMA P-58 為代表的最新設計規范中提出了基于非結構構件的經濟損失評估方法，雖然較簡單且易于計算，但是其中的一些基本假定，如只采用樓層水平加速度對非結構構件的進行評估，忽略了豎向地震作用。于是本文在組合加速度的基礎上，聯合水平加速度和豎向加速度對非結構構件開展了易損性分析。

1 設備傾覆和滑移狀態分析

1.1 建模分析

浮放式設備在受到水平加速度作用時極易產生滑移和晃動，進而可能產生損壞。為模擬浮放式設備在樓層加速度作用下的運動狀態，利用ANSYS 對尺寸為0.6×0.6×1.2m 的長方形浮放式設備建模，設備與樓面的摩擦系數取值為0.65。本文采用SOLID164 結構實體單元模擬，該單元具有在三個方向上的位移、速度與加速度共9 個自由度[9]，適用于分析三維狀況下實體結構的顯示運動響應，能較好的模擬出設備在加速度作用下真實的運動響應。上部設備材料定義為鋁合金，泊松比為0.33，下部樓板尺寸定義為4×4×0.1m，泊松比為0.3。在計算過程中通過修改摩擦系數、輸入地震動強度以及設備尺寸，并分別進行水平單向加速度與水平+豎向加速度兩種加速度輸入工況計算，以此來對比兩種工況下設備的滑移與傾覆結果。

1.2 組合加速度下傾覆結果

重要設備如一些昂貴的醫療器械設備一般放置于結構第二層或相對較低的樓層，因此將鋼框架結構第2 層的20 組單向及雙向加速度作為輸入激勵，得到設備的運動響應如圖1 所示。設備傾覆時，非結構構件已處于不安全狀態，故不考慮其滑移值。如圖1，設備在單向水平加速度輸入下20 條加速度中僅有第1 條加速度使設備發生傾覆，而樓層在水平與豎向加速度共同作用時有4 組工況發生傾覆。即將樓層豎向加速度考慮在內后設備的傾覆概率從原本的5%增加至20%。從最大滑移距離指標分析，有些情況下滑移距離增大，但也有些情況出現滑移距離減小，無法得出考慮豎向加速度與滑移距離一定會增加的結論。

圖1 設備傾覆狀態和最大滑移值

為了研究不同摩擦數、不同加速度強度對設備運動響應的影響，將摩擦系數取值調整為0.4、0.5、0.6、0.7，并將樓層水平加速度與豎向加速度按照同樣的系數進行放大后得到的設備傾覆結果如表1 所示。從表中可以看出，隨著摩擦系數的增大，傾覆的情況逐漸增多。隨著地震強度的增大，傾覆的情況也逐漸增多。如果不考慮樓層豎向加速度，則可以認為設備在1.3g 的水平加速度作用下才會發生傾覆破壞，而在實際情況中設備會同時受豎向加速度的影響，此時水平加速度達到1.0g 時即發生傾覆破壞，從而造成對設備傾覆概率的不保守估計。按照水平加速度易損性曲線計算得到的損失概率和對應的損失成本也是不準確的。

設備在不同強度加速度和摩擦系數作用下的滑移反應如表1 所示，從表中可以看出雙向加速度輸入會增大設備的最大滑移響應。隨著加速度強度的增大，滑移距離也呈現增大的趨勢。在實際生活中，設備的滑移距離增大到一定程度后可能導致設備從高處摔落造成損壞，因此滑移距離也是衡量設備運動響應的重要指標。

表1 不同地震強度/摩擦系數下設備的傾覆響應和滑移位移（cm）

日常生活中，不同類型設備的尺寸有所不同，立式空調、書架等高寬比較大的設備比桌子、板凳這類設備要更容易受到加速度的影響。因此，建立不同高寬比的設備模型，研究高寬比對設備傾覆情況的影響，具體結果如表2 所示。從表中可以看出高寬比為1:1 和1:1.5 的兩個設備在組合加速度作用下均未發生傾覆，當高寬比增大為1:2 和1:3 時則變為傾覆。即隨著高寬比的逐漸增大，設備在同一水平與豎向加速度作用下的運動狀態從不傾覆變為傾覆，結構形狀偏于細長的設備更易受到豎向加速度作用的影響而產生傾覆。

表2 不同高寬比下設備的傾覆響應

2 非結構構件易損性和損傷評估

2.1 非結構構件易損性參數

本文假定的易損性構件中加速度敏感型非結構構件包括吊頂和管道，共計約27 萬元。建筑內部設備包括計算機（32 萬元），大型醫療設備（500 萬元）以及小型醫療設備（129 萬元）?？傮w的經濟價值主要由醫療設備構成，醫療設備因非常昂貴且功能重要，所以評估其在水平與豎向地震分量共同作用下的易損性具有重要意義。本文中假定的各類非結構構件和內部設備的易損性組及數量和位置的布置情況如表3 所示。

表34 層結構易損性組構件分布

對于本文假定的醫療建筑，其內部非結構構件如吊頂和管道的易損性曲線采用FEMA P-58 中的PACT 損失分析軟件提供的易損性參數。醫療器械設備的易損性參數參考FEMA P-58中滑動和傾覆易損性計算的內容以及葉良浩[10]的相關文獻。

2.2 組合加速度下損失評估

為了研究考慮豎向加速度后的損失，分別采用4 層和8 層結構的樓層水平峰值加速度和樓層組合峰值加速度作為工程需求參數。根據FEMA P-58 中提出的流程通過蒙特卡洛模擬計算上文所假定醫療建筑中的非結構構件和設備在兩類加速度下的損失并求和，得到不同地震強度、不同地震動類型以及不同樓層下的組合加速度與水平加速度損失。

不同地震強度下設備的損失比如圖2 所示，地震強度與總體的損失比呈正相關。組合加速度引起的損失比明顯大于單獨水平加速度引起的損失比，且8 層結構的損失比低于4 層結構。在強度為1 時，組合加速度作用下的損失比最大，此時4 層結構對應的損失比為0.5，8 層結構對應的損失比為0.35。

圖2 不同地震強度下損失比

由圖3 可以看出不同樓層對應的地震損失差異較大，損失主要集中在第二層，這是因為本文假定造價昂貴的大型醫療設備一般布置在醫院第二層的位置，所以其直接導致第二層的損失遠大于其他層。總體來看，排除第二層的特殊情況，樓層高度越高內部非結構構件和設備的損失越大。因此在實際生活中，為減小地震作用下的經濟損失，重要設備不適宜放置在較高樓層位置。

圖3 不同樓層的損失比

具體各類非結構構件和設備在兩類加速度作用下的損失如圖4 所示。從損失比的角度來看，組合加速度下的損失比均大于水平加速度，且吊頂的變化幅度最大?？紤]豎向加速度作用后吊頂的損傷狀態發生了變化，可能從DS1 變為了DS3，因此出現了量級的損失差異。其他設備雖然損失增大，但是沒有出現明顯的量級差異，即還是在同一損傷狀態區間內。從損失占比的角度來看，大型和小型醫療設備占總體損失的大部分，其次是計算機設備。相對而言，吊頂和管道的損失占比較小。

圖4 各類非結構構件和設備的損失

3 結論

本文以鋼框架結構在水平與豎向地震動共同作用下的樓層加速度響應作為參數，利用ANSYS 對設備建模模擬組合加速度下的運動響應。得到以下結論：

3.1 浮放式設備的運動響應受水平加速度、豎向加速度、摩擦系數、設備高寬比等因素的影響，在水平與豎向加速度共同作用下設備更容易發生傾覆，滑移距離更大，并且摩擦系數越大，高寬比越大時，設備也更容易產生傾覆。

3.2 采用組合加速度替代水平加速度進行損失評估時損失明顯增大，結構總高度越低，樓層越接近頂層，兩者的差異越明顯。此外，不同類型非結構構件因對加速度的敏感性不同，采用上述兩種方法得到的經濟損失差別較大。