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基于增量動力地震易損性分析的高層結構抗震加固研究

2024-06-03 00:00:00宋顏培陳錦晶
地震工程學報 2024年2期
關鍵詞:框架結構結構分析

宋顏培,陳錦晶.基于增量動力地震易損性分析的高層結構抗震加固研究[J].地震工程學報,2024,46(2):309317.DOI:10.20000j.10000844.2023030700

摘要:

由于承重結構構件分布不均勻,導致高層建筑框架承重構件間的距離不相等。在地震時,這種不規則分布可能引起加速度共振效應,從而導致建筑失穩。為此,以地震動強度、地震動速度峰值、最大層間位移角為參數指標,分析高層建筑的極限狀態,提出基于增量動力地震易損性分析的高層結構抗震加固研究。以某實際工程為試驗對象,運用ABAQUS軟件構造高層建筑框架結構三維模型,選取多條地震波以及符合場地條件的地震動記錄進行驗證,繪制地震易損性曲線。結果表明:在高層建筑框架結構中安裝阻尼器,可增強結構中各構件的承載力,改善高層建筑抗震性能;增加鋼板厚度可提高結構抗震水平,降低極限狀態下框架結構IO、LS與CP的超越概率;提高混凝土強度,可改善框架結構抗倒塌性能。高層結構完成抗震加固后,抗震能力由0.91提升至1.01。由此證明,以增量動力分析得到的結構易損性為基礎,對建筑易損性較大的地方進行加固、完善,能夠改善高層建筑框架結構地震易損性,減少地震災害損失。

關鍵詞:

增量動力分析;高層建筑;易損性;三維模型;地震動強度;地震記錄

中圖分類號:TU973.14文獻標志碼:A文章編號:10000844(2024)02-0309-09

DOI:10.20000j.10000844.2023030700

0引言

地震災害頻繁發生[12],高層建筑框架結構起到重要的保護作用,因此對其進行易損性分析是十分必要的。高層建筑的房地產開發商也逐步將消能、阻尼設備的設置視為建筑市場的重點,以改善高層建筑的安全性。為提升高層建筑框架結構抗震性能,需研究其地震易損性,發現其存在的不足以及彌補措施。趙鑫麗等[3]考慮設計標準差異及耐久性,提出老舊建筑結構地震易損性評估方法研究,利用彈性耗能差和最大層位移角度來描述其抗震性能,并進行了抗震性能的比較。楊鵬輝等[4]利用增量動力分析法,研究框架結構地震易損性,試驗證明:能耗墻框架結構存在較優的抗震效果,符合地震情況下的抗震設防要求。韓建平等[5]建立三維性能極限狀態方程,研究了框架建筑地震易損性,試驗證明:不考慮非結構構件損傷情況下,框架結構的超越概率較低。李征等[6]提出自復位膠合木框架結構設計方法與地震易損性分析,給出了三層自復位膠合板框架結構的計算實例,利用OpenSees建立了一個簡化的計算模型。盛金喜等[7]提出基于易損性指數的勁性鋼筋混凝土(StiffenedReinforcedConcrete,SRC)框架核心筒結構地震損傷評估,設計了一個20層SRC框架核心筒的結構模型,進行了增量動態分析,將第一周期頻譜加速度作為強度指標,最大層間位移角度作為結構要求,并定義了四個性能等級,對其進行了易損性評價。胡寶琳等[8]提出新型金屬黏彈復合阻尼器力學模型與抗震性能研究,對一幢5層樓高的金屬黏彈復合阻尼器建筑進行了地震響應分析。王軍輝等[9]提出布置黏滯阻尼器框架結構的抗震分析研究,確定了該結構在多次地震下的響應分析情況。Naderpoor等[10]提出同時存在傳感器和阻尼器故障情況下,基于動態神經網絡的建筑結構地震自適應控制,通過使用傳遞矩陣來解耦故障對傳感器和阻尼器的影響。

雖然上述研究取得一定進展,但這幾種方法均未研究框架結構基本材料鋼板與混凝土對其地震易損性的影響,同時并未考慮阻尼器對結構的地震易損性的影響。針對以上問題,提出基于增量動力地震易損性分析的高層結構抗震加固研究。在高層建筑框架結構間距不一致的條件下,引入增量動力分析,利用單調增量地震強度指數對各參數下的地震輸入進行彈塑性時間過程解析,以期達到提升高層建筑框架結構抗震效果。

1工況及研究方法

1.1工程概況

以一棟23層的高層建筑鋼框架結構為試驗對象,該高層建筑的主體結構是鋼框架結構,并在其內部安裝阻尼器。該鋼框架結構平面為49.7m(長)×44m(寬),底層高度4.3m,剩下每層都是3.1m,總高度是72.5m。該鋼框架結構可顯著降低扭轉與平動間的耦聯,結構外層為鋼殼,內部澆注混凝土,具有較高的承載能力、較強的耐久性,可以提高結構抗彎、抗剪性能,同時也提高了結構的抗震性能。該高層建筑平面垂直方向為7榀,各榀為7跨;水平方向為8榀,各榀為6跨。該高層建筑的抗震設防信息如表1所列。

該結構梁柱均為Q345鋼,具體鋼板厚度及力學性能如表2所列。每層的樓板均選擇現澆混凝土樓板,厚度均為130mm,混凝土為C30與C50兩種強度[11];該高層建筑中包含4個標準層,底層、2~11層、12~22層、頂層。

1.2有限元建模與地震動輸入

(1)有限元模型構建理論

框架結構有限元模型以目標高層建筑框架結構與鋼材料力學性能為依據,結合框架結構強度的屈服強度和極限強度,判定地震易損性結構狀態。在基于增量動力分析理論的高層建筑框架結構地震易損性分析數學模型中,通過添加地震動強度、地震動速度峰值、最大層間位移角等分項系數,找到各參數與框架結構失效概率之間的關系,以此搭建高層建筑框架有限元模型。即:

①通過添加地震動強度可以有效提高建筑結構的剛度和強度,增加其抗震性能和耐震能力,從而降低高層建筑框架結構的失效概率。但過度地添加地震動強度也可能導致結構的剛度和強度過大,使得結構變得較硬,在地震作用下易產生應力集聚和局部破壞,反而增加結構失效的風險。因此,在基于增量動力地震易損性分析的高層結構抗震加固研究中應綜合考慮各種因素,確保結構的安全性和經濟性。

②隨著地震動速度峰值的增加,結構受到的荷載和變形會相應增大,從而導致高層建筑框架結構的失效概率增加。

③隨著最大層間位移角分項系數的增加,高層建筑框架結構受到的地震作用會變得更加劇烈和復雜。在較大的位移角下,高層建筑結構往往會出現嚴重的膨脹、收縮及扭曲等情況,導致框架結構的剛度和強度發生變化,進而使框架結構失效的風險也增加。

(2)參數設置

對高層建筑現場進行調研及地貌分析,場地地勢南高北低,南北總長約為190.00m。模擬場地土類型屬密實均勻的中硬場地土,場地類型為Ⅱ類,為抗震有力地段。該工作面地震加速度值為0.17g、覆蓋層厚度為20m、場地土等效剪切波速為253.47ms、場地特征周期為0.4s。對該工作面進行建模,以表3參數為依據,建立三維高層建筑框架結構模型。

(3)網格劃分

利用ABAQUS有限元分析軟件,按照實際高層建筑框架結構建立數值模型,總單元數約為8.0萬。由于地震易損性研究具有復雜性,因此需要對框架柱重要構件進行加密網格劃分,以此確保數值模擬計算過程簡單且不失真。加密網格劃分是有限元分析中常用的一種技術,其原理是將高層建筑框架結構中關鍵部位的單元尺寸進行細化,以提高數值模擬的精度和準確性。加密網格劃分的方法是均勻網格劃分方法:即將整個結構的單元尺寸進行統一加密,以提高全局模擬精度。在高層建筑框架結構地震易損性研究中,對框架柱重要構件進行加密網格劃分,可以更加準確地模擬柱的受力情況和變形響應,從而提高地震易損性評估的可靠性和精度。有限差分數值高層建筑框架結構網格劃分如圖1(a)所示。

(4)有限元建模

通過MATLAB確定DruckerPrager彈塑性本構模型參數,模擬地震荷載。利用ABAQUS讀取開源數據庫(OpenDataBase,ODB)數據,提高數據共享效果。采用Python編制數據轉換程序,向ABAQUS軟件中導入網格模型。選擇順序開關并聯串聯調節器(SequentialSwitchingShuntSeriesRegulator,S4R),模擬該高層建筑的剪力墻、連梁與樓板[1213],提高模擬精度,確保性能穩定。

利用ABAQUS軟件為該高層建筑框架結構構造三維模型。高層建筑框架為左右對稱結構,分為底層、2~11層、12~22層、頂層結構,利用有限元按照表1中框架基本參數進行分析,并計算搭建模型。有限元模型單元的大小設為0.1m,共有5412個節點和6493個單元,直角坐標x軸方向為南北方向,y軸方向為垂直方向,z軸方向為東西方向。高層建筑框架結構有限元模型如圖1(b)所示。

(5)地震動輸入

地震動輸入通過綜合分析即時通訊(InstantMessaging,IM)準則與數據管理(DataManagement,DM)準則,設置高層建筑框架結構倒塌點,如果θmaxlt;5%,那么以CIM為框架結構倒塌閾值;如果θmax≥5%,那么以θmax=5%時相應的IM值為高層建筑框架結構倒塌閾值。綜合數據分析(IntegratedDataAnalysis)極限狀態定義如表4所列。

令極限狀態概率是P,結構在指定S(T1)時,極限狀態概率如下:

PDV(0Sa)=∑PDVLS(0R)PDMIM(Dgt;RSa)(1)

式中:DV為指示變量,當DV=0時達到極限狀態;D為地震反應;Sa、R的P分別為P(0Sa)、PDVLS(0R);PDVLS為LS的P;R為抗震能力;Sa是加速度為a時的地震動強度;指標為DM、IM時,高層建筑框架結構Dgt;R的概率是PDMIM(Dgt;RSa)。

令結構參數對數均值、標準差分別為α、β,簡化式(1)獲取:

P′=Φμlnβ2c+β2d=Φμlnα[Sa(T1,5%)]ββ2c+β2d(2)

式中:P′為超越概率;為不同極限狀態時高層建筑框架結構能力參數;μ為修正系數;Φ(·)為函數;為結構反應中位值[1415];在IM、DM準則下,θmax的中值標準差是βd、βc。需符合的條件如下:

ln=a+bln[Sa(T1,5%)](3)

式中:a=lnα,b=lnβ。

利用表3獲取IO、LS、CP時的值,這樣便能獲取時以Sa(T1,5%)或PGV為自變量的地震動輸入曲線。其具體步驟流程如圖2所示。

利用增量動力分析(IncrementalDynamicAnalysis,IDA),分析安裝阻尼器、不同鋼板厚度、不同混凝土強度時,高層建筑框架結構的地震易損性。在增量動力分析中,考慮各個變量之間的多元線性關系,其表達式為:

=a0+b1x1+b2x2+…+bnxn(4)

式中:a0表示常數項;b1、b2、…、bn均表示回歸系數。假設兩個變量x、y的觀測值分別為(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),將增量動力分析下高層建筑的極限狀態表示為:

JXZ=∑ni=1[(a+bxi)-yi]2(5)

式中:a、b分別表示搭接面的長和寬。

根據高層建筑的極限狀態,以地震強度指標(IM)與結構損傷指標(DM)作為研究高層建筑框架結構地震動輸入的指標,以地震動強度S(T1)與地震動速度峰值PGV為IM,T1是時間,以最大層間位移角θmax為DM。

(6)有限元計算結果

在軟件模型中賦予數學模型中各個參數值并進行計算。高層建筑框架不僅承受軸向力,而且也承受附加的彎矩作用,因此利用ABAQUS軟件模擬地震動時高層建筑框架結構的x軸、y軸、z軸方向上的結構損傷。從不同位置選取20個結構倒塌檢測點作為地震易損性分布狀態數值模擬分析對象。地震動強度不斷增大時,高層建筑框架結構地震易損性不斷改變。根據《建筑抗震韌性評價標準》[16],將地震易損性從高到低分為5個等級(表5)。

通過ABAQUS軟件計算高層建筑框架結構地震易損性。色譜圖顏色越深表明地震時高層建筑架構結構擺幅越強、位移越大、地震易損性越高。高層建筑框架結構地震易損性數值模擬計算結果如圖3所示。

1.3抗震阻尼的關聯

在地震中,結構振動是主要的破壞因素之一。為了減輕地震對于結構的破壞程度,需要采取一些措施來提高結構的抗震性能。其中,阻尼器是一種較為有效的耗散裝置,能夠消耗地震反力所攜帶的能量,減緩結構振動幅度,從而減少結構的破壞程度。在高層建筑框架結構地震易損性分析中,阻尼的非線性特性對建筑框架結構起到了較大的作用,特別是在結構處于彈性狀態時,由于結構破壞導致結構減振特性發生變化,阻尼器通過耗散地震反力所攜帶的能量,減緩結構的振動幅度,降低結構地震需求。當地震反力作用于結構時,阻尼器將產生一定的滯回力,使得結構的總共振制件剛度變小,從而有效地降低了結構的周期,并增加結構的阻尼比,進而減少了結構振動的峰值加速度。阻尼器的耗能能力越大,其減震功效就越好。

在易損性分析中,結構在地震中的非線性反應是非常重要的。在高層建筑框架結構中,層間變形主要是由彎曲變形分量和剪切變形分量兩部分組成,剪切變形分量是可以加速阻尼元件運行工作的分量。根據高層建筑框架結構基本參數和場地特性,選取與目標反應譜吻合的地震波。利用GM_Tools地震波處理軟件生成規范反應譜,篩選與目標反應譜匹配且控制參數吻合的地震波。按照我國《建筑抗震設計規范(GB50011—2010)》及《建筑隔震設計標準(GBT51408—2021)》,對地震波的PGA進行調整。選擇太平洋地震工程研究中心運作的PEER地震動數據庫https:ngawest2.berkeley.edu.,按距離、場地、震源類型等條件選擇地震記錄,生成我國建筑抗震設計規范規定的反應譜對應的數據文件(表6)。地震動反應譜如圖4所示。

2地震易損性分析

2.1阻尼對高層建筑框架結構地震易損性的影響

利用增量動力分析法研究該高層建筑框架結構中安裝阻尼器對框架結構地震易損性的影響。以鋼板厚度為6mm、混凝土強度為C30、近場地震波為例,在不同地震動時該高層建筑框架結構的IDA曲線如圖5所示。

根據圖5可知,地震波存在較大的隨機性,因此在不同地震波時,有、無安裝阻尼器的高層建筑框架結構地震響應存在較為顯著的差異性,同時離散性也均較大;在不同地震波時,有、無安裝阻尼器的高層建筑框架結構中均是Sa(T1,5%)越大,IDA曲線斜率越小,說明框架結構由彈性狀態轉換至塑性狀態,最后變成倒塌狀態;安裝阻尼器的IDA曲線斜率整體高于未安裝阻尼的高層建筑框架結構。

為更直觀地描繪地震作用下高層建筑框架結構IDA曲線的變化規律,統計15%、50%、80%百分位IDA曲線,統計結果如圖6所示。

根據圖6可知,有、無安裝阻尼器的高層建筑框架結構三種分位IDA曲線的變化規律大致相同,均是Sa(T1,5%)與最大層間位移角呈正比,與IDA曲線斜率呈反比,相比圖3其IDA變化曲線更加明顯;兩種框架結構中均為50%分位IDA曲線位于中間位置。為此,后續試驗中均選擇50%分位IDA曲線描繪不同情況下高層建筑框架結構的地震易損性。

有、無阻尼器的高層建筑框架結構在IO、LS、CP三種極限狀態時,其相應值與最大層間位移角如表7所列。

根據表7可知,極限狀態一致時,有、無安裝阻尼器的高層建筑框架結構最大層間位移角均相同,有阻尼器框架結構的Sa(T1,5%)明顯高于無阻尼器的框架結構,且Sa(T1,5%)越大,說明高層建筑框架結構的抗震性能越佳,地震易損性越小。因此,在高層建筑框架結構中安裝阻尼器可提升Sa(T1,5%),降低其地震易損性。

2.2鋼板厚度對建筑框架結構的地震易損性的影響

利用增量動力分析法研究不同鋼板厚度對高層建筑框架結構地震易損性的影響。以安裝阻尼器、混凝土強度為C30、近場地震波為例,在不同鋼板厚度下該高層建筑框架結構在不同極限狀態時的超越概率如圖7所示。

三種極限狀態時,不同鋼板厚度下高層建筑框架結構的P′均隨Sa(T1,5%)的增長而增長,且鋼板厚度越厚,三種極限狀態時的P′越小,且各極限狀態趨勢穩定的速度越慢,表示高層建筑框架結構在開始的彈塑性階段后存在較優的延性與抗倒塌性能,可確保高層建筑框架結構的安全;不同鋼板厚度時,IO的P′曲線上升速度最快,其次是LS,上升速度最慢的是CP;當鋼板厚度超過8mm時,三種極限狀態時高層建筑框架結構的P′差距均較小。試驗證明:增加鋼板厚度即提升鋼板強度,可有效降低IO、LS與CP極限狀態時的P′,從而提升框架結構的延性與抗倒塌性能。

2.3不同混凝土強度對建筑框架結構地震易損性的影響

利用增量動力分析法研究C30、C50對結構地震易損性的影響。以安裝阻尼器、鋼板厚度為10mm、近場地震波為例,在不同混凝土強度下該高層建筑框架結構的不同極限狀態時的超越概率如圖8所示。

根據圖8可知,隨著PGV與Sa(T1,5%)不斷提升,C30、C50兩種混凝土等級下高層建筑框架結構IO、LS、CP極限狀態時的超越概率上升速度下降;當PGV與Sa(T1,5%)一致時,C30的高層建筑框架結構CP極限狀態時的超越概率明顯高于C50。混凝土強度為C30和C50時,CP極限狀態時的超越概率分別為0.7、0.3,概率值最大,其次是LS,IO時最小,分別為0.4、0.2;可以滿足建筑框架結構對抗震體系指標的性能要求。試驗證明:提升混凝土強度,可有效降低高層建筑框架結構的IO、LS、CP極限狀態時的超越概率,緩解框架結構的倒塌性能,提升框架結構地震易損性。

3加固前后抗震能力分析

在上述地震易損性分析結果的基礎上,以安裝阻尼器、鋼板厚度10mm、混凝土強度C50為條件,加固高層建筑框架。選擇近場地震波完成加固前、后抗震能力分析,分析結果如表8所列。

根據表8可知,20個結構倒塌檢測點抗力效應比均≥1,即抗震能力均達到抗震要求。由此表明,通過增量動力方法分析地震易損性,能夠有效提高高層結構抗震能力,實現高層結構抗震加固。

4結論和討論

增量動力分析法能夠分析不同地震動時的地震響應,本文以高層建筑框架結構與鋼材料力學性能為依據,研究框架結構基本材料鋼板與混凝土對其地震易損性的影響,有效描繪建筑的地震易損性。以一棟23層高層建筑框架結構為試驗對象,提出基于增量動力地震易損性分析的高層結構抗震加固研究。試驗得到如下結論:

(1)增量動力分析法可有效繪制高層建筑框架結構的IDA曲線,地震動強度越大,IDA曲線斜率越小,說明框架結構由彈性狀態轉換至塑性狀態,最后變成倒塌狀態;地震波存在較大的隨機性,安裝阻尼器的IDA曲線斜率整體高于未安裝阻尼的高層建筑框架結構。

(2)有、無安裝阻尼器的高層建筑框架結構,三種分位IDA曲線的變化規律大致相同,地震動強度與層間位移角呈正比;增加鋼板厚度即提升鋼板強度,可有效降低極限狀態,提升框架結構的延性與抗倒塌性能。

(3)提升混凝土強度可有效降低高層建筑框架結構的IO、LS、CP極限狀態時的超越概率,緩解框架結構的倒塌性能,提升框架結構地震易損性,本文所研究的方法具有較好的效果。

(4)在安裝阻尼器、鋼板厚度為10mm、混凝土強度為C50的條件下,高層結構抗震加固效果較優,可以達到1.01。

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(本文編輯:張向紅)

收稿日期:20230307

基金項目:江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ2203120)

第一作者簡介:宋顏培(1980-),女,吉林公主嶺人,碩士,高級工程師,研究方向:土木工程、建筑結構。

Email:songyanpei0606@163.com。

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