基于地震动参数的RC框架结构易损性分析研究

徐 超

（中国地震局地球物理研究所，北京100081）

（作者电子信箱，徐超：lukgop＠163.com）

结构易损性是在不同强度地震动作用下结构发生各种破坏状态的条件概率。易损性分析既是基于性能的地震工程和基于性能的抗震设计的核心内容，又是结构破坏估计、地震损失预测以及地震风险分析的关键环节。深入开展结构易损性分析研究，对于地震工程学具有重要的理论意义和应用价值。

地震动与结构破坏之间的关系十分复杂。一方面，强地面运动复杂且极不规则，合理描述地震动工程特性的地震动参数一般应包括幅值、频谱及持时三个要素。另一方面，在不同的地震动作用下结构的振动特性以及非线性反应存在很大差异。强震观测数据及工程震害经验反复表明，结构的破坏程度与地震动的幅值、频谱特性及强震持时等多种因素之间存在密切而又复杂的关系。因此，选择哪些合适的地震动参数才能有效地揭示地震动对结构的破坏作用是易损性分析研究、基于性能的地震工程以及基于性能的抗震设计所面临的关键科学问题。针对此问题，本文以多层和多高层RC 框架结构作为分析对象，借助非线性动力时程分析方法，开展了基于地震动参数的易损性分析研究。首先，系统研究了几种常用的单一地震动参数的充分有效性，研究地震动参数的有效性是为寻求与结构地震反应及破坏密切相关的主要影响因素，研究地震动参数的充分性是为了减少地震动输入的选择对易损性分析结果的影响。其次，鉴于单一地震动参数不能合理揭示多因素影响的地震选择性破坏作用及其成灾机理，开展了基于多地震动参数的易损性分析研究。第三，考虑到弹性反应谱不能体现地震动中多种频率成分对结构非线性反应的影响，开展了基于弹塑性位移谱的易损性分析研究。第四，为了全面描述不同地震动工程特性对结构地震反应及其破坏的影响，研究了基于震级、距离和场地条件的易损性分析方法。此外，开展了考虑近断层速度脉冲影响的易损性分析研究。

研究的具体内容以及得到的结论有：

（1）开展了单一地震动参数的充分性和有效性研究。借助结构非线性动力时程分析方法计算结构的地震反应，采用回归拟合及残差分析方法，研究了以地震动峰值加速度（PGA）、地震动峰值速度（PGV）、结构基本周期的加速度反应谱值（Sa（T1））、有效峰值加速度（EPA）、有效峰值速度（EPV）以及累积绝对速度（CAV）作为易损性分析的输入地震动参数的充分有效性。研究表明：①以Sa（T1）作为输入地震动参数时，结构最大层间位移角反应的离散性以及反应受到震级和距离的影响相对最小，EPV 次之；以PGA 和EPA 作为输入地震动参数时，结构最大层间位移角反应的离散性最大且受到震级的影响明显；以PGV 作为输入地震动参数时，结构最大层间位移角反应受到距离的影响明显；以CAV 作为输入地震动参数时，结构最大层间位移角反应的离散性较大。②就中等自振周期的多层和多高层RC 框架结构而言，其地震反应以基本振型反应为主，Sa（T1）是上述地震动参数中相对最为充分有效的地震动参数，采用Sa（T1）作为易损性分析的输入地震动参数可以更合理地揭示地震动对这类结构的破坏作用。

（2）开展了基于多地震动参数的结构易损性分析研究。采用两个地震动参数作为易损性分析的输入地震动参数，以期能够更有效地揭示多因素影响的地震选择性破坏作用及其成灾机理。以结构基本周期加速度反应谱Sa（T1）为第一地震动参数，分别选取体现地震动幅值特性的参数RPGV，Sa以及体现加速度反应谱形状的参数RT1，T2、Np和ε（T1）作为第二地震动参数。借助增量动力分析方法，研究了反映地震动幅值及反应谱形状的多个地震动参数对结构地震反应的影响以及不同多地震动参数的充分性和有效性。建立了基于多地震动参数的易损性曲面，揭示多个地震动参数对结构破坏概率分布的影响。研究表明：除Sa（T1）之外，地震动的速度峰值以及反应谱的形状对结构地震反应有显著的影响。多地震动参数比单地震动参数能更有效地揭示地震动对结构的破坏作用，减小易损性分析结果的不确定性以及地震动输入选择对易损性分析结果的影响。基于多地震动参数的结构易损性曲面体现了多种地震动特性对结构破坏概率分布的影响，以多地震动参数作为输入参数的易损性分析是揭示多因素影响的地震选择性破坏作用的有效途径。

（3）开展了基于弹塑性位移谱的易损性分析方法研究。以模态pushover分析为理论基础，提出了基于弹塑性位移谱Sdi（T1）的易损性分析方法。研究了以弹塑性位移谱作为结构易损性分析的地震动输入参数的有效性及充分性。鉴于弹塑性位移谱Sdi（T1）的非线性特性，采用改进的增量动力分析方法开展了基于弹塑性位移谱Sdi（T1）的结构易损性分析，建立了基于弹塑性位移谱的易损性曲线。研究表明：弹塑性位移谱Sdi（T1）克服了弹性反应谱仅反映单一频率成分的不足，可更为充分地反映大于结构基本周期的地震动分量对结构非线性反应的影响，更合理地揭示当结构处于非线性阶段时地震动的破坏作用。采用弹塑性位移谱作为输入地震动参数可减小易损性分析中的不确定性以及地震动输入选择对易损性分析结果的影响。

（4）开展基于震级、距离和场地条件的易损性分析方法研究。为了全面描述不同地震动工程特性对结构地震反应及其破坏的影响，提出将震源－传播路径－局部场地－工程结构作为一体的研究思路。以地震动衰减关系为“桥梁”，将结构地震反应分析使用的地震动参数与震源机制、震级、距离和场地条件相联系。提出了反映震级、距离和场地条件及加速度反应谱特性的加速度时程的选择方法，借助结构非线性动力时程分析方法，研究了震源特性、传播路径和局部场地条件及依赖于这些因素的地震动幅值及频谱特性对结构地震反应及其破坏概率分布的影响。提出一种以震级、距离等参数表述的结构易损性曲面，以此揭示多因素影响的结构破坏概率分布，提供了反映地震选择性破坏特征的可行途径。

（5）开展了考虑近断层速度脉冲影响的易损性分析研究。借助增量动力分析方法，研究了近断层速度脉冲对结构地震反应及破坏概率分布的影响，提出了考虑近断层速度脉冲影响的易损性分析方法。分别以近断层速度脉冲型地震动和普通地震动作为输入，开展了基于结构基本周期加速度反应谱Sa（T1）的结构地震反应估计和易损性分析。采用残差分析方法研究了速度脉冲周期对结构地震反应的影响。分析了采用Sa（T1）揭示脉冲型地震动的破坏作用时的不足。分别采用多地震动参数Sa（T1）和RT1，T2（T2＝2T1）、Sa（T1）和RPGV，Sa以及弹塑性位移谱Sdi（T1）作为输入地震动参数，研究了以这些地震动参数揭示近断层速度脉冲型地震动对结构的破坏作用时的充分性和有效性，提出了考虑近断层速度脉冲影响的易损性分析方法。研究表明：①近断层速度脉冲型地震动对结构的破坏作用与地震动的速度脉冲周期、结构的基本自振周期以及结构的非线性特性密切相关。在选择合理的地震动参数描述脉冲型地震动对结构的破坏作用时，需兼顾以上几个因素。②当采用Sa（T1）作为输入地震动参数时，考虑速度脉冲影响和不考虑速度脉冲影响的易损性曲线存在明显的差异，不同脉冲周期对应的易损性曲线也有明显的不同。地震动参数Sa（T1）不能有效地揭示近断层速度脉冲对结构地震反应及破坏概率分布的影响。③与Sa（T1）相比，多地震动参数Sa（T1）＋RT1，T2（T2＝2T1）、Sa（T1）＋RPGV，Sa以及弹塑性位移谱Sdi（T1）是更充分有效的地震动参数，能更合理地揭示近断层速度脉冲对结构的破坏作用。