近场地震作用下钢框架地震易损性研究

罗 锐 何广杰*

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)



近场地震作用下钢框架地震易损性研究

罗 锐 何广杰*

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

为比较钢框架结构在近场和远场地震作用下的响应规律，建立了6层钢框架结构，对模型在选取的近场和一般场地震动下采用IDA方法进行地震易损性分析，研究表明，近场地震动下钢框架结构更具易损性；地震易损性函数的离散性参数建议采用分析结果统计值。

近场地震动,钢框架,IDA，地震易损性，离散性参数

0 引言

我国地震断层分布复杂、数量繁多，处于环太平洋和欧亚地震带两大地震带之间，许多城市不可避免地位于地震带或断层附近[1]。众多震害现象表明位于近场区的建筑结构物较远场在地震时发生破坏的程度严重[2]。但目前缺乏对近场地震动从概率意义上对结构地震易损性的定量研究。

针对以上问题，选用当前流行的钢框架结构，采用基于IDA的地震易损性分析方法，研究钢框架在近场及一般场地震下超越各种破坏状态的概率，从概率形式上定量描述钢框架结构在抗震力学性能的变化，同时在此过程中对易损性计算公式进行推导并讨论参数的取值。获得的结论一方面对近场地震动对结构物的抗震性能的影响加深认识；另一方面可对结构地震易损性函数的离散性有更深刻的理解。

1 模型建立及分析条件设定

运用Opensees建立6层钢框架结构[3]，平面尺寸为18 m×12 m。抗震设防烈度为8度(0.20g)，Ⅱ类场地，第二组设计抗震分组，场地特征周期0.40 s[4]。材料采用Q345钢，梁截面采用600×300×10×12H型号，柱截面采用429×13空心钢管柱截面。恒载15 kN/m，活载10 kN/m，如图1所示。

1.1 地震动选取

关于地震动选取的方法研究正在经历从单纯考虑地震动参数到考虑反应谱特性参数的改变[5]。本文采用依反应谱的双频率段选波方法。从PEER数据库选取地震动的基本条件如表1所示[6],分别得到100条近场地震记录和一般场地震记录。

表1 PEER数据库地震动筛选条件

再根据双频率选波法分别选择12条近场地震动记录和12条一般场地震动记录。

1.2 极限状态定义

同一结构在不同方法定义的极限状态下，其所获得的结构极限状态超越概念必然不同，甚至会有极大差别，因此合理定义极限状态是需要解决的又一关键问题。

本文拟以钢框架结构层间位移角为依据定义极限状态。不同的标准和规范给出的层间位移角限值并不相同。由于在后续易损性分析过程中，我们将就易损性函数的离散性参数取值与HAZUS中建议值进行对比分析，故本文拟采用HAZUS的层间位移角限值相结合作为钢框架地震易损性研究的极限状态指标[7]，见表2。

表2 层间位移角限值[θ]

2 IDA分析

增量动力分析法(IDA)是新兴的一种通过一系列多比例调幅地震动进行非线性动力时程分析以实现结构的地震需求和极限状态能力的预测功能的方法[8]。本文采用等步长法，即把地震动峰值加速度PGA从0.05g按照0.05g的步长依次调幅至1.0g。

近场地震动与一般地震动的IDA分析对比。

分别对近场和一般场地震动作用下的模型进行IDA分析得到远近场最大层间位移角均值曲线图，如图2所示。相同的地震动强度参数(PGA)下，地震动断层距所决定的近远场特性对结构的地震响应影响大，在近场地震动作用下结构的最大层间位移角远大于一般场地震动。

3 地震易损性分析

3.1 地震易损性基本原理

结构的易损性可用式(1)表达其含义[9-12]：

F(x)=P(D>C|IM=x)

(1)

其中，D为结构的变形需求(即结构在地震动作用下的最大层间位移角θmax);C为结构的变形能力(即结构极限状态所对应的最大层间位移角限值[θ])。由式(1)可知，易损性是以某一选定的地震动参数(如PGA)为自变量，以结构某一极限状态的超越概率为因变量，表示在不同给定地震动参数条件下结构响应需求超过特定极限状态能力的条件概率，其实质是超越条件概率问题。

假设需求函数D、能力函数C均服从对数正态分布，可得：

(2)

通过线性回归分析及概率计算，得:

(3)

3.2 地震动易损性分析

据IDA分析结果和HAZUS规定的极限状态值，得近场和一般场地震动下模型的地震易损性曲线如图3,图4所示。

3.3 对比分析

设计罕遇地震易损性矩阵如表3所示。

表3 设计罕遇地震易损性矩阵

通过对表3分析可得：

1)若不考虑近场特性进行地震易损性分析，则当发生8度(0.20g)罕遇地震时，结构超越HAZUS各极限状态的损伤概率均大于仅考虑一般场地震动，小于仅考虑近场地震动特性。

以上两点均说明，对建筑结构物所在场地所面临的潜在地震威胁进行近场或一般场地震动划分很有必要。

4 结语

1)在近场地震动作用下结构的最大层间位移角远大于一般场地震动，近场地震动下钢框架结构更具地震易损性。我国西南、西北山区许多城市处于地震多发区或高烈度区，建筑物受到近场地震动的威胁，应重点考虑近场地震动对结构抗震性能的影响。

2)运用IDA方法进行地震易损性分析时离散性参数采用统计分析值较准确。

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lnD-lnC～(lnmD|IM-lnmC，σ)

On seismic vulnerability of steel framework under near-field seismic effect

Luo Rui He Guangjie*

(CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

In order to compare the response laws of the steel framework under the near-field and far-field earthquakes, 6 layer of steel frame structure is established, the paper adopts IDA method to undertake the seismic vulnerability analysis of the model under the selected near-field and normal field, proves by the research that the steel framework can be easily vulnerable under the near-field earthquakes; the statistic values of the analysis results can be adopted for the dispersive parameter of the seismic vulnerability function.

near-field earthquake, steel framework, IDA, seismic vulnerability, dispersive parameter

1009-6825(2017)11-0037-02

2017-01-24

罗 锐(1991- )，男，在读硕士

何广杰(1964- )，男，博士，教授

TU352

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