近断层地震作用下RC框排架结构易损性研究

张淑云, 周 杰, 黄 磊, 王 刚, 马尤苏夫

(1. 西安科技大学 建筑与土木工程学院, 陕西 西安 710054;2. 陕西省建筑设计研究院有限责任公司, 陕西 西安 710018)

0 引言

一般将距离断层破裂面小于20 km的区域看作近断层区域[1],大于该范围的地震动统称为远场地震动。对已获得的记录研究发现,断层附近的地震动均伴随有较大的速度和位移脉冲,这种脉冲效应会使结构在开始时就承受高能量冲击作用,引起较大的内力和变形,与远场地震区相比,破坏力更加惊人。在我国672个城市中有很多城市都发生过近断层地震,从古至今,大约有40%的城市发生过4级以上的近断层地震[2]。

近断层地震动对结构的影响是近20年地震工程中非常活跃的研究领域[3]。叶昆等[4]进行了含有速度脉冲效应的近断层地震作用下RC结构的动力响应,结果表明:对于近断层地震的脉冲效应现行的抗震设计规范考虑不充分,结构的层间位移角并不能满足1/50的限制条件,并提出设计建议。易伟建等[5]进行了近场地震下框架剪力墙高层结构地震易损性分析,结果表明:近断层地震作用将会引起结构的损伤并且大于远场地震作用。

由于框排架结构是工业厂房的主要结构形式之一,且其整体结构布置较复杂、不规则,抗震性能较差[6],在近断层地震下发生严重破坏或倒塌,将引起巨大的经济损失和人员伤亡。本文基于增量动力分析方法(IDA)对框排架结构进行易损性分析,得到结构在近断层地震作用下发生破坏的失效概率,并与远场地震对比,为近断层地区框排架结构震害预测提供参考。

1 地震动记录的选取与调整

多脉冲小波分析方法(简称MPA方法)就是利用连续小波变换以确定水平双向地震动能量的最强方向,并且可定量确定最强方向上的脉冲指数、脉冲周期和显著小波个数等重要参数[7]。MPA方法分析结果表明,当脉冲指数在0.85以上时即可判断为此地震动属于脉冲型地震动[8]。利用MPA方法判断地震动是否包含速度脉冲更为精确。

本文利用多脉冲小波分析方法从美国太平洋地震工程研究中心数据库选取Chi-Chi地震近断层地震记录,根据断层距不大于20 km的标准分别选取了8条脉冲型及非脉冲型近断层地震波,另外选取8条断层距大于80 km的远场地震波,所选取的24条地震记录如表1所列。

由于输入的地震记录均为实际的强震记录,根据场地的峰值加速度与地震动峰值加速度值相对应的原则,按规范对罕遇地震所采用的地震动记录的PGA进行统一调幅,调整到0.4g。

表1 本文分析所用地震动记录的基本信息Table 1 Basic information of ground motion records for analysis in this study

2 有限元模型建立

选取某实建的钢筋混凝土框排架结构作为典型结构。该厂房所处地区抗震设防烈度为8度,场地类别为Ⅱ类,设计基本地震加速度为0.2g,设计分组为一组,安全等级为二级。结构高度为17 m,长度66 m,宽32.1 m。

该建筑A-B轴为框架部分,B-C轴为排架部分,其中框架部分作为办公使用,地上三层,底部层高4.8 m,上面两层为3.6 m,屋面为不上人屋面;排架部分跨度为24 m,柱标高17 m,12 m处有一起吊重量为20 t的吊车,屋面为网架结构,且屋架与排架的连接当作理想铰接。结构平面布置图、立面图分别见图1、图2所示,梁、柱截面尺寸详见文献[9]。

图1 结构平面布置图Fig.1 Structure plan layout

图2 ○-○轴立面图Fig.2 The elevation drawing of ○-○axis

梁、柱和楼板整体现浇,混凝土等级为C40,楼板板厚均为100 mm。楼面活载为3.5 kN/m2,屋面活载0.5 kN/m2。基本风压为0.35 kN/m2,基本雪压0.25 kN/m2。

利用结构分析软件SAP2000建立模型,其中梁、柱及支撑采用梁、柱单元,考虑单元的剪切变形和轴向变形;框架楼板采用薄壳单元来模拟,建立的三维分析模型如图3所示。构件的非线性采用在单元两端添加塑性铰来模拟,梁两端添加弯矩铰,柱两端添加PMM铰,支撑构件中间及两端指定轴力铰,根据截面配筋量计算塑性铰特征值。

图3 结构三维分析计算模型Fig.3 Three-dimensional analysis and calculation model

3 地震动参数及结构性能指标

3.1 地震动参数的选取

根据已有研究,对于框排架结构,虽然使用结构第一周期对应的谱加速度Sa(T1,5%)时增量动力曲线的发散程度较低,但是否适合于不规则的,受高阶振型影响的结构还未有定论,建议采用PGA[10]。本文选择PGA作为地震动强度参数(IM)。

3.2 结构性能指标确定

大量的研究表明,最大层间位移角θmax能够准确反映各层构件变形的综合影响。本文选用θmax作为结构性能参数(DM)。

结合已有研究资料[11],本文取框排架结构性能水准为五档LS1～LS5,对应的限值列于表2。

表2 钢筋混凝土框排架结构的性能水准及量化指标

4 框排架结构的易损性分析

4.1 增量动力分析

对结构双向输入地震波[12]进行增量动力分析(IDA),所采用的地震波加速度峰值调整为0.1g,0.2g,0.3g,…,2.0g,…。模型中采用的阻尼为Rayleigh经典阻尼,取值为0.05,经过1 000余次弹塑性动力时程分析,得到该结构的IDA曲线簇见图4所示。

图4 24条地震波作用下结构的IDA曲线簇Fig.4 IDA curve cluster of structure under the action of 24 seismic waves

从图4中可以看出1#～8#曲线为脉冲型近断层地震动作用下θmax-PGA关系曲线,该系列曲线表现出明显的“软化”,随着PGA的增长较快屈服;9#～16#曲线为非脉冲型近断层地震动作用下θmax-PGA关系,该系列曲线较集中,“软化”现象不明显;17#～24#曲线为远场地震动作用下θmax-PGA关系,该系列曲线相对集中,大多没有表现出明显的屈服现象。

4.2 易损性曲线的形成

结构的地震易损性是指在给定地震动参数IM强度水平下,结构性能需求DM达到或超越每个性能水准所对应的量化指标LSi的条件概率[13],即P(LSi|IM=x),将LSi作用于结构的性能指标DM进行量化后的指标限值表示为dmi,即

P(LSi|IM=x)=P(DM≥dmi|IM=x)

(1)

假定性能水准所对应的条件概率服从对数正态分布,则易损性可表示为:

P(DM≥dmi|IM=x)=

1-P(DM

(2)

式中:DM的对数均值为μlnDM|IM=x;标准差为βlnDM|IM=x。

4.2.1 近断层地震与远场地震对比分析

利用式(2)可求出近断层地震与远场地震作用下五档性能水准下所对应的失效概率,以地震动强度PGA为X轴、超越概率P为Y轴,拟合得到远场地震及近断层地震作用下框排架结构的易损性曲线如图5所示。

图5 近断层地震作用下结构的易损性曲线Fig.5 Fragility curves of structure under near-fault earthquakes

从图5可以看出,远场地震作用下得到的易损性曲线,8度多遇地震即PGA=0.07g及基本地震PGA=0.2g时,结构五个极限状态的超越概率均为0,满足“小震不坏,中震可修”的抗震要求;当发生8度罕遇地震即PGA=0.4g时,所设计的结构仅超越正常使用极限状态的概率为2.08%,满足“大震不倒”的抗震要求。

而近断层地震作用下8度多遇地震时,结构前四个极限状态均超越;8度基本地震时,所设计的结构超过基本修复后使用的极限状态概率为16.62%,有2.40%的概率达到生命安全的极限状态,此种情况下已经危害生命;8度罕遇地震时,结构处于修复后使用和生命安全状态概率较高,接近倒塌的概率为15.4%,超越极限状态较远场地震大,并不能很好地满足抗震设防原则。

4.2.2 脉冲型与非脉冲型近断层地震对比分析

脉冲效应是近断层地震的显著效应之一，图6分别绘制脉冲型及非脉冲型近断层地震作用下结构的易损性曲线，并对其进行对比分析。

图6 脉冲型及非脉冲型近断层地震作用下结构的易损性曲线Fig.6 Fragility curves of structure under pulse-like and non-pulse-like near-fault earthquakes

由图6可得，脉冲效应对框排架结构的失效概率影响较大，8度多遇地震及基本地震时不太明显，但在8度罕遇地震时，脉冲型近断层地震作用下结构修复后使用的概率为非脉冲近断层地震的2.2倍，达到生命安全极限状态的概率为非脉冲近断层地震的11.32倍，脉冲型近断层地震作用下防止倒塌的概率为40.02%，而非脉冲型近断层地震作用下结构防止倒塌的概率为零。因此，近断层地震的脉冲效应对框排架结构易损性的影响是不可忽略的。

5 结论

(1) 与远场地震相比,近断层地震作用下结构破坏严重,生命安全及防止倒塌的失效概率较大;近断层地震的脉冲效应对框排架结构的易损性影响较大,研究时应重视脉冲效应。

(2) 本文框排架结构易损性分析结果表明一般远场地震作用下框排架结构能保持较好的抗震性能,满足规范规定的抗震要求;而“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三设防水准在近断层地震作用下并不能得到很好的保证。

(3) 通过分析结构的易损性曲线,可以快速正确地评估在不同强度地震波作用下结构发生不同程度破坏的概率,为近断层地区钢筋混凝土框排架结构的安全评估提供参考。