近断层双向地震作用组合下非结构构件损伤评价

蒲瑞 潘钦锋＊ 陈尉唯 苏美玲 苏文辉

（1、四川大学土木工程系，四川成都 6100652、福建工程学院土木工程学院，福建福州 3501163、厦门金恒大建设有限公司，福建厦门 3610004、福建省禄盛市政园林有限公司，福建厦门 361000）

随着抗震设计技术的不断发展完善，新修建筑的抗震性能得到了明显的提高，地震导致的建筑物倒塌和内部人员伤亡得到了有效的控制[1]。虽然地震作用下主体结构的损失有效降低了，但是地震导致的直接经济损失不仅没有明显的降低，反而一直居高不下。究其原因是现代建筑物的功能愈加复杂，承载的功能越复杂其内部的各类非结构构件及设备的经济占比则越高，地震灾害引起的总体经济损失则越大。有调研统计数据显示，对于一般公共建筑来说，其内部的非结构构件和物品的经济价值占总投资的80%～90%[2]，远大于建筑结构的投资。与传统建筑主体结构相比，次级结构和建筑物内部的物品及设备在近断层地震作用下更容易发生破坏，且破坏造成的经济损失巨大。因此本文针对医疗建筑内部的非结构构件和布置进行假定，研究的非结构构件主要分为吊顶、管道、计算机和医疗设备四类。对于吊顶，有的文献中指出竖向地震会加重吊顶的破坏[3-4]，对于管道，一般可分为柔性管道和刚性管道，工程实际案例中，许多采用隔震的建筑因未能考虑到隔震层在地震作用下的位移采用了刚性管道，结果在竖向地震作用下管道产生了明显了端部破坏[5-6]。传统结构可以通过隔震来降低建筑物的响应，但根据吴应雄[7]的研究结果表明，在不同类型地震动下考虑SSI效应后的结构随着加速度峰值的增加，其减震效果会降低，故除了考虑建筑物主体的抗震性能，也更应该关注非结构构件的损伤。因此在进行建筑抗震经济损失评估中应将建筑物内部的非结构构件及设备包括在内[8]。以FEMA P-58 为代表的最新设计规范中提出了基于非结构构件的经济损失评估方法，虽然较简单且易于计算，但是其中的一些基本假定，如只采用楼层水平加速度对非结构构件的进行评估，忽略了竖向地震作用。于是本文在组合加速度的基础上，联合水平加速度和竖向加速度对非结构构件开展了易损性分析。

1 设备倾覆和滑移状态分析

1.1 建模分析

浮放式设备在受到水平加速度作用时极易产生滑移和晃动，进而可能产生损坏。为模拟浮放式设备在楼层加速度作用下的运动状态，利用ANSYS 对尺寸为0.6×0.6×1.2m 的长方形浮放式设备建模，设备与楼面的摩擦系数取值为0.65。本文采用SOLID164 结构实体单元模拟，该单元具有在三个方向上的位移、速度与加速度共9 个自由度[9]，适用于分析三维状况下实体结构的显示运动响应，能较好的模拟出设备在加速度作用下真实的运动响应。上部设备材料定义为铝合金，泊松比为0.33，下部楼板尺寸定义为4×4×0.1m，泊松比为0.3。在计算过程中通过修改摩擦系数、输入地震动强度以及设备尺寸，并分别进行水平单向加速度与水平+竖向加速度两种加速度输入工况计算，以此来对比两种工况下设备的滑移与倾覆结果。

1.2 组合加速度下倾覆结果

重要设备如一些昂贵的医疗器械设备一般放置于结构第二层或相对较低的楼层，因此将钢框架结构第2 层的20 组单向及双向加速度作为输入激励，得到设备的运动响应如图1 所示。设备倾覆时，非结构构件已处于不安全状态，故不考虑其滑移值。如图1，设备在单向水平加速度输入下20 条加速度中仅有第1 条加速度使设备发生倾覆，而楼层在水平与竖向加速度共同作用时有4 组工况发生倾覆。即将楼层竖向加速度考虑在内后设备的倾覆概率从原本的5%增加至20%。从最大滑移距离指标分析，有些情况下滑移距离增大，但也有些情况出现滑移距离减小，无法得出考虑竖向加速度与滑移距离一定会增加的结论。

图1 设备倾覆状态和最大滑移值

为了研究不同摩擦数、不同加速度强度对设备运动响应的影响，将摩擦系数取值调整为0.4、0.5、0.6、0.7，并将楼层水平加速度与竖向加速度按照同样的系数进行放大后得到的设备倾覆结果如表1 所示。从表中可以看出，随着摩擦系数的增大，倾覆的情况逐渐增多。随着地震强度的增大，倾覆的情况也逐渐增多。如果不考虑楼层竖向加速度，则可以认为设备在1.3g 的水平加速度作用下才会发生倾覆破坏，而在实际情况中设备会同时受竖向加速度的影响，此时水平加速度达到1.0g 时即发生倾覆破坏，从而造成对设备倾覆概率的不保守估计。按照水平加速度易损性曲线计算得到的损失概率和对应的损失成本也是不准确的。

设备在不同强度加速度和摩擦系数作用下的滑移反应如表1 所示，从表中可以看出双向加速度输入会增大设备的最大滑移响应。随着加速度强度的增大，滑移距离也呈现增大的趋势。在实际生活中，设备的滑移距离增大到一定程度后可能导致设备从高处摔落造成损坏，因此滑移距离也是衡量设备运动响应的重要指标。

表1 不同地震强度/摩擦系数下设备的倾覆响应和滑移位移（cm）

日常生活中，不同类型设备的尺寸有所不同，立式空调、书架等高宽比较大的设备比桌子、板凳这类设备要更容易受到加速度的影响。因此，建立不同高宽比的设备模型，研究高宽比对设备倾覆情况的影响，具体结果如表2 所示。从表中可以看出高宽比为1:1 和1:1.5 的两个设备在组合加速度作用下均未发生倾覆，当高宽比增大为1:2 和1:3 时则变为倾覆。即随着高宽比的逐渐增大，设备在同一水平与竖向加速度作用下的运动状态从不倾覆变为倾覆，结构形状偏于细长的设备更易受到竖向加速度作用的影响而产生倾覆。

表2 不同高宽比下设备的倾覆响应

2 非结构构件易损性和损伤评估

2.1 非结构构件易损性参数

本文假定的易损性构件中加速度敏感型非结构构件包括吊顶和管道，共计约27 万元。建筑内部设备包括计算机（32 万元），大型医疗设备（500 万元）以及小型医疗设备（129 万元）。总体的经济价值主要由医疗设备构成，医疗设备因非常昂贵且功能重要，所以评估其在水平与竖向地震分量共同作用下的易损性具有重要意义。本文中假定的各类非结构构件和内部设备的易损性组及数量和位置的布置情况如表3 所示。

表34 层结构易损性组构件分布

对于本文假定的医疗建筑，其内部非结构构件如吊顶和管道的易损性曲线采用FEMA P-58 中的PACT 损失分析软件提供的易损性参数。医疗器械设备的易损性参数参考FEMA P-58中滑动和倾覆易损性计算的内容以及叶良浩[10]的相关文献。

2.2 组合加速度下损失评估

为了研究考虑竖向加速度后的损失，分别采用4 层和8 层结构的楼层水平峰值加速度和楼层组合峰值加速度作为工程需求参数。根据FEMA P-58 中提出的流程通过蒙特卡洛模拟计算上文所假定医疗建筑中的非结构构件和设备在两类加速度下的损失并求和，得到不同地震强度、不同地震动类型以及不同楼层下的组合加速度与水平加速度损失。

不同地震强度下设备的损失比如图2 所示，地震强度与总体的损失比呈正相关。组合加速度引起的损失比明显大于单独水平加速度引起的损失比，且8 层结构的损失比低于4 层结构。在强度为1 时，组合加速度作用下的损失比最大，此时4 层结构对应的损失比为0.5，8 层结构对应的损失比为0.35。

图2 不同地震强度下损失比

由图3 可以看出不同楼层对应的地震损失差异较大，损失主要集中在第二层，这是因为本文假定造价昂贵的大型医疗设备一般布置在医院第二层的位置，所以其直接导致第二层的损失远大于其他层。总体来看，排除第二层的特殊情况，楼层高度越高内部非结构构件和设备的损失越大。因此在实际生活中，为减小地震作用下的经济损失，重要设备不适宜放置在较高楼层位置。

图3 不同楼层的损失比

具体各类非结构构件和设备在两类加速度作用下的损失如图4 所示。从损失比的角度来看，组合加速度下的损失比均大于水平加速度，且吊顶的变化幅度最大。考虑竖向加速度作用后吊顶的损伤状态发生了变化，可能从DS1 变为了DS3，因此出现了量级的损失差异。其他设备虽然损失增大，但是没有出现明显的量级差异，即还是在同一损伤状态区间内。从损失占比的角度来看，大型和小型医疗设备占总体损失的大部分，其次是计算机设备。相对而言，吊顶和管道的损失占比较小。

图4 各类非结构构件和设备的损失

3 结论

本文以钢框架结构在水平与竖向地震动共同作用下的楼层加速度响应作为参数，利用ANSYS 对设备建模模拟组合加速度下的运动响应。得到以下结论：

3.1 浮放式设备的运动响应受水平加速度、竖向加速度、摩擦系数、设备高宽比等因素的影响，在水平与竖向加速度共同作用下设备更容易发生倾覆，滑移距离更大，并且摩擦系数越大，高宽比越大时，设备也更容易产生倾覆。

3.2 采用组合加速度替代水平加速度进行损失评估时损失明显增大，结构总高度越低，楼层越接近顶层，两者的差异越明显。此外，不同类型非结构构件因对加速度的敏感性不同，采用上述两种方法得到的经济损失差别较大。