基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估方法

龚曙晖,谢 昊,喻 玺,江灿勋

(湖南益阳市资阳区水利局,湖南 益阳 413001)

0 引 言

水利建筑是建筑工程领域中十分重要的一项内容。在临江临海等靠近水源的地区的水利建筑尤其多。在水利建筑的建设中,为了保证后续使用的安全性,需要保证水利建筑的结构设计具有一定的抗震性。尤其是在地震带区域的水利建筑建设中,对于其建筑结构的抗震性能尤其重视[1]。在这样的情况下,对水利建筑结构的抗震性能进行有效评估十分关键。

建筑结构的抗震性能主要针对的是地震这样的自然灾害所造成的建筑结构构件产生力的作用下的变形情况[2]。抗震性能能够对水利建筑结构中各个构件的刚度、承载能力、变形能力进行综合性表达。同时,还能够根据水利建筑结构各个构件在地震力作用下产生的不同的破坏形态进行分析,以便在后续的水利建筑结构设计中针对不同的问题进行精准改进。静力弹塑性分析能够对水利建筑结构中的梁和柱等构件进行较为精准的模拟,再通过梁柱等构件的模拟结果来实现不同震力下发生的变形程度,从而绘制出水利建筑结构构件的力与变形程度之间的关系曲线[3]。通过这样较为直观的方法来对水利建筑结构的抗震性能进行评估,能够得到较为精准的评估结果[4]。

精准地评估水利建筑结构的抗震性能,能够帮助水利建筑结构的设计目标更加具体,能够根据具体的抗震要求对水利建筑的结构及各个构件的材质进行更加科学地设计与选择,使得水利建筑结构拥有更高的抗震性能,满足实际的使用需求。基于上述分析,文章设计了基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估方法。

1 选取水利建筑结构目标性能点

在水利建筑结构中,存在着一些对于该建筑结构抗震性能有着较大影响的结构点。这些结构点被称为该水利建筑结构的目标性能点。首先要进行目标性能点的选取与确定。文章采用目标位移法来进行性能点的选取与确定。目标位移法需要在各项工序均完成之后才能使用。换句话说,目标位移法的选用需要该水利建筑结构是该建筑的最终使用状态[5]。文章设计的利用目标位移法选取水利建筑结构目标性能点的过程如图1所示。

图1 目标位移法选取目标性能点示意图

如上图所示,目标位移法在选取目标结构点主要是通过在水利建筑结构的几何构造与外形中构成一定的拓扑关系来进行测定。首先,在水利建筑结构中选取两个墙面或者两个具有对应关系的建筑构件[6]。然后选择张力足够的绳索作为施加力的媒介。在两段绳索中间安装一个重力装置,作为下拉的重量。图1中的m即为安装的重力装置。为重力装置施加不同的力以确定目标性能点。在第一次张拉时,不为重力装置添加任何额外力,仅通过重力装置本身向下拉绳索。调整重力球的位置使得外荷载绳索具有一定的刚度,直到重力装置与绳索达到稳定平衡的状态,得到重力装置的初始点位[7]。然后再利用为重力装置施加第一级作用力。同样调整重力装置的位置,使其与绳索达到稳定平衡状态。此时的重力装置位置记为目标位移点1。测量目标位移点1与初始点位之间的距离差,记为d1。为重力装置施加第二级作用力,调整位置直至稳定平衡状态。此时的重力装置位置记为目标位移点2。测量目标位移点2与目标位移点1之间的距离差,记为d2[8]。根据两轮施加力的测量结果,得到该水利建筑结构控制点的位移差Δd为:

Δd=d2-d1

(1)

根据式1的计算结果,对该水利建筑结构进行非线性分析。建立三维空间坐标系。通过不同目标位移点的初始坐标,计算迭代时目标性能点的新坐标y,计算公式为:

y=x+α×(x1-x2)·Δd

(2)

式中:x1为目标位移点的初始坐标;x2为施加力后的目标位移点坐标;α为该坐标系的放大系数。在层数较多的水利建筑结构中,对重力装置施加力的轮次与楼层数呈现正相关。计算出多个施加力下重力装置位移变化的Δd值。最终用于计算目标性能点的Δd值取多个位移差的平均值[9]。至此,完成水利建筑结构目标性能点的选取。

2 构建静力弹塑性分析模型

基于上述水利建筑结构选取的目标性能点,构建静力弹塑性分析模型。在静力弹塑性分析模型中,对于水利建筑结构的高阶振型并不纳入考虑范围之内,而是仅对水利建筑结构受到震力时的模态进行控制。文章设计的静力弹塑性分析模型流程如图2所示。

图2 静力弹塑性分析模型流程

如图2所示,首先构建静力弹塑性分析的初始模型。对该初始模型的参数进行设定。该模型的参数主要包括上文所选取的目标位移点数量、三维坐标、以及位移距离差等。设定好静力弹塑性分析初始模型的参数后,确定该水利建筑结构的水平荷载分布形式。这一步骤主要是对水利建筑结构在受到震力时的惯性力进行检测。根据该水利建筑结构的惯性力沿竖直高度上的分布形式进行组合叠加。在水利建筑结构中,较为常见的水平荷载分布形式有多振型分布、基本振型分布以及均匀分布等。完成水利建筑结构水平荷载分布形式的确定之后,计算竖向荷载作用下的结构内力。构建水利建筑结构的质点振动微分方程,公式为:

my(t)+cy(t)+ky(t)=0

(3)

式中:t为水利建筑结构不同构件上的目标性能点;y(t)为该目标性能点的三维空间坐标;m为该目标性能点的惯性力;c为该目标性能点的阻尼力。k表示该目标性能点所在的建筑构件的弹性恢复力。根据上式的计算得出水利建筑结构的竖向荷载作用下的结构内力。然后根据水平及竖向荷载进行逐级加载。文章采用侧向加载的模式。沿着水利建筑结构的整体高度进行加载轮次的设定[10]。对水利建筑结构的各个构件逐级施加相同的作用力。记录每级作用力下水利建筑结构构件的静力弹塑反应。直至作用力加载到建筑构件的极限状态,也就是构件发生损坏。对建筑构件发生开裂的作用力等级以及发生屈服、彻底损坏等各种典型状态的作用力等级。在施加作用力的过程中,需要对水利建筑结构的构件刚度进行修正,以确保每个构件都能够按照预想的状态发生静力弹塑变化[11]。最后,根据逐级加载的数据记录结果,生成位移曲线。该位移曲线的横坐标为逐级施加的作用力的数值,纵坐标为目标性能点与初始坐标之间的位移差。根据位移曲线得到的结果,进行静力弹塑性分析反应谱的转换。设反应谱的加速度为a,其转换公式计算为:

(4)

式中:λ为该目标性能点的质量第一振型参与系数;V为施加作用力的数值;G为等效荷载的代表值。设反应谱的位移为D,其转换公式计算为:

(5)

式中:Δdr为水利建筑结构构件的顶点位移差;γ为第一振型参与系数;N为逐级施加作用力的总级数;ψ为第一振型对应的振幅大小。根据静力弹塑性分析反应谱的转换结果,完成静力弹塑性分析模型的构建。

3 分析水利建筑结构损伤程度

完成静力弹塑性分析模型的构建后,根据分析所得出的结果,对水利建筑结构各个构件在不同等级的施加作用力下的损伤程度情况进行分析。文章采用双参数模型进行构件损伤程度的分析。该模型的双参数分别为构件的变形参数以及滞回耗能参数[12]。设水利建筑结构构件的损伤程度为S,其计算公式为:

(6)

式中:u0为水利建筑结构构件在震力施加下的屈服位移;u1为该构件在震力作用下产生的实际变形量;u2为该构件在第一级震力作用施加下产生的极限变形量,也就是构件发生损坏前一刻的震力变形量;E为该构件在不同等级震力施加下的累积塑性耗能;F为该构件的屈服力;μ为该双参数模型的权重参数[13]。其中,权重系数μ的计算公式为:

(7)

式中:Ei为该水利建筑结构中,第i个构件的累积塑性耗能;Eij为两个构件之间的累积塑性耗能。根据计算所得的水利建筑结构构件损伤程度结果,制定不同等级震力施加下的构件损伤状态等级,如表1所示。

表1 水利建筑构件损伤等级表

根据表1的内容,制定水利建筑结构的抗震损伤范围。

4 设定抗震性能评估指标

根据上文制定的水利建筑结构抗震损伤范围,设定基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估指标。在实际的水利建筑结构的抗震性能评估中,与理想计算结果并不完全一致。在实际评估工作中,水利建筑结构的抗震性能还受到地理条件不同等外界因素的影响,与理想的计算结果产生一定的误差[14]。 根据国家水利建筑抗震设计规范,水平地震对水利建筑结构的最大影响系数Z如表2所示。

表2 水平地震最大影响系数值

根据水利建筑位于的不同地质条件,文章将四个等级的影响系数与不同的地质条件进行关联。在水利建筑结构中,常见的地质条件有黏土、粉质黏土、粉土以及粉砂土等[15]。结合地质条件与地震分组对水利建筑结构抗震性评估的特征周期R进行取值,如表3所示。

表3 水利建筑结构抗震性能评估特征周期

结合表2和表3的数据信息,综合形成文章设计的基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估指标Q为:

(8)

式中:β为地震震源系数。根据Q值的计算结果,得出最终的评估结果。至此,完成基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估方法的设计。

5 实验与结果分析

5.1 实验准备

为了验证上述设计的基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估方法的有效性,设计如下实验。

实验在仿真环境中完成,选取某水利建筑结构作为实验对象。该水利建筑结构共含有四层结构,分别为地上三层以及地下一层。该建筑的主体结构为混凝土框架,地下室区域的部分内墙为砖墙结构。该水利建筑的具体建筑标准如表4所示。

表4 水利建筑结构标准

对该水利建筑结构周围的地质条件进行勘测,如表5所示。

表5 地质条件勘测结果

在本次实验中,采取人工模拟地震的形式对该水利建筑结构的抗震性能进行评估测试。为了保证本次实验的科学性,设计实验类型为对比实验。设计加入其他两种抗震性能评估方法的对比对象作为对照组。对比对象1设置为基于BIM的水利建筑结构抗震性能评估方法。对比对象2为设置为基于PERFORM-3D的水利建筑结构抗震性能评估方法。

针对该水利建筑结构,利用PKPM软件构建全方位立体模型,再仿照某次真实地震的强度,对所构建的构模型模拟施加地震效果。为了保证本次对比实验的公平性,在不同的抗震性能评估方法的实验轮次中,采用相同数值的地震模拟施加力度。

5.2 结果分析

将文章设计的基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估方法命名为方法1,将基于BIM的建筑抗震性能评估方法命名为方法2,将基于PERFORM-3D的建筑结构抗震性能评估方法命名为方法3。利用上述三种方法分析地震作用下水利建筑结构的抗震性能,并与该建筑真实的抗震性能水平展开对比,得出实验结果如表6所示。

表6 不同评估方法实验结果

由表6可知,与该水利建筑结构不同层的真实抗震性能结果相比,文章所提出的基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估方法所得出的评估结果误差较小。方法2所得出的评估结果相对偏高,而方法3所得出的评估结果相对偏低。在地上三层以及地下一层的抗震性能评估实验中,文章所提出的基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估方法的平均误差为0.00275。而其他两种评估方法的结果平均误差分别为0.0655和0.02575。由此可见,方法1的平均误差较其他两种方法分别减小0.06275和0.023。综上所述,文章所提出的基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估方法能够大幅度降低水利建筑结构抗震性能评估的误差,具有较高的实践应用价值[16-17]。

6 结 论

针对水利建筑结构抗震性能评估中,评估结果误差较大的问题,提出了基于静力弹塑性分析的水利建筑结构抗震性能评估方法。该方法通过构建静力弹塑性分析模型,分析目标性能点的位移变化量,得出抗震性能的评估结果。该方法大幅度降低了水利建筑结构抗震性能评估的结果误差,具有较高的实践应用价值。在今后的水利建筑结构抗震性能评估方法的研究中,还需对高层结构的水利建筑中梁柱等构件的变形因素进行全方面分析,以获得误差更小的评估结果。