陳 潔,顧 強(qiáng)
(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 蘇州215011)
地震是對人類危害較大的自然災(zāi)害之一。近幾十年來,國內(nèi)外規(guī)范均采用基于強(qiáng)度的彈性方法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì),但數(shù)次強(qiáng)震下,按彈性方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)倒塌程度超出預(yù)想。20世紀(jì)90年代提出了基于結(jié)構(gòu)性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)理念,并得到發(fā)展[2]。保證結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下能有為社會所接受的倒塌概率,應(yīng)是性態(tài)設(shè)計(jì)的最低水準(zhǔn)?,F(xiàn)有性態(tài)設(shè)計(jì)方法是否具有足夠的結(jié)構(gòu)抗倒塌安全儲備能力,尚待研究。美國ATC委員會對結(jié)構(gòu)地震倒塌安全儲備進(jìn)行了定量評估研究,建立了結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力定量評估體系——FEMA P695[3]。
文中為“鋼框架-支撐體系的耗能能力及基于能量的性態(tài)設(shè)計(jì)方法”研究內(nèi)容的一部分,蔡福明[1]前期基于近場地震最大有效滯回耗能(MECE)譜,提出了近場地震下K形偏心支撐鋼框架基于能量的性態(tài)設(shè)計(jì)方法,并設(shè)計(jì)了10層和15層兩個結(jié)構(gòu)。但用該方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否具有足夠的抗地震倒塌儲備能力、其倒塌概率是否為社會可接受值,尚未進(jìn)行評估。
文中采用IDA方法,根據(jù)FEMAP695提供的結(jié)構(gòu)地震倒塌性能評估體系及建議的地震波數(shù)據(jù)庫,采用自定義的結(jié)構(gòu)倒塌判定準(zhǔn)則及倒塌指標(biāo),對文獻(xiàn)[1]基于近場地震脈沖能量設(shè)計(jì)的10層和15層K形偏心支撐鋼框架進(jìn)行了地震倒塌富余度及易損性分析,進(jìn)而評估其設(shè)計(jì)方法的可信性。
地震動對結(jié)構(gòu)的作用在本質(zhì)上是一種能量傳遞、轉(zhuǎn)換和耗散的過程。文獻(xiàn)[1]基于最大有效滯回耗能(MECE)譜,根據(jù)能量平衡關(guān)系提出的近場地震下K形偏心支撐鋼框架性態(tài)設(shè)計(jì)方法,具體步驟如下:
(1)建立近場地震最大有效滯回耗能(MECE)譜;
(2)初選構(gòu)件截面,計(jì)算結(jié)構(gòu)自振特性;
(3)指定結(jié)構(gòu)破壞模式及目標(biāo)延性;
(4)依據(jù)MECE譜計(jì)算等效速度,計(jì)算結(jié)構(gòu)最大有效滯回能需求;
(5)指定結(jié)構(gòu)側(cè)向力分布模式;
(6)計(jì)算設(shè)計(jì)基底剪力;
(7)耗能梁段設(shè)計(jì);
(8)周邊構(gòu)件截面設(shè)計(jì);
(9)迭代設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)的構(gòu)件截面,重復(fù)步驟(2)-(8),當(dāng)后一次迭代得到的結(jié)構(gòu)基本周期與前一次迭代的周期相差在2%以內(nèi),可結(jié)束設(shè)計(jì)。
鋼材為Q345,8度設(shè)防(0.30g),場地類別為Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組為一組;橫向3跨,縱向5跨,縱橫向跨度均為7.8 m,次梁間距為2.6 m;層數(shù)分別為10層、15層,層高均為3.3 m;耗能梁段長度0.8 m;樓面恒載標(biāo)準(zhǔn)值4.7 kN/m2,活載2.0 kN/m2;外墻荷載標(biāo)準(zhǔn)值11.8 kN/m3,墻厚0.24 m;屋面恒載標(biāo)準(zhǔn)值5.0 kN/m2,活載2.0 kN/m2;女兒墻荷載標(biāo)準(zhǔn)值19.0 kN/m3,墻厚0.24 m;雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.5 kN/m2;梁、柱自重取1.1 kN/m。10層及15層結(jié)構(gòu)平面布置見圖1,圖2為②軸線框架示意圖。
結(jié)構(gòu)在縱橫兩個方向各布置兩道K形偏心支撐,假定各方向的水平地震作用分別由兩榀帶支撐的框架承擔(dān),每榀帶支撐框架承擔(dān)地震作用和風(fēng)荷載的一半。構(gòu)件終選截面如表1-2所列。
圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖
圖2 ②軸線框架示意圖
表1 10層K-EBF構(gòu)件截面
表2 15層K-EBF構(gòu)件截面
美國FEMAP695是針對生命安全目標(biāo)的評估體系,目的是設(shè)定地震中能保護(hù)生命安全的最低標(biāo)準(zhǔn),這一最低標(biāo)準(zhǔn)通過倒塌儲備系數(shù)(CMR)方法來體現(xiàn),CMR方法是由譜位移與譜加速度的關(guān)系曲線進(jìn)行描述的,其中關(guān)鍵參數(shù)的具體意義如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)的譜位移,縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)的譜加速度。?CT為倒塌水準(zhǔn)地震對應(yīng)的譜加速度中值,即有50%地震波輸入結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)倒塌時(shí)對應(yīng)的地面運(yùn)動強(qiáng)度;SMT為最大可考慮地震(我國為罕遇地震)對應(yīng)的譜加速度值。將與SMT的比值定義為倒塌富余度,即
圖3 譜加速度-譜位移關(guān)系圖
求解CMR的步驟為:(1)建立結(jié)構(gòu)有限元模型;(2)確定倒塌判定準(zhǔn)則及指標(biāo);(3)選取合適地震波;(4)對結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行IDA分析;(5)根據(jù)IDA結(jié)果計(jì)算CMR值。
結(jié)構(gòu)倒塌儲備能力受地震動頻譜特性的影響顯著,故需對CMR進(jìn)行修正,F(xiàn)EMA P695建議通過譜形狀因子SSF(Spectral Shape Factor)對結(jié)構(gòu)的倒塌富余度進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后的倒塌富余度ACMR的計(jì)算如公式(2)所示。
式中,C3D為結(jié)構(gòu)模型系數(shù),空間模型取1.2,平面模型取1.0;譜形狀因子考慮了地震動頻譜特性的影響,與結(jié)構(gòu)基本周期及結(jié)構(gòu)延性等因素有關(guān)。
參考FEMA P695采用倒塌富余度修正值A(chǔ)CMR作為結(jié)構(gòu)倒塌儲備能力的指標(biāo),通過比較ACMR值與可接受富余度值之間的差異來評估結(jié)構(gòu)的倒塌儲備能力和倒塌概率是否滿足要求。罕遇地震下,結(jié)構(gòu)倒塌儲備能力在可接受的范圍內(nèi)應(yīng)滿足以下兩個條件:
(1)群體結(jié)構(gòu)的平均倒塌儲備能力應(yīng)不小于倒塌概率10%對應(yīng)的ACMR值
(2)個體結(jié)構(gòu)倒塌儲備能力不小于倒塌概率20%對應(yīng)的ACMR值
采用ABAQUS對K形偏心支撐平面鋼框架建立梁、殼混合單元模型:對進(jìn)入塑性程度較輕的梁、支撐、柱采用B31梁單元;對進(jìn)入塑性程度較大的耗能梁段需要充分考慮剪切變形和局部屈曲效應(yīng)而選用S4R殼單元;選用隱式積分Newmark-β法求解非線性動力方程,采用Rayleigh阻尼進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析。Q345鋼材泊松比v=0.3,彈性模量E=2.06×105MPa,本構(gòu)關(guān)系采用考慮材料失效的雙線性強(qiáng)化模型,E2=0.02E1。
圖4 MPC連接
梁單元和殼單元之間采用ABAQUS自帶的MPC約束,在梁單元的6個自由度和殼單元的6個自由度之間建立剛性連接,使得梁、殼單元接觸面上的內(nèi)力和變形協(xié)調(diào)一致,如圖4所示。按設(shè)計(jì)假定單榀帶支撐框架分擔(dān)結(jié)構(gòu)1/2的水平地震作用,將整體結(jié)構(gòu)重力代表值的一半轉(zhuǎn)換為質(zhì)量,作用在平面框架柱節(jié)點(diǎn)上。時(shí)程分析的豎向荷載取隸屬單榀框架的重力荷載代表值,以集中力的方式施加在梁柱及主次梁節(jié)點(diǎn)處。
對結(jié)構(gòu)的邊界進(jìn)行設(shè)置,柱底與基礎(chǔ)剛接,荷載步固定所有自由度(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0),梁、柱節(jié)點(diǎn),梁柱與支撐之間均為剛接,各分析步允許節(jié)點(diǎn)在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和平動,由于其他榀框架對該分析榀框架存在較強(qiáng)的面外約束,因此對該分析榀框架平面外所有自由度進(jìn)行約束(U3=UR1=UR2=0),地震分析步中釋放柱腳U1方向約束,將地震波時(shí)程數(shù)據(jù)以加速度的形式施加在結(jié)構(gòu)底部。
采用不用的網(wǎng)格精度劃分有限元模型,對兩個K-EBF結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次彈塑性時(shí)程分析試算,結(jié)合計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果精度,將梁單元劃分為0.2 m、殼單元劃分為0.05 m。
增量動力時(shí)程分析(Incremental Dynamic Analysis,IDA)方法是近些年發(fā)展起來用于結(jié)構(gòu)抗震性能評估的一種方法[4]。文中結(jié)構(gòu)倒塌IDA分析步驟如下:
(1)建立結(jié)構(gòu)彈塑性有限元模型,選擇適合結(jié)構(gòu)所在場地的地震記錄;
(2)確定合適的地震動強(qiáng)度指標(biāo)IM和結(jié)構(gòu)倒塌判定指標(biāo)DM;
(3)將選擇的地震動記錄乘以調(diào)整系數(shù),使其為多遇地震強(qiáng)度,進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,得到結(jié)構(gòu)的一個性能點(diǎn);對地震波強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)增,分析結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震、罕遇地震和特大地震強(qiáng)度下的動力響應(yīng),得到相應(yīng)性能點(diǎn);根據(jù)所得性能點(diǎn)與倒塌限值的比較結(jié)果,繼續(xù)調(diào)增地震波,直至結(jié)構(gòu)倒塌;
(4)將所得到的結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)繪制在以地面運(yùn)動強(qiáng)度參數(shù)和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)為變量的曲線中,采用一次函數(shù)連接控制點(diǎn),即得到一條地震波的IDA曲線,并得到該條地震波下的結(jié)構(gòu)倒塌性能點(diǎn);
(5)將足夠多的地震記錄輸入結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行IDA分析,將所得的IDA曲線繪制在同一坐標(biāo)系,得到多條IDA曲線,從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震倒塌性能評估。
由于地震波頻譜特性的差異較大,為得到準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)抗倒塌性能評估結(jié)果,從“質(zhì)”和“量”選波:
(1)地震波的卓越周期與場地土的特征周期盡量保持一致;
(2)在地震動持續(xù)時(shí)間T內(nèi)應(yīng)包含地震動的最強(qiáng)部分,且T≥10T1,T1為結(jié)構(gòu)第一自振周期;
(3)選擇的地震波應(yīng)盡量避開同次地震得到的記錄,使后續(xù)分析中對結(jié)構(gòu)性能的評估更加全面和準(zhǔn)確。
美國ATC委員會推薦了相應(yīng)的地震動記錄數(shù)據(jù)庫,為了簡便準(zhǔn)確地選取到足夠數(shù)量合適的強(qiáng)震記錄來豐富結(jié)構(gòu)在不同地震下的反應(yīng)[5],直接從其中28組(每組2條,共56條)近場地震波中為10層結(jié)構(gòu)和15層結(jié)構(gòu)分別選取了23條地震波,如表3-4所列。
表3 10層結(jié)構(gòu)的近場地震記錄
表4 15層結(jié)構(gòu)的近場地震記錄
如何判定結(jié)構(gòu)倒塌是很關(guān)鍵的,現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)水平還不能直接模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)倒塌,需要借助于一定的判定標(biāo)準(zhǔn)。參考國內(nèi)外學(xué)者的研究,同時(shí)結(jié)合齊永勝提出的調(diào)整后剛度退化標(biāo)準(zhǔn)[6],采用變形(位移)和剛度退化雙重準(zhǔn)則作為結(jié)構(gòu)破壞指標(biāo)(DM)。
以結(jié)構(gòu)承載力退化到80%的位移作為變形(位移)準(zhǔn)則限值,根據(jù)文獻(xiàn)[6]對K形偏心支撐鋼框架推覆分析結(jié)果,將屋面位移角平均值θroof=0.042 rad、最大層間位移角θmax=0.050 rad作為K形偏心支撐鋼框架倒塌判定限值。
綜合K形偏心支撐鋼框架良好的變形能力及文獻(xiàn)[7]建議,取IDA曲線上兩點(diǎn)連線斜率開始等于彈性斜率的5%時(shí)作為結(jié)構(gòu)剛度退化倒塌判據(jù)。
在抗震設(shè)計(jì)與分析中一般采用地震動峰值加速度(PGA)作為地震動強(qiáng)度指標(biāo)(IM),但近些年的研究表明:以PGA衡量結(jié)構(gòu)的抗倒塌安全儲備,結(jié)果離散性較大,很難反應(yīng)結(jié)構(gòu)遭受強(qiáng)震時(shí)的真實(shí)反應(yīng)[8]。文中采用結(jié)構(gòu)第一自振周期對應(yīng)的譜加速度Sa(T1)作為IDA分析的地震動強(qiáng)度指標(biāo)。
10層和15層K形偏心支撐鋼框架分別在23條地震波作用下的IDA曲線如圖5-6所示。根據(jù)上文對結(jié)構(gòu)倒塌中值強(qiáng)度?CT的定義,由圖 5 和圖 6 可知,10 層結(jié)構(gòu)?CT10=1.828 96g,15 層結(jié)構(gòu)CT15=1.257 84g。
圖5 10層結(jié)構(gòu)IDA曲線
圖6 15層結(jié)構(gòu)IDA曲線
結(jié)構(gòu)在最大考慮地震(罕遇地震)下的譜加速度值用SMT表示,可由公式(5)計(jì)算得到,其中αT1大震為我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[9]中結(jié)構(gòu)第一自振周期對應(yīng)的地震影響系數(shù),為重力加速度。
10層結(jié)構(gòu)的自振周期T1(10)=1.212 s,罕遇地震特征周期Tg=0.40 s;15層結(jié)構(gòu)的T1(15)=1.921 s、Tg=0.40 s,均位于地震影響系數(shù)曲線的下降段[9]。經(jīng)計(jì)算,兩個結(jié)構(gòu)對應(yīng)罕遇地震的譜加速度為
由公式(1)可得兩結(jié)構(gòu)倒塌富余度為
為計(jì)算修正倒塌富余系數(shù)ACMR,需先得出譜形系數(shù)SSF,根據(jù)文中模型為平面結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)延性系數(shù)均為3.0及結(jié)構(gòu)基本周期,由FEMAP695得到10層、15層結(jié)構(gòu)的SSF分別為1.35和1.40,由式(2)得到結(jié)構(gòu)調(diào)整后的倒塌富余度。即
ACMR可接受值與結(jié)構(gòu)的不確定性系數(shù)βTOT有關(guān),文中結(jié)構(gòu)不確定性因素的取值如下:
(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量不確定性βDR。文獻(xiàn)[1]基于能量方法設(shè)計(jì)的K形偏心支撐鋼框架符合抗震要求,偏保守定義為“一般”水平。
(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不確定性βTD。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)方法未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,根據(jù)現(xiàn)有研究成果,偏心支撐鋼框架的有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高,故將試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定性定義為“一般”水平。
(3)有限元模型的不確定性βMDL。結(jié)構(gòu)模型并未充分考慮節(jié)點(diǎn)變形、板件局部屈曲影響,綜合考慮對非線性分析模型質(zhì)量按“一般”水平考慮。
根據(jù)βDR、βTD、βMDL取值由FEMAP695得出結(jié)構(gòu)綜合不確定性βTOT=0.9,ACMR可接受值如表5所列。由此可進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震倒塌富余度評估,結(jié)果詳見表6。
表5 模型ACMR可接受值
表6 結(jié)構(gòu)抗震倒塌富余度評估
由表6數(shù)據(jù)可知,文獻(xiàn)[1]中8度抗震設(shè)防的兩個K形偏心支撐鋼框架的CMR在不采用譜形參數(shù)調(diào)整的情況下都能滿足個體結(jié)構(gòu)抗震倒塌儲備要求,進(jìn)行小組群體平均值評估時(shí),也能滿足結(jié)構(gòu)抗倒塌儲備要求。說明文獻(xiàn)[1]基于能量方法設(shè)計(jì)的兩個結(jié)構(gòu)在8度抗震設(shè)防下具有足夠大的倒塌儲備能力,能夠滿足抗震倒塌富余度的要求,據(jù)此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),具有可以接受的抗震倒塌能力,能提供安全的使用空間。
采用譜形參數(shù)調(diào)整后,兩個結(jié)構(gòu)富余系數(shù)都大于2.0,即結(jié)構(gòu)的ACMR超過倒塌富余度最小可接受值的1倍以上,說明該方法在設(shè)計(jì)上過于保守,使得結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力遠(yuǎn)大于可接受值,在設(shè)計(jì)方法的經(jīng)濟(jì)性上還有待進(jìn)一步考證,宜對更多用該方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)算例進(jìn)行驗(yàn)證,得出更為準(zhǔn)確的綜合性評價(jià)。
結(jié)構(gòu)易損性分析可以直觀地給出結(jié)構(gòu)預(yù)期倒塌概率,從而對結(jié)構(gòu)的地震危害進(jìn)行評估,提出相應(yīng)措施,減少財(cái)產(chǎn)和生命的損失[10]。文中將兩個偏心支撐鋼框架在不同地震動強(qiáng)度下的倒塌概率按美國FEMA P695的對數(shù)正態(tài)分布進(jìn)行曲線擬合,繪制出結(jié)構(gòu)易損性曲線,具體步驟如下:
(1)將選定的地震動記錄總數(shù)記為Ntotal,根據(jù)彈塑性時(shí)程分析結(jié)果,記某一地震動強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的地震記錄數(shù)為Ncollapse,由此得到該地震動強(qiáng)度下的結(jié)構(gòu)倒塌概率(Ncollapse/Ntotal);
(2)不斷增加地震動強(qiáng)度,重復(fù)上一步驟,即可得到結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震動下的倒塌概率;
(3)以地震動強(qiáng)度為隨機(jī)變量,按照對數(shù)正態(tài)分布模型進(jìn)行擬合,獲得結(jié)構(gòu)在地震動強(qiáng)度連續(xù)變化下的倒塌概率曲線,即結(jié)構(gòu)易損性曲線。
基于IDA分析結(jié)果,可得到兩結(jié)構(gòu)在不同地震波下的倒塌信息,將Sa(T1)作為IM指標(biāo),采用對數(shù)中位值代替對數(shù)均值作為分布函數(shù),將所得倒塌點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合,得到圖7和圖8所示的結(jié)構(gòu)易損性曲線。
10層結(jié)構(gòu)罕遇地震的譜加速度值由上文可知為0.442 5g,對應(yīng)的倒塌結(jié)構(gòu)為0個,倒塌概率為零。15層結(jié)構(gòu)罕遇地震的譜加速度值為0.292 3g,對應(yīng)的倒塌結(jié)構(gòu)為0個,倒塌概率也為零,兩個結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出了良好的抗震倒塌性能,也進(jìn)一步證明了文獻(xiàn)[1]基于最大有效滯回耗能設(shè)計(jì)方法的可行性。
(1)依據(jù)美國FEMA P695,以結(jié)構(gòu)第一自振周期對應(yīng)的譜加速度為地震動強(qiáng)度指標(biāo),對文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的兩個K形偏心支撐鋼框架在多條地震波下的IDA分析結(jié)果進(jìn)行匯總,得到兩個結(jié)構(gòu)近場地震下的倒塌富余度。(2)文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的兩個K形偏心支撐鋼框架的CMR在不采用譜形參數(shù)調(diào)整的情況下都能夠滿足個體結(jié)構(gòu)抗震倒塌安全儲備要求和結(jié)構(gòu)群體抗震倒塌安全儲備要求。考慮有利的譜形參數(shù)調(diào)整后,得到的結(jié)構(gòu)倒塌富余度ACMR遠(yuǎn)大于最小可接受倒塌富余度,說明文獻(xiàn)[1]基于最大有效滯回耗能方法設(shè)計(jì)的K形偏心支撐鋼框架能夠滿足結(jié)構(gòu)的抗震倒塌富余度要求,在罕遇地震下表現(xiàn)出了良好的抗倒塌性能。(3)以結(jié)構(gòu)在不同地震動強(qiáng)度下的倒塌概率為縱坐標(biāo),以譜加速度值作為橫坐標(biāo),采用對數(shù)正態(tài)分布擬合的方法繪制了兩個結(jié)構(gòu)的易損性曲線,得出了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的倒塌概率,10層和15層結(jié)構(gòu)的倒塌概率都為0,進(jìn)一步說明了文獻(xiàn)[1]方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有良好的抗倒塌性能。(4)分析結(jié)果表明文獻(xiàn)[1]方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在近場罕遇地震下能夠滿足抗震倒塌儲備要求,其倒塌概率遠(yuǎn)低于社會最小可接受值,文獻(xiàn)[1]的性態(tài)設(shè)計(jì)方法是可信的。