鋼筋混凝土框架的地震風險評估

1、鋼筋混凝土框架的地震風險評估（原文：Assessment of seismic risks in code conforming reinforced concrete frames。自行百度）Mehrdad Shokrabadi, Mehdi Banazadeh, Mehran Shokrabadi, Afshin Mellati摘自：Engineering Structures 98 (2015) 1428摘要本研究的主要目的是采用基于性能的抗震設(shè)計方法評估地震引起的現(xiàn)代規(guī)范鋼筋混凝土（RC）框架崩潰的風險和可能的人力和財力的損失。為了評估目標，按照ASCE 7-05和ACI 318-05

2、設(shè)計要求，選擇了30個鋼筋混凝土框架模型作為一組進行分析。建筑分為4 層，8 層和12層三種，并且按照不同層次的結(jié)構(gòu)體系延性進行設(shè)計。模型按低，中高水平的地震危險性分成三種。倒塌過程的評估結(jié)果表明，地震等級顯著影響倒塌性能和延性，只要結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)代設(shè)計規(guī)范的要求，對塌方風險的影響最小。同時，它也發(fā)現(xiàn)，預(yù)計每年的維修費用處在最大1.5%和最小0.02%重置成本之間，預(yù)計年度死亡人數(shù)占建筑總住戶的2×10-4%到29×10-3%，位于低地震活動區(qū)有極小的損失?？紤]到設(shè)計決策的變化，使用敏感性分析來研究地震條件的變化。關(guān)鍵詞：基于性能的抗震設(shè)計，筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，倒塌的風險，地震中

3、的人員財產(chǎn)損失1、說明近年來，新興的由太平洋地震工程研究中心（PEER）提出的基于性能的地震工程（PBEE），給工程師提供了探討建筑 1,2 地震風險的穩(wěn)健方法。PBEE概率性質(zhì)允許工程師在不同的績效評估中使用不確定的來源程序，而不是一個絕對的結(jié)果，對所有可能的響應(yīng)參數(shù)的范圍分布提供了一種可能。PEER的方法的結(jié)果通常體現(xiàn)在地震中倒塌的風險和人員和財產(chǎn)的損失。這些指標已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在一個COM的研究在強烈震動中提供大致可靠的安全規(guī)定是來成功的防止地震引起的倒塌和拯救人的生命3 7 。過去在現(xiàn)代鋼筋混凝土框架（RC）抗震性能的研究表明，盡管這些結(jié)構(gòu)的大致可接受的倒塌的表現(xiàn)，在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

4、顯著不同的設(shè)計導致了抗震性能研究中參數(shù)的顯著變化。本研究應(yīng)用PBEE的方法通過非線性動力時程分析評估30個鋼筋混凝土框架原型的抗震性能，設(shè)計要符合要求的ASCE 7-05和 ACI 318-05 10 11 。過去由Haselton 4 ，Liel 6 ，zareian 12 所進行的一些研究表明，設(shè)計參數(shù)如高度和空間與周邊框架的變化可能對抗震性能有顯著的影響。這些研究都集中在特殊的和非球剪力墻建筑（1967-era）鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻建筑；全部位于高地震危險區(qū)。本文利用由Haselton 4 和Liel 6 和FEMA p-58 13 所使用的損失評估過程中提及的倒塌評估方法，

5、為了驗證的現(xiàn)代裝修設(shè)計規(guī)定在何種程度上成功實現(xiàn)了相同類型的建筑之間有相同規(guī)格的風險，重點拓展了以前位于不同的地震帶以及具有不同的結(jié)構(gòu)延性水平的建筑的研究結(jié)果，此外，本文不僅擴大了對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)倒塌的評估方法進行的研究，而且還進一步提出了采用最先進的指標估計地震損失的現(xiàn)代鋼筋混凝土建筑的抗震風險綜合評價體系。2、原型設(shè)計和規(guī)格為了闡明在高度，延展性，地震活動性和冗余的變化如何會影響現(xiàn)代規(guī)范鋼筋混凝土框架抗震風險，選擇一系列具有代表性的模型，包括4 層，8層和12層的建筑?？箓?cè)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由兩個正交的兩跨和三跨的框架組成，寬度為6m，高度為24m，首層高度為4m，其他層高度均為3.3m。圖1顯示了

6、四層的柱和梁的模型和細節(jié)。根據(jù) ASCE 7-05中的表11.6-2，抗震設(shè)計類別的原型是A表示奧斯丁和D表示拉斯維加斯和洛杉磯。ASCE的抗震設(shè)計分類的主要目的是根據(jù)位置提供結(jié)構(gòu)對地震的延性?；谶@種分類標準，在奧斯丁允許建筑所有的三個特級，中級和普通鋼筋混凝土框架，在拉斯維加斯和洛杉磯只允許有特級的鋼筋混凝土框架。普通鋼筋混凝土框架不需要滿足任何特殊抗震要求。然而，特級的和中級的原型必須符合對ACI 318-05包括強柱弱梁21章附加抗震要求（scwb）比和剪切的特殊幀面板的規(guī)定，包括特級的橫向鋼筋在梁的可能的鏈接區(qū)和最小連續(xù)彎曲鋼筋。過去關(guān)于結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生過程中的表現(xiàn)顯示，鋼筋

7、混凝土框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)與結(jié)構(gòu)延性有關(guān)的詳細的地震資料，可以用來降低地震力，同時，由于較長的周期，固有的超強和滯回阻尼，預(yù)期鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)可在實際地震事件產(chǎn)生可以接受的后果?；诟黝愋弯摻罨炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)高度的預(yù)期非彈性反應(yīng)，使用ASCE 7-05響應(yīng)修正系數(shù)（R）為8，5和3來降低特級，中級和普通級別建筑的設(shè)計地震力。根據(jù)ASCE 7-05和抗震設(shè)計的要求以及為普通，中級和特級的框架詳細制定的ACI 318-05，反應(yīng)修正和位移放大因素的不同對設(shè)計的結(jié)果有劇烈的影響。表1列出了首層梁柱的地震抗力系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果。3、選址和地震災(zāi)害選定的原型是位于洛杉磯，拉斯維加斯和奧斯丁，NEHRP推薦考慮最大

8、地震（MCE）1-S水平反應(yīng)譜加速度對應(yīng)0.912 g 0.363 g和0.078 g的值，這些值按照D類場地土作出了相應(yīng)的修改。特殊地點的地震危險性參數(shù)被從美國地質(zhì)勘探局的風險地圖 14 和 ASCE 7-05的相應(yīng)的應(yīng)用工具中提取出來，圖2a比較了所選擇的地點的統(tǒng)一的ASCE 7-05危險MCE，圖2b比較了選定的地點的1-s-period-spectral-acceleration USGS危險曲線。三種不同的方法被NEHRP采用以開發(fā)在三個不同抗震等級下的這三個地區(qū)的抗震設(shè)計圖和地震活動性這三個主要的方法包括基于特征地震附近地區(qū)已知活斷層如加利福尼亞沿海高地震危險區(qū)（洛杉磯）的聯(lián)合概率

9、的確定方法，與設(shè)計地震動的23為中度危險區(qū)的50年地震地面運動的超越概率為2%的概率方法（Las拉斯維加斯），最后為要求非常低的地震危險區(qū)最小的一組（奧斯丁） 15 。4、結(jié)構(gòu)的非線性建模和分析程序4.1建模與分析在這項研究中進行IDA分析的目的是確定每個原型的崩潰點，也是為在幾個層次上，從最低級別到倒塌點，在建筑的所有樓層的層間位移率和樓層加速度，找到強度結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。在這項研究中倒塌定義為動態(tài)不穩(wěn)定，強度略有增加將導致響應(yīng)無限增加點；反應(yīng)在這里被定義為層間位移比最大（IDR）。 所有的原型都通過采用OpenSees 16 平臺的二維模型的抗側(cè)力系統(tǒng)建模的。由于存在三維行為如雙軸柱和彎曲扭轉(zhuǎn)，

10、所以利用二維模型介紹不準確的分析結(jié)果。為了為了減少這種誤差，結(jié)構(gòu)體系為框架的周邊內(nèi)柱的設(shè)計只進行重力載荷。重力框架并不直接包含在OpenSees模型，但不良PÀD的影響對重力框架造成額外的支流利用對這些傾斜柱提供額外的重力荷載參與其中。對重力框架直接建模的排除可能對中位數(shù)崩潰容量產(chǎn)生10%的保守誤差，如Haselton 4 證明的那樣。在這項研究中的非線性模型有兩方面 （1）光纖型模型用于強度，裂縫和剛度的影響比較重要的較低烈度水平下梁柱的建模。纖維模型是已知的在模擬這些影響時要比塑性鉸模型更準確Mitrani-Reiser 5 指出，較低的烈度水平對損失評估結(jié)果影響顯著。雖然在低強

11、度下非常嚴格，纖維模型的主要限制是在模擬高強度鋼筋的降解能力。因此，目前纖維模型不能夠準確模擬延性鋼筋混凝土框架倒塌。在這項研究中的纖維模型包括與梁、柱與線性剪切彈簧處的纖維截面剛度的基礎(chǔ)元素，關(guān)節(jié)模型對粘結(jié)滑移的影響，約束特性來自曼德等人的混凝土材料 17 和格夫雷Menegotto平托鋼材料模型 16 。 （2）一個集中塑性模型來模擬在高水平的強度，最終導致結(jié)構(gòu)倒塌的結(jié)構(gòu)非線性行為。塑性鉸模型能夠?qū)夯瘜е落摻钋突炷疗扑?；這是眾所周知的有一個重要規(guī)則的精度的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)倒塌模擬。非線性塑性鉸模型梁柱采用由該等人 18 介紹的三折線骨架曲線和滯回規(guī)則模擬非線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件的滯回性能。

12、該模型能夠捕獲所有的劣化模式包括循環(huán)惡化與循環(huán)惡化相關(guān)的（Haselton 4 ）。對鋼筋混凝土梁采用Haselton 4 介紹的為初始剛度的公式得到了柱的剛度和延性特征，塑料和postcapping轉(zhuǎn)動能力，最大屈服力矩比和基于循環(huán)的能量耗散能力退化參數(shù)。根據(jù)定標在255測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫執(zhí)行這些公式推導。 對于橫向力系梁柱的上述參數(shù)的均值，以及原型首層的scwb率和接頭處名義抗剪強度比，都總結(jié)在表2。比較奧斯丁的特級，中級和普通框架，當框架的延性改變時，基礎(chǔ)的延性有明顯的改變。另一方面，考慮到特級框架的樓層整體，三個地點之間的塑性參數(shù)沒有本質(zhì)上的區(qū)別；因為這些變量大多依賴于數(shù)量和橫向鋼筋的間距

13、，特級框架之間的構(gòu)件大小沒有明顯的變化。唯一明顯的變化發(fā)生在剛度比，是由剛剪跨比決定的結(jié)果。剛度，即剪跨構(gòu)件的高度比，對剪跨比成正比。所有在這項研究中的柱和梁構(gòu)件剪跨端與拐點之間的距離幾乎是相同的。因此，當結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高度隨著地震危險性的降低而降低時，剛度比反而增加了。在纖維和塑性鉸模型兩者中，通過altoontash 19 提出的聯(lián)合模型被用于模擬梁柱節(jié)點的行為。這種模式解釋了限關(guān)節(jié)尺寸和允許用戶模型聯(lián)合剪切板和梁柱連接節(jié)點的區(qū)域。接頭剪切板的單調(diào)和循環(huán)行為是通過MCFT理論解釋（Vecchio和Collins 20 ）和米特拉和洛斯 21 的建議?？紤]到顯著的現(xiàn)實力量，粘滯阻尼分配不當可能引

14、起結(jié)構(gòu)構(gòu)件，Rayleigh阻尼是基于zareian和麥地那 22 和查尼 23 的建議分配的。zareian等人建議只對塑性鉸模型的彈性元件和修改的彈性元件的剛度矩陣分配部分比例的瑞利阻尼的剛度來補償對與非線性彈簧阻尼端相關(guān)核算缺失。對于光纖模型，使用瑞利阻尼與剛度系數(shù)的初始剛度比例阻尼可產(chǎn)生大量不切實際的粘滯阻尼力 23 。因此，光纖模型的瑞利阻尼假定要切線剛度比例；行為變?yōu)榉蔷€性時這種方法會更準確。 23 。盡管在塑性鉸模型的捕捉彎曲和彎剪破壞精度是可接受的，但是它不能夠模擬剪切和軸向承載能力列損失。這些失效模式由于缺乏特殊的剪切設(shè)計規(guī)定對普通鋼筋混凝土框架非常重要。為了彌補這一不足，需

15、要利用aslani 24 在Elwood 25的研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的脆弱性功能對IDA分析結(jié)果進行后處理來進一步分析任何柱發(fā)生在軸向破壞后的剪切破壞。這些脆弱性功能是基于從已經(jīng)經(jīng)過第一彎曲然后剪切破壞 6 的92根鋼筋混凝土柱進行循環(huán)試驗得到的數(shù)據(jù)，在后處理過程中，如果柱位移比（CDR）導致從動態(tài)分析超過CDR從aslani提出脆弱性函數(shù)的中值，軸向破壞極限狀態(tài)就假設(shè)為通過。如果這種失效模式發(fā)生在一個IDA分析的倒塌反應(yīng)譜加速度強度級別以下，然后崩潰就被假定為在較低的反應(yīng)普譜加速度下發(fā)生。使用這種方法，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，剪切和軸向破壞對于倒塌評估結(jié)果具有小于1%的影響，甚至對普通框架結(jié)構(gòu)也一樣。

16、4.2不確定性光譜形狀的差異導致的增量動力分析結(jié)果的實質(zhì)性變化（IDA） 26 。因此，為了獲得一個完整的結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的概率響應(yīng)，必須采用大量的地震動。在這項研究中，由FEMA p-695 27 推薦的22對遠方地面運動記錄，被用于執(zhí)行IDA時程分析。圖3顯示了44組位于洛杉磯四層的特級框架結(jié)構(gòu)和相關(guān)的分散結(jié)果的IDA曲線。由于對記錄集的不同光譜形狀的倒塌反應(yīng)譜加速度值的變化導致的分散，都被反映在變異參數(shù)（RRTR）記錄中。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，工程師所采取的設(shè)計決策，在設(shè)計過程中保守程度，建筑和結(jié)構(gòu)的限制，通常會導致結(jié)構(gòu)性能水平高于規(guī)定要求的最低水平的設(shè)計結(jié)果。這種多樣性設(shè)計的結(jié)果

17、，可對抗震性能有顯著的影響，被作為設(shè)計的不確定性加以考慮。此外，采用IDA分析的結(jié)構(gòu)模型和性能評估伴隨著顯著的不確定性。這種被命名為不確定性模型的不確定性的來源，體現(xiàn)在建模中的參數(shù)中如初始剛度的變化，塑性轉(zhuǎn)動能力，postcapping轉(zhuǎn)動能力和循環(huán)的能量耗散能力。Haselton 4 證明設(shè)計和模型不確定性在倒塌的評估結(jié)果影響顯著。在Haselton所提出的方法中，這些不確定性的來源通過對倒塌的脆弱性的總色散進行修改從而加以考慮。在該方法中的易損性曲線的總標準差是從式（1）產(chǎn)生的：RTR是記錄與記錄的變化，Modeling&Design是建模的不確定性設(shè)計相關(guān)的標準偏差，根據(jù)Hase

18、lton的建議取為0.45。5、地面運動的選擇和修改 貝克和康奈爾 28 和Haselton 4 進行的研究表明，具有較長的回報期的地震通常擁有與規(guī)范設(shè)計譜完全不同的光譜形狀的地震。在記錄選擇過程中無視這種差異可能導致倒塌的概率顯著增加。因此，例如震級（M）和距離源（R）參數(shù)，光譜形狀應(yīng)在記錄選擇程序中加以考慮。光譜的形狀是由e表示的，即觀察到的光譜值與衰減方程預(yù)測的中間值之間的對數(shù)標準差數(shù)值。在50年超越概率2%的危險水平上，1.50，1.13和0.78分別被選為洛杉磯，拉斯維加斯和奧斯丁的E代表值。這些值是基于USGS災(zāi)害危害結(jié)果分布圖選擇的 14 。由于光譜形狀對結(jié)構(gòu)周期的依賴性，從而導

19、致對每個模型的一組的特定的原型記錄和并選取了很多對原型的不切實際的記錄，光譜形狀在選擇過程被記錄下來。相反，從應(yīng)用FEMA的通用組記錄取得結(jié)果到按照Haselton 4 建議修改原型的集合使用的方法。在這種方法中，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是一個記錄集，是在不考慮光譜形狀下得到的。然后結(jié)果通過后處理以找到基于風險分類結(jié)果可用于建筑物當前位置的適當?shù)墓庾V形狀。Haselton的方法使用樓層數(shù)目，倒塌的屋頂位移率，記錄與記錄之間減少的差異，減少變異和當?shù)匚恢玫膃值和經(jīng)驗導出的方程找到的e值，從而找出倒塌反應(yīng)譜加速度修正以解釋光譜形狀。這個新的崩潰的譜加速度和修改記錄的變化一樣可以被用來尋找一個新的易損性函數(shù)的對數(shù)正態(tài)分布?！睆姸葴y量為代表的強度參數(shù)和地面運動的尺度被選擇為阻尼系數(shù)為5%的第一階段的反應(yīng)譜加速度。6、靜力彈塑性分析靜力彈塑性分析提供了在橫向的強度和結(jié)構(gòu)延性方面有利的數(shù)據(jù)。表3報告了基底剪力屈服系數(shù)和Pushover分析結(jié)果導致的靜態(tài)屈服（x）因素，這里是按12.8