建筑結(jié)構地震損傷機制的控制

建筑結(jié)構地震損傷機制的控制

0結(jié)構體系的結(jié)構損傷機制在設計標準內(nèi)，建筑物結(jié)構面臨強震的可能性非常小?；诮?jīng)濟方面考慮,強烈地震作用下允許結(jié)構產(chǎn)生一定程度的損傷。GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(以下簡稱新《抗規(guī)》)在條文說明中指出:“在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位),使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移,這是提高結(jié)構總體抗震性能的有效手段?！币虼?采用合理的方法和措施有效控制強震作用下結(jié)構的損傷部位,并將損傷程度控制在可接受范圍內(nèi),便可在結(jié)構造價與抗震安全之間取得較好的均衡。建筑結(jié)構在強震作用下的損傷機制控制主要包括“損傷部位控制”和“損傷程度控制”兩個方面,而損傷形式則基本以延性耗能損傷為主。在與地震災害的長期斗爭和實踐中,人們越來越深刻地認識到強震作用下結(jié)構損傷機制控制的重要性,這體現(xiàn)在近一個世紀以來抗震結(jié)構體系的演化中。20世紀50年代前后出現(xiàn)的延性框架結(jié)構,首次在結(jié)構抗震設計中考慮了一定程度的損傷對提高結(jié)構抗震性能的積極作用,而在鋼筋混凝土框架結(jié)構中使用剪力墻或支撐的做法則使抗震結(jié)構體系的損傷機制更加明確。Paulay等提出的“能力設計法”強調(diào)了損傷機制控制在結(jié)構抗震設計中的重要性。隨著結(jié)構體系中預期損傷部位(構件)與主體結(jié)構功能的逐漸分化,近年來出現(xiàn)了各種專門用于耗散地震能量的消能減震裝置,并由此發(fā)展出各種消能減震結(jié)構體系。在隔震結(jié)構中利用隔震支座減小上部結(jié)構地震作用的做法,也是通過在結(jié)構體系中實現(xiàn)接近單自由度體系振動的簡潔明了的變形模式,將結(jié)構損傷和耗能集中在隔震層,從而更加有效地保證上部結(jié)構的安全。由此可見,抗震結(jié)構體系的發(fā)展使得損傷機制越來越明確、且越來越易于控制。以最為常見的鋼筋混凝土延性框架結(jié)構為例,為了有效控制其損傷機制,圖1的“體系設計”、“需求分析”和“構件設計”三個層次的內(nèi)容是不可缺少的。其中:(1)“體系設計”主要是根據(jù)結(jié)構在地震作用下的受力特點,確定合理的預期損傷部位。目前這方面尚未建立相應的科學理論。然而,根據(jù)大量的震害調(diào)查和相關研究,對于常見結(jié)構體系的損傷部位,結(jié)構工程師和研究人員已取得一些共識。如圖1a所示的“強柱弱梁”機制中的預期損傷部位,通常被認為是延性框架結(jié)構的合理損傷部位。此外,在聯(lián)肢剪力墻結(jié)構中使連梁率先屈服耗能,在支撐框架結(jié)構中的支撐屈服耗能等,都是根據(jù)結(jié)構受力特點和震害經(jīng)驗總結(jié)出的合理損傷部位。與傳統(tǒng)抗震結(jié)構體系相比,各類消能減震結(jié)構和隔震結(jié)構的預期損傷部位更加明確。(2)“需求分析”是結(jié)構抗震設計方法的主要內(nèi)容,其任務是定量地確定預期強震作用下結(jié)構各構件的抗震能力需求,包括承載力需求(如受彎與受剪承載力需求Md、Vd)和塑性變形能力需求(如延性需求μd)等(如圖1b所示)。(3)“構件設計”是在需求分析的基礎上,通過有效的抗震措施保證構件的抗震能力(如承載力Mc、Vc和變形能力μc等)大于其抗震需求。試驗研究是確定不同類型構件抗震能力的最主要方法。1結(jié)構彈塑性分析方法實現(xiàn)結(jié)構損傷機制控制目標的需求分析方法有很多,如非損傷部位的承載力增大系數(shù)法、考慮損傷機制的彈塑性分析方法(包括靜力和動力彈塑性分析方法)和等效線性化法等。非損傷部位的承載力增大系數(shù)法是目前工程設計中常用的方法,該方法基于結(jié)構彈性分析得到設計內(nèi)力,對強震作用下預期非損傷部位乘以承載力增大系數(shù),如新《抗規(guī)》中框架結(jié)構的柱端彎矩增大系數(shù)ηc。由于非損傷部位的承載力增大系數(shù)主要來自典型結(jié)構算例的分析結(jié)果,且各種因素影響考慮有限,具有一定的經(jīng)驗性,因此其合理性和有效性存在不足?？紤]損傷機制的彈塑性分析方法,是通過分別對預期損傷部位(或構件)采用彈塑性模型和對非預期損傷部位采用彈性模型,進行整體結(jié)構的彈塑性分析,獲得強震作用下預期損傷部位的承載力需求和塑性變形需求、以及非預期損傷部位的承載力需求(變形能力通過構造保證)。從可操作性上來說,靜力彈塑性分析方法較為可行,但該方法僅適用于以第一振型控制為主的結(jié)構;而動力彈塑性方法的困難主要在于地震動記錄的選取。等效線性化法基于設計反應譜,采用振型組合方法確定結(jié)構在強震作用下的地震響應,包括預期損傷部位和非預期損傷部位的承載力需求,以及預期損傷部位的變形能力需求,并可同時獲得結(jié)構在強震作用下的非線性響應,是一種實用的簡化分析方法,該方法也是新《抗規(guī)》推薦的,但新《抗規(guī)》并未給出具體實施方法。本文以鋼筋混凝土框架為例,介紹基于等效線性化法的建筑結(jié)構損傷機制控制的抗震設計方法。2等效線性化法等效線性化法是新《抗規(guī)》推薦采用的結(jié)構抗震分析和性能化設計方法之一。如圖2所示,該方法通過預設結(jié)構損傷機制和預期損傷部位的損傷程度,建立結(jié)構的等效線性化分析模型。圖2中ζ0和K0分別為整體結(jié)構的初始阻尼比和各單元的初始剛度,ζe和Ke分別為將強震作用下進入彈塑性階段的結(jié)構等效為線彈性結(jié)構的等價阻尼比和各單元的等價剛度。預期損傷構件在地震作用下可能屈服,并伴隨剛度降低,在地震往復作用下具有一定的彈塑性滯回耗能能力。在等效線性化結(jié)構分析模型中,預期損傷構件可用具有等價剛度的線彈性構件替代,并通過增大整體結(jié)構的等價阻尼比來考慮損傷部位的滯回耗能對結(jié)構整體地震響應的影響。等效線性化結(jié)構模型為線彈性結(jié)構模型,故可采用振型分解反應譜法計算其地震峰值響應。為使假設的損傷機制和損傷程度與計算得到的結(jié)構響應相一致,往往需要進行少量的迭代。本文采用如圖3所示的流程進行等效線性化法計算。文獻詳細地介紹了該流程各個細節(jié),并通過算例分析檢驗了等效線性化法在計算結(jié)構非線性地震峰值響應方面的有效性。與動力彈塑性分析方法相比,等效線性化法直接利用振型分解反應譜法計算結(jié)構的地震響應,并可得到結(jié)構構件的承載力需求和變形能力需求,計算效率高,且可避免因選用不同的地震動記錄而引起的動力彈塑性分析結(jié)果差異較大的問題。與靜力彈塑性分析方法相比,因具有振型分解反應譜法的優(yōu)點,等效線性化法可以方便地應用于空間結(jié)構,且可考慮更多振型的參與,也適用于不規(guī)則結(jié)構,具有更強的適用性,避免了靜力彈塑性分析方法的一些局限性,如結(jié)構地震響應需以第一振型為主、受不同側(cè)力模式影響較大、難以用于高階振型參與程度較大或振型耦合較大的空間不規(guī)則結(jié)構等。3結(jié)構損傷機制根據(jù)建筑場地遭遇地震的發(fā)生概率,地震強度分為多遇地震、設防地震和罕遇地震。在不同強度地震作用下,一般建筑結(jié)構的抗震性能目標可直觀地表示為圖4所示的抗震性能曲線(粗實線)。隨著地震強度的增大,結(jié)構的基底剪力和頂點位移也隨之增大。在超過彈性界限后,結(jié)構開始出現(xiàn)損傷,其地震響應開始表現(xiàn)出非線性特征。基于損傷機制控制的抗震設計需首先明確預期損傷部位,并根據(jù)強震作用下這些部位的損傷程度確定等效線性化結(jié)構模型的參數(shù),進而確定各構件在強震作用下的承載力需求和塑性變形能力需求。為使結(jié)構在強震作用下實現(xiàn)預期損傷機制,本文建議按以下3個步驟對結(jié)構進行抗震設計(參見圖4)。3.1多遇地震作用下承載力設計方法根據(jù)新《抗規(guī)》要求,結(jié)構在多遇地震作用下,應基本處于彈性范圍,不應發(fā)生損傷。由于非預期損傷部位的承載力需求將在后面罕遇地震作用下的承載力設計中確定,因此在多遇地震作用下的承載力設計階段,只需根據(jù)新《抗規(guī)》確定預期損傷部位的承載力需求并進行設計,即將多遇地震作用效應與重力荷載效應分別乘以相應的作用和荷載分項系數(shù)后得到的基本組合效應作為設計內(nèi)力,并按材料強度設計值進行構件的承載力設計(考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù),但不考慮柱端彎矩增大系數(shù)等)。3.2考慮預期損傷部位的塑性變形能力需求確定了預期損傷部位的承載力之后,可采用等效線性化法計算結(jié)構在罕遇地震作用下的非線性地震響應。對于預期損傷部位,通過折減剛度和增大阻尼比的等效線性化法考慮其損傷對結(jié)構地震響應的影響;對于非預期損傷部位則假設其始終保持彈性(剛度不降低也不提供附加阻尼),即不發(fā)生損傷。由于材料性質(zhì)的離散性可能導致預期損傷部位承載力不足,在確定預期損傷部位塑性變形能力需求時,建議對預期損傷部位采用式(1)所示的承載力下限值,相應的結(jié)構抗震性能曲線如圖4中的虛線所示。RL=0.95Rk(1)RL=0.95Rk(1)其中:RL為預期損傷部位的承載力下限值;Rk為按材料強度標準值計算的構件承載力;0.95為承載力降低系數(shù),該值低于鋼筋強度的廢品限值(即fym(1-2δ))與標準值(即fym(1-1.645δ))之比,其中fym為鋼筋強度平均值,δ為變異系數(shù),取0.10。在對預期損傷部位進行塑性變形能力設計之前,應首先檢查對應于罕遇地震作用下結(jié)構響應點(圖4中的○點)的層間位移是否滿足新《抗規(guī)》要求。如滿足要求,則由等效線性化法計算得到的損傷部位的塑性變形即為其塑性變形能力需求,以此為依據(jù),可對預期損傷部位進行塑性變形能力設計,如鋼筋混凝土構件的配箍設計等;如不滿足,則需增大構件截面或增加配筋,直至滿足新《抗規(guī)》中罕遇地震作用下的層間位移要求。相比之下,對于一般建筑結(jié)構,新《抗規(guī)》僅根據(jù)經(jīng)驗采用抗震構造措施保證預期損傷部位具有一定的塑性變形能力,而沒有直接計算罕遇地震作用下預期損傷部位的塑性變形能力需求并據(jù)此確定相應的抗震構造措施。3.3非預期損傷部位非預期損傷部位是結(jié)構在罕遇地震作用下維持其整體穩(wěn)定和抗倒塌的關鍵,也是確保實現(xiàn)預期損傷機制的關鍵,因此,在罕遇地震作用下非預期損傷部位應基本保持彈性。與上一步相同,可以利用等效線性化法計算結(jié)構在罕遇地震作用下非預期損傷部位的承載力需求。不同之處在于,預期損傷部位承載力的可能超強(如材料離散性的影響)會使非預期損傷部位的承載力需求增大。為此,建議在這一步的等效線性化法計算中,對預期損傷部位采用式(2)所示的承載力上限值,相應的抗震性能曲線如圖4中的點劃線。RU=1.25Rk(2)RU=1.25Rk(2)其中:RU為預期損傷部位承載力上限值;1.25為超強系數(shù),該值略高于鋼筋強度平均值fym與標準值(即fym(1-1.645δ))之比。根據(jù)等效線性化法分析得到的罕遇地震作用下的結(jié)構響應點(圖4中的△點)對應的承載力,即可作為非預期損傷部位的承載力需求。在對非預期損傷部位進行承載力設計時,考慮到罕遇地震發(fā)生的概率較小,本文建議采用地震作用效應與重力荷載效應的標準組合,并按材料強度標準值進行構件的承載力設計,如式(3)所示。SG+SEk≤Rk(3)SG+SEk≤Rk(3)其中:SG為重力荷載效應;SEk為地震作用效應;Rk為按材料強度標準值計算的構件承載力。值得注意的是,梁端預期損傷部位的承載力超強和罕遇地震作用下結(jié)構塑性內(nèi)力重分布造成的柱端彎矩增大,是新《抗規(guī)》為實現(xiàn)“強柱弱梁”而引入的柱端彎矩增大系數(shù)ηc的兩個來源。等效線性化法的分析結(jié)果可以直接反映結(jié)構在彈塑性響應階段的塑性內(nèi)力重分布,在此基礎上進一步考慮預期損傷部位的超強,更具有一般性和合理性。3.4結(jié)構的預期損傷作用下的結(jié)構損傷演化規(guī)律上述鋼筋混凝土框架結(jié)構基于損傷機制控制的抗震設計方法可用圖5所示的流程表示。該流程首先要求工程師對結(jié)構的預期損傷機制有明確的把握。根據(jù)已有的實際震害與結(jié)構彈塑性分析經(jīng)驗,所設定的預期損傷機制在強震作用下應具有實現(xiàn)的合理性。在此基礎上,通過等效線性化法分別計算結(jié)構在多遇地震和罕遇地震作用下的受力狀態(tài),確定結(jié)構中預期損傷部位和非預期損傷部位的承載力與塑性變形能力需求,以此作為構件設計的定量依據(jù)。為了更好地說明上述設計流程,以1個8層鋼筋混凝土延性框架結(jié)構為例,采用上述設計流程,確定結(jié)構實現(xiàn)“強柱弱梁”損傷機制所需的抗震承載力需求和塑性變形能力需求,并在此基礎上對梁、柱構件進行配筋設計。4鋼筋混凝土框架結(jié)構的抗疲勞設計4.1梁、柱截面尺寸算例為8層鋼筋混凝土框架結(jié)構,位于8度抗震設防區(qū),地震分組為第一組,II類場地。結(jié)構縱向(X向)4跨,跨度均為7.5m;橫向(Y向)3跨,邊跨7.5m,中跨跨度3.0m,如圖6所示。結(jié)構在1～4層和5～8層分別采用相同的梁、柱截面。其中,1～4層的柱截面尺寸為800mm×600mm,縱向與橫向梁截面尺寸分別為700mm×350mm與750mm×350mm;5～8層的柱截面尺寸為600mm×600mm,縱向與橫向梁截面尺寸分別為700mm×300mm與750mm×300mm;樓板厚度均為100mm。表1給出了結(jié)構各層的層高與質(zhì)量。所有柱均采用C45級混凝土,所有梁均采用C40級混凝土,梁、柱縱筋均為HRB400級。樓板采用C40級混凝土,雙向布置10@200分布鋼筋。4.2結(jié)構的地震響應模擬該結(jié)構的預期損傷機制為圖7所示的“強柱弱梁”機制,即梁端和底層柱腳是預期損傷部位,其他部位則為非預期損傷部位。首先對該結(jié)構進行多遇地震作用下預期損傷部位的承載力設計,即分別對結(jié)構進行縱向、橫向和斜向地震動輸入下的線彈性振型分解反應譜分析,得到其多遇地震作用效應,并按新《抗規(guī)》要求與重力荷載效應組合,得到預期損傷部位的設計內(nèi)力,即承載力需求。斜向地震動輸入時,根據(jù)新《抗規(guī)》條文說明的建議,取縱向與橫向分量之比1∶0.85。對不同樓層框架梁的設計內(nèi)力進行適當歸并后,采用材料強度設計值對預期損傷的框架梁端和底層柱腳進行配筋設計。設計中將一定范圍內(nèi)的樓板等效為T形梁的翼緣以考慮樓板對梁端受彎承載力的貢獻。有效翼緣寬度按我國GB50010—2010《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》的建議取值。4.3框架結(jié)構的變形分析預期損傷部位采用式(1)的承載力下限值,通過等效線性化法計算結(jié)構在縱向、橫向和斜向(即縱橫向分量之比為1∶0.85)的罕遇地震作用下的地震響應,得到結(jié)構平面在兩個主軸方向的最大層間位移角如圖8中的“調(diào)整前”計算結(jié)果所示。等效線性化法計算中采用新《抗規(guī)》的設計反應譜,并按照新《抗規(guī)》的相應公式計算不同阻尼比對應的設計反應譜。由圖8可見,如果采用上文計算的預期損傷部位的配筋結(jié)果,縱向框架的最大層間位移角不滿足新《抗規(guī)》要求(由于本文建議方法第一步多遇地震作用下的設計并沒有考慮柱端彎矩增大系數(shù)和底層柱腳放大系數(shù)等,故與新《抗規(guī)》方法的設計結(jié)果并不完全一樣)。同時,分析結(jié)果顯示,底層柱腳的最大曲率延性高達8.08,下部樓層梁端的最大曲率延性系數(shù)接近8.0(圖9“調(diào)整前”),這將導致構件配箍設計困難。因此,有必要對4.2節(jié)得到的預期損傷部位的配筋設計進行調(diào)整。為了減小結(jié)構底部樓層的層間位移,推遲底層柱腳塑性鉸的出現(xiàn),在調(diào)整配筋時,保持梁截面配筋不變,增加底層柱腳的配筋,直到能夠滿足罕遇地震作用下結(jié)構層間位移角限值的要求。底層柱腳配筋增加后結(jié)構的最大層間位移角、底層柱腳以及梁端的曲率延性系數(shù)見圖8和圖9中“調(diào)整后”的結(jié)果,以便于與“調(diào)整前”的結(jié)果進行比較。此時,框架的最大層間位移角為1/52,滿足新《抗規(guī)》要求。在結(jié)構層間位移滿足新《抗規(guī)》要求的基礎上,進一步對預期損傷部位(梁端和底層柱腳)進行塑性變形能力設計,即根據(jù)以上等效線性化法得到的預期損傷部位的曲率延性系數(shù)進行配箍設計。新《抗規(guī)》尚未規(guī)定相應的設計方法,本文采用錢稼茹等建議的鋼筋混凝土梁、柱構件的變形能力設計方法,確定所需的配箍特征值。在結(jié)構滿足罕遇地震作用下層間位移要求,完成預期損傷部位的塑性變形能力設計之后,進行罕遇地震作用下非預期損傷部位的抗震承載力設計。4.4框架柱的承載力比仍采用等效線性化法計算結(jié)構在不同方向罕遇地震作用下的非線性響應。與上一步的不同之處在于,對預期損傷部位采用式(2)的承載力上限值。通過等效線性化法計算出結(jié)構在縱向、橫向以及斜向輸入的罕遇地震作用下的非預期損傷部位(框架柱)的設計內(nèi)力。圖10給出了圖6中標示的角柱A1、邊柱A3和中柱B3在斜向地震作用下的設計內(nèi)力。采用式(3)的標準荷載組合和材料強度標準值對框架柱截面進行配筋設計。理想情況下,當通過有效措施保證框架柱在大震作用下不發(fā)生損傷時,可以不要求框架柱具有塑性變形能力。但由于實際地震作用具有很大的不確定性,同時框架柱作為結(jié)構體系中重要的豎向承重構件,其脆性破壞將造成嚴重的后果,因此框架柱仍應滿足基本的抗震配箍構造要求。根據(jù)上述分析結(jié)果,本文框架算例中角柱的柱梁承載力比在1.8～2.3之間,高于新《抗規(guī)》中一級框架的柱端彎矩增大系數(shù)ηc;中柱在1.2～1.4之間,與新《抗規(guī)》中二、三級框架的柱端彎矩增大系數(shù)ηc取值范圍相近。與GB50011—2001《建筑抗震設計規(guī)范》(以下簡稱“舊《抗規(guī)》”)相比,新《抗規(guī)》大幅提高了各級框架的柱端彎矩增大系數(shù)ηc。本文框架算例的柱梁承載力比與新《抗規(guī)》更加接近。但應注意到,在同一個框架結(jié)構內(nèi),按本文方法得到的不同部位的柱梁承載力比并不相同。4.5u3000地震反應記錄在上述設計流程中,等效線性化法在給出所設計結(jié)構的預期損傷部位和非預期損傷部位抗震承載能力和變形能力需求的同時,也給出了結(jié)構在罕遇地震作用下的峰值響應。對于一般建筑結(jié)構,不必再進行額外的抗震性能驗算。但為了檢驗上述設計結(jié)果的合理性,下面采用動力彈塑性分析比較上述設計的框架結(jié)構(本文框架)與按照舊《抗規(guī)》設計的框架結(jié)構(規(guī)范框架)的地震響應。采用的地震動記錄是按照以下原則從美國PEER/NGA數(shù)據(jù)庫和中國強震臺網(wǎng)中心(CSMNC)在2008年汶川地震中得到的共計3000余條強震記錄中挑選得到的:①地震震級M>6.5;②斷層距大于10km;③PGA大于0.2g,PGV大于15cm/s;④30m土層平均剪切波速介于200～500m/s之間;⑤記錄的有效周期至少達到6s;⑥同一地震最多只取1條記錄,當同一地震事件中記錄到的地震波有不止1條符合其他所有條件時,選取PGV最大的1條;⑦儀器位于自由場地或小型建筑物的地面層。表2列出了所選地震動記錄的基本信息。在進行動力彈塑性分析時,統(tǒng)一將這些地震動記錄調(diào)幅至PGV=50cm/s,大致相當于我國的8度抗震設防地區(qū)的罕遇地震水平。采用ABAQUS6.7進行動力彈塑性分析,分析中考慮了幾何非線性效應。框架梁、柱采用纖維梁模型,鋼筋與混凝土的單軸滯回本構模型考慮了鋼筋混凝土構件在往復荷載作用下的剛度與承載力退化行為。文獻詳細介紹了該數(shù)值模型,并通過與大量試驗數(shù)據(jù)的比較,驗證了該模型的準確性。“本文框架”與“規(guī)范框架”的梁、柱構件截面尺寸均相同,與“規(guī)范框架”相比,“本文框架”的總縱筋用量增加了19.4%,其中框架柱的縱筋用量增加了33.6%,框架梁增加了7.5%。圖