基于IDA的某秀场倒塌模式分析

2022-05-24杨德圣

工程建设与设计 2022年8期

杨德圣

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

1 引言

随着现代化城市的高速发展，城市人口密集程度的提升，导致近年来发生的汶川地震、玉树地震等工程灾害造成的损失非常惨重。在强烈地震作用下，钢筋混凝土框架结构的倒塌和破坏造成的人员伤亡以及经济损失已经得到了证明。因此，研究和分析建筑物在地震作用下的破坏模式有十分重要的工程意义和理论研究价值。

结构在地震作用下的倒塌过程模拟技术发展迅速，其中，基于增量动力分析法[1]（Incremental Dynamic Analysis，IDA）进行倒塌易损性分析已经在结构抗震性能评价中得到广泛的应用。该方法是基于大量的地震动输入的弹塑性时程分析法，通过对结构输入一组逐渐增强的地震波数据至结构发生倒塌或失去承载能力。文献[2]～[8]已对结构倒塌过程及提高抗震性能展开了详细的研究，证明IDA分析法可对结构抗震性能做出全面且真实的评价，且具有较高的准确性和可靠性。

2 基于IDA的结构地震易损性分析

2.1 分析流程

选取一定数量的地震动数据进行IDA分析，可以全面、深入地反映结构在不断增强的地震动作用下的抗震性能变化趋势，可以得知结构在某1条地震波作用下倒塌时的峰值加速度（PGA）。其流程如下：

1）建立能够准确模拟结构地震动特性的建筑物模型；

2）确定合理的地震动强度参数和结构倒塌判定依据；

3）确定调幅原则和调幅增长步长，通过一系列的调幅系数对地震动记录进行调整，得到一系列不同强度的地震动记录；

4）用调幅后的地震动记录对结构进行非线性时程分析至结构倒塌。

2.2 地震波选取

IDA分析需要选取一定数量的地震波，本文旨在研究结构地震倒塌过程，拟选取2条具有代表性的地震波进行分析。从美国FEMA P965报告中建议的22条远场地震动记录中选取Kocaeli Turkey波及常用的El-Centro波。

2.3 结构倒塌的判定依据

由于结构倒塌呈现的是一个复杂的非线性动力过程，结构临界倒塌时塑性铰数量慢慢增多，结构变形程度越来越大，结构塑性铰发展到一定程度时，结构出现瞬间倒塌。以往计算手段不够先进，一般认为层间位移角超过1/50时会导致结构倒塌，然而这种判定依据的不科学性慢慢被认知，以中美两国为代表的规范对结构极限层间位移角的规定相差甚大。

随着科技的进步，数值分析的手段得到了飞速的发展，先进的有限元分析软件通过输入相应的材料属性、几何尺寸、边界条件、荷载条件等，可以准确模拟结构倒塌的非线性过程。查阅相关文献得知，以“结构丧失竖向承载力而不能维持保障人员安全的生存空间”为结构倒塌的物理定义，结构进入倒塌阶段后，塑性铰出现并发展，位移会不断增大至结构破坏、倒塌。在本文的计算分析中，以结构构件竖向位移超过1/3层高为结构倒塌的判定依据。

3 结构倒塌过程分析

本文以某秀场为结构倒塌分析的算例。该秀场设计使用年限为50 a，基本雪压为0.4 kN/m2（按100 a重现期考虑），建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7（0.1g）度，设计分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，设计特征周期0.35 s，框架抗震等级为一级。该秀场地下1层，地上4层，自地下室至屋顶层高分别为5.7 m、5.4 m、6.00 m、5.4 m、5.4 m，3层屋顶及屋顶层有2处大跨度双向钢桁架，跨度分别40 m、50 m[13]。3层屋顶的钢桁架顶部为室外运动场地，桁架下部为空间要求较高的篮球训练场地；屋顶桁架的顶部为轻屋面，下弦为放置灯光、音响、舞台机械等附属设施的工作面，并设置供工作人员在高空行走和工作的马道。为满足造型要求、减少悬挑长度，前后场及结构两侧设置斜柱，斜柱不仅满足受力要求，也要满足混凝土梁锚固要求。

该秀场存在楼板不连续、扭转不规则、局部斜柱和转换的情况，属于特别不规则建筑。依据文献[9]～[12]，结构设计过程中采取了对结构关键部位采取了性能化设计，多遇地震按弹性设计，设防地震按照抗剪弹性、抗弯不屈服设计，罕遇地震按照反应谱法及弹性时程分析法抗剪不屈服、抗弯不丧失承载力设计。本结构在计算和构造上采取了一系列措施，经YJK及Midas Gen分析对比，整体指标满足规范要求，结构具有良好的抗震性能；对两处大跨度钢桁架也进行了杆件应力分析及整体挠度的计算，也能满足规范要求。

满足设计需求后，为继续研究该秀场结构的抗震性能，本文采用有限元分析软件Midas Gen对计算模型输入X轴方向的地震波，以IDA分析为手段找到结构倒塌模式。

如图1所示，结构在Kocaeli Turkey波作用下，倒塌最开始出现在结构屋顶层左侧斜柱外的悬挑位置，混凝土局部压碎，损坏后的结构、构件开始垂直坠落，然后是斜柱内侧的大跨度位置出现破坏，接着，4层、3层悬挑位置的梁板分别出现破坏及倒塌，最后，4层框架柱塑性铰发展至破坏，且角柱呈现的震害大于内侧柱；结构开始是整体晃动，位移等宏观损伤逐渐积累，随后结构出现梁板等构件的解体、分离、跌落，随着地震波的继续加载，倒塌过程不再呈现整体性运动，梁板等构件开始无规律运动；梁板等构件的跌落堆积，从结构逐渐解体发展到结构丧失竖向承载力，人员安全生存的空间难以得到保障。输入El-Centro波后，结构呈现的倒塌顺序基本一致（见图2），但是变形和破坏的程度有所差异，这与输入的地震动不确定性有关。

图1 Kocaeli Turkey波作用下的倒塌模式

图2 El-Centro波作用下的倒塌模式

从两种地震动作用下的破坏模式可以看出，悬挑、大跨度部位为结构的薄弱位置，结构设计时应对关键部位采取加强措施，避免结构的薄弱位置过早破坏，着重考虑如何充分发挥结构整体的抗震能力。设计时对结构进行了性能化设计，加强了斜柱、钢桁架支撑柱、屋盖钢结构支撑柱的配筋及构造措施，这些位置并未最先出现塑性铰而成为薄弱位置，体现了“强柱弱梁”的设计理念。由于钢桁架延性及整体性较好，并未提前出现塑性铰。在进行倒塌分析时，顶层框架柱出现塑性铰时间早于较低层柱，顶层累加的塑性变形也更大，顶层参与抵抗地震作用的构件也越多，消散的地震力也越多。