低层钢筋混凝土结构采取简易支撑后的抗震性能研究

2022-12-13许扬欢

建材与装饰 2022年36期

许扬欢

（广东省电信规划设计院有限公司，广东广州 510630）

0 引言

地震的研究一直是工程界关注的焦点之一，因为地震中造成破坏的主要原因是建筑物和构筑物的破坏和倒塌。中国的调查数据表明，建筑和结构的倒塌在很大程度上是由于设计缺陷、施工不当造成的。由于上述问题导致大量建筑结构面临风险，尤其是在发展中国家的农村地区。在落后国家的工程实践中也存在租赁通信数据机房的难题，房屋抗震性能堪忧。研究方案建立两个钢筋混凝土框架结构来研究一种典型的支撑方案，该方案使用额外的支撑设备从外部支撑建筑物，如图1所示。这两种结构都是常见的钢筋混凝土框架结构类型。通过对结构动力响应和倒塌安全性的评估，来评估附加装置对提高结构抗震能力的影响。本研究中采用的支撑形式为钢结构。采用OpenSEES中的非线性梁柱单元模拟结构在大变形下的非线性响应。采用增量动力弹塑性分析（IDA）方法，对从PEER中选取的受地震动影响的原型模型进行非线性结构分析。倒塌临界点是根据FEMA在IDA曲线上推荐的强度测量规则定义的。采用倒塌概率表示地震强度的函数。

1 结构建模

两个低层钢筋混凝土框架结构在平面内和立面上都是规则的。自钢筋混凝土框架结构使用以来，这种结构得到了广泛的推广和应用。提取结构的中间框架作为结构模型，柱、梁的尺寸和配筋也如图1所示。构建框架有限元模型时，假定柱的非线性性能集中在距离端部400mm的塑性铰中，而梁的非线性性能随单元分布。利用OpenSEES中的beamwithhinge单元，每个柱单元都由一个弹性区域和两个塑性铰区域串联。在本研究中，截面分析是基于目前广泛采用的Mander约束混凝土本构模型。

本研究分析了原2层建筑（sub2）、有支撑的2层建筑（sub2T）、原4层建筑（sub4）、有支撑的4层建筑（sub4T）四个案例。本研究采用钢构件为支撑构件，如图1所示，在欠发达地区也可考虑采用木杆，价格低且具有良好的力学性能。斜杆与水平地面的夹角为60°。

2 方法

非线性分析采用增量动力弹塑性分析（IDA）。在本研究中，选取第一振型[Sa（T1；5%）]的动力加速度（ξ=5%，阻尼比）表示IM，最大层间位移比表示DM。通常，倒塌临界点为IDA曲线变平的点[1]。本文提出的判断抗倒塌性能的规则是基于IM和DM这两个参数的，即临界点是基于IM和DM来得到的。基于IM的规则将临界点定义为曲线上的最后一个点，其切线斜率等于弹性斜率λ（λ<1，联邦紧急事务管理局建议取20%）[2]。基于DM的规则将临界点定义为临界DM值曲线上的点，即本研究中最大层间位移比达到0.01的情况。

结构倒塌概率采用对数正态累积分布函数拟合[3]。

式中：P（C|IM=x）——IM=x的地震导致结构倒塌的概率；φ（）——标准正态累积分布函数（CDF），θ——脆性函数的中值（倒塌概率为50%的IM水平）；β——lnIM的标准偏差。利用结构分析结果对倒塌脆性函数参数进行估计，得到结构的倒塌脆性函数，可以确定结构的倒塌概率。

钢筋混凝土构件的损伤指标采用Park-Ang损伤模型，其函数如式（2）所示[4]。

式中：θm——最大曲率；θr——屈服曲率；θu——最终曲率；Eh——能量消耗；My——屈服力矩；β——能量耗散系数。损伤等级由损伤指数的值来定义[5]。当损伤指数DI为0.11~0.4时，认为结构为轻度损伤；当DI为0.4~0.77时，认为结构为中度损伤；当DI大于0.77时，认为结构将会倒塌。

3 地震动记录

本研究选取了10次6.5级以上地震事件中的20条地震动记录进行非线性结构分析。矩震级Mw从6.2至7.6。所有记录均为在离地30m的表层土采集的高平均剪切波速（250m/s以上）的场地记录。将地震记录的振幅根据第一振动周期的加速度Sa（T1；5%）进行放大，直到倒塌发生。

4 地震性能和倒塌概率

分析了不同地震加速度下结构的地震反应，以探讨不同支撑方案对结构抗震性能的影响。本研究选取了三种不同的地震加速度Sa（T1）=0.1g、0.2g、0.4g，图2、图3显示了两种不同地震加速度下各楼层最大层间位移比（θmax）的平均值。Sa（T1）=0.2g的曲线与0.1g曲线十分相似，2层框架1、2层θmax明显减小，支护方案可以有效降低2层钢筋混凝土框架结构的地震反应。4层钢筋混凝土框架可以观察到，1、2层的地震反应明显减小，而最上面两层则没有，仅仅略微减小。

图2 Sa(T1)=0.2g地震荷载作用下的地震响应

当Sa（T1）=0.4g时，4层框架只有第1层的θmax减少，而其他层的θmax增加。由图3b可以看出，sub4的最大层间位移比为1.6%，出现在1楼。但sub4T的最大层间位移比为1.1%，出现在2楼。这些事实表明，该支撑方案虽不能保证降低各层的最大层间位移比，但降低了整栋建筑的最大层间位移比。

图3 Sa(T1)=0.4g地震荷载作用下的地震响应

图4 给出了不同情况下的倒塌损伤曲线。可以看到，在有支撑的情况下结构具有较低的倒塌概率。结果表明支撑可以降低结构的倒塌概率。

图4 倒塌损伤曲线

5 震害分析

本文研究附加支撑措施对地震结构损伤的影响，并分析了损伤指数。sub2与sub2T在Sa（T1）=0.1g、0.2g的地震加速度下均损伤极小，表1统计了Sa（T1）=0.4g的情况（仅列出损伤指数＞0.77的地震），给出了sub2和sub2T两种情况在不同地震烈度下各层的损伤指标，可以看出sub2T的损伤要小于sub2的损伤。数据表明，未加支撑的两层钢筋混凝土结构在20次地震中，1层倒塌4次，2层倒塌2次。当1楼有额外的支撑时，在这些情况下不会发生倒塌。

表1 各层在不同地震烈度下的损伤指数

sub4在Sa（T1）=0.1g的地震加速度下，有2次地震全楼层倒塌，加支撑后sub4T均未发生倒塌，仅在其中1次地震中2、3楼出现中等损伤。表2和表3统计了Sa（T1）=0.2g、0.4g的情况（列出有代表性的6次地震），给出了不同地震烈度下（sub4和sub4T）两种情况下各层的损伤指数，也可以看出sub4T的损伤明显低于sub4。通常来说，1层的损伤减少最显著。我们可以观察到4层结构的薄弱层由1楼变为2楼，是其中损伤指数变化最大的一层。