配筋砌體結(jié)構(gòu)地震危險性評價初探

1、配筋砌體結(jié)構(gòu)地震危險性評價方法初探哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 于德湖 王煥定摘要：本文首先簡要介紹了考慮空間協(xié)同的配筋砌體結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析程序（EDAPCSC）；然后提出了一種利用空間協(xié)同時程分析結(jié)果，對配筋砌體結(jié)構(gòu)抗震危險性進(jìn)行定量評價的方法；并以上海園南小區(qū)住宅樓為例進(jìn)行了地震危險性分析，說明本文提出的抗震危險性評價方法是可行和合理的；另外作者還對設(shè)計人員提出了提高結(jié)構(gòu)抗震安全性的建議。關(guān)鍵詞：配筋砌體結(jié)構(gòu)；地震危險性評價方法；空間協(xié)同；彈塑性；時程分析1 概述隨著我國配筋砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)用的日益增多，有關(guān)學(xué)者開始了配筋砌體結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)特性研究，并取得了初步的成果。謝小軍1分別采

2、用層剪切型和層彎剪模型編制了程序并對上海園南住宅進(jìn)行了對比計算。姜洪斌5采用退化彎剪型三線性恢復(fù)力模型，對該住宅在不同地震烈度、不同地震波作用下的地震反應(yīng)進(jìn)行了分析，判斷了在不同地震烈度下工程的最終破壞情況。王煥定2等提出了配筋砌體結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析程序編制過程中遇到的一些問題并給出了解決方案。這些研究都采用了層模型，為了深入研究配筋砌體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下的工作性態(tài)，筆者編制了配筋砌體結(jié)構(gòu)考慮空間協(xié)同的彈塑性地震反應(yīng)分析程序（EDAPCSC）。在擁有了計算工具后，如何利用其計算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能（即地震危險性）評價就成為我們面臨的一個主要問題。本文首先簡要介紹了考慮空間協(xié)同的配筋砌體結(jié)構(gòu)彈

3、塑性地震反應(yīng)分析程序（EDAPCSC）的實現(xiàn)方法，然后提出了一種利用該程序計算結(jié)果，對砌體結(jié)構(gòu)地震危險性進(jìn)行定量評價的方法，并對上海園南小區(qū)住宅樓進(jìn)行了地震危險性分析，得出了一些初步結(jié)論。2 計算程序（EDAPCSC）簡介2.1 計算模型假設(shè)1）樓板在平面剛度無窮大,因此每一樓層只發(fā)生在平面剛體平動和轉(zhuǎn)動.2）樓層的質(zhì)量集中于樓板處,抗側(cè)力墻片只提供在平面剛度，忽略墻片的出平面剛度。但是，斜方向墻片的影響通過轉(zhuǎn)軸給于了考慮。3）當(dāng)墻片具有大的門窗孔時，簡化認(rèn)為門窗剩余部分墻體對剛度的影響可以忽略，也即認(rèn)為門窗“頂天立地”。4）墻片的恢復(fù)力模型采用退化三線性模型，其骨架曲線采用歸一化的骨架曲線1

4、、52.2 幾個具體問題的處理1） 墻片恢復(fù)力骨架曲線上的特征點求法由于歸一化的三線性骨架曲線，坐標(biāo)值是以比值形式給出的，在具體應(yīng)用時需首先確定兩個參數(shù)：彈性剛度2和極限剪力3 。2）墻片破壞形式的判別由于對于彎剪型和剪切型破壞的構(gòu)件的骨架曲線的特征點不同，經(jīng)分析當(dāng)>1時按彎剪型破壞計算，當(dāng)<1時按剪切型計算，為墻片高度，為墻片橫截面高度。3）運動方程與塑性力項的確定結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，第n次剛度改變后的運動方程簡寫為： （1）其中： = （2）為第n次剛度改變引起的不平衡項，表示第n次剛度變化后的剛度矩陣，發(fā)生第n次剛度變化時的層間位移向量；就是每一次剛度改變時當(dāng)前運動方程的塑性

5、力項，它等于各次剛度變化引起的不平衡項的總和，在進(jìn)行時程分析時，每一次剛度變化引起的不平衡項由（2）式得到，總的塑性力項即可通過累加求出。4）數(shù)值積分方法采用高階單步法4進(jìn)行非線性地震反應(yīng)的時程分析計算。5）破壞的判斷及處理墻片的側(cè)向位移大于破壞位移時，認(rèn)為墻片破壞，喪失抗側(cè)移能力，將其剛度定義為0，更新剛度矩陣后，繼續(xù)進(jìn)行計算。當(dāng)某層某一方向所有墻片都破壞后，計算停止。6）拐點處理的簡化“改變時間”，然后按此“改變時間”同時處理本時間步內(nèi)發(fā)生拐點的所有墻片，并強(qiáng)行計算至本時間段的末尾，再進(jìn)行下次逐步積分，這樣做大大減小了計算時間。3 配筋砌體結(jié)構(gòu)地震危險性評價方法結(jié)構(gòu)的危險性是由最危險樓層的

6、危險性決定的，而某一樓層的危險性又取決于該層中各墻片的危險性。我們的基本思路是：根據(jù)同一樓層中各墻片的狀態(tài)確定該樓層的破壞程度，進(jìn)而評價整個結(jié)構(gòu)的地震危險性。3.1 墻片危險性定義定義墻片危險性系數(shù)是定義樓層危險性的前提，針對目前采用的三線性骨架曲線，把處于不同狀態(tài)的墻片的危險性系數(shù)分別定義為：彈性：=0，開裂：=0.5，退化：=1，破壞：=2。3.2 樓層危險性系數(shù)的定義定義樓層的危險系數(shù)如下：= = （1）其中：是所計算樓層中片墻的危險系數(shù)；是表示某一片墻對該樓層抗側(cè)承載力的貢獻(xiàn)的權(quán)數(shù)；是計算樓層中第片墻的極限抗剪承載力；是所計算樓層的危險系數(shù)；N是該樓層中計算方向的墻片總數(shù)。這樣我們就可

7、以通過樓層中各墻片的狀態(tài)及它對結(jié)構(gòu)抗側(cè)承載力的貢獻(xiàn)，確定結(jié)構(gòu)的危險程度，即我們將采用樓層承載力喪失的多少來描述樓層危險程度的大小。3.3 結(jié)構(gòu)危險程度的定量表述為了能夠定量評價結(jié)構(gòu)在地震作用后的危險（破壞）程度，按照樓層危險系數(shù)的大小定義結(jié)構(gòu)單向承受地震作用的危險程度如表-1表-1 樓層危險程度與危險系數(shù)樓層危險程度樓層危險系數(shù)完好（安全）破壞（危險）一級破壞0. 5二級破壞三級破壞1四級破壞1表中破壞等級的劃分參照了“工業(yè)廠房可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)（GBJ144-90）”中關(guān)于單元的評定等級。結(jié)構(gòu)完好指大部分墻片屬于彈性段；一級破壞（略有破壞）是指大部分墻片屬于開裂段，結(jié)構(gòu)仍滿足正常使用；二級破壞（

8、輕微破壞）是指大部分墻片已經(jīng)進(jìn)入開裂段，同時有少量墻片達(dá)到極限抗剪承載力（樓層危險系數(shù)達(dá)到0.75表示有一半承載力的墻片進(jìn)入下降段而仍有一半為彈性段），結(jié)構(gòu)經(jīng)小量修補(bǔ)仍可滿足使用要求；三級破壞（破壞）大部分墻片達(dá)到極限抗剪承載力（樓層危險系數(shù)等于表示所有的墻片都進(jìn)入下降段，或大部分墻片在開裂段，小部分墻片發(fā)生倒塌），結(jié)構(gòu)有較大的殘留塑性變形，經(jīng)大量補(bǔ)強(qiáng)后才能繼續(xù)使用；四級破壞（嚴(yán)重破壞），此時大部分墻片已經(jīng)進(jìn)入下降段，有些墻片已開始喪失側(cè)向承載力，面臨房倒屋塌的危險。這樣利用前述的彈塑性地震反應(yīng)分析程序，得到大震后樓層中各墻片的狀態(tài)后，按照上述系數(shù)就可以量化評價結(jié)構(gòu)的地震危險性。4 地震危險性

9、評價實例4.1 工程簡介上海園南小區(qū)配筋砌體住宅樓主體結(jié)構(gòu)18層，加2層設(shè)備層共20層，其中第2層和19層處平面圖有變化，標(biāo)準(zhǔn)層2-18層結(jié)構(gòu)平面圖可參考圖-3；采用190小型混凝土砌塊，5層以下采用砌塊強(qiáng)度為Mu20，其他樓層采用Mu15，本文中x是圖中水平方向（自左向右），y向是鉛垂方向（自下向上），可見該結(jié)構(gòu)在x向略有剛度偏心，y向則基本對稱。4.2 時程分析結(jié)果與地震危險性評價1） 結(jié)構(gòu)各層最大層間位移該地區(qū)設(shè)防烈度為7度，在進(jìn)行了7度大震下的時程分析后，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性不明顯，為了充分反映結(jié)構(gòu)的彈塑性特性，按照8度大震（峰值加速度400gal）進(jìn)行時程分析，采用了7種分屬不同場地的

10、地震波，單向地震動輸入下，結(jié)構(gòu)各層最大層間位移見圖-1和圖-2?？梢钥闯霾煌牡卣饎虞斎胂陆Y(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的計算結(jié)果是不同的，對于結(jié)構(gòu)有剛度突變的樓層的層間位移有放大的現(xiàn)象，（如第2層、第18層和第19層是由于墻片數(shù)目的變化引起的剛度變化，第5層是材料強(qiáng)度等級變化引起的剛度變化，第9層是由于配筋數(shù)量的變化引起的剛度變化），而且有越靠近底部層間位移越大的一般規(guī)律，可以初步判定該建筑的危險樓層為第2層和第5層。2） 各墻片所處狀態(tài)8度大震天津（Tianjin）波作用下，兩個方向的單獨地震輸入的結(jié)構(gòu)5層各墻片狀態(tài)見圖-3和圖-4。3） 樓層的危險系數(shù)表-2 給出了天津波兩個方向的單獨地震輸入下，由程序

11、計算的各墻片狀態(tài)，按（1）計算的樓層的危險系數(shù)的對比，可以看出在兩個方向的地震動作用下，結(jié)構(gòu)的危險樓層都是第5層，其中y方向激勵的情況更加危險。若按照前面表-1關(guān)于破壞等級的定義，此時y方向5層已經(jīng)達(dá)到三級破壞，1、2層都是二級破壞階段。表-2 兩個方向遭受地震作用時的危險系數(shù)(天津波峰值加速度400gal)樓層X方向Y方向墻片數(shù)危險系數(shù)墻片數(shù)危險系數(shù)1546426069560694.3 分析1）由圖-1和圖-2知：在天津波的作用下2層的層間位移明顯大于1層，而按照本文提出的方法計算的樓層危險等級卻比1層低，可見結(jié)構(gòu)的危險程度不僅和地震反應(yīng)的絕對大小有關(guān)，還和結(jié)構(gòu)所能承受的極限反應(yīng)有關(guān)，即應(yīng)以

12、結(jié)構(gòu)反應(yīng)和其承受能力的比值來評價結(jié)構(gòu)的地震危險性，所以本文提出的方法是比較合理的。2）圖-3和圖-4可以看出在遭受地震作用時，該結(jié)構(gòu)各方向抗側(cè)力構(gòu)件中都是較寬大的構(gòu)件發(fā)生的破壞比較嚴(yán)重，這是由于這些構(gòu)件的骨架曲線特征位移較小，在相同的層間位移情況下，往往是它們首先發(fā)生損壞。而這些構(gòu)件往往提供主要的抗側(cè)承載力，所以，計算的地震危險系數(shù)較大?？梢栽O(shè)想，如果在設(shè)計時保證這些構(gòu)件不發(fā)生破壞或比其他構(gòu)件晚發(fā)生破壞，就能大大提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性?；诖?，建議在設(shè)計過程中考慮這一點，力求使次要的構(gòu)件首先進(jìn)入彈塑性，從而起到保護(hù)結(jié)構(gòu)抗側(cè)承載力的主要部分，提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。圖-3 x向地震輸入下結(jié)構(gòu)5層各墻

13、片的狀態(tài)圖-4 y向地震輸入時結(jié)構(gòu)5層墻片狀態(tài)(圖中數(shù)字代表：0：彈性階段；1：開裂階段；2：下降段；3：破壞階段)5 結(jié)論本文提出由墻片彈塑性狀態(tài)確定樓層危險性系數(shù)，進(jìn)而提出對結(jié)構(gòu)抗震危險性進(jìn)行評價的方法，給出了結(jié)構(gòu)危險性評價的參考標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)地震危險性的定量評價。利用配筋砌體空間協(xié)同彈塑性分析程序，對一具體工程實例所進(jìn)行的分析表明，用本文方法進(jìn)行計算是可行的，采用結(jié)構(gòu)抗側(cè)承載力的喪失程度來描述結(jié)構(gòu)的抗震危險程度，這一思路是合理的。從初步分析可知，在遭受地震作用時，結(jié)構(gòu)中往往是提供主要抗側(cè)承載力的構(gòu)件首先發(fā)生破壞，根據(jù)這一現(xiàn)象，作者提出了在設(shè)計過程中應(yīng)力求使一些次要的構(gòu)件首先發(fā)生破壞，從而保留了結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)承載力，這一思路應(yīng)該可以提高