配筋砌體結構地震危險性評價初探

1、配筋砌體結構地震危險性評價方法初探哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院 于德湖 王煥定摘要：本文首先簡要介紹了考慮空間協(xié)同的配筋砌體結構彈塑性地震反應分析程序（EDAPCSC）；然后提出了一種利用空間協(xié)同時程分析結果，對配筋砌體結構抗震危險性進行定量評價的方法；并以上海園南小區(qū)住宅樓為例進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；另外作者還對設計人員提出了提高結構抗震安全性的建議。關鍵詞：配筋砌體結構；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構應用的日益增多，有關學者開始了配筋砌體結構的彈塑性地震反應特性研究，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行了對比計算。姜洪斌5采用退化彎剪型三線性恢復力模型，對該住宅在不同地震烈度、不同地震波作用下的地震反應進行了分析，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構彈塑性地震反應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構在強烈地震作用下的工作性態(tài)，筆者編制了配筋砌體結構考慮空間協(xié)同的彈塑性地震反應分析程序（EDAPCSC）。在擁有了計算工具后，如何利用其計算結果進行結構性能（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)同的配筋砌體結構彈

3、塑性地震反應分析程序（EDAPCSC）的實現(xiàn)方法，然后提出了一種利用該程序計算結果，對砌體結構地震危險性進行定量評價的方法，并對上海園南小區(qū)住宅樓進行了地震危險性分析，得出了一些初步結論。2 計算程序（EDAPCSC）簡介2.1 計算模型假設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動.2）樓層的質量集中于樓板處,抗側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軸給于了考慮。3）當墻片具有大的門窗孔時，簡化認為門窗剩余部分墻體對剛度的影響可以忽略，也即認為門窗“頂天立地”。4）墻片的恢復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，坐標值是以比值形式給出的，在具體應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件的骨架曲線的特征點不同，經(jīng)分析當>1時按彎剪型破壞計算，當<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構進入彈塑性階段，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進行非線性地震反應的時程分析計算。5）破壞的判斷及處理墻片的側向位移大于破壞位移時，認為墻片破壞，喪失抗側移能力，將其剛度定義為0，更新剛度矩陣后，繼續(xù)進行計算。當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發(fā)生拐點的所有墻片，并強行計算至本時間段的末尾，再進行下次逐步積分，這樣做大大減小了計算時間。3 配筋砌體結構地震危險性評價方法結構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，進而評價整個結構的地震危險性。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承載力的貢獻的權數(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)及它對結構抗側承載力的貢獻，確定結構的危險程度，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 結構危險程度的定量表述為了能夠定量評價結構在地震作用后的危險（破壞）程度，按照樓層危險系數(shù)的大小定義結構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)廠房可靠性鑒定標準（GBJ144-90）”中關于單元的評定等級。結構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，結構仍滿足正常使用；二級破壞（

8、輕微破壞）是指大部分墻片已經(jīng)進入開裂段，同時有少量墻片達到極限抗剪承載力（樓層危險系數(shù)達到0.75表示有一半承載力的墻片進入下降段而仍有一半為彈性段），結構經(jīng)小量修補仍可滿足使用要求；三級破壞（破壞）大部分墻片達到極限抗剪承載力（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），結構有較大的殘留塑性變形，經(jīng)大量補強后才能繼續(xù)使用；四級破壞（嚴重破壞），此時大部分墻片已經(jīng)進入下降段，有些墻片已開始喪失側向承載力，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)就可以量化評價結構的地震危險性。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構18層，加2層設備層共20層，其中第2層和19層處平面圖有變化，標準層2-18層結構平面圖可參考圖-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），可見該結構在x向略有剛度偏心，y向則基本對稱。4.2 時程分析結果與地震危險性評價1） 結構各層最大層間位移該地區(qū)設防烈度為7度，在進行了7度大震下的時程分析后，發(fā)現(xiàn)結構發(fā)生彈塑性不明顯，為了充分反映結構的彈塑性特性，按照8度大震（峰值加速度400gal）進行時程分析，采用了7種分屬不同場地的

10、地震波，單向地震動輸入下，結構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構的地震反應的計算結果是不同的，對于結構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構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，結構的危險樓層都是第5層，其中y方向激勵的情況更加危險。若按照前面表-1關于破壞等級的定義，此時y方向5層已經(jīng)達到三級破壞，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，可見結構的危險程度不僅和地震反應的絕對大小有關，還和結構所能承受的極限反應有關，即應以

12、結構反應和其承受能力的比值來評價結構的地震危險性，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，該結構各方向抗側力構件中都是較寬大的構件發(fā)生的破壞比較嚴重，這是由于這些構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。而這些構件往往提供主要的抗側承載力，所以，計算的地震危險系數(shù)較大?？梢栽O想，如果在設計時保證這些構件不發(fā)生破壞或比其他構件晚發(fā)生破壞，就能大大提高結構的抗震安全性。基于此，建議在設計過程中考慮這一點，力求使次要的構件首先進入彈塑性，從而起到保護結構抗側承載力的主要部分，提高結構的抗震安全性。圖-3 x向地震輸入下結構5層各墻

13、片的狀態(tài)圖-4 y向地震輸入時結構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)，進而提出對結構抗震危險性進行評價的方法，給出了結構危險性評價的參考標準，實現(xiàn)了對結構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行的分析表明，用本文方法進行計算是可行的，采用結構抗側承載力的喪失程度來描述結構的抗震危險程度，這一思路是合理的。從初步分析可知，在遭受地震作用時，結構中往往是提供主要抗側承載力的構件首先發(fā)生破壞，根據(jù)這一現(xiàn)象，作者提出了在設計過程中應力求使一些次要的構件首先發(fā)生破壞，從而保留了結構的主要抗側承載力，這一思路應該可以提高