鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)地震易損性研究的關(guān)鍵問(wèn)題

摘 要:鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國(guó)高烈度區(qū)逐漸得到廣泛的應(yīng)用，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其地震易損性研究很少。在分析總結(jié)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)地震易損性研究的基礎(chǔ)上，闡述了組合結(jié)構(gòu)地震易損性研究中亟待解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，這些問(wèn)題的研究和解決將對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的地震易損性的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:組合結(jié)構(gòu) 地震易損性 彈塑性模型 性能水平

中圖分類號(hào):TU398+.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(a)-0111-01

地震是自然界中危害最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，是影響城市安全的重要災(zāi)種。據(jù)世界主要地震資料統(tǒng)計(jì)，世界上130多次傷亡巨大的地震中，95%以上的人員傷亡是由于建筑物倒塌所致[1-2]。

結(jié)構(gòu)在高于設(shè)防烈度的地震作用下的破壞狀態(tài)如何，很難通過(guò)確定性的方法給出準(zhǔn)確的評(píng)估，因此對(duì)地震災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析已成為當(dāng)前工程中主要的防災(zāi)減災(zāi)措施。

1 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)地震易損性研究的意義

地震災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)分析主要包括地震危險(xiǎn)性分析、地震易損性分析和地震災(zāi)害損失估計(jì)三個(gè)方面。其中地震易損性分析，從概率意義上刻畫了不同強(qiáng)度地震下結(jié)構(gòu)完成預(yù)定目標(biāo)性能的能力。

隨著鋼-混凝土組合梁或組合柱作為主要受力構(gòu)件的組合結(jié)構(gòu)體系逐漸在我國(guó)的高烈度區(qū)開始應(yīng)用，如何確保這種新型的結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的安全性是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。除了通過(guò)試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬等手段研究該組合體系在地震下的受力機(jī)理和破壞狀態(tài)外，進(jìn)行易損性研究也具有重要意義，具體體現(xiàn)在幾個(gè)方面:(1)評(píng)價(jià)地震對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞，以便于采取措施，使結(jié)構(gòu)的破壞程度和經(jīng)濟(jì)損失控制在設(shè)計(jì)預(yù)期的范圍之內(nèi);(2)基于結(jié)構(gòu)的易損性曲線可以對(duì)設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的易損性研究為該方法的實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù);(3)基于易損性分析結(jié)果，給出單體結(jié)構(gòu)的震害預(yù)測(cè)方法。

2 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)地震易損性研究中的關(guān)鍵問(wèn)題

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)型式，國(guó)內(nèi)對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的地震易損性研究很少[3]，有許多問(wèn)題需要研究，其中，以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。

2.1 合理的組合構(gòu)件及結(jié)構(gòu)彈塑性分析模型

分析方法獲得鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)地震易損性曲線時(shí)，需要采用數(shù)值模擬的方法對(duì)結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度等級(jí)地震作用下的抗震性能和反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下會(huì)達(dá)到強(qiáng)非線性狀態(tài)甚至倒塌，因此需要建立正確反映結(jié)構(gòu)彈塑性承載性能的有限元模型。對(duì)于鋼管混凝土彈性性能方面，目前主要集中于構(gòu)件三種截面剛度(軸壓剛度、彎曲剛度和剪切剛度)計(jì)算方法的研究，但是各國(guó)規(guī)范建議的鋼管混凝土截面彎曲剛度的計(jì)算公式離散較大;非線性性能方面，雖然建議了彎矩-曲率骨架曲線模型，但骨架曲線關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算方法存在著差異，給出的承載力下降段變化不盡合理，而承載力極限后性能對(duì)結(jié)構(gòu)的災(zāi)害反應(yīng)影響較大。這些因素直接影響了對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的模擬。

對(duì)于鋼-混凝土組合構(gòu)件，構(gòu)件屈服后，平截面假定不再適用，雖然采用能反映粘結(jié)滑移的細(xì)分有限元法可以較好的對(duì)組合構(gòu)件的破壞過(guò)程進(jìn)行研究。但是細(xì)分有限元法只適用于構(gòu)件或較小規(guī)模結(jié)構(gòu)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體非線性分析，細(xì)分有限元法計(jì)算工作量大，是不適用的。因此在已有鋼-混凝土組合構(gòu)件試驗(yàn)和理論研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析和大量的參數(shù)分析，提出適用于結(jié)構(gòu)整體非線性分析的組合構(gòu)件的彈塑性分析模型的簡(jiǎn)化確定方法是必要的。已有的試驗(yàn)結(jié)果也可以對(duì)彈塑性模型進(jìn)行驗(yàn)證，為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的彈塑性動(dòng)力反應(yīng)分析和整體地震易損性分析提供必要的準(zhǔn)備。

2.2 常見鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)性能水平限值的確定方法

要獲得基于性能的地震易損性曲線，對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估，首先需要合理定義結(jié)構(gòu)的性能水平。ACT40[4]定義結(jié)構(gòu)性能水平的劃分為立即使用、生命安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定三個(gè)水平;我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]定義結(jié)構(gòu)性能水平為:性能1、性能2、性能3和性能4。

結(jié)構(gòu)的性能水平是一種有限的破壞狀態(tài)，與不同強(qiáng)度地震下結(jié)構(gòu)期望的最大破壞程度相對(duì)應(yīng)。因此提出基于結(jié)構(gòu)極限破壞狀態(tài)的統(tǒng)一的性能水平的劃分方法，具有重要的科學(xué)意義。

結(jié)構(gòu)的抗震性能是結(jié)構(gòu)本身具有的抵抗外荷載效應(yīng)的一種能力，包括承載能力、變形能力等。當(dāng)采用一個(gè)物理量來(lái)定義結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)時(shí)，這個(gè)物理量必須能標(biāo)志結(jié)構(gòu)的抗震能力，稱為性能指標(biāo)。而對(duì)于鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)，目前尚無(wú)可以參考的研究成果，其受力和變形性能也不同于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，已有性能指標(biāo)和性能水平限值是否適用，都需要開展進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論

鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)作為繼鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)之后發(fā)展起來(lái)的一種重要結(jié)構(gòu)形式，地震安全性意義重大。而目前對(duì)其抗震性能及地震易損性研究尚不充分，因此對(duì)鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)作為后發(fā)展起來(lái)的一種重要結(jié)構(gòu)形式，開展地震易損性研究，提出實(shí)用的地震易損性分析方法，對(duì)該類結(jié)構(gòu)的震害預(yù)測(cè)、地震損失評(píng)估及抗震設(shè)計(jì)具有重要的科學(xué)意義。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)地震易損性分析的研究成果，提出了目前我國(guó)在該領(lǐng)域研究需要解決的幾個(gè)問(wèn)題，對(duì)該類結(jié)構(gòu)的地震易損性研究具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Anson M;Ko JM;Lam ESS.A conception of casualty control based seismic design for buildings. Advances in Building Technology，2002，VOLS I II， PROCEEDINGS:75-82.

[2]劉晶波，楊建國(guó)，杜義欣，等.國(guó)家地震緊急救援訓(xùn)練基地可控地震廢墟設(shè)計(jì)(I)—結(jié)構(gòu)地震破壞模式[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2006，15(2):149～156.

[3]劉晶波，劉陽(yáng)冰.基于性能的方鋼管混凝土框架地震易損性分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43(2):1～9.

[4]Applied Technology Council.ATC-40 Recommended methodology for seismic evaluation and retrofit of existing concrete building[S].Redwood City， California，1996.

[5]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2009.