李忠獻,王 虹,呂 楊,徐龍河
(1. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室,天津 300072;
2. 中國建筑設(shè)計研究院,北京 100044;3. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)
地震作用下,建筑結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱區(qū)域會先于其他部位出現(xiàn)損傷,如果受損部位的內(nèi)力和變形沒有被相鄰構(gòu)件分擔(dān),在持續(xù)的地震作用下,損傷將在薄弱部位積累和發(fā)展,致使構(gòu)件的抗震性能退化并最終失效,并且結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的失效破壞還可能造成整體結(jié)構(gòu)的倒塌,因此,整體結(jié)構(gòu)的抗震性能由結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱區(qū)域控制.若結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件的抗震性能相當,結(jié)構(gòu)不存在薄弱層或薄弱區(qū)域,則可以避免損傷在特定部位積累,結(jié)構(gòu)整體的抗震性能得到顯著提高,結(jié)構(gòu)材料強度等得到最大程度的利用.基于這種思想,Kim 等[1]通過優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的強度和剛度以達到結(jié)構(gòu)各層層間位移角相等的目的,其優(yōu)化方法的有效性通過數(shù)值算例進行了驗證,但結(jié)構(gòu)各層具有相同的層間位移角并不能保證結(jié)構(gòu)各層具有相同的抗震性能.因此,Hajirasouliha等[2]采用 Park-Ang雙參數(shù)損傷準則,分別基于質(zhì)量最輕和損傷最小兩種優(yōu)化方法對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,并提出一種多目標最優(yōu)的設(shè)計方法,結(jié)果表明所提出的方法能有效地降低造價、提高結(jié)構(gòu)抗震能力.呂楊[3]提出了一種以鋼框架結(jié)構(gòu)層為優(yōu)化對象的優(yōu)化方法,結(jié)果表明,該優(yōu)化方法能夠有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,且優(yōu)化后的鋼框架結(jié)構(gòu)用鋼量較初始結(jié)構(gòu)有顯著的減少.
筆者在文獻[3]的基礎(chǔ)上,提出一種以結(jié)構(gòu)柱為優(yōu)化對象的失效模式優(yōu)化方法,該方法以整體結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的約束方程和目標函數(shù),通過修正結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)如截面尺寸、配筋率或材料強度等達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體失效模式的目的.并以某 12層鋼筋混凝土框架的 Benchmark模型結(jié)構(gòu)為例,通過數(shù)值分析驗證了新方法的實用性和有效性.
結(jié)構(gòu)失效模式優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)損傷準則約束下,對結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的抗震性能進行迭代優(yōu)化,使結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件具有相近的抗震性能.優(yōu)化方法需要定義結(jié)構(gòu)的損傷準則、目標函數(shù)和迭代過程.結(jié)構(gòu)損傷準則包括材料、構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu) 3個層次,材料層次的損傷準則通過鋼材和混凝土的損傷本構(gòu)模型定義.
Bonora等[4]基于連續(xù)性損傷力學(xué)提出了鋼材的彈塑性損傷本構(gòu)模型,模型采用非線性損傷演化法則,能夠較好地模擬鋼材的強度、剛度退化以及失效斷裂過程,與已有試驗對比分析表明模型具有很高的模擬精度,其損傷發(fā)展的基本方程為
李忠獻等[5]結(jié)合經(jīng)典的彈塑性力學(xué)理論,將上述損傷模型進行修正提出單軸的 Bonora損傷本構(gòu)模型,并通過LS-DYNA程序的二次開發(fā)將模型植入到有限元主程序中.
Faria等[6]提出了一種混凝土的彈塑性損傷本構(gòu)模型,研究表明該模型參數(shù)少、標定簡單且計算效率高,適用于大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析,但其在模擬循環(huán)荷載作用下混凝土從壓到拉的剛度退化規(guī)律時效果欠佳.李正等[7]通過引入一個剛度影響因子來描述循環(huán)荷載作用下混凝土的單邊效應(yīng),修正了原模型的缺陷,并基于混凝土 Faria-Oliver多軸損傷本構(gòu)模型提出了適用于纖維單元模型的修正Faria-Oliver損傷本構(gòu)模型.模型的拉、壓損傷演化方程為
式中:A+、A-、B-為模型參數(shù);0r+、0r-為拉、壓損傷閾值的初始值.
采用纖維單元模型模擬地震作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的方法能夠以較低的計算成本獲得很高的求解精度,本文采用針對纖維單元模型定義的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)層以及整體結(jié)構(gòu)的損傷準則對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化.
將框架結(jié)構(gòu)按照柱構(gòu)件所處的位置、截面尺寸以及縱筋的配筋率等指標進行分類,并假定各類柱構(gòu)件的抗震性能相同.將框架結(jié)構(gòu)第j層第i類柱構(gòu)件的損傷指數(shù)定義為
采用式(4)得到柱構(gòu)件的損傷指數(shù)后,由于結(jié)構(gòu)每層各類柱以并聯(lián)的方式連接,將框架結(jié)構(gòu)層的損傷指數(shù)(damage index,DI)定義為該層各類柱構(gòu)件按照構(gòu)件重要性指數(shù)[8]的加權(quán)平均值,即
式中:jD為框架第j層損傷指數(shù);ijω為第j層第i類柱構(gòu)件的重要性系數(shù);,ijkfΔ為拆除結(jié)構(gòu)第j層第i類柱構(gòu)件中的任一柱構(gòu)件后,剩余結(jié)構(gòu)第k階頻率增量;fk為原始結(jié)構(gòu)第k階頻率.計算時,應(yīng)保證所取結(jié)構(gòu)頻率對應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量之和不小于結(jié)構(gòu)等效質(zhì)量的90%.
得到結(jié)構(gòu)各層的 DI后,由于整體結(jié)構(gòu)是由各層串聯(lián)形成,定義框架結(jié)構(gòu)整體的損傷指數(shù)gD為所有結(jié)構(gòu)層中所具有的最大損傷值,即
結(jié)構(gòu)的整體抗震性能由結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)控制,設(shè)想結(jié)構(gòu)各構(gòu)件具有相同的損傷值時,結(jié)構(gòu)不存在薄弱層或薄弱區(qū)域,具有最強的抗震性能,與此同時,結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的材料強度得以充分利用,在抗震性能優(yōu)化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)最低的建造成本.基于上述等損傷指標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)化目標是減小結(jié)構(gòu)各層各柱構(gòu)件之間損傷值的差異,進而使結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的抗震性能相當.
圖 1為結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程示意,其中圖 1(a)為初始結(jié)構(gòu),經(jīng)過損傷分析得到初始結(jié)構(gòu)第 m層第 n類柱構(gòu)件的損傷值 Dmn,圖1(b)中以各實心小球的半徑分別代表按照上述損傷準則確定的結(jié)構(gòu)各層損傷值的相對大小,根據(jù)初始結(jié)構(gòu)的損傷值大小并結(jié)合結(jié)構(gòu)在各地震動水平下的損傷程度及不同設(shè)防水準下結(jié)構(gòu)評估準則確定如圖 1(e)所示的最優(yōu)結(jié)構(gòu),其中,以半徑為 44的實心小球代表最優(yōu)結(jié)構(gòu)的目標層損傷值D0,實心小球半徑相等代表結(jié)構(gòu)各層損傷水平相當.檢測初始結(jié)構(gòu)的約束條件和收斂條件,按照預(yù)設(shè)步長ΔS1確定初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化指標(截面尺寸、縱筋配筋率等)變化量(圖 1(b)),并以此更新優(yōu)化完畢的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)第m層第n類柱構(gòu)件優(yōu)化指標更新為
圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程示意Fig.1 Schematic of structure optimization process
分析得到優(yōu)化后結(jié)構(gòu)各層各類柱的損傷值,圖1(c)為1步優(yōu)化后結(jié)構(gòu)各層的損傷值,經(jīng)過優(yōu)化后結(jié)構(gòu)各層的損傷值更趨于最優(yōu)結(jié)構(gòu),經(jīng)過 i步優(yōu)化后(圖 1(d)),最終實現(xiàn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)的損傷水平,其中最優(yōu)結(jié)構(gòu)第m層第n類柱構(gòu)件優(yōu)化指標更新為
以12層Benchmark鋼筋混凝土框架為例,本工程抗震設(shè)防烈度為 9度,建筑場地類別為Ⅱ類,結(jié)構(gòu)底層層高 4.6,m,其余各層層高 4.0,m,結(jié)構(gòu)總高度為48.6,m,橫縱兩向各有 5跨,每跨的跨度為 7.6,m,樓板厚度為 120,mm,框架柱截面自底層向上每 4層改變1次截面,縱筋配筋率分別在第1、5、9層變化;各層梁截面尺寸相同,梁柱截面尺寸、配筋率和配箍率見文獻[9].結(jié)構(gòu)平面及各類柱劃分如圖2所示.
圖2 結(jié)構(gòu)底層平面圖Fig.2 First floor plan of the structure
利用 ANSYS/LS-DYNA聯(lián)合建模求解技術(shù),鋼筋混凝土框架梁柱均采用 Hughes-Liu非線性顯示纖維梁單元模擬,樓板采用分層殼單元模擬,為了更好地體現(xiàn)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的動力特性,采用考慮 T型梁效應(yīng)的樓板與梁協(xié)同工作模型[10],將樓板軸線上移至距離框架梁上表面一半板厚處,并假定樓板平面內(nèi)剛度無限大;框架柱沿軸向不均勻離散成 11個單元(柱頂及柱底較密),框架梁沿軸向均勻離散成 5個單元,結(jié)構(gòu)有限元模型如圖 3所示.其中,鋼筋混凝土框架梁柱采用疊層梁單元法[11]模擬,且縱向鋼筋按照面積相等原則進行等效,梁柱混凝土截面均離散為49個纖維,鋼筋截面均離散為24個纖維;箍筋的約束效應(yīng)使核心區(qū)混凝土的抗壓強度和延性得到顯著的提高,假定約束區(qū)混凝土與普通混凝土遵循相同的損傷演化法則,則計算核心區(qū)混凝土的受壓強度和應(yīng)變[12]公式為
式中:f′cc和 f′c分別為核心區(qū)和普通混凝土的抗壓強度;ccε和suε分別為相應(yīng)的應(yīng)變;yhf為箍筋的屈服強度;sρ為箍筋的體積配箍率;α為箍筋對核心區(qū)混凝土的有效約束系數(shù).
圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.3 Finite element model of the structure
模型采用剛性地基假定,并沿結(jié)構(gòu)基底輸入兩個方向水平地震動.圖 4所示為柱截面等效纖維單元離散示意.
圖4 柱截面等效纖維單元離散示意Fig.4 Equivalent fiber unit discrete of the column cross-section
以峰值加速度(PGA)作為地震動強度指標,強震作用下 PGA調(diào)幅至 0.6g,分別對結(jié)構(gòu)基底輸入雙向的El-Centro、Loma Prieta和Kobe地震動,不同地震動作用下結(jié)構(gòu)各層各類柱的損傷包絡(luò)線如圖 5所示.圖中Z1、Z2、Z3和Z4分別代表圖2所示結(jié)構(gòu)各層的角柱、邊柱與中柱.
由圖 5可以看出,結(jié)構(gòu)各層的各類柱在 El-Centro波的作用下具有最大的動力響應(yīng),且中柱具有最大的損傷值,邊柱次之,角柱最小.這是由于中柱受到的慣性力最大,而角柱最小導(dǎo)致的,結(jié)構(gòu)兩邊柱損傷值的差異主要是由 x和 y向地震動特性的差異造成的;相同地震動作用下各層各類柱的損傷值有差別,但各層損傷變化趨勢類似,結(jié)構(gòu)在 El-Centro波、Loma Prieta波以及Kobe波的作用下均表現(xiàn)為在第9層各類柱的損傷值曲線發(fā)生突變,原因是結(jié)構(gòu)在第 9層柱截面由 760,mm×760,mm變成 710,mm×710,mm,形成了薄弱層;而所選3條地震波作用下底層各柱的損傷值幾乎都高于其他非薄弱層,說明除第9層之外,底層也是結(jié)構(gòu)的薄弱層.
由圖 5可以看出,由于地震動發(fā)生的時間、空間以及峰值、持時等因素的隨機性,不同地震動作用下結(jié)構(gòu)各層各類柱的響應(yīng)不盡相同,為了避免地震動選取的隨機性對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響,以最不利地震動作為地震激勵對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化.分析表明,在所選的 3條地震波中,El-Centro地震波激勵下結(jié)構(gòu)損傷最大.以各層各類柱的損傷值為目標函數(shù),柱構(gòu)件縱筋配筋率為優(yōu)化變量,并根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全評估損傷等級指標[13],優(yōu)化過程滿足所有構(gòu)件損傷值 D0不大于0.01,由于 Bonora損傷本構(gòu)模型定義鋼材的損傷值達到 0.065時認為其已經(jīng)破壞,所以,歸一化后的鋼材損傷值不大于 0.15.考慮結(jié)構(gòu)不同層不同種類柱構(gòu)件達到目標損傷值的收斂速度有所不同,所有柱構(gòu)件不可能同時達到目標損傷值,為了避免個別層柱構(gòu)件的損傷值在目標值附近出現(xiàn)較大浮動,設(shè)定結(jié)構(gòu)初始優(yōu)化的步長為 2,000,mm2,之后每優(yōu)化步的優(yōu)化步長均減小為 1,000,mm2,經(jīng)過 8步優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠基本滿足預(yù)設(shè)優(yōu)化條件,達到優(yōu)化目標.圖6所示為El-Centro波作用下結(jié)構(gòu)第1、4、8優(yōu)化步結(jié)構(gòu)各層各柱構(gòu)件的損傷包絡(luò)圖.第 8優(yōu)化步后最優(yōu)結(jié)構(gòu)的各層柱構(gòu)件縱筋配筋率如表1所示.
圖6 El-Centro波作用下結(jié)構(gòu)各層各柱構(gòu)件損傷包絡(luò)線Fig.6 Damage envelope curves for each type of column under El-Centro
表1 最優(yōu)結(jié)構(gòu)各層柱構(gòu)件配筋率Tab.1 Reinforcement ratio of the optimal structure %
對結(jié)構(gòu)進行層損傷分析,分別得到初始結(jié)構(gòu)和最優(yōu)結(jié)構(gòu)(第8優(yōu)化步后的結(jié)構(gòu))的層損傷發(fā)展過程,如圖6所示.
由圖 5(a)和圖 6(a)可以看出,上述優(yōu)化方法具有很快的收斂速度,經(jīng)過1次優(yōu)化后柱構(gòu)件損傷集中的現(xiàn)象有很大改善,損傷曲線較初始結(jié)構(gòu)更為平緩,結(jié)構(gòu)各層損傷分布更加均勻,但4層以上的角柱幾乎沒有損傷,各類柱構(gòu)件損傷值仍然存在較大差異.綜合圖 6可以看出,優(yōu)化過程中,各類柱損傷值差異逐漸減小,損傷分布愈加均勻,隨著優(yōu)化步數(shù)的增大,結(jié)構(gòu)各層柱向優(yōu)化目標的收斂速度逐漸減慢,結(jié)構(gòu)底層柱具有最快的收斂速度且在后期的各優(yōu)化步中有較好的穩(wěn)定性,經(jīng)過第 8優(yōu)化步之后,各層各類柱的損傷值幾乎都均勻收斂于預(yù)設(shè)目標,優(yōu)化效果明顯.
圖7 El-Centro波作用下結(jié)構(gòu)各層損傷發(fā)展過程Fig.7 Damage development process for each story of the structure under El-Centro
由圖 7(a)、(b)可以看出,初始結(jié)構(gòu)各層的損傷發(fā)展趨勢類似,結(jié)構(gòu)層損傷分別在x向地震動峰值加速度時刻(第2.1秒)、y向地震動峰值加速度時刻(第11.5秒)以及 x向、y向地震動幅值都相對較大時刻(第4.5秒左右)發(fā)展較快,損傷曲線出現(xiàn)爬升段,其他時刻損傷值緩慢增加,15,s后損傷值不再發(fā)生變化;但是結(jié)構(gòu)各層損傷值差別較大,其中損傷主要集中于首層,而第 12層幾乎沒有損傷.由圖 7(c)、(d)可以
看出,最優(yōu)結(jié)構(gòu)各層的損傷分布均勻,損傷集中得到了較好的控制.驗證了上述以框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件為優(yōu)化對象的優(yōu)化方法的可行性及有效性.
通過上述結(jié)構(gòu)整體損傷的定義方法得到初始結(jié)構(gòu)、第2優(yōu)化步、第4優(yōu)化步以及最優(yōu)結(jié)構(gòu)的整體損傷發(fā)展,如圖8所示.
從圖8中可以看到,所采用的優(yōu)化方法具有很快的收斂速度,經(jīng)過 2步優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)整體損傷值有大幅減小,隨著結(jié)構(gòu)整體損傷接近目標損傷值,其優(yōu)化收斂速度逐漸下降;最優(yōu)結(jié)構(gòu)的整體損傷比初始結(jié)構(gòu)有顯著的減小,優(yōu)化并沒有改變整體結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展趨勢,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在非地震動峰值時刻損傷發(fā)展平穩(wěn)而緩慢,與最優(yōu)結(jié)構(gòu)相比,初始結(jié)構(gòu)在非地震動峰值時刻損傷發(fā)展相對較快,峰值時刻過后損傷值持續(xù)增加,這是由地震作用下初始結(jié)構(gòu)損傷集中于底層使得結(jié)構(gòu)損傷閾值下降導(dǎo)致的.結(jié)構(gòu)整體損傷分析證明上述優(yōu)化方法能夠有效顯著地提高結(jié)構(gòu)的抗震性能.
圖8 結(jié)構(gòu)整體損傷發(fā)展過程Fig.8 Damage development process of the structure
本文采用針對纖維單元模型定義的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)層以及整體結(jié)構(gòu)的損傷準則,以結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷值相等為目標,對強震作用下的鋼筋混凝凝土框架結(jié)構(gòu)的失效模式進行了優(yōu)化.以 12層的Benchmark鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例,對雙向 El-Centro地震作用下的結(jié)構(gòu)進行了以柱構(gòu)件為對象的優(yōu)化,結(jié)果表明最優(yōu)結(jié)構(gòu)各層各柱構(gòu)件基本能夠滿足預(yù)設(shè)的優(yōu)化目標;綜合結(jié)構(gòu)層以及整體結(jié)構(gòu)的損傷分析結(jié)果,所采用的優(yōu)化方法具有以下優(yōu)點:能夠有效地控制結(jié)構(gòu)層的損傷集中現(xiàn)象,使結(jié)構(gòu)層的損傷沿樓層分布更加均勻,薄弱層的損傷值減??;鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能得到顯著的提高.
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