不同齡期在役結(jié)構(gòu)的抗震性能評估

張兆波，徐　斌

不同齡期在役結(jié)構(gòu)的抗震性能評估

張兆波1，徐斌2

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州730000；2.武漢鐵路局，湖北 武漢430061）

許多國內(nèi)外地震震害實(shí)例表明，隨著時(shí)間的推移，修建于不同年代的在役建筑結(jié)構(gòu)在各種外部和內(nèi)部因素的影響下，會(huì)產(chǎn)生耐久性損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗震性能降低，在大震過程中較容易發(fā)生震損破壞。以某8度區(qū)在役鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為背景，利用ETABS有限元分析軟件，并基于損傷構(gòu)件恢復(fù)力骨架曲線建立了“銹蝕鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型”，以靜力非線性（Push-over）分析方法為理論依據(jù)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評估。

在役結(jié)構(gòu)；抗震性能評估；靜力非線性；能力譜法

1　概述

地震是一種較為常見的自然災(zāi)害，且會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于我國處于環(huán)太平洋地震構(gòu)造帶和大陸地震構(gòu)造帶的交匯處，因此是地震災(zāi)害較多的國家之一。而我國很大一部分城市的建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的抗震性能較差，有的材料強(qiáng)度不夠，還有一些年久失修，使我國多數(shù)城鎮(zhèn)抵抗地震的能力很脆弱，潛伏著很大隱患［1］。建筑物的抗震性能主要是通過抗震設(shè)防指標(biāo)來體現(xiàn)的。我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］經(jīng)歷了四個(gè)版本的修訂。這四個(gè)版本的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中所規(guī)定的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)都有很大差異，因此，對修建于不同年代的在役建筑物進(jìn)行抗震性能評估，并根據(jù)評估結(jié)果采取相應(yīng)的加固措施，將可以有效地降低地震所造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，具有非常重要的意義。靜力非線性分析（Push-over）方法可以在預(yù)測結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性變形能力時(shí)進(jìn)行定量化分析，并且可以更好地估計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性變形。跟動(dòng)力時(shí)程分析相比，在應(yīng)用上也更加方便和簡單。本文以某8度區(qū)在役鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為背景，利用ETABS有限元分析軟件，采用push-over方法對不同齡期的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評估。

2　計(jì)算模型的建立

某辦公樓為7層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面布置為縱向7m×6m，橫向3m×6m，總長度為42m，總寬度為18m。結(jié)構(gòu)第1層層高4.2m，第2～7層層高3.6m，總高度為25.8m。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測的構(gòu)件幾何尺寸和混凝土強(qiáng)度等級(jí)見表1。

表1　結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)表

該建筑物所處地點(diǎn)的設(shè)防烈度為8度（0.20g），Ⅱ類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。第1～6層樓面作用有恒載3.0kN/m2，活載3.0kN/m2；第7層屋面作用有恒載4.0kN/m2，活載2.0kN/m2。為比較不同齡期結(jié)構(gòu)的抗震性能，取構(gòu)件的主筋銹蝕率（鋼筋截面面積損失率）分別為0%、10%、15%、20%。

采用ETABS軟件建立桿件有限元模型，在程序中構(gòu)件的非線性行為是通過框架塑性鉸來實(shí)現(xiàn)的。通常情況下，由于梁單元是彎矩屈服，而柱單元受雙向彎矩以及軸力共同作用，故梁單元和柱單元分別采用程序中默認(rèn)的M3鉸和P-M-M鉸。完好結(jié)構(gòu)的塑性鉸參數(shù)采用程序默認(rèn)的塑性鉸屬性，而銹損結(jié)構(gòu)的塑性鉸參數(shù)則需要自定義鉸屬性，并對其中參數(shù)的大小進(jìn)行折減。指定完塑性鉸后定義非線性工況，首先定義重力荷載 （重力荷載代表值：1.0恒載+0.5活載）下的非線性工況PUSH1，然后將其終點(diǎn)剛度設(shè)為Push-over分析的初始條件，再定義水平荷載工況。本例在Y向考慮振型荷載工況PUSH2。最后運(yùn)行push-over分析就可以得到結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線。

3　能力譜曲線

運(yùn)行Push-over分析后，可以把結(jié)構(gòu)在不同銹蝕率下的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線描繪出來，如圖1所示。再將其轉(zhuǎn)換為譜位移與譜加速度的關(guān)系，即結(jié)構(gòu)的能力譜，如圖2所示。

圖1　結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線

圖2　結(jié)構(gòu)能力譜曲線

由圖1和圖2可見，考慮鋼筋銹蝕引起的構(gòu)件損傷后，結(jié)構(gòu)的承載能力有所降低，具體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)的基底剪力減?。唤Y(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有所降低，具體表現(xiàn)為相同基底剪力下的側(cè)向位移增大；結(jié)構(gòu)的延性有所下降，具體表現(xiàn)為屈服平臺(tái)的縮短，結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服階段后更早地達(dá)到倒塌破壞的狀態(tài)。而且這些指標(biāo)下降的幅度隨著鋼筋截面損失率和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度的增大而不斷增大?？梢?，在評估既有結(jié)構(gòu)的抗震性能時(shí)，把構(gòu)件損傷引起的性能退化這一因素加以考慮能夠更真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的承載能力、抗側(cè)剛度和延性，是十分必要的。

4　推覆結(jié)果

將Push-over分析得到的結(jié)構(gòu)能力曲線和罕遇地震需求曲線轉(zhuǎn)換為ADRS格式畫到一張圖上，如圖3～6所示。

圖3　完好結(jié)構(gòu)的ADRS譜

圖4 　銹蝕率10%結(jié)構(gòu)的ADRS譜

圖5　銹蝕率15%結(jié)構(gòu)的ADRS譜

圖6　銹蝕率20%結(jié)構(gòu)的ADRS譜

通過能力譜和需求譜的交點(diǎn)求出不同齡期在役結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震下的性能點(diǎn)。由圖6可見，鋼筋截面損失率20%的結(jié)構(gòu)其能力譜和需求譜沒有交點(diǎn)，即不存在性能點(diǎn)，此時(shí)結(jié)構(gòu)無法抵御罕遇地震作用。由各性能點(diǎn)處的譜位移、譜加速度反算得到性能點(diǎn)處的目標(biāo)位移和基底剪力，見表2。

表2　不同齡期結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)位置

由表2可見，振型荷載工況下同一結(jié)構(gòu)隨著鋼筋截面損失率增大，性能點(diǎn)處基底剪力逐漸減小，而目標(biāo)位移則逐漸增大，這是因?yàn)殇P損結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度要比完好結(jié)構(gòu)的小，結(jié)構(gòu)顯得更柔一些。性能點(diǎn)處層間位移和層間位移角列于表3～表4中。

表3　不同齡期結(jié)構(gòu)罕遇地震層間位移

表4　不同齡期結(jié)構(gòu)罕遇地震層間位移角

由表3、表4可見，8度罕遇地震作用下，在不考慮結(jié)構(gòu)后續(xù)使用期的情況下，層間位移和層間位移角隨著鋼筋銹蝕率的增大而增大。樓層位移和層間位移角曲線見圖7～圖8。

圖7　罕遇地震樓層位移圖

圖8　罕遇地震層間位移角

由層間位移角圖中可以看出，本結(jié)構(gòu)中下部幾層（2、3、4層）的層間位移角值較大，表明這些樓層是本結(jié)構(gòu)相對薄弱的樓層。由此可以推斷，在不斷增大的地震作用下，結(jié)構(gòu)先從這些樓層的構(gòu)件中產(chǎn)生塑性鉸，然后才向其他樓層發(fā)展，最后也是由于底部樓層塑性鉸的變形過大從而使結(jié)構(gòu)喪失承載能力而倒塌破壞。這些信息也可以從Push-over分析中塑性鉸的發(fā)展情況獲得。

5　推覆過程塑性鉸發(fā)展情況

ETABS在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行Push-over分析之后可以通過“顯示變形形狀”命令來查看各分析階段產(chǎn)生塑性鉸的位置及其所處狀態(tài)，從而通過查看結(jié)構(gòu)的局部變形來找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。以便對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行進(jìn)一步的評估，為制定具體的加固方案提供依據(jù)。圖9為完好結(jié)構(gòu)對應(yīng)于初始、性能點(diǎn)處、性能點(diǎn)后、最終這四個(gè)階段的塑性鉸發(fā)展過程。

圖9　完好結(jié)構(gòu)塑性鉸　　圖10　銹蝕率10%的塑性鉸

由圖9可見，振型荷載工況下完好結(jié)構(gòu)在推覆過程之初，第3層梁端首先達(dá)到彈性極限從而出現(xiàn)塑性鉸。而后隨著推覆過程的繼續(xù)，其他樓層梁端也陸續(xù)出現(xiàn)塑性鉸。直到結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)前，除頂層梁外，大部分樓層的梁端均出現(xiàn)塑性鉸。除底層外的大部分柱端未出現(xiàn)塑性鉸。當(dāng)結(jié)構(gòu)到達(dá)性能點(diǎn)之后，最上層的梁端也出現(xiàn)了塑性鉸，底層柱底以及第1～4層梁端的塑性鉸到達(dá)LS點(diǎn)。最后階段，結(jié)構(gòu)因?yàn)榈讓又椎乃苄糟q達(dá)到極限變形從而使結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)承載而破壞。

圖10～圖12分別為鋼筋銹蝕率10%、15%和20%的結(jié)構(gòu)在振型荷載工況下對應(yīng)于性能點(diǎn)和最終兩個(gè)階段的塑性鉸分布情況。由圖中可見，銹蝕率為10%、15%和20%的結(jié)構(gòu)其塑性鉸的發(fā)展情況與完好結(jié)構(gòu)是基本一致的。

圖11　銹蝕率15%的塑性鉸　圖12　銹蝕率20%的塑性鉸

6　結(jié)語

以某8度區(qū)在役鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為背景，基于靜力非線性（Push-over）分析方法的基本原理，采用ETABS有限元分析軟件進(jìn)行抗震性能的定量化評估，在評估過程中考慮了構(gòu)件耐久性損傷的影響，得出以下主要結(jié)論：鋼筋銹蝕率為20%的結(jié)構(gòu)比銹蝕率為0%的結(jié)構(gòu)在屈服狀態(tài)時(shí)的基底剪力減小約9%～19%，屈服平臺(tái)長度縮短約40%～50%，以上結(jié)果表明，隨著鋼筋銹蝕率的增大，結(jié)構(gòu)的承載能力、抗側(cè)剛度和延性均呈減小趨勢，即構(gòu)件損傷對在役結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生了不利影響。通過本文的探討，表明采用靜力非線性（Push-over）分析方法對在役結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評估是完全可行的。

［1］ 胡聿賢.地震工程學(xué)［M］.北京：地震出版社.1988.

［2］ GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2011.

［3］ 孫彬.在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能退化與抗震性能評估［D］.西安建筑科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

［4］ 史慶軒，牛荻濤，顏桂云.反復(fù)荷載作用下銹蝕鋼筋混凝土恢復(fù)力性能的試驗(yàn)研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2000，20（4）：44-50.

［5］ 王學(xué)民.銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能試驗(yàn)與恢復(fù)力模型研究［D］.西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003，3.

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