近場地震作用下鋼框架地震易損性研究

羅 銳 何廣杰*

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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近場地震作用下鋼框架地震易損性研究

羅 銳 何廣杰*

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

為比較鋼框架結(jié)構(gòu)在近場和遠(yuǎn)場地震作用下的響應(yīng)規(guī)律，建立了6層鋼框架結(jié)構(gòu)，對模型在選取的近場和一般場地震動下采用IDA方法進(jìn)行地震易損性分析，研究表明，近場地震動下鋼框架結(jié)構(gòu)更具易損性；地震易損性函數(shù)的離散性參數(shù)建議采用分析結(jié)果統(tǒng)計值。

近場地震動,鋼框架,IDA，地震易損性，離散性參數(shù)

0 引言

我國地震斷層分布復(fù)雜、數(shù)量繁多，處于環(huán)太平洋和歐亞地震帶兩大地震帶之間，許多城市不可避免地位于地震帶或斷層附近[1]。眾多震害現(xiàn)象表明位于近場區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)物較遠(yuǎn)場在地震時發(fā)生破壞的程度嚴(yán)重[2]。但目前缺乏對近場地震動從概率意義上對結(jié)構(gòu)地震易損性的定量研究。

針對以上問題，選用當(dāng)前流行的鋼框架結(jié)構(gòu)，采用基于IDA的地震易損性分析方法，研究鋼框架在近場及一般場地震下超越各種破壞狀態(tài)的概率，從概率形式上定量描述鋼框架結(jié)構(gòu)在抗震力學(xué)性能的變化，同時在此過程中對易損性計算公式進(jìn)行推導(dǎo)并討論參數(shù)的取值。獲得的結(jié)論一方面對近場地震動對結(jié)構(gòu)物的抗震性能的影響加深認(rèn)識；另一方面可對結(jié)構(gòu)地震易損性函數(shù)的離散性有更深刻的理解。

1 模型建立及分析條件設(shè)定

運用Opensees建立6層鋼框架結(jié)構(gòu)[3]，平面尺寸為18 m×12 m?？拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.20g)，Ⅱ類場地，第二組設(shè)計抗震分組，場地特征周期0.40 s[4]。材料采用Q345鋼，梁截面采用600×300×10×12H型號，柱截面采用429×13空心鋼管柱截面。恒載15 kN/m，活載10 kN/m，如圖1所示。

1.1 地震動選取

關(guān)于地震動選取的方法研究正在經(jīng)歷從單純考慮地震動參數(shù)到考慮反應(yīng)譜特性參數(shù)的改變[5]。本文采用依反應(yīng)譜的雙頻率段選波方法。從PEER數(shù)據(jù)庫選取地震動的基本條件如表1所示[6],分別得到100條近場地震記錄和一般場地震記錄。

表1 PEER數(shù)據(jù)庫地震動篩選條件

再根據(jù)雙頻率選波法分別選擇12條近場地震動記錄和12條一般場地震動記錄。

1.2 極限狀態(tài)定義

同一結(jié)構(gòu)在不同方法定義的極限狀態(tài)下，其所獲得的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)超越概念必然不同，甚至?xí)袠O大差別，因此合理定義極限狀態(tài)是需要解決的又一關(guān)鍵問題。

本文擬以鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移角為依據(jù)定義極限狀態(tài)。不同的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范給出的層間位移角限值并不相同。由于在后續(xù)易損性分析過程中，我們將就易損性函數(shù)的離散性參數(shù)取值與HAZUS中建議值進(jìn)行對比分析，故本文擬采用HAZUS的層間位移角限值相結(jié)合作為鋼框架地震易損性研究的極限狀態(tài)指標(biāo)[7]，見表2。

表2 層間位移角限值[θ]

2 IDA分析

增量動力分析法(IDA)是新興的一種通過一系列多比例調(diào)幅地震動進(jìn)行非線性動力時程分析以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的地震需求和極限狀態(tài)能力的預(yù)測功能的方法[8]。本文采用等步長法，即把地震動峰值加速度PGA從0.05g按照0.05g的步長依次調(diào)幅至1.0g。

近場地震動與一般地震動的IDA分析對比。

分別對近場和一般場地震動作用下的模型進(jìn)行IDA分析得到遠(yuǎn)近場最大層間位移角均值曲線圖，如圖2所示。相同的地震動強度參數(shù)(PGA)下，地震動斷層距所決定的近遠(yuǎn)場特性對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響大，在近場地震動作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角遠(yuǎn)大于一般場地震動。

3 地震易損性分析

3.1 地震易損性基本原理

結(jié)構(gòu)的易損性可用式(1)表達(dá)其含義[9-12]：

F(x)=P(D>C|IM=x)

(1)

其中，D為結(jié)構(gòu)的變形需求(即結(jié)構(gòu)在地震動作用下的最大層間位移角θmax);C為結(jié)構(gòu)的變形能力(即結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)所對應(yīng)的最大層間位移角限值[θ])。由式(1)可知，易損性是以某一選定的地震動參數(shù)(如PGA)為自變量，以結(jié)構(gòu)某一極限狀態(tài)的超越概率為因變量，表示在不同給定地震動參數(shù)條件下結(jié)構(gòu)響應(yīng)需求超過特定極限狀態(tài)能力的條件概率，其實質(zhì)是超越條件概率問題。

假設(shè)需求函數(shù)D、能力函數(shù)C均服從對數(shù)正態(tài)分布，可得：

(2)

通過線性回歸分析及概率計算，得:

(3)

3.2 地震動易損性分析

據(jù)IDA分析結(jié)果和HAZUS規(guī)定的極限狀態(tài)值，得近場和一般場地震動下模型的地震易損性曲線如圖3,圖4所示。

3.3 對比分析

設(shè)計罕遇地震易損性矩陣如表3所示。

表3 設(shè)計罕遇地震易損性矩陣

通過對表3分析可得：

1)若不考慮近場特性進(jìn)行地震易損性分析，則當(dāng)發(fā)生8度(0.20g)罕遇地震時，結(jié)構(gòu)超越HAZUS各極限狀態(tài)的損傷概率均大于僅考慮一般場地震動，小于僅考慮近場地震動特性。

以上兩點均說明，對建筑結(jié)構(gòu)物所在場地所面臨的潛在地震威脅進(jìn)行近場或一般場地震動劃分很有必要。

4 結(jié)語

1)在近場地震動作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角遠(yuǎn)大于一般場地震動，近場地震動下鋼框架結(jié)構(gòu)更具地震易損性。我國西南、西北山區(qū)許多城市處于地震多發(fā)區(qū)或高烈度區(qū)，建筑物受到近場地震動的威脅，應(yīng)重點考慮近場地震動對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

2)運用IDA方法進(jìn)行地震易損性分析時離散性參數(shù)采用統(tǒng)計分析值較準(zhǔn)確。

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[2] 郝 敏,謝禮立,李 偉.從集集地震看建筑物震害與地震動參數(shù)的關(guān)系[J].地震工程與工程振動,2005(6):87-88.

[3]OpenseesCommandLanguageManual.MazzoniS,MckennaF,ScottMH,FenvesGL.http://Opensees.Berkeley.edu/OPENSEES/manuals/usermanual/OpenseesCommandLanguageManualJune.pdf,2006.

[4]GB50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

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[11] 呂大剛,于曉輝.基于地震易損性解析函數(shù)的概率地震風(fēng)險理論研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2013(10):41-48.

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lnD-lnC～(lnmD|IM-lnmC，σ)

On seismic vulnerability of steel framework under near-field seismic effect

Luo Rui He Guangjie*

(CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

In order to compare the response laws of the steel framework under the near-field and far-field earthquakes, 6 layer of steel frame structure is established, the paper adopts IDA method to undertake the seismic vulnerability analysis of the model under the selected near-field and normal field, proves by the research that the steel framework can be easily vulnerable under the near-field earthquakes; the statistic values of the analysis results can be adopted for the dispersive parameter of the seismic vulnerability function.

near-field earthquake, steel framework, IDA, seismic vulnerability, dispersive parameter

1009-6825(2017)11-0037-02

2017-01-24

羅 銳(1991- )，男，在讀碩士

何廣杰(1964- )，男，博士，教授

TU352

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