高層建筑場地邊坡抗地震倒塌能力評估模型分析

苑東亮,趙一帆

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高層建筑場地邊坡抗地震倒塌能力評估模型分析

苑東亮,趙一帆

河南理工大學土木工程學院, 河南 焦作 454000

針對傳統(tǒng)的抗地震倒塌能力評估模型存在著地震倒塌能力評估時間較長、評估系數(shù)與實際抗倒塌能力系數(shù)偏差較大等問題，本文提出一種基于等效單自由度的高層建筑場地邊坡抗地震倒塌能力評估模型?？紤]-Δ效應(yīng)對高層建筑場地邊坡抗地震倒塌能力的影響，構(gòu)建了-Δ效應(yīng)的等效單自由度模型，根據(jù)該模型獲取邊坡結(jié)構(gòu)側(cè)移與結(jié)構(gòu)頂點位移，用于構(gòu)建運動微分方程，對其模型中的參數(shù)進行計算；對計算結(jié)果進行轉(zhuǎn)換，構(gòu)建等效單自由度體系，計算邊坡結(jié)構(gòu)不同周期延性需求，獲取邊坡結(jié)構(gòu)延性需求譜，計算延性需求譜對應(yīng)等效周期，在等效周期內(nèi)對建筑邊坡結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力進行評估。實驗結(jié)果證明，所提模型可以快速、精確地對建筑邊坡結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力進行評估。

高層建筑; 抗震; 評估模型

地震危害時有發(fā)生，而地震中發(fā)生倒塌，會造成很嚴重的生命損害[1]，針對大型的建筑抗地震倒塌能力研究已成為當今社會研究的焦點[2]，而傳統(tǒng)的抗地震倒塌能力評估模型單純的從總體角度進行考察，得到的結(jié)果比較粗糙，不能精確的反映出高層建筑場地邊坡抗地震倒塌能力，引起了專家學者們廣泛關(guān)注，并研究出很多好的方法。

文獻[3]提出一種基于ANSYS的高層建筑場地邊坡抗地震倒塌能力評估模型，通過有限元軟件ANSYS構(gòu)建高層建筑場地邊坡空間計算模型，分析了高層建筑場地邊坡結(jié)構(gòu)動力特性。運用非線性時程分析法計算邊坡結(jié)構(gòu)在40年超越概率15%和5%兩種地震水平作用下的地震響應(yīng)，并依據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)的能力需求評估該建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。該模型給出的評估系數(shù)與實際抗倒塌能力系數(shù)偏差較大。文獻[4]提出了一種基于RC框架結(jié)構(gòu)的抗地震倒塌能力評估模型，分析邊坡結(jié)構(gòu)抗彎承載力與彎曲屈服相應(yīng)的剪力以及受剪承載力比等參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的影響，并分 析了這三者對邊坡結(jié)構(gòu)抗倒塌性能影響的相關(guān)性，結(jié)合此特性構(gòu)建了邊坡結(jié)構(gòu)抗倒塌能力評估模型。該模型對抗地震倒塌能力評估所需要的時間較長。文獻[5]提出一種脈沖型地震動作用下邊坡結(jié)構(gòu)抗倒塌能力評估模型。以非線性有限元軟件為仿真平臺，選擇多條有明顯脈沖的高層建筑場地邊坡結(jié)構(gòu)地震動記錄，以邊坡結(jié)構(gòu)基準周期相應(yīng)譜加速度為強度評價指標調(diào)整原始邊坡結(jié)構(gòu)震動記錄；并對邊坡結(jié)構(gòu)進行增量動力分析，同時統(tǒng)計增量動力分析結(jié)果，根據(jù)其結(jié)果評估邊坡結(jié)構(gòu)的抗震倒塌能力。該模型對抗地震倒塌能力評估的效率較低。

針對上述問題，提出一種基于等效單自由度的高層建筑場地邊坡抗地震倒塌能力評估模型。實驗結(jié)果表明，所提評估模型具有評估時間較短、評估系數(shù)與實際抗倒塌能力系數(shù)偏差較小的優(yōu)勢。

1 邊坡抗震倒塌能力評估模型

1.1 創(chuàng)建等效單自由度模型及相關(guān)參數(shù)分析

相對于等效單自由度體系，考慮與不考慮-D效應(yīng)的屈服強度*和*0間的關(guān)系為：

上式中：θ代表彈性穩(wěn)定函數(shù)。

上式中：0表示不考慮-D效應(yīng)的的高層建筑場地邊坡的等效周期。

運用彈性穩(wěn)定參數(shù)θ和非彈性穩(wěn)定參數(shù)θ的大小來反應(yīng)-D效應(yīng)對等效單自由度體系的影響，在其θ與θ范圍內(nèi)，該體系中的推覆曲線的轉(zhuǎn)角不同。正常情況下，θ比θ大。在推覆曲線上運用同樣彈性穩(wěn)定參數(shù)的方法，降低了-D效應(yīng)對高層建筑場地邊坡的等效周期的影響，因此要考慮-D效應(yīng)影響同時，在推覆曲線上建立一條輔助曲線，轉(zhuǎn)角為θ曲線繪制基本過程為：

（2）考慮-D效應(yīng)，由輔助曲線與原結(jié)構(gòu)框架曲線所得的屈服剛度相等，即：

（3）輔助曲線的硬化系數(shù)α與原結(jié)構(gòu)框架曲線硬化系數(shù)α0相同：α=α0(8)

如原邊坡結(jié)構(gòu)框架曲線的硬化系數(shù)很小，設(shè)定屈服后的曲線斜度與原邊坡結(jié)構(gòu)框架曲線斜度相同，得到修正后的等效單自由度體系。具體過程如下：

等效單自由度體系輔助曲線能夠在其模型的分析過程中直接使用相關(guān)系數(shù)，對等效單自由度體系計算過程中，將θ作為滯回曲線的轉(zhuǎn)角。

1.2 抗地震倒塌能力評估

根據(jù)已獲得的自由度模型相關(guān)參數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系，通過自由度模型，對相應(yīng)的多自由度體系的反應(yīng)與抗震性能進行評估。

通過上述過程獲取的等效單自由度體系的各項參數(shù)，直接獲取延性需求譜對應(yīng)的等效周期*的結(jié)構(gòu)延性需求*，具體過程如下式：*=**(11)

根據(jù)高層建筑場地邊坡結(jié)構(gòu)的延性需求譜分別求得高層建筑場地邊坡結(jié)構(gòu)體系的頂點位移1=*與最大層間延性需求max=*。

2 仿真實驗證明

為驗證所提高層建筑場地邊坡抗地震倒塌能力評估模型的綜合有效性，進行仿真實驗，實驗環(huán)境為：Intel(R)Core(TM)i5-3470 CPU 3.20 GHz，8 GB內(nèi)存的PC機，通過MATLAB 7.6編程實現(xiàn)。

實驗過程中，選取文獻[3]模型、文獻[4]模型與所提模型進行評估時間（s）對比（圖1）。

由圖1可知，當實驗次數(shù)小于10次時，三種評估模型評估時間差距較小，但隨著實驗次數(shù)的不斷增加，三種評估模型評估時間逐漸拉開差距，當實驗次數(shù)增加到50次時，所提評估模型的評估時間為21 s，文獻[4]評估模型為79 s，此時文獻[4]評估模型與所提評估模型的評估時間相差最大，為58 s。因此，所提模型在抗地震倒塌能力上具有一定的優(yōu)越性能。

為了進一步驗證所提方法的綜合有效性，將所提模型與文獻[3]評估模型、文獻[4]評估模型的邊坡結(jié)構(gòu)強度折減系數(shù)與真實結(jié)果進行對比，其中，邊坡結(jié)構(gòu)強度折減系數(shù)單位為常數(shù)（圖2）。

圖 1 不同模型抗地震倒塌能力評估時間對比

圖 2 不同模型的強度折減系數(shù)對比

由圖2可以看出，文獻[3]模型評估的強度折減系數(shù)與實際結(jié)果相差最大，當實驗次數(shù)為15次時，所提模型強度折減系數(shù)為0.48，文獻[3]模型評估的強度折減系數(shù)為0.36，此時文獻[3]模型給出的評估結(jié)果首次與實際結(jié)果較為接近，隨著試驗次數(shù)的不斷增加，文獻[3]模型評估的強度折減系數(shù)與實際評估結(jié)果差距越來越大，而所提模型評估的強度折減系數(shù)更貼近實際，說明評估結(jié)果精度更高。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)的抗地震倒塌能力模型的評估時間較長、評估系數(shù)與實際抗倒塌能力系數(shù)偏差較大等問題，提出了一種新的高層建筑場地邊坡抗地震倒塌能力評估模型。實驗結(jié)果表明，所提模型與傳統(tǒng)模型相比，所提模型對抗地震倒塌能力的評估時間較短、評估系數(shù)與實際抗倒塌能力系數(shù)偏差較小，具有較好的應(yīng)用價值。

[1] 丁聲榮,霍艷華.混凝土結(jié)構(gòu)建筑物抗震加固強度測試仿真[J].計算機仿真,2017,34(8):429-432

[2] 袁世聰,蔣歡軍.不同類型連梁框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能研究[J].振動與沖擊,2017,36(12):169-174

[3] 趙人達,許智強,鄒建波,等.基于ANSYS的大跨斜拉橋地震響應(yīng)分析及性能評估[J].建筑科學與工程學報,2018,35(4):19-26

[4] 梁丹,梁興文.RC框架結(jié)構(gòu)抗地震倒塌性能評估的簡化方法[J].工程力學,2017,34(2):102-110

[5] 韓建平,張麗麗,徐陽.近斷層脈沖型地震動作用下RC框架結(jié)構(gòu)抗整體性倒塌能力分析[J].結(jié)構(gòu)工程師,2017,33(1):32-42

Analysis on Evaluation Model of Earthquake Resistance Collapse of High-rise Building Site Slope

YUAN Dong-liang, ZHAO Yi-fan

454000,

Aiming at the traditional anti-seismic collapse ability evaluation model, there are some problems such as long evaluation time of earthquake collapse ability, large deviation between evaluation coefficient and actual anti-collapse capability coefficient, and a seismic high-rise building site slope based on equivalent single degree of freedom is proposed. Collapse ability assessment model. Considering the influence of-Δ effect on the seismic collapse resistance of high-rise building site slope, the equivalent single-degree-of-freedom model of-Δ effect is constructed. According to the model, the lateral displacement of the slope structure and the displacement of the structure vertex are obtained, which is used to construct the motion. Differential equations are used to calculate the relevant parameters of the equivalent single-degree-of-freedom model. The equivalent single-degree-of-freedom system is constructed by transforming, calculating the different periodic ductility requirements of the slope structure, obtaining the ductility demand spectrum of the slope structure, and calculating the correspondence of the ductility demand spectrum. The effectiveness cycle evaluates the seismic collapse resistance of the building slope structure during the equivalent period. The experimental results show that the proposed model can quickly and accurately evaluate the seismic collapse resistance of building slope structures.

High-rise builiding; earthquake resistance; evaluation model

TU973+.31

A

1000-2324(2019)01-0118-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.026

2018-03-12

2018-06-01

苑東亮(1972-),男,博士,副教授,研究方向:土木工程. E-mail:zhaofan19920320@2980.com