近斷層雙向地震作用組合下非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷評價

蒲瑞 潘欽鋒＊ 陳尉唯 蘇美玲 蘇文輝

（1、四川大學(xué)土木工程系，四川成都 6100652、福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福建福州 3501163、廈門金恒大建設(shè)有限公司，福建廈門 3610004、福建省祿盛市政園林有限公司，福建廈門 361000）

隨著抗震設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展完善，新修建筑的抗震性能得到了明顯的提高，地震導(dǎo)致的建筑物倒塌和內(nèi)部人員傷亡得到了有效的控制[1]。雖然地震作用下主體結(jié)構(gòu)的損失有效降低了，但是地震導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失不僅沒有明顯的降低，反而一直居高不下。究其原因是現(xiàn)代建筑物的功能愈加復(fù)雜，承載的功能越復(fù)雜其內(nèi)部的各類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)備的經(jīng)濟(jì)占比則越高，地震災(zāi)害引起的總體經(jīng)濟(jì)損失則越大。有調(diào)研統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，對于一般公共建筑來說，其內(nèi)部的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和物品的經(jīng)濟(jì)價值占總投資的80%～90%[2]，遠(yuǎn)大于建筑結(jié)構(gòu)的投資。與傳統(tǒng)建筑主體結(jié)構(gòu)相比，次級結(jié)構(gòu)和建筑物內(nèi)部的物品及設(shè)備在近斷層地震作用下更容易發(fā)生破壞，且破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此本文針對醫(yī)療建筑內(nèi)部的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和布置進(jìn)行假定，研究的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要分為吊頂、管道、計算機(jī)和醫(yī)療設(shè)備四類。對于吊頂，有的文獻(xiàn)中指出豎向地震會加重吊頂?shù)钠茐腫3-4]，對于管道，一般可分為柔性管道和剛性管道，工程實際案例中，許多采用隔震的建筑因未能考慮到隔震層在地震作用下的位移采用了剛性管道，結(jié)果在豎向地震作用下管道產(chǎn)生了明顯了端部破壞[5-6]。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以通過隔震來降低建筑物的響應(yīng)，但根據(jù)吳應(yīng)雄[7]的研究結(jié)果表明，在不同類型地震動下考慮SSI效應(yīng)后的結(jié)構(gòu)隨著加速度峰值的增加，其減震效果會降低，故除了考慮建筑物主體的抗震性能，也更應(yīng)該關(guān)注非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷。因此在進(jìn)行建筑抗震經(jīng)濟(jì)損失評估中應(yīng)將建筑物內(nèi)部的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及設(shè)備包括在內(nèi)[8]。以FEMA P-58 為代表的最新設(shè)計規(guī)范中提出了基于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)損失評估方法，雖然較簡單且易于計算，但是其中的一些基本假定，如只采用樓層水平加速度對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的進(jìn)行評估，忽略了豎向地震作用。于是本文在組合加速度的基礎(chǔ)上，聯(lián)合水平加速度和豎向加速度對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件開展了易損性分析。

1 設(shè)備傾覆和滑移狀態(tài)分析

1.1 建模分析

浮放式設(shè)備在受到水平加速度作用時極易產(chǎn)生滑移和晃動，進(jìn)而可能產(chǎn)生損壞。為模擬浮放式設(shè)備在樓層加速度作用下的運動狀態(tài)，利用ANSYS 對尺寸為0.6×0.6×1.2m 的長方形浮放式設(shè)備建模，設(shè)備與樓面的摩擦系數(shù)取值為0.65。本文采用SOLID164 結(jié)構(gòu)實體單元模擬，該單元具有在三個方向上的位移、速度與加速度共9 個自由度[9]，適用于分析三維狀況下實體結(jié)構(gòu)的顯示運動響應(yīng)，能較好的模擬出設(shè)備在加速度作用下真實的運動響應(yīng)。上部設(shè)備材料定義為鋁合金，泊松比為0.33，下部樓板尺寸定義為4×4×0.1m，泊松比為0.3。在計算過程中通過修改摩擦系數(shù)、輸入地震動強度以及設(shè)備尺寸，并分別進(jìn)行水平單向加速度與水平+豎向加速度兩種加速度輸入工況計算，以此來對比兩種工況下設(shè)備的滑移與傾覆結(jié)果。

1.2 組合加速度下傾覆結(jié)果

重要設(shè)備如一些昂貴的醫(yī)療器械設(shè)備一般放置于結(jié)構(gòu)第二層或相對較低的樓層，因此將鋼框架結(jié)構(gòu)第2 層的20 組單向及雙向加速度作為輸入激勵，得到設(shè)備的運動響應(yīng)如圖1 所示。設(shè)備傾覆時，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件已處于不安全狀態(tài)，故不考慮其滑移值。如圖1，設(shè)備在單向水平加速度輸入下20 條加速度中僅有第1 條加速度使設(shè)備發(fā)生傾覆，而樓層在水平與豎向加速度共同作用時有4 組工況發(fā)生傾覆。即將樓層豎向加速度考慮在內(nèi)后設(shè)備的傾覆概率從原本的5%增加至20%。從最大滑移距離指標(biāo)分析，有些情況下滑移距離增大，但也有些情況出現(xiàn)滑移距離減小，無法得出考慮豎向加速度與滑移距離一定會增加的結(jié)論。

圖1 設(shè)備傾覆狀態(tài)和最大滑移值

為了研究不同摩擦數(shù)、不同加速度強度對設(shè)備運動響應(yīng)的影響，將摩擦系數(shù)取值調(diào)整為0.4、0.5、0.6、0.7，并將樓層水平加速度與豎向加速度按照同樣的系數(shù)進(jìn)行放大后得到的設(shè)備傾覆結(jié)果如表1 所示。從表中可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增大，傾覆的情況逐漸增多。隨著地震強度的增大，傾覆的情況也逐漸增多。如果不考慮樓層豎向加速度，則可以認(rèn)為設(shè)備在1.3g 的水平加速度作用下才會發(fā)生傾覆破壞，而在實際情況中設(shè)備會同時受豎向加速度的影響，此時水平加速度達(dá)到1.0g 時即發(fā)生傾覆破壞，從而造成對設(shè)備傾覆概率的不保守估計。按照水平加速度易損性曲線計算得到的損失概率和對應(yīng)的損失成本也是不準(zhǔn)確的。

設(shè)備在不同強度加速度和摩擦系數(shù)作用下的滑移反應(yīng)如表1 所示，從表中可以看出雙向加速度輸入會增大設(shè)備的最大滑移響應(yīng)。隨著加速度強度的增大，滑移距離也呈現(xiàn)增大的趨勢。在實際生活中，設(shè)備的滑移距離增大到一定程度后可能導(dǎo)致設(shè)備從高處摔落造成損壞，因此滑移距離也是衡量設(shè)備運動響應(yīng)的重要指標(biāo)。

表1 不同地震強度/摩擦系數(shù)下設(shè)備的傾覆響應(yīng)和滑移位移（cm）

日常生活中，不同類型設(shè)備的尺寸有所不同，立式空調(diào)、書架等高寬比較大的設(shè)備比桌子、板凳這類設(shè)備要更容易受到加速度的影響。因此，建立不同高寬比的設(shè)備模型，研究高寬比對設(shè)備傾覆情況的影響，具體結(jié)果如表2 所示。從表中可以看出高寬比為1:1 和1:1.5 的兩個設(shè)備在組合加速度作用下均未發(fā)生傾覆，當(dāng)高寬比增大為1:2 和1:3 時則變?yōu)閮A覆。即隨著高寬比的逐漸增大，設(shè)備在同一水平與豎向加速度作用下的運動狀態(tài)從不傾覆變?yōu)閮A覆，結(jié)構(gòu)形狀偏于細(xì)長的設(shè)備更易受到豎向加速度作用的影響而產(chǎn)生傾覆。

表2 不同高寬比下設(shè)備的傾覆響應(yīng)

2 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件易損性和損傷評估

2.1 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件易損性參數(shù)

本文假定的易損性構(gòu)件中加速度敏感型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括吊頂和管道，共計約27 萬元。建筑內(nèi)部設(shè)備包括計算機(jī)（32 萬元），大型醫(yī)療設(shè)備（500 萬元）以及小型醫(yī)療設(shè)備（129 萬元）。總體的經(jīng)濟(jì)價值主要由醫(yī)療設(shè)備構(gòu)成，醫(yī)療設(shè)備因非常昂貴且功能重要，所以評估其在水平與豎向地震分量共同作用下的易損性具有重要意義。本文中假定的各類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和內(nèi)部設(shè)備的易損性組及數(shù)量和位置的布置情況如表3 所示。

表34 層結(jié)構(gòu)易損性組構(gòu)件分布

對于本文假定的醫(yī)療建筑，其內(nèi)部非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如吊頂和管道的易損性曲線采用FEMA P-58 中的PACT 損失分析軟件提供的易損性參數(shù)。醫(yī)療器械設(shè)備的易損性參數(shù)參考FEMA P-58中滑動和傾覆易損性計算的內(nèi)容以及葉良浩[10]的相關(guān)文獻(xiàn)。

2.2 組合加速度下?lián)p失評估

為了研究考慮豎向加速度后的損失，分別采用4 層和8 層結(jié)構(gòu)的樓層水平峰值加速度和樓層組合峰值加速度作為工程需求參數(shù)。根據(jù)FEMA P-58 中提出的流程通過蒙特卡洛模擬計算上文所假定醫(yī)療建筑中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備在兩類加速度下的損失并求和，得到不同地震強度、不同地震動類型以及不同樓層下的組合加速度與水平加速度損失。

不同地震強度下設(shè)備的損失比如圖2 所示，地震強度與總體的損失比呈正相關(guān)。組合加速度引起的損失比明顯大于單獨水平加速度引起的損失比，且8 層結(jié)構(gòu)的損失比低于4 層結(jié)構(gòu)。在強度為1 時，組合加速度作用下的損失比最大，此時4 層結(jié)構(gòu)對應(yīng)的損失比為0.5，8 層結(jié)構(gòu)對應(yīng)的損失比為0.35。

圖2 不同地震強度下?lián)p失比

由圖3 可以看出不同樓層對應(yīng)的地震損失差異較大，損失主要集中在第二層，這是因為本文假定造價昂貴的大型醫(yī)療設(shè)備一般布置在醫(yī)院第二層的位置，所以其直接導(dǎo)致第二層的損失遠(yuǎn)大于其他層。總體來看，排除第二層的特殊情況，樓層高度越高內(nèi)部非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備的損失越大。因此在實際生活中，為減小地震作用下的經(jīng)濟(jì)損失，重要設(shè)備不適宜放置在較高樓層位置。

圖3 不同樓層的損失比

具體各類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備在兩類加速度作用下的損失如圖4 所示。從損失比的角度來看，組合加速度下的損失比均大于水平加速度，且吊頂?shù)淖兓茸畲??？紤]豎向加速度作用后吊頂?shù)膿p傷狀態(tài)發(fā)生了變化，可能從DS1 變?yōu)榱薉S3，因此出現(xiàn)了量級的損失差異。其他設(shè)備雖然損失增大，但是沒有出現(xiàn)明顯的量級差異，即還是在同一損傷狀態(tài)區(qū)間內(nèi)。從損失占比的角度來看，大型和小型醫(yī)療設(shè)備占總體損失的大部分，其次是計算機(jī)設(shè)備。相對而言，吊頂和管道的損失占比較小。

圖4 各類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備的損失

3 結(jié)論

本文以鋼框架結(jié)構(gòu)在水平與豎向地震動共同作用下的樓層加速度響應(yīng)作為參數(shù)，利用ANSYS 對設(shè)備建模模擬組合加速度下的運動響應(yīng)。得到以下結(jié)論：

3.1 浮放式設(shè)備的運動響應(yīng)受水平加速度、豎向加速度、摩擦系數(shù)、設(shè)備高寬比等因素的影響，在水平與豎向加速度共同作用下設(shè)備更容易發(fā)生傾覆，滑移距離更大，并且摩擦系數(shù)越大，高寬比越大時，設(shè)備也更容易產(chǎn)生傾覆。

3.2 采用組合加速度替代水平加速度進(jìn)行損失評估時損失明顯增大，結(jié)構(gòu)總高度越低，樓層越接近頂層，兩者的差異越明顯。此外，不同類型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件因?qū)铀俣鹊拿舾行圆煌捎蒙鲜鰞煞N方法得到的經(jīng)濟(jì)損失差別較大。