设有叠合柱的局部错层RC框架结构地震易损性分析.pdf
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1、第 19 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.19 No.3Mar.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER设有叠合柱的局部错层RC框架结构地震易损性分析张淑云,刘建波,代慧娟,王乐,高欣悦(西安科技大学建筑与土木工程学院,西安 710054)摘 要:为研究某一设有叠合柱的局部错层钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构在近断层和远场地震作用下的破坏概率,自定义钢管混凝土叠合柱塑性铰参数,并与试验对比验证塑性铰参数的有效性。采用SAP2000建立非线性分析模型,选取近断层和远场地震波共22条,分别以地震峰值加速度(peak ground
2、 acceleration,PGA)和最大层间位移角作为地震动强度指标和结构性能指标,基于增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)结果和点估计函数对错层框架结构进行易损性分析。结果表明:对于远场地震动,结构满足“三水准”抗震设防要求,在罕遇地震下超越防止倒塌极限状态的概率仅为0.24%;结构在近断层多遇地震下仍能满足“小震不坏”的设计要求,设防地震下结构超越修复后使用极限状态的概率为53.63%,发生中等破坏的概率较大,罕遇地震下结构达到倒塌极限状态的概率为5.37%,较远场地震作用破坏更为严重。研究结果可为错层框架结构的设计和地震风险评估提供参考。关键
3、词:近断层地震;错层框架结构;钢管混凝土叠合柱;增量动力分析;点估计中图分类号:TU375.4 文献标志码:A文章编号:2095-2783(2024)03-0275-09开放科学(资源服务)标识码(OSID):Seismic vulnerability analysis of partially staggered RC frame structures with laminated columnsZHANG Shuyun,LIU Jianbo,DAI Huijuan,WANG Le,GAO Xinyue(Shool of Architecture and Civil Engineering,
4、Xi an University of Science and Technology,Xi an 710054,China)Abstract:To study the failure probability of a partially staggered reinforced concrete(RC)frame structure with laminated columns under near-fault and far-field earthquakes,the plastic hinge parameters of steel tube-reinforced concrete col
5、umn were defined,and the validity of the plastic hinge parameters was verified by comparison with the test results.Establishment of nonlinear analysis model with SAP2000,and a total of 22 near-fault and far-field earthquakes waves were selected.The peak ground acceleration(PGA)and the maximum interl
6、ayer displacement angle were selected as ground motion intensity index and structural performance index,respectively.The vulnerability analysis of staggered frame structure was carried out based on the results of incremental dynamic analysis(IDA)and point estimation function.The results show that,fo
7、r far-field ground motion,the structure meets the“three-level”seismic fortification requirements,and the probability of exceeding the limit state of collapse prevention in rare earthquake is only 0.24%.The structure can still meet the design requirements of“small earthquake is not bad”under the near
8、-fault earthquake.The probability of the structure exceeding the limit state after repair is 53.63%under the fortification earthquake,and the probability of moderate damage is larger.The probability of reaching the collapse limit state of the structure is 5.37%under the rare earthquake,which is more
9、 serious than the far-field earthquake damage.The research results can provide reference for the design and seismic risk assessment of staggered-floor frame structures.Keywords:near-fault earthquake;staggered frame structure;steel tube-reinforced concrete column;incremental dynamic analysis(IDA);poi
10、nt estimate错层框架结构由于其灵活的空间布局、新颖的空间层次等众多优点,而广泛应用于工业与民用建筑1。错层易形成短柱、矮墙等受力短构件,在受力过程中由于侧向刚度过大导致应力集中形成薄弱部位,造成剪切破坏;错层亦可导致楼板不连续,降低楼层的整体协调性,造成结构质量分布和刚度变化不均匀,削弱结构抵抗地震作用的能力2,使得结构在地震作用下更容易发生严重破坏和倒塌。国内外学者对该类典型结构的抗震性能进行了一系列的研究。陈辉3通过对一错层框架结构进行地震响应分析发现,错层处采用圆形截面柱时结构的抗震性能优于矩形和工字形截面柱,错层楼板厚收稿日期:2023-03-08基金项目:陕西省自然科学基金
11、资助项目(2019JQ-193)第一作者:张淑云(1972),女,教授,主要研究方向为混凝土材料、建筑结构抗震,第 19 卷 中 国 科 技 论 文度对结构抗震性能影响较小。徐张伟4对一多层错层框架结构模型进行模态分析和反应谱分析,研究错层布置方式对错层结构的影响,并提出在错层处加斜撑的抗震加固方案。曹赫等5通过对错层框架结构进行反应谱和弹性时程分析发现,采取垂直加腋措施可以显著提升其抗震性能。张琳琳等6建立了横、纵向错层2种框架结构的非线性分析模型,对其进行模态分析和反应谱分析,发现纵向错层框架结构抗震性能较为稳定。王志军等7通过2栋1 4大比例错层框架结构振动台试验,研究了错层框架结构的破
12、坏形式和破坏机理。Li等8建立了某错层框架结构办公楼弹塑性模型,并进行模态、反应谱和时程分析,得出结论:框架整体抗震性能满足设计规范要求。目前,国内外学者对错层框架结构的研究主要集中在错层节点、错层短柱及远场地震动作用下的抗震性能方面,关于错层框架结构在近断层地震作用下的整体抗震性能和易损性研究仍不充分。因此,本文以某一在错层处设置钢管混凝土叠合柱的局部错层框架结构为研究对象,对该类典型结构进行地震易损性研究。首先通过试验对比,验证钢管混凝土叠合柱塑性铰参数的有效性,然后基于IDA结果对典型结构进行易损性分析,求解结构在不同类型地震动作用下各极限状态的失效概率,并进行对比分析,评估结构的抗震性
13、能,为该类结构的设计和工程应用提供参考。1钢管混凝土叠合柱塑性铰验证框架结构错层处易产生短柱,在受力过程中由于侧向刚度过大造成应力集中而产生薄弱部位,减弱结构的抗震性能。为避免错层处短柱的剪切破坏,本文结构在错层处设置钢管混凝土叠合柱。在SAP2000中,钢管混凝土叠合柱作为结构中的特殊构件需要自定义塑性铰,其塑性铰参数的有效性对结构抗震性能具有较大影响。因此,对钢管混凝土叠合柱塑性铰参数的有效性进行模型验证是必要的。1.1试验概况选取文献 9 中的试件Z3对钢管混凝土叠合柱塑性铰参数的有效性进行验证,其偏心距为100 mm。试件Z3截面尺寸、配筋及箍筋间距如图1所示,核心钢管采用Q345无缝
14、钢管,混凝土采用C40级。钢材材性见表1,混凝土力学性能指标见表2。1.2塑性铰参数设置通过塑性铰模拟结构构件屈服值和屈服后的塑性行为。钢管混凝土叠合柱塑性铰受到轴力和弯矩的相互作用,偏压破坏机理与普通混凝土柱相似,因此参照组合结构叠加理论和混凝土结构截面平衡理论对其偏压承载力进行计算10。根据其自身材料属性和偏压承载力计算结果定义塑性铰相关关系曲线,如图2所示。图中,点B代表屈服强度,点C代表极限承载力,点 D 代表残余强度,点 E 代表失效强度11。塑性铰长度(lp)取式(1)、式(2)中的较大值12。lp=0.08L+0.022fydb,(1)lp=0.044fydb。(2)式中:L为构
15、件长度;fy、db分别为钢筋的屈服应力和直径。1.3验证结果分析对钢管混凝土叠合柱的塑性铰进行自定义,进行静力弹塑性分析。试验与模拟荷载-位移曲线对比如图3所示。可知:在曲线上升阶段,试验模型刚度较大,承载力较高,曲线基本吻合;由于试验过程中存在不确定性,导致模拟曲线与试验曲线的破坏荷载存在差异,曲线下降段的吻合度一般。综合分析表明:钢管混凝土叠合柱塑性铰特性参数有效性较高,能够较好地模拟该特殊构件的承载力特性。图1Z3截面尺寸、配筋及箍筋间距Fig.1Diagrams of Z3 section size,reinforcement,and hoop spacing表1钢材材性Table 1
16、Steel properties材料类型钢筋钢管d(t)/mm126133fy/MPa290308339fmax/MPa412441476ES/MPa2.101052.101052.06105注:d(t)为钢筋(钢管)直径;fy为钢材屈服强度;fmax为钢材极限强度;ES为钢材弹性模量。表2混凝土力学性能指标Table 2Mechanical properties index of concreteMPa混凝土强度等级C40fco25.6fcc31.4Eco3.21104Ecc3.38104注:fco、fcc分别为通过立方体抗压强度计算的管外、内混凝土轴心抗压强度;Eco、Ecc分别为管外、内
17、混凝土的弹性模量。276张淑云,等:设有叠合柱的局部错层RC框架结构地震易损性分析第 3 期2典型结构概况与有限元模型2.1工程概况选取结构形式为钢筋混凝土局部错层框架结构的工程实例为研究对象,结构在局部采用错层设计,以满足大空间使用要求。该工程结构安全等级为二级,位于类场地,8 度(0.2g)设防烈度,设计地震分组为第一组,丙类抗震设防,框架抗震等级为一级。结构首层平面布置如图4所示。结构错层处剖面如图5所示,图中:1-1剖面为第三、四层的错层,其中第三层错层高度为 0.6 m,第四层错层高度为1.2 m;2-2剖面为第二层的错层,错层高度为2.4 m。结构在错层处设置钢管混凝土叠合柱来避免
18、短柱剪切破坏和楼板错层造成的应力集中现象,位置见图4中涂黑处,典型构件截面配筋如图6所示。构件截面设计参数见表3表5。2.2有限元模型的建立采用SAP2000建立错层框架结构非线性分析模型,梁、柱采用框架单元,楼板采用薄壳单元,结构整体模型如图7所示。普通梁、柱采用默认铰属性,梁采用弯矩铰M3,柱采用P-M2-M3铰;特殊构件钢管混凝土叠合柱需自定义铰属性,塑性铰参数通过材料属性和截面承载力进行计算。故对该特殊构件材料本构进行自定义,钢管内混凝土采用圆钢管混凝图2钢管混凝土叠合柱塑性铰相关关系曲线Fig.2Plastic hinge correlation curve of steel tub
19、e-reinforced concrete column图3试验与模拟荷载-位移曲线对比Fig.3Comparison between the test and simulated load-displacement curves图4结构平面布置Fig.4Structure plan layout277第 19 卷 中 国 科 技 论 文土本构模型13,钢管外混凝土采用Mander混凝土本构模型14;钢材选用软件自带的钢材本构模型15。典型构件模型配筋如图6所示,建立的典型构件模型如图8所示。采用SAP2000和YJK软件对结构进行模态分析,得到错层框架结构的振型频率和自振周期,见表6。可见,
20、二者模型周期计算结果差距较小,模型建立正确。2.3地震波选取与调幅基于地震设计反应谱选波方法,根据设防烈度、设计地震分组和场地类别,采用GM-Tools软件生成设计反应谱,依据设计反应谱在PEER太平洋地震工程数据库中选取地震波,将选取的地震波输入GM-Tools软件中进行调幅处理,通过与结构自振周期对应的谱值对比选取合适的地震波。依据 建筑抗震设计规范(GB 500112010)16规定,并考虑典型结构的复杂性,综合各种因素,从PEER太平洋地震中心数据库选取10条近断层地震动、10条远场地震动和2条人工合成地震动,分别见表7和表8。设计反应谱和地震动加速度反应谱如图9所示。其中,图5结构错
21、层处剖面Fig.5Cross-section of staggered structure图6典型构件截面配筋Fig.6Typical member section reinforcement diagram表3梁截面设计参数Table 3Beam section design parameters类型横向主梁纵向主梁次梁尺寸/mm350700350800250500上部配筋225+212225+212222下部配筋222+25225+322220箍筋10100/200(4)10100/200(4)8200(2)278张淑云,等:设有叠合柱的局部错层RC框架结构地震易损性分析第 3 期图9(a
22、)为表7地震波的表示,图例序号和表中序号对应,TR代表天然;为与图9(a)区分,图9(b)图例采用表8中地震波名称与序号的简写。对典型结构进行增量动力分析时,选择等步长法对地震波进行调幅:在1g内取增量为0.1g,大于1g时取增量为0.2g,等步长增加地震动强度参数(intensity measure,IM),结构发生倒塌破坏时调幅停止。2.4IDA参数选取和结构极限状态定义地震动强度指标采用PGA17。最大层间位移角与混凝土强度等级、配箍率、轴压比等结构延性参数有关,可以综合反映结构楼层的梁、柱、节点等构件的变形情况,且对于高层和多层结构,采用结构变形反映结构的整体受力性能较承载力更为清晰1
23、8,故结构性能参数(damage measure,DM)选取最大层间位移角。抗震规范规定基本完好、轻度损坏、中等破坏、严重破坏、倒塌5个结构破坏状态,并基于性能的抗震设计理念,划分 5 个性能水准等级对应 5 种结构破坏状态。根据文献 19 研究结构损伤状态和对应量化指标,同时参考规范中层间位移角限值,对结构极限状态及最大层间位移角进行定义,见表9。3增量动力分析IDA可以采用多种参数对典型结构进行非线性动力时程分析,研究结构在不同类型和不同强度地震荷载下性能水准的变化规律。该方法通过调幅法则对选取的地震动进行增幅处理,使之成为多条地震动;然后输入结构有限元分析模型中进行非线性动力时程分析,获
24、得地震响应;提取结构性能参数,关联地震动强度指标和结构性能指标之间的关系,绘制IDA曲线,评估典型结构抗震性能。由于结构形式复杂、布置不规则及地震动的随机性,选择22条地震动双向输入典型结构模型中进行抗震性能分析。经过上千次动力时程分析,得到所有的结构性能参数,将其绘制于 DM-IM 坐标系中,结构的IDA曲线簇如图10所示。表4柱截面设计参数Table 4Column section design parameters类型一、二层三、四层五、六层尺寸/mm700700650650600600b边配筋525325325h边配筋425325325角筋428425425箍筋10100/200101
25、00/20010100/200表5钢管混凝土叠合柱截面设计参数Table 5Design parameters of steel tube-reinforced concrete column section柱截面尺寸/mm600600700700800800钢管尺寸/mm3251437714325143771437714b边配筋328328528328532h边配筋328328328325328角筋428428428428428箍筋1210012100121001210012100图7结构整体模型Fig.7Overall structure model图8典型构件模型Fig.8Typical
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