基于位移的地震易损性分析方法研究.doc

浙江大学硕士学位论文基于位移的地震易损性分析方法研究姓名：时吉涛申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：苏亮20120309 展 开 了 深 入地 研究服 极 限状 态 和 屈 服 后 极 限状 态 下 均 可 给 出 比 较准 确 的 评估 结 果 积 极 而乐 观 地 对待生 活 对他 们，我将 永 远 感 恩 在心 上，这 就 使得 高脆 弱性 的 现代 社 会 特 另菀资艿 浇 肪 车 母扇 拧 】 【。地且止：画陆 札甜图 图 显 示了 从 年 到年 世 界范围内 由重 大自然 灾 害引起的 经济损失 和 投 保 损 失 趋 势 ，这 其 中由地 震 引发 的 直接 和 间 接 经济损 失 占据了 损 失 的 大部 险 通过 私 人 保 险 分摊 给 住 房 用 户或 者是 将 大部 分风 险 损 失出口 输 出到 世界 再 保险 市场 设 计 这 些保 险 和再 保 险 方案之 时 就 需要 一 个可靠 的 地 震易 损 性 分析模型， 能 够 对未来 某 区 域的 地 震损 失做 出合 理的 评 估。 另外， 提 出城 镇 区 域内 的 地震易 损 性 分析模型的 意义 不 仅在 于预 估未来 地 震所 造 成 的 经 济损 失， 它还 能 通过修正 抗震设 计 规范 ， 从 而达到 减少 地 震损 失的 目 的 【 。易 损 性 概 念最 早 是 在 军 事 领 域内 提 出的 ， 用 来 描 述船体 或 飞 机承受 物 体 碰 撞的 能 力而在 地 震工 程 中， 易 损 性 定 义 为 在 给 定 的 地 震动 参 数 下 绶逯 导 铀俣 结构或 构件 的 抗震需求 纾何 灰 菩枨 蟮超 过 结构或 构件 能 力的 概 率在 经 济领 域， 易 损 性 分析也 可以表述为 震后 修复结构与 重 建结构所 需费用 之 比关 于地震易 损 性 分析的 方法 大体 上可以分成 三 类 ： 经 验 类 、半 经 验 半 计 算类 和计 算分析类 易 损 性 分析的 操作 流 程 如 图 所 示， 有关 这 些方法 的 发 展过 程 、应用 情况等 将 会在 之 后的 小 节中提 到 面 峰值 加 速度 ， 基 于 经验的地 震易 损 性分 析方法 大都 是通 过观察 地 震的破 坏情 况 来 得 到 结放 烈 度 ”基 于 经验的地 震易 损 性方法 快速 、 简 洁 、 概 念明 确由 于 该 组 类的方法 是 基 ， 夏 赢露 面 善可 ”瘛 风 一吼一这样 ， 宏 观 的 地 震响 应就 可 以通过 基 底 剪力 系数 ， 准 袅 ， 除 以质 怯 擅拦医蒲 芯 吭， 与美 国 联 邦应急管理署 現 献 飨 钅 恐 碌 慕 峁 瓾适 用 在美 国 国 土 环 境 ， 可 以估计 潜在的 地 质自然 灾害 琍 包 括 ： 地 震动 、 滑坡， 泥 石 流 、 地 基 液化、 海 啸等 等 。力 谱 方法发 展而来 通过 以加 速 度 位 移表 示 的 需 求 谱 与由 曲 线转 化而 财 力 和机时最 近 提出的 运用 到 城 镇区 域范围 的 地 震易 损 性分析方法多 采 用 整 体位 移或 分 析需要 大量的计 算 机 机 时 和 人力 财力投 入 。 最 后 一组 的方 法 采用 位 移 来模拟 各 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 猙 ， ， 年 和凝土 框 架结 构 中， 使得 此 方法 更加 接 近于 实 际应 用。 根据 结 构 构 件、 非 结 构 构 件以 及 信 确 定 地 震结 构 高度图 基 于 位 移的 地 震 易 损性分析 方法 的 过程 示意 图 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 雾圈常 见钢筋 混 凝土结 构 类别 笫 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 柱 铰破 坏的钢筋混 凝 土 框架 结构 钢筋混 凝 土 剪 力 墙结构 钢筋混 凝 土 框架 剪 力 墙结构 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 表 钢 筋混 凝 土结构 极 限 状态结构 需 要 大量 修复 ， 弯 矩和 剪 力引起 的裂 缝 很 宽， 纵向 钢 筋可 能 屈曲 此 时材料 的极 限 应 变 范围为：对 于未做抗 震 加 固 的结构对 于已做抗 震 加 固 的结构从 理论 上 和 经 济 上 讲 修复 已经 不可 能 ，需 要 拆除 可 能 是 由 于竖 向 受力构 件 受剪 破坏 或 位 移 过 大导致完 全 倒 塌 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 叽 图 R桓 龅 湫 偷 闹 孛 嫱 迹为该截面 处 的应 交 外 包 线 对 于转 角 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 位 移 能 力只用 结构 的材料 和 几何 特 性 来 表 示 ， 而 与 强度无 关 。到该柱 的屈服转 角。同 理， 积 分柱 高的屈服转 角， 就 可 以 求 出 柱 顶 的屈服位 移 ， 该柱 的屈服位 移 笫 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 塑 性 铰长度取截面 高度的一 半： 幽鱵鳎 畃 。譬乞一红以 上 的原理可 以 运 用 到计 算整 个结构 在地震 作用 下 的位 移 能 力然而 与 单 个独 立的构 件 不同 ， 整 个结构 的位 移 能 力需 要 进 一 步 讨 论 。在上 一 节 中曾指 出 ， 对于结构 的地震 需 求 位 移 是 以 单 自由 度体 系 的位 移 反 应 谱 来 描述 的， 为了便于能 力谱 和 需 求 谱 进 行比 较 ， 原 结构 应 当用 一 个体 系 进 行替代 对 于梁铰破 坏 机制的框 架 结构 而 言， 其等效 为体 系 的过 程 如 图 所 示 图 粱 铰破 坏 机制的框 架 结构 等效 为单 自由 度体 系 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 组 合 构 件 的变 形如 图 荆 湫 可 以 按 下 式来 计 算： 笫 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 上 式的实验 结果 是 在下 列 参 数 取值 范围内得到的：同 样 道理， 可 以 求 得在屈服 后 极 限 状态 下 的结构 位 移 能 力： 日 酌畇勺慈 誶 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 假定替 代 结 构的 弹 塑性力 位 移 本 构关 系如图所示 ， 最大位 移 点的 割 线 刚度 可以看做 仅 是 以弹 性刚度 和延性为 参数的 函数。 由 于屈 服 周 期 是 以弹 性刚度 为 参数的 函数， 所以非 线性状 态下结 构的 周 期 也就 只 是 以屈 服 周 期 和延性埘为 参 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 到 目前为止，抗 震 规范 【 】 恐 刑岬 降 挠 结 构抗 震 设 计 的加 速 度 反 应谱 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 亿，美幢硎静 煌 逯 导铀 俣 萈 作 用 下 的 最大反 应 加反 应 控制 ， 因此， 位 移 反 应 谱 可 以由 加速度 谱 转 化 而来：呈 现的 非 线 性 性 质 还 要 通 过等效粘 滞 阻 尼 岛来表示， 岛为 弹性 阻 尼 厶 ， 和 滞 回 阻 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 仁， 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 要验 证的 结 构 特 性如下表 所 示 ：标 准 层 ：力 位 移 谱位 于 需求位 移 谱之下，结 构 已 经 达 到了 屈服 极 限 状态 ； 相 反，区 间之外的 结 构 没 有达到屈服 极 限 状态 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 是 一 款可 以 用来 充 分 考虑结构 非 线 性 的纤维 有限 元计 算 软 件 利 用纤维 单元 可 以充 分 考虑钢 筋和 混凝 土的非 线 性 特 性 ， 并 且 可 以 很好 的表 现 塑性 铰 区域的发 展 与变 形 在 本 例中 ， 采用非 线 性 的纤维 单元 来 模 拟 梁 柱； 为 了模 拟 节 点 在 时 程过 程中的松 动变 形 以 及 剪 切 变 形 等， 在 节 点 处 采用弹 性 非 纤维 的链 接 单元 混 凝 土及钢 筋的材 料 信息 如图 所 示： 框 架层 高为 ， 跨 度 为 ； 钢 筋的屈 服应交 设 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 叼屏 模 柳 ， ，鼍芝常 接 近的 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 能力 位 移图 拮 刺翫 分 析 结果 与时 程分 析 结果 比较 第 禄 谖灰 频 牡卣鹨 姿 鹦苑治 龇椒 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄应 的最 大位 移可 以采 用等效线 性 化方法 本章将 介绍一 种 二 维等效线 性 化方法单自 由 度 非 线 性 和 等效线 性 体 系 的理论水 平地震动 作 用下 非 线 性 单自 由 度 体 系 的运 动 方程 如 下 ：弹 性 刚度 幻 的弹 性 自 振 周期，如式所示 ；面表示 体 系 阻尼 ；删 为 恢 复力 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄 效 阻尼 比， 其表 达如 式 ：瓦、 。一 口 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄 度体系的 非线 性最 大位 移与屈服位 移的 比值， 其计算如 式 到。 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄参 数 求解 过程， 并 且 给 出了考 虑 不 同 安全度 的 多 个 滞 回模 型的 二维等效 参 数 。二维等效 线性 化的 结 果 可以 按 下 式 求得：。瓦 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄 表 公 式的 参 数 第 滤 樯艿 腄 中 采用 了割线 刚 度 法 来对单 自 由度 体 系进行 等效线屈服阶 段 ：乃 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄 如 节 所述 ， 不管 采 用 何 种 等 效 线 性化方 法 ， 等 效 粘 滞阻尼 的 取值 总 是 和所采 用 的 滞回模 型相关 的 通常 结 构设 计 或 者易 损性分析 中 所采 用 的 滞回模 型对于实际 结 构而 言 往 往 是 简 化的 ， 根 据 结 构的 类型选 择 适 合 的 滞回模 型 图显示 了不同 滞回模 型对 峁 挠跋 欤 杂诟 钕 吒 斩鹊刃咝 曰 椒 图， 虽 然 不同 的 滞回模 型会 给 出 差 异 较大的 等 效 阻尼 比， 但 是 经 过代 入 到 式效 线 性化方 法 的 需 求 谱 对 滞回模 型的 选 择 不敏 感 然 而 对 于采 用 二维 等 效 线 性化 昌图 不 同滞 回 模 型 下 得到 的 位移需 求谱 比 较 捎 酶钕 吒 斩 鹊 刃 咝曰 椒 腄 第 虏 捎 枚 刃 咝曰 椒 腄 需 要 指出的 是 为了 便 于 参 数 分 析 ， 在本 例中 采 用一 系 列 递 增的 延 性 等级系 数 作 为相 应的 屈服极限 状态这 些 的 极限 状态并 非 如 谒 龅 慕 峁 故 导实募 拮刺 遣 挥 跋於 訢 分析 过 程的 讨论 与 对 其结 果的 证 明 另外 ， 确 定 结 构 各个极限 状态的 延 性 系 数 需 要 投 入 相应 的 震 后调查 、 实验 与 计算分 析 ； 同样， 确 定 结 构 极限 状态的 延 性 系 数 对 于 笫 虏 捎枚 刃 咝 曰 椒 腄 图 屈 服后 极限 状 态 下 治 鼋 峁 割 线 刚 度 法， 第 虏 捎枚 刃 咝 曰 椒 腄 过 程 圆 捎肧 突 啬臀 及结果如 图 所示 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄 表 采 用二 维 等 效线性 化 方 法 不 同滞 回 模 型的 情 况 下 治 鼋峁 高 度 单位 ： 捎昧街 值 刃咝 曰 椒 结果 比 较 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄 的 地 震波设计 位 移 反 应 谱。 由 于时 程分 析 的 结果 对单个 地 震波的 特 性 有很 大的 依赖性 ，所以 每 一 结构 的 时 程分 析都采 用条 人工 波， 最 后 取 其 平 均 值 图显 示了 两条 人工 波形 式示意 图，每 条 地 震波都是 根 据 目 标 位 移 反应 谱生 成 。 图中实 线为 条 人工 波位 移 反 应 谱平 均 值 ， 点 线为 目 标 位 移 反 应 谱， 可 以 看出两者 之间 非常接近 。梁 出 现 塑 性 铰后 底 部柱 子才开 始 进入 塑 性 状 态 ， 即粱 铰破 坏 状 态 节 采 用楦叨 炔 煌 米 至 米 ， 层 高 的 钢 筋 混 凝 土 框架结构 进行时 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄 结构 位 移 要 大。 第 虏 捎枚刃咝 曰 椒 腄 中 第 绿 畛淝叫 訢 的影 响第 绿 畛淝叫 訢 的影 响方 法时 对 于 梁 铰 破坏的多层 钢筋混凝土 框 架 结构 可 以 给 出 较为精 确 的易损性 分析结果。 而 实 际 上 填 充 墙 被 广泛 应 用 到 上 述 结构 中， 由 于 在 动 力 荷载 作用 下 填 充墙 对 外 围框 架 的影 响效 应 非常 复杂， 并 且通常 认为填 充 墙 能 增 加 结构 的刚 度 和 强度 对 结构 整体 而 言 是有 利 的， 填 充 墙 总 是作为建筑 组 件而 被 结构 工 程 师所忽 视填 充 墙 的存 在 对 框 架 结构 的影 响引 起 了越来越多学 者 的关注 而 日 渐被 广泛墙的效 应并非在 所有 情 况 下 都是保 守 的：平 面布置不 规则会导 致 扭 转效 应； 第 绿 羁饲叫 訢 的影 响向 上角部 砌体 破坏。此 情 形 通常发 生在 框 架较 强 而 填 充 墙 较弱 的情 况 值 得 注 意的是 ， 在 实 际 震 害前 两 种破坏模型 蛃 经 常出 现许多方 法 提 出 用 来 考 虑填 充 墙 对 框 架结 构 的影 响， 从 最初 简单 的材料 强 度角度出 发 ， 到 尝 试 用 简单 模型 来模拟实 验结 果， 到 后 来的基于 弹性理论 、等 效理论 、能量角度等 提 出 的一系 列 方 法 ， 再 到 弹塑 性分析 和 最近提 出 的有限 元分析 。然 而 ，填 充 墙 作 用 对 框 架结 构 的影 响是 非常复杂 的而 且 计算量庞 大， 除非有实 验 数 据 的图 列 出 了 三种常见 的等 效支杆 模型 ， 在 有限 元参 数 准确 定义的前 提 下 以 第 绿 畛 淝叫 訢 的影 响型 可 以 在 耗费合 理的计算量的情 况 下 很好的考 虑填 充 墙 和 框 架的相互 作 用 砌体 垂 直 抗 压 强 度一般来 说该 值 应当由 实 验 测 得 ， 在 没 有实 验 值 的情 况 下 就 应当通过 砌体 垂 直 抗 压 强 度嘞 、抗 剪强 度巩 以 及 结 构 的破坏状 态 和 几 何特 性来 确定最准确 的方 法 是 先 计算填 充 墙 各 个破坏状 态 下 的抗 压 强 度值 ， 然 后 取 其 最小者 作 为最常见 的破坏形 态 ， 其 砌体 对 角抗 压 强 度的计算方 法 如下 ：脚雨卜 酯值 第 绿 畛淝叫 訢 的影 响厂。枷逫磊恕甇面刃 哟 萮喝 导 式 哟 葄 的 第 绿 畛淝叫 訢 的影 响图 满 布 填 充 墙 的框 架结构 有限元 模 型示 例 浙江 大学 硕 士 学 位 论 文第 绿 畛淝叫 訢 的影 响根 据 上文 所 述 ， 椒 幕 墙 峁 鼓 芰缀托 枨 笃 椎耐 频 肌 中的能 力谱巧妙的运用了 基 于位 移 的结 构 抗震设防 思 想 ， 根 据 结 构 的力学 性 能 和材 料性 能 ， 推导出一 套 简 单 的计算结 构 能 力位 移 的公 式 ； 需求谱则 采用弹 性 地 震位 移 反 应谱， 由于位 移 反 应谱表 示一 单 自 由度 体 系 在给 定周 期 和 阻 尼下的位 移 需求， 所 以 用等 效阻 尼来修 正 弹 性 位 移 谱来表 示非 线 性 条 件 下的地 震耗 能 填充 墙的存在显 然会影 响结 构 的屈 服位 移 能 力、 结 构 的屈 服周 期 以 及 各 极限状态下的周期 、 结 构 的耗 能 特 性 等 因此， 本 节主要从 以 下三个方 面讨 论 填充 墙 存在对或 者 弯矩 ， 位 移 为 结 构 在等 效高度 处 的等 效位 移 ， 其计算方 法 见 公 式 ： 第 绿 畛淝叫 訢 的影 响首先 ， 对 一 组 至无 填充 墙 的框架 结 构 进 行 推覆 分析 得 到 曲 线 ，线 性 模 型性 破坏 第 绿 畛淝叫 訢 的影 响量图 框架 结 构 高度 与屈 服周 期 的关 系 从 图 可 以 看出， 填充 墙 的存在极大地 减 少 了结 构 的屈 服位 移 能 力， 并且 第 绿 畛淝叫 訢 的影 响 ， 蚉 推 荐 了 一 简 单 的计 算 现 有钢筋 混凝 土框架结构屈服 周期高 度 关 系的计 算 公 式周期悸 第 绿 畛淝叫 訢 的影 响图 考 虑填 充 墙 效 应的框架的屈服 周期一 结构高 度 的关 系 第 绿 畛淝叫 訢 的影 响其 中是 由 等 效 线 性化过 程 直接 得 到 的结构屈服 后 阶段 的等 效 周期， 此周期是数 第 绿 畛淝叫 訢 的影 响岛 淅 江大学 硕 士 学 位 论 文第 绿 畛淝叫 訢 的影 响 的取值主要 取决于所 采用 的滞 回模 型，可以 根 据前文 所 提到的二 维等效本 节简单的总 结 如 下