钢筋混凝土结构的易损性分析.doc

钢筋混凝土结构易损性分析 0. 引言由于目前国内外地震频发，造成很多房屋倒塌，人员伤亡以及经济损失，使越来越多的专家认识到要保证结构的安全，除了要在实际过程中考虑结构（构件）的安全储备、结构设计与施工的安全质量控制之外，还必须考虑结构的易损性，如果一个结构在某种局部破坏作用下所产生的后果是整个结构大比例的破坏，则称该结构是易损的；反之，如果一个结构在一定程度上能够承受任意的局部破坏作用，则称该结构是不易损的。结构的局部破坏引起的整体破坏范围越大，结构的易损性越大。本文从易损性的概念及基本原理入手，将钢筋混凝土结构易损性方面的研究方法进行了初步总结。1 结构的易损性分析1.1 基本概念结构的易损性是指结构在确定的地震强度作用下，超越各种破坏极限状态的条件概率。易损性分析作为灾害风险分析的三个主要部分之一（致灾因子的危险性分析、承灾体的易损性分析、灾情损失评估）可以预测结构在不同等级的地震作用下发生各级破坏的概率，易损性从宏观的角度描述了地震动强度与结构破坏程度之间的关系，从概率的意义上定量地刻画了工程结构的抗震性能，相当于结构的“广义抗力”。因此，分析结构的地震易损性对于评定结构的抗震安全性，制定防灾措施有重要意义。也是正确、合理地分析各类建筑物的抗震性能，提高结构的抗震能力、减少损失的有效途径。 结构易损性分析是地震破坏和损失估计的基础，也是震害预测的基本组成部分。它在地震破坏和损失预测中占有重要的地位，深入开展结构易损性分析的研究对于地震破坏和损失预测以及减轻地震灾害具有十分重要的意义。1.2 基本原理地震易损性是指一个确定区域内由于发生地震造成损失的程度，它是评定震害的一个数值，是对地震预测区内未来地震造成建筑物的破坏和损失的程度做出的预测。若在一次地震中房屋没有抵御地震破坏的能力，全部倒塌了，则其易损性为1；相反，若建筑物达到抗震设防标准，在地震中完好无损，则其易损性为0。地震易损性除了建筑物外，还有人员伤亡、生命线工程、生产设施等不同程度损害数，经济损失和社会影响估计，可能产生的次生灾害以及造成的损失数。在分析结构的地震易损性时，需获知建筑物所在场地的地面运动特性和建筑物的恢复力特性，用结构动力分析的方法可以求出结构的内力和变形等，结合相应的破坏标准，就能评价建筑物的抗震性能并评估其震害。建筑物的震害分析，是指建筑物遭受某一设防标准的地震影响时，对建筑物可能遭受破坏情况的估计。一般而言，由于地震而使建筑物遭受震害的程度主要与建筑物所在场地的地震危害性和建筑物自身的抗震能力有关。目前，人们常将建筑物按结构特点进行分类，人后定义一个能代表这类建筑物抗震性能的抗力指标（强度、变形等），根据震害资料和结构弹塑性地震反应分析方法，建立建筑物抗力指标和震害程度（破坏状态）之间的关系，并考虑建筑物抗震设防标准、建筑物的体型、构造措施、施工质量、建筑年代等因素的影响，对地震作用下建筑物的震害程度进行评估。这样完成对地震强度和建筑物震害之间关系的分析，即易损性。1.3 基本分析方法为了进行地震损失估计，已经提出了许多建筑物易损性估计方法。这些方法针对不同的对象、利用不同的资料或从不同的角度对建筑物抗震性能进行估计。 1.3.1 专家判断的方法 专家判断的方法是根据建筑物设计图纸、场地条件以及现场调查建筑物取得的资料，对建筑物的地震结构易损性进行经验估计。该类方法的特点是简单易行，但对人员的专业知识要求较高，要求调查人员不仅要熟悉抗震设计规范，而且还要有丰富的地震现场考察经验，只有这样的人才才能辨别出影响建筑物抗震性能的主要因素，并在建筑物地震易损性估计时进行适当的加权处理。存在的主要问题是：由于该途径主要依赖于专家的判断，而任何专家的经验和知识都有局限性和目前认识的不完备性，因此，采用这一途径不同的专家所给出的结果将存在差异，有时相差很大。 1.3.2 经验统计的方法 震害经验统计方法是估计结构易损性的一种常用方法。许多经验统计的方法是基于对地震震害经验进行统计开展的。经验公式法是根据震害资料统计回归给出的关系进行地震易损性估计。回归公式的形式是根据理论确定的，而其参数是根据历史震害经验确定的。优点：反映了地震破坏的实际情况，包括建筑设计建造类型、建筑年代、建筑物的改造、维护情形及其现状因素。但此种方法只能给出地震时建筑物破坏率的均值和方差，故采用统计方法只能用于震害经验丰富的建筑物的易损性估计，不能用于震害经验缺乏或有限的建筑类型的地震易损性估计。目前积累的地震震害经验虽多，但严格地讲，可用于统计的数量还是极其有限的。1.3.3 分析地震烈度表结构的易损性估计方法地震烈度标是衡量地震时一定地点地震动强烈程度的尺度，通常以人的感觉、器物的反应、建筑物的破坏和地面破坏等现象来描述。烈度表对房屋进行了分类，对破坏程度也进行了分等级，也对在工程上6度到9度之间不同类型建筑物各种破坏状态出现的概率规定了具体的数量范围。即地震烈度表包含了这些类型建筑物在不同列赌侠出现不同破坏程度的地震易损性，故使用地震烈度表可以粗略的估计某些类型建筑的易损性。1.3.4 简化结构动力分析方法该方法充分利用简化结构动力分析的特点，可以将结构的地震反应同结构反应的允许值进行比较，把级投破坏同工程参数设计标准联系起来，尽量利用试验结果和地震震害的统计资料，对建筑物的抗震性能进行评价。该方法特别适合于没有地震震害资料或地震震害资料有限的经正规抗震设计的建筑物的易损性估计。采用结构动力分析进行结构抗震性能估计，首先应建立结构的力学模型，将结构进行简化，用简化的理想模型研究多层建筑的地震反应；其次，建立理想化多层建筑模型的运动方程；第三，选择合适的地震动输入；第四，采用适当的方式求解运动方程，确定结构的地震反应；第五，依据地震反应和结构状态之间的关系，确定不同地震动下建筑物处于不同状态的条件概率。1.3.5 依据抗震设计规范的建筑物抗震性能评价方法依据建筑物抗震设计规范对建筑物抗震性能进行评价也是结构易损性估计的一种重要途径。因为建筑物抗震设计是依据现有的科学水平和经济条件制定的，规范对抗震设防原则、设计目标、地震作用，建筑物的平面和立面布置，抗震结构体系，非结构构件，材料和施工都作了明确规定，因此，通过比较结构的承载能力以及地震作用可以估计建筑物的易损性。、2. 钢筋混凝土结构的易损性分析方法2.1 结构局部损伤参数分析早期研究的损伤参数主要基于构件延性，延性率可以被定义为构件的曲率、转角或位移， 上式中、和分别为构件局部端处的最大曲率、最大转角和最大位移，、和分别为构件的屈服曲率、屈服转角和屈服位移。Banon在81年还提出来一个同时考虑到在往复加载下结构刚度和强度退化的修正延性率，这个弯曲损伤率被定义为： 上式中，为起始切线刚度，为经历的最大反应的等效切线刚度。但与实际试验数据比较，无论是延性率还是修正的弯曲损伤率都无法对损伤及结构失效给出准确的评判。另外一个损伤参数为层间位移或层间位移转角，在损伤严重目前已经广泛接受采用层间位移角作为评估损伤的重要依据，国内外的众多结构易损性研究都使用了这一指标作为钢筋混凝土结构损伤评判的标准。但是以上两种方法都未考虑材料的累积损伤效应，后来的学者又提出了其他一些考虑累积效应的损伤指标，其中影响广泛的为Park-Ang损伤参数，该损伤参数由两部分组成，既考虑到了结构变形的影响也考虑到了结构吸收能量 影响： Park1985年建议将D=0.4作为可修复和不可修复损伤的界限值，87年他进一步提出了更详细的损伤界限分类表，如下：2.2 结构整体损伤参数结构的整体损伤来源于局部的损伤分布和严重度。目前广泛应用的整体损伤即来源于对局部损伤参数的平均化并权衡局部能量的吸收：由于基于比如延性率、层间位移角、正态累计转角或者Park-Ang损伤参数都是来源于构件的损伤评估，通常只在用于评估结构在震后的残余强度和安全度或者决定该建筑结构是否必须采取加固措施，我们需要有一个简单的综合的描述整个结构的损伤参数值。 这里即为结构整体或层的损伤参数值，为位置i处的局部损伤参数，为位置i处吸收的能量。需要注意的事结构整体损伤参数并不专门具体针对某一局部单元或构件的集中损伤；也没有具体到区别结构的某根梁或柱，因此如果结构的某一构件已经严重屈服失效但可能并不能有效的反映在整体损伤参数中，从而会导致误判。2.3 静力push-over推覆法静力弹塑性分析作为一种结构抗震能力评估的方法，通过对结构进行抗侧力能力的计算，从而评估其抗震能力。其主要原理为：根据结构的具体情况，在结构上施加某种分布的水平力。逐渐增加水平力使结构个构件一次进入塑性，进而改变整个结构的抗震特性（刚度、自振周期等），然后调整水平力的大小和分布，这样交替往复，直至结构达到预定的破坏。1975年Freeman等人提出了基于非线性静力分析的能力谱法，即可以将不同的结构自振周期和其对应的地震影响系数会成曲线，也把相应场地的各条反应谱曲线绘在一起来描述分析的结果，以此评估结构的抗震性能。如果结构能力曲线能够穿过某一条反应谱，就说明能够抵挡该条反应谱对应的地震强度。2.4 自适应Push-over分析自适应Push-over分析在传统push-over分析方法的基础上进行了重大改进，在适应push-over分析中侧力分布不再是均匀或是倒三角分布并恒定不变，在每一步分析中侧力分布及大小都随着模态形状进行连续的自适应变化，该法既充分考虑了结构的变形而且也引入了反应谱的概念，作用在结构上的水平力的大小可由分析者自主给定的典型地震波的反应谱确定并随结构自振周期的变化而变化，水平力的分布情况由结构的阵型变化求得，这样就考虑了水平推力的大小和分布随着结构的周期、频率、阻尼和阵型的改变而改变的特性，弥补了传统静力增量法的不足。2002年Antoniou等人首先提出了该法并进行了房屋结构的能力谱计算，2007年Casarotti和Pinho使用该自适应能力谱法率先进行了桥梁的抗震性能评估。该方法尤其适用于多模态并考虑到了结构软弱层、反应谱阵型组合、不规则结构中材料强度和刚度不规则以及在结构动力分析中高模态对结构反应起重要作用等特殊情况。2.5 动力分析方法2.5.1 简介、结构动力分析方法通过动力非线性分析能准确而完整的得出结构在罕遇地震下的反应全过程，他的计算结果能更真实地反映结构的地震反应，从而能更精确细致地暴露结构的薄弱部位。相比静力弹塑性pushover分析其数值计算过程中需要反复迭代，数据量大，计算机时较长，分析工作也要大些，数值结果可能受到所选用地震波的影响，具体可以分为动力时程分析方法和增量动力分析方法。2.5.2 动力时程分析（Dynamic History Analysis）时程分析法又称直接动力法（DHA），在数学上又称步步积分法。顾名思义，是由初始状态一步步几分直到地震作用终了，求出结构在地震作用下从静止到振动以至到达最终状态的全过程。它与底部剪力法和阵型分解反应谱法的最大差别是能计算结构和结构构件在每个时刻的地震反应。当用此方法进行计算时，是将地震波作为输入。一般而言地震波的峰值应反映建筑物所在地区的烈度，而其频谱组成反映场地的卓越周期和动力特性。当地震波的作用较为强烈以至结构某些部位强度达到屈服进入塑性时，时程分析法通过构件刚度和强度退化变化可求出弹塑性阶段的结构内力与变形。这时结构薄弱层间位移可能达到最大值，从而造成结构的破坏，直至倒塌。作为高层建筑和重要结构抗震设计的一种重要计算方法，时程分析法的主要功能有：（1） 校正由于采用反应谱法阵型分解和组合求解结构内力和位移时的误差。特别是对于周期长达几秒以上的高层建筑，由于设计反应谱在长周期段的人为调整以及计算中对高阶阵型的影响估计不足产生的误差。（2） 可以计算结构在塑性阶段的地震反应，对结构进行大震作用下的变形验算，从而确定结构的薄弱层和薄弱部位，以便采取适当的构造措施。（3） 可以计算结构和各结构构件在地震作用下每个时刻的地震反应，从而为结构损伤部位、损伤水平评估和结构维护加固提供重要依据。2.5.3 增量动力分析增量动力分析（IDA）通过设置一组或一系列倍数乘以地面运动记录作为外加荷载输入，目前已经成为可以计算出建筑结构抗震结构抗震需要谱和能力谱的重要动力分析方法，但这种方法目前在国内易损性分析研究中应用的比较少。3. 小结 本文从易损性的概念及基本研究方法入手，分析了钢筋混凝土结