地震灾区既有混凝土框架结构的抗震性能研究.pdf
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1、第 3 O卷 第 2期 2 0 1 3年 6月 建筑科 学与 J o u r n a 1 o f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d C i v i l En g i n e e r i n g Vo 1 3 O NO 2 J u n e 2 O 1 3 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 4 2 0 7 地震灾 区既有混凝 土框 架结构 的抗震性 能研 究 吴 迪 , 谭 平 , S TI EME R S F ( 1 广州大学 广东省地震工程 与应 用技 术重点实验室 , 广东 广州 5 1 0 4 0 5
2、; 2 不列颠哥伦 比亚大学 土木工程系 , 不列颠哥伦 比亚 温哥华V6 T 1 Z 4 ) 摘要: 以汶川县威州镇一幢既有典型混凝土框架结构房屋 为研 究对象, 分析 了当地现有混凝土结构 的抗 震安 全 水平 。采 用 建 筑抗 震设 计规 范 ( GB 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ) 设 定 的设 防烈 度及 地 震 水平 , 对 混 凝 土 结构进 行非 线性 时程 分析 , 建 立 了该 结构 的概 率 地震 需求模 型 。依 据 该 模 型确 定 结 构地 震 易 损 性水 平 , 建立 继续使 用 、 严 重破 坏 和倒 塌 3 种 状 态 下结 构 的地 震 易损 性
3、 曲线 , 以 此研 究 汶 川县 此 类结构设计的抗震安全水平。研 究结果表 明: 此类既有混凝土框架结构不能完全满足 建筑抗震设 计规 范 ( G B 5 0 0 1 1 2 O 1 O ) 中不 同抗 震设 防等 级 关于房屋 破 坏和倒 塌 的基本 要 求 。 关 键词 : 抗震 性 能 ; 概 率地震 需求模 型 ; 地 震 易损性 分析 ; 混凝 土框 架结构 中图分 类号 : T U3 1 8 1 文献标 志码 : A Re s e a r c h o n S e i s m i c Pe r f o r ma n c e o f Ex i s t i ng RC Fr a me
4、 S t r u c t u r e i n S e i s m i c Di s a s t e r Ar e a s W U Di ,TAN Pi n g 。S TI EM ER S F ( 1 Gu a n g d o n g P r o v i n c i a l Ke y La b o r a t o r y o f Ea r t h q u a k e En g i n e e r i n g a n d Ad v a n c e d Te c h n o l o g y , Gu a n g z h o u 5 1 0 4 0 5 ,Gu a n g d o n g ,Ch i
5、n a ;2 De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Un i v e r s i t y o f Br i t i s h C o l u mb i a ,Va n c o u v e r V6 T 1 Z 4,Br i t i s h C o l u mb i a ,Ca n a d a ) Ab s t r a c t :A t y p i c a l e x i s t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( RC) f r a me s t r u c t u r e i
6、n W e i z h o u To wn, W e nc hua n Co un t y wa s s t ud i e d t o r e v i e w t h e s e i s mi c s a f e t y l e v e l s o f l oc a l RC f r a me bu i l d i ng The a do p t e d a s s e s s m e nt l e ve l s o f e a r t h qu a ke gr o un d mo t i o ns we r e pr o du c e d a c c or d i ng t o t h e
7、l o c a l f o r t i f i c a t i o n i n t e n s i t y i n C h i n e s e C o d e f o r S e i s mi c De s i g n o f B u i l d i n g s( GB 5 0 0 1 1 2 0 1 O ) B y u s i n g n o n l i n e a r f i n i t e e l e me n t me t h o d ,p r o b a b i l i s t i c s e i s mi c d e ma n d mo d e 1( PS DM )f o r RC
8、 f r a me s t r uc t u r e wa s bu i l t The s e i s m i c f r a g i l i t y c ur v e s f or i mm e d i a t e oc c u pa nc y, s i g ni f i c a nt da m a ge, a nd c ol l a p s e p r e ve nt i on da m a g e l e v e l s o f t he RC f r a m e bui l d i n g we r e a na l y z e d The n,t he s e i s mi c f
9、 r a gi l i t y a s s e s s m e nt o f t he RC f r a me wa s di s c u s s e d t o a s s e s s t he s a f e t y 1 e ve l s o f t he a c t u a l RC f r a me s t r uc t ur e of de s i g n i n W e nc hu a n Co u nt y The r e s e a r c h r e s ul t s i n di c a t e t ha t t he e xi s t i n g RC f r a me
10、s t r u c t ur e i n W e n c hu a n Cou nt y wo ul d u nl i k e l y me e t t he s t r u c t u r a l da m a ge a nd c o l l a ps e p r e v e n t i o n p e r f o r ma n c e o b j e c t i v e s i n r e l a t e d e a r t h q u a k e h a z a r d l e v e l s t h a t a r e f o u n d i n g u i d e l i n e s
11、 f o r p e r f o r ma n c e b a s e d e a r t h q u a k e e n g i n e e r i n g i n C o d e f o r S e i s mi c De s i g n o f Bu i l d i n g s ( GB 5 0 01 1 2O 1 0) Ke y wo r d s:s e i s mi c pe r f o r m a nc e;pr o ba b i l i s t i c s e i s mi c de m a n d mo de l ;s e i s mi c f r a gi l i t y a
12、 na l y s i s; 收稿 日期 : 2 0 1 2 1 2 3 l 基 金项目: 国家重点基础研究发展计划( “ 九七三” 计划) 项 目( 2 0 1 I C B 0 1 3 6 0 6 , 2 0 1 2 C B 7 2 3 3 0 4 ) ; “ 十二 五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 2 B AJ 0 7 B 0 2 ) ; 亚热带建 筑科学 国家重点实验室开放基金项 目( 2 0 1 1 KB 1 5 ) ; 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 0 8 1 0 5 ) ; 住房和城乡建设部科研 开发项 目( K2 2 0 1 2 1 9 ) 作者简介 : 吴迪
13、 ( 1 9 7 8 一 ) , 男 , 江西南昌人 , 广州大学讲师 , 工学博士 , 博士后 , E ma i l : wu d i wd z o o o g ma i l c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 吴 迪 , 等 : 地震 灾区既有混凝土框架结构的抗震性能研究 4 3 RC f r a m e s t r uc t ur e 0 引 言 根据 中国国家地 震 台网测定 , 2 0 0 8年 5月 1 2 日( 北 京 时间 ) , 在 四川 省汶 川 县 境 内 的映 秀 镇 附 近 发生了面波震 级 Ms 8 0地震。汶J
14、 I I 地震使位 于龙 门山断裂带附近上百座城镇遭受严重破坏 ,大量房 屋损毁 ,公路桥梁坍塌 ,造成了近 9万人死亡或失 踪 1 。此次汶川地震的震级高 、 震源浅 , 极震区位于 高山峡谷地貌反差大 的特殊地 区, 产生了一些具有 特征性的地震破坏现象 , 其极震区的设 防烈度达到 5 6度 , 主要 位 于北川 县城 ( 6度 ) 和周 边 以及 映秀 ( 5度) 等地 。6 度 区民房全部倒塌 , 钢筋框架楼房全 部损毁 , 倒塌 8 O 以上 ; 5度 区楼房全部损毁破坏 , 倒塌 5 O 以上 , 少量钢筋框架楼房倒塌 ; 山体滑坡 严重 ; 地表和道路变形 明显 , 桥梁坍塌
15、; 出现地表断 层破裂带 ; 5度与 6度区破坏 的主要 区别是有部分 楼房 虽 然破坏 或 损毁 , 但不 倒塌 2 。 汶川 地震 是新 中国成 立 以来 最 为强 烈 的一次 地 震 。在此 次地 震 中 , 钢 筋 混凝 土框 架 结 构 的主 要 震 害现象有 : 围护结构和填充墙严重开裂和破坏 ; 填充 墙设 置不 合理 ( 或 错 层 ) 造 成 短 柱 剪 切破 坏 ; 柱 剪 切 破坏 , 梁 柱节 点 区破坏 ; 填充 墙设 置 不合 理造 成结 构 实际层 刚度不均匀 , 导致底部楼层侧移过大, 并导致 倒塌 , 或导致结构实际刚度偏心使结构产生扭转地 震 响应 ; 柱
16、端 出现 塑性铰 , 未 实现 “ 强 柱弱 梁” 屈服机 制 3 。部分地区如汶川县 , 房屋倒塌较少, 伤亡人数 较少 , 但据统计显示 , 该地区房屋破坏程度较严重 , 超过 中等破 坏 的房 屋 栋数 占总 鉴定 房 屋 栋数 的 91 5 7 _ 4 。对汶川地震灾 区各类房屋建筑震害 的 调查发现 : 在高烈度区, 理论上抗震性能较好 的钢筋 混凝土结构发生倒塌 , 而抗震性能相对较差 的砌体 结 构却 “ 裂 而 不倒 ” ; 抗 震设计 要 求 钢筋 混 凝 土结 构 的“ 梁铰机制” 没有出现 , 而是出现了大量的“ 柱铰” ; 高层建筑剪力墙结构连梁发 生了不 同的破坏形态
17、 ; 抗震缝设置带来 的问题等。诸如此类现象 , 值得人 们深 思 。 易损 性分 析 是根 据地 震动 的强 度对 房屋 易损 性 进行评估 的分析方法, 它是 结构可靠性分析 的重要 分支_ 6 。易损性曲线和破坏概率矩 阵可以准确地 反映不同地震动水平条件下结构抵抗能力 的概率水 平_ 8 。Yi n等 利用地震反应谱方法研究未来地震 损失 能力 、 地震 区划参数 联 系和 房 屋 的易 损性 。E l l i n g wo o d 1 。 。 重点研究 了房屋抗震性 能评 估方法 中 内在随机性和模型不确定性 因素的影响。易损性曲 线求解方法包括 3种: 经验方法口 、 分析方法_
18、1 和试算法 1 。在概率地震需求分析 中, 通常将非线 性需求估计过程称为“ 云分析” 过程。文献 1 8 中基 于 L a t i n超 立 方抽 样 技 术 , 提 出 一 种 考 虑 地 震 动 不 确定性和结构不确定性的改进云图法 。 建筑抗震设计规范 ( GB 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ) 1 9 3 制 定过 程 中 , 中国发 生 了有 史 以来 破 坏 最严 重 的地 震 之一 汶川地 震 _ 2 , 因此在新 规 范下 , 对此 次地 震 灾 区既 有 房 屋 的抗 震 安 全 水 平 研 究 显 得 尤 为 重 要 。根 据 GB 5 0 0 1 1 2 0 1
19、 0 , 汶川 县威 州镇 属 于设 防 烈度 8度地 区, 城区主要建筑物的场地类别属于 类 。2 0 0 8年 汶川地 震 发生 以后 , 虽 然 汶川 的抗 震设 防烈度被提高为 8度 , 但是仍 有相当一部分房屋建 设于该规范颁布之前 。因此 , 笔者针对汶川 I 地震重 灾 区典 型 的既有 钢筋 混凝 土框 架房 屋进 行抗 震性 能 评估 , 主要在地震作用下对结 构进行非线性弹塑性 分析和数据统计 , 从而研究该地 区混凝土框架结构 房屋的抗震性能和地震易损性状况 , 最后 , 通过概率 地震需求模型对结构进行地震易损性评估 。 1 地震 易损性模型 在某地震荷载水平条件下,
20、地震易损性水平可 表示 为地震 需求 D 超越 结构抗 震能 力 C 的概率 P。 。地震易损性水平是在一定地震荷载水平 下 的条件概率 , 可表示为 P c P( DCl D ( 1 ) 式 中 : P为 概率 。 要得到结构的易损性函数 , 首先需要确定结构 的需求分布模型。 采 用 云分析 方法 _ 2 引, 在 非 线性 动 力 分 析结 果 的 基础上建立结构 的概率地震需求模型。该方法的优 点是只需采用实 际地震记录对结构进行分析, 而对 所选记 录不需要特别 的规定 。通 过研究地震记 录 ( 1 0 3 0条地震记录) 作用下结构的响应 , 确定结构 的地震需求参数 , 再通过
21、 回归可得地震荷载水平 与地震需求 D 的关系 , 从而确定结构概率地震需求 模型的参数 a , b 。C o r n e l l 等_ 2 提 出地震需求 的估 计参数 D, 可表示为 Da I ( 2 ) 地震需求 D可以采用不同的参数 , 在本次研究 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 建 筑科 学与 工程 学报 2 0 1 3丘 中地震需求 D采用层间最大位移角, 地震荷载水平 采用结构 固有周期 T 所 对应的概率一致 反应谱 S ( T ) 值 。在 随机 需求 模 式下 , 易损 性 可 表 示 为 目 标达到极限状态的概率_ 3 0 _ 。根
22、据 以往不 同领域 的 研 究显 示 3 弛 , 易损 性一 般 采 用 不 同灾 害 值 的对 数正态分布建模 。此时, 易损性 F ( z ) 可表示为 FR ( z) =cpl n ( x m R ) ( 3 ) 式中: 为抵抗能力的平均值 ; 为正态分布标准 差, 其大致等于抵抗能力的偏差 ; 为正态分布 概率积分 。 根据地震易损性正态累计分布函数可将地震易 损性曲线表示为 Pc f 一 1 一 l n _ = = ( C =)= - = l = n( =a F) ( 4 ) l , + + 式中: 分 别为在一 定地震荷 载水 平 J条件 下 , 地震需求 D和结构抗震能力 c对其
23、均值的标准 差 ; e为结构抗震能力 的中值 ; p M为模型的认知偏 差 , 假 设模 型计 算 结 果 与实 际响 应 之 间 的相 对 误 差 在3 O 以内, 取置信度为 9 0 , 则 为 0 2 。 2 输入地震 动选择 与框架 结构 的基本 参数 笔者根 据 建筑抗震 设计 规范 ( GB 5 0 0 1 1 m 2 0 1 0 ) 中主要城镇抗震设防烈度 、 设计基本地震加速 度和设计地震 的分组 , 采用设防烈度 8度及 类 场 地条件 , 并根据其地震影响系数 曲线确定概率一致 反应谱。按 照 5 0年 超越概 率为 2 3 , 1 0 , 6 3 三个设防等级确定 目标反
24、应谱 , 其所对应的重 现 期分别 为 1 6 0 0 2 4 0 0年 , 4 7 5 年 和 5 O年 。 为 了选 择合 适 的地震 波 进 行 非线 性 时 程 分析 , 采 用世 界范 围 内地震 记 录 比较 丰 富和准 确 的太 平 洋 地震工程研究 中心 ( NGA) 数据库, 选择 3 O条有代 表 性 的地震 记 录 。这 些 地震 记 录 的选 择 范 围 : 矩 震 级 为 Mw 4 O Mw 9 0 , 震 源距 r 为 0 2 0 0 k m, 场地 3 0 m土壤深度的剪切波速为 1 4 0 5 0 0 m s _ 。 , 地震 距 离包 括远 场 、 中场 和
25、近场 。根 据 以上 研 究 的基 本 条件 , 采用 Ab r a h a ms o n _ 3 和 Ha n c o c k等 3 提 出的 小波算法 , 按照 目标反应谱对所选取 的 3 0条地震波 进行修正 , 该修正过程预设 的最大相对误差为 0 1 ; 设 防烈度 8度及 类场地条件下 , 周期 T在O 4 S 时概率一致反应谱与所采用反应谱 的平均值 比较见 图 1 , 其 中 , g为重力 加速 度 。 本文中的研究对象是汶川县威州镇一幢既有典 T s ( a ) 5 0 年超越概率为2 3 O 2 g 0 1 g O 7 s ( b ) 5 0 年超 越 概 率为 1 0 (
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- 地震 灾区 既有 混凝土 框架结构 抗震 性能 研究
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