复杂地震动作用下剪力墙结构的抗震韧性评价.pdf
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1、第4 9卷 第3期2 0 2 3年6月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.3J u n.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 3-0 1 1 2-1 0D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 2.0 4 6 1收稿日期:2 0 2 2-1 1-3 0基金项目:国家重点研发计划资助(2 0 1 9 Y F C 1 5 0 9 4 0 3)通信作者:王宏伟,
2、男,副教授,研究方向为工程结构抗震与抗爆/钢与混凝土组合结构,E-m a i l:w a n g h wd h u.e d u.c n引用格式:王宏伟,姚艳武,陈学良.复杂地震动作用下剪力墙结构的抗震韧性评价J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(3):1 1 2-1 2 1.WAN G H W,YAO Y W,C HE N X L.E v a l u a t i o n o n s e i s m i c r e s i l i e n c e o f s h e a r w a l l s t r u c t u r e u n d e r c o m p l e x g
3、r o u n d m o t i o n sJ.J o u r n a l o f D o n g h u a U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(3):1 1 2-1 2 1.复杂地震动作用下剪力墙结构的抗震韧性评价王宏伟1,姚艳武1,陈学良2(1.东华大学 环境科学与工程学院,上海 2 0 1 6 2 0;2.中国地震局地球物理研究所,北京 1 0 0 0 8 1)摘要:针对多维地震动的近场效应和场地条件等因素,选取6类不同特性的地震动数据输入到剪力墙结构数值模型中进行动力时程分析,考虑结构构件及非结构
4、构件损伤,并基于震时功能损失和震后功能恢复时间分析不同特性地震动对剪力墙结构抗震韧性的影响。结果表明:梁作为主要塑性耗能结构构件,功能损失占比最大;加速度敏感型非结构构件损伤受近断层地震动竖向分量影响较大;基岩场地条件下速度脉冲效应对结构抗震韧性的影响不明显,而硬土和软土场地下含速度脉冲地震动加剧了结构的功能损失(总功能损失比分别达1 3.3%和1 3.0%),延长了功能恢复时间。关键词:复杂地震动;剪力墙结构;抗震韧性;场地条件中图分类号:TU 3 5 2.1+1 文献标志码:AE v a l u a t i o n o n s e i s m i c r e s i l i e n c e
5、 o f s h e a r w a l l s t r u c t u r e u n d e r c o m p l e x g r o u n d m o t i o n sWANG H o n g w e i1,Y A O Y a n w u1,CHEN X u e l i a n g2(1.C o l l ege o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e a n d E ngi n e e r i ng,D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i 2 0 1 6 2 0,C h i n a;2
6、.I n s t i t u t e o f G e ophys i c s,C h i n a E a r t hqu a k e A d m i n i s t r a t i o n,B e iji ng 1 0 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a c t:S i x k i n d s o f gr o u n d m o t i o n s w e r e s e l e c t e d a c c o r d i ng t o t h e f a c t o r s s u c h a s n e a r-f i e l d e f f e c t a n
7、d s i t e c o n d i t i o n s,a n d t h e dyn a m i c t i m e h i s t o ry a n a lys i s o f a s h e a r w a l l s t r u c t u r e w a s d o n e.T h e e f f e c t s o f v a r i o u s gr o u n d m o t i o n s o n t h e s e i s m i c r e s i l i e n c e o f t h e s h e a r w a l l s t r u c t u r e w
8、e r e a n a lyz e d b a s e d o n t h e s t r u c t u r a l a n d n o n-s t r u c t u r a l m e m b e r s f u n c t i o n l o s s d u r i ng a n e a r t hqu a k e a n d f u n c t i o n r e c o v e ry t i m e a f t e r a n e a r t hqu a k e.T h e r e s u l t s s h o w t h a t b e a m s,a s t h e l e
9、a d i ng pl a s t i c e n e rg y-c o n s u m i ng s t r u c t u r a l e l e m e n t,h a v e t h e h igh e s t pe r c e n t age o f f u n c t i o n a l l o s s.T h e v e r t i c a l c o mpo n e n t o f n e a r-f a u l t gr o u n d m o t i o n gr e a t ly i n f l u e n c e s t h e d a m age o f a c c
10、e l e r a t i o n-s e n s i t i v e s t r u c t u r a l m e m b e r s.I n t h e b e d r o c k s i t e,t h e i n f l u e n c e o f t h e pu l s e-l i k e e f f e c t o n t h e s e i s m i c r e s i l i e n c e o f t h e s t r u c t u r e i s n o t ap pa r e n t.I n t h e h a r d s o i l a n d s o f t
11、 s o i l s i t e s,t h e gr o u n d m o t i o n w i t h t h e pu l s e-l i k e i n c r e a s e s t h e f u n c t i o n a l l o s s o f t h e s t r u c t u r e(t h e t o t a l f u n c t i o n l o s s r a t i o r e a c h e s 1 3.3%a n d 1 3.0%,r e spe c t i v e ly)a n d pr o l o ngs t h e a v a i l a
12、b l e r e c o v e ry t i m e.K e y w o r d s:c o mpl e x gr o u n d m o t i o n;s h e a r w a l l s t r u c t u r e;s e i s m i c r e s i l i e n c e;s i t e c o n d i t i o n 第3期王宏伟,等:复杂地震动作用下剪力墙结构的抗震韧性评价 地震动具有多维性,其近场效应及场地条件对建筑结构具有显著影响。相比远场地震动,近断层地震动呈现出更为复杂的特性,加剧了建筑结构的破坏,这在多个地震事件(如1 9 9 5年日本的K o b
13、e地震和2 0 0 8年中国的汶川地震等)中得到证实1-2。近断层地震动最显著的特点是方向性效应和滑冲效应引起的脉冲型地面运动,并以速度脉冲型运动最为常见3,同时近断层地震动具有明显的竖向效应4。国内外学者研究了考虑多维性和脉冲效应的近断层地震动对结构地震响应的影响5-8,结果表明,近断层地震动的脉冲效应与竖向效应能够放大结构响应。场地条件会对脉冲型地震动强度参数产生影响9。例如,胡进军等1 0研究发现不同场地条件下的结构响应参数与地震动参数密切相关,表明场地条件这一影响因素不容忽视。随着人口城镇化率的大幅升高,我国城镇防震减灾形势将更加严峻。剪力墙结构具有抗震性能良好、墙体布置灵活等优点,被
14、广泛应用于城镇高层住宅建筑1 1-1 2。在一些地区,剪力墙住宅建造在活动断层附近,当发生较强破坏性的近断层强震时,剪力墙建筑结构中的人员伤亡、经济损失、修复成本和使用功能恢复时间等将成为关键问题,因此要重点关注剪力墙住宅建筑的抗震韧性。目前考虑地震动复杂特性对剪力墙结构抗震性能影响的研究尚存在不足;现有的结构抗震韧性研究中,针对剪力墙结构进行多维复杂地震动下抗震韧性的研究尚不多见。本文在现有的建筑结构抗震韧性研究基础上,以城镇中普遍存在的剪力墙结构住宅为例,研究多维复杂近断层地震动下剪力墙结构的抗震韧性,以期为考虑复杂地震动特性的工程结构抗震设计和建设“韧性城乡”提供理论基础。1 地震动记录
15、选取1.1 地震动记录的选取规则和数量 基于G B/T 3 8 5 9 12 0 2 0 建筑抗震韧性评价标准 中规定的震动记录选取规则,按建筑场地类别和设计地震分组选取不少于1 1组的实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线。本文参照文献1 3 将场地条件划分为基岩、硬土和软土3类,选取每类场地条件下的地震动记录1 2组;根据是否含速度脉冲,每类场地条件的1 2组地震动记录分别选取6组近断层含速度脉冲的地震动和6组近断层无速度脉冲的地震动。为减少近断层距和震级对地震动特性的影响,选取断层距1 0 k m、震级6.5的地震动记录。1.2 地震动加速度反应谱分析 在3类场地下3个方向(EW向、N
16、S向、V向)的地震动加速度反应谱依次如图1所示,阻尼比均取5%。其中,EW向为水平东-西向,N S向为水平南-北向,V向为竖向。由图1可以看出,EW和N S两水平方向下各类场地下的加速度反应平均谱的走势基本一致。在基岩场地下,整个周期范围内含速度脉冲的地震动加速度反应平均谱的加速度均比无速度脉冲的大;而在硬土和软土场地下,在较短周期范围内,无速度脉冲地震动加速度反应平均谱大于含速度脉冲加速度反应平均谱;随着周期的增大,在长周期范围内含速度脉冲加速度反应平均谱大于无速度脉冲加速度反应平均谱,即含速度脉冲的地震动具有丰富的低频加速度分量。在各类场地下,竖向地震动加速度反应谱基本集中在短周期(即高频
17、段内),表现出一定的衰减性;含速度脉冲的地震动加速度反应平均谱在各类场地下加速度均大于无速度脉冲的,表现为近断层地震动明显的竖向脉冲效应。高层剪力墙结构的自振周期集中在中长周期范围。结合水平向地震动加速度反应谱分析可知,若以相同的峰值对地震动进行调幅,相比基岩场地,硬土和软土场地下含速度脉冲的地震动加速度反应平均谱在中长周期范围内明显大于无速度脉冲的地震动加速度反应平均谱。可推测:在相同地震强度下,硬土和软土场地近断层含速度脉冲的地震动会引起高层剪力墙结构较为强烈的地震响应。2 剪力墙结构数值模型的建立2.1 剪力墙结构基本信息 剪力墙结构抗震设防烈度为8度(0.2 0g),设计地震第一分组,
18、场地类。结构标准层的平面布置如图2所示,其中黑色阴影部分为剪力墙。结构的层高均为2.8 m,共1 5层,总高为4 2 m(不计屋顶突出楼梯间)。结构中剪力墙厚度均为2 0 0 mm,各梁的截面尺寸和楼板厚度已在图2中标明。剪力墙的混凝土强度等级为13层取C 3 5,41 5层取C 3 0,全部 楼 层 的 梁 和 楼 板 为C 3 0,全 部 构 件 的 钢 筋为HR B 4 0 0。2.2 基于P e r f o r m-3 D软件的数值模型建立 采用三维非线性结构分析软件P e r f o r m-3 D1 4对该剪力墙结构进行建模与分析。剪力墙结构弹塑性模型中,剪力墙、框架梁和连梁构件均
19、采用纤维截面模型1 5。纤维材料包括钢筋纤维和混凝土纤维,其中钢筋纤维采用三折线(T r i l i n e a r)本构,其参数311东华大学学报(自然科学版)第4 9卷 图1 3类场地下EW向、N S向、V向的地震动加速度反应谱F i g.1 S e i s m i c a c c e l e r a t i o n r e s p o n s e s p e c t r a o f 3 s i t e s i n d i r e c t i o n EW,N S,V图2 剪力墙结构平面布置图F i g.2 P l a n o f t h e s h e a r w a l l s t r
20、 u c t u r e根据G B 5 0 0 1 02 0 1 0 混凝土结构设计规范 中钢筋材料的本构参数进行定义;混凝土纤维采用修正的K e n t-P a r k混凝土本构模型1 6。结构数值模型的剪 力 墙 单 元 采 用P e r f o r m-3 D中 的S h e a r W a l l E l e m e n t。S h e a r W a l l E l e m e n t基于多竖向弹簧单元模型(MV L EM)理论1 7。钢筋和混凝土纤维的面积根据通用结构设计软件Y J K的小震弹性反应谱计算结果来划分。为减少结构位移的自由度而提高计算效率,模型假定楼板为刚性。楼板及非
21、承重隔墙的竖向荷载等效折算为作用于剪力墙和梁上的线荷载。重力荷载代表值按规范取1倍恒载加0.5倍活载;结构采用R a y l e i g h阻尼,阻尼比取5%。在P e r f o r m-3 D软件中建立的三维剪力墙结构弹塑性数值模型如图3所示。在Y J K软件中,小震弹性反应谱的计算结果的整体指标均满足规范要求,其中结构的x方向最大411 第3期王宏伟,等:复杂地震动作用下剪力墙结构的抗震韧性评价图3 P e r f o r m-3 D剪力墙结构数值模型F i g.3 N u m e r i c a l m o d e l o f s h e a r w a l l s t r u c t
22、 u r e i n P e r f o r m-3 D层间位移角为1/1 8 8 9,y方向最大为1/1 9 5 4,均小于G B 5 0 0 1 12 0 1 0 建筑抗震设计规范 中的限值1/1 0 0 0。对该数值模型进行模态计算,并将计算结果与Y J K结果进行对比,如表1所示。由表1可知,P e r f o r m-3 D模型和Y J K模型的前3阶自振周期相对误差均小于1%,验证了数值模型的准确性。表1 P e r f o r m-3 D和Y J K模型的自振周期对比T a b l e 1 C o m p a r i s o n o f n a t u r a l v i b r
23、 a t i o n p e r i o d s b e t w e e n P e r f o r m-3 D a n d Y J K m o d e l s周期与振型振动方向自振周期/sP e r f o r m-3 D模型Y J K模型相对误差/%第1阶x向平动0.7 5 30.7 5 00.4第2阶y向平动0.6 9 60.7 0 10.7第3阶扭转0.6 0 20.6 0 50.53 剪力墙结构的大震动力时程分析 输入3 6组地震动,对上述剪力墙结构数值模型进行大震动力时程分析。对地震动加速度进行统一调幅,控制地震动的加速度幅值相同,以对比不同特性地震动下剪力墙结构的地震响应。地震动
24、按主水平向/次水平向/竖向比例为1.0 0 0.8 5 0.6 5进行加速度峰值的调幅,其中主方向的加速度峰值参照G B 5 0 0 1 12 0 1 0 建筑抗震设计规范 中的规定,取8度(0.2 0g)罕遇地震对应的4 0 0 c m/s2。对结构的层间位移角和楼层加速度响应进行分析,并以此作为工程需求参数研究剪力墙结构的抗震韧性。3.1 层间位移角响应分析 通过动力时程分析,得到6类地震动在大震强度下结构的最大层间位移角的平均值,如图4所示。参照文 献 1 8,层 间 位 移 角 的 生 命 安 全 限 值 取1/1 0 0,接近倒塌限值取1/3 3。从图4可以看出,6类地震动下结构层间
25、位移角平均值均在生命安全限值以下。从场地条件来看,基岩场地下含速度脉冲和无速度脉冲地震动作用后的层间位移角响应均比较小,而在硬土和软土场地下,含速度脉冲地震动能够引起结构层间位移角较为强烈的响应。这是因为在相同地震强度下,硬土和软土场下含速度脉冲的地震动具有丰富的低频分量,从而产生明显的速度脉冲效应,这将对结构产生较大的破坏力。图4 层间位移角F i g.4 I n t e r l a y e r d i s p l a c e m e n t a n g l e3.2 楼层加速度响应分析 6类地震动大震作用下的结构楼层最大加速度的平均值如图5所示,图中的0楼层为地面。由图5可知:结构的水平向
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