型钢混凝土框架结构地震易损性数值模拟研究

基于地震工程模拟平台Open SEES,研究了型钢混凝土(SRC)框架的数值建模方法。根据试验结果对比了3种不同非线性梁柱单元模型的计算效果,确定了最优单元模型。基于Open SEES平台和增量动力分析(IDA)方法研究了型钢混凝土框架结构的地震易损性。设计了3个具有不同柱梁抗弯承载力之比的结构,对其进行IDA分析,获得了各模型的抗震能力曲线。根据结构抗震能力曲线,求解了结构的地震易损性曲线,得到了结构在地震作用下各性态点的超越概率。对场地地震危险性进行分析,获得了场地地震危险性概率模型。基于结构地震易损性曲线及场地地震危险性概率模型,计算了结构各性态点的年平均超越概率。结果表明:柱梁抗弯承载力之比对计算结果的影响显著,随着柱梁抗弯承载力之比的增大,结构在特定地震动作用下倒塌的概率呈减小趋势。     

近场地震作用下考虑二阶效应的混凝土框架抗震分析

利用钢筋混凝土柱的试验结果,验证OpenSees程序用于钢筋混凝土结构非线性分析的可行性。以此为基础,对钢筋混凝土框架结构在远场地震、近场非脉冲地震与近场脉冲地震作用的性能进行非线性时程分析,研究框架结构在三类地震作用下的反应以及二阶效应对结构反应的影响。针对近场脉冲地震对结构进行增量动力分析(IDA)和易损性分析,分别得到结构的IDA曲线、易损性曲线和近场脉冲地震作用下二阶效应对结构抗震性能的影响。分析结果表明,在三类地震作用下,近场脉冲地震导致的二阶效应对结构抗震性能的影响最为显著,结构抗震设计中宜考虑二阶效应的影响。     

附加位移放大型阻尼墙的高层钢结构地震易损性分析

对普通阻尼墙(VDW)和位移放大型黏滞阻尼墙(ADW)进行了理论分析,通过模型装置的力学性能试验研究,对比2种阻尼墙在不同位移幅值下的耗能能力,试验表明ADW的滞回曲线更为饱满,并验证了ADW的理论模型和高效的耗能能力。建立20层钢框架结构模型,选取近场和远场地震动各16条,以层间位移角作为损伤指标,分别对无控结构、附加VDW和ADW结构进行动力时程分析,基于增量动力分析方法得到结构易损性曲线。结果表明：相比于无控结构和VDW结构,ADW减震结构达到各级破坏状态的超越概率显著下降;近场波对结构损伤的概率高于远场波,而ADW结构在近场波和远场波作用下的抗震性能均大幅提高;ADW结构在罕遇地震下梁柱的塑性状态等级和损伤数量明显减少,可有效地控制结构的地震响应。     

复杂高层结构基于增量动力分析法的地震易损性分析

增量动力分析法(Incremental Dynamic Analysis,IDA)是一种以动力弹塑性时程分析为基础的参数分析方法,计算结构在不同地震动强度作用下的响应,能够反映结构体系随地震动强度的变化,经历弹性、弹塑性直至倒塌的全过程性能.而建筑结构的地震易损性是指在不同强度地震作用下结构达到或超过某种极限状态的条件概率.因此,增量动力分析的结果提供了结构地震易损性分析所需的数据.本文在增量动力分析的基础上,结合地震易损性分析,提出基于IDA的地震易损性分析方法,并采用该方法对某复杂超限高层结构进行抗震性能评估,得出该结构在3个地震水准下,超越5个极限状态的概率.研究表明,基于增量动力分析的易损性分析结果,可为预测重大工程结构的地震破坏和损失提供有力的科学依据.     

可更换构件铁路高墩抗震性能研究

针对一种具有可更换构件的新型铁路高墩结构,基于增量动力分析(IDA)曲线,采用易损性分析方法对9度设计、罕遇与极罕遇害地震时的墩柱进行抗震性能评价。建立全桥有限元分析模型,以墩柱最不利截面材料的应变为损伤指标,以地面峰值加速度为地震动强度指标,以357条地震波作为地震动输入,IDA分析得到墩柱关键截面的IDA曲线簇及50%、84%和16%的分位曲线,结合定义的极限状态,探讨墩柱可能产生的塑性铰数量及位置,并通过绘制易损性曲线,对墩柱进行基于概率性的抗震性能评估。研究结果表明：可更换构件在桥墩中首先屈服,从PGA=0.5g时开始屈服、到PGA=1.1g时全部屈服,可更换构件实现分级耗能;墩柱在9度罕遇地震作用下处于基本完好的概率约为99.5%;可更换构件新型高墩结构在9度巨震下超越基本完好状态的概率为36.6%,超越可修复性损伤状态的概率不足1%,其大概率处于可修复性损伤状态。可更换构件高墩抗震性能优越,在近断层地区具有较好的应用前景。     

我国中、低烈度区罕遇地震设防水准的选取

采用概率地震危险性(PSHA)方法计算了我国中、低烈度区位于主要经济带内的28个大中城市50年超越概率3%和2%的地震动峰值加速度,为比较中、低烈度区罕遇地震不同设防水准的影响提供了定量数据;计算了中、低烈度区50年超越概率3%和2%地震作用下对应的建筑结构的屈服加速度,评价其抗震能力。结果表明：50年超越概率2%对应的屈服加速度明显大于50年超越概率3%的对应值。根据分析结果,建议抗震设计规范将中、低烈度区罕遇地震的设防水准统一至50年超越概率2%。     

考虑主余震作用下的核岛厂房结构易损性研究

一次强震常伴随着多次余震作用,且时间间隔较短。研究表明,主震诱发的系列余震会对原有结构造成进一步的累积损伤。核岛厂房结构作为核反应堆的最后一道防线,其在服役期间可能遭受主震和余震的累积作用。参考我国现行规范,定义了四类性能水准(PL)和三种极限状态(LS),以混凝土最大应变作为结构破坏指数(DI),以谱加速度S_a作为地震动强度指标(IM),提出一种考虑主余震序列作用下核岛厂房结构的易损性评估方法。选取PEER数据库地震记录,采用增量动力分析方法,给出了AP1000核岛厂房在420条主余震序列地震作用下的易损性曲线。定量分析了主震强度和主余震谱加速度比对核岛厂房结构易损性的影响。结果表明:核岛厂房的超越概率随着余震强度的增大而增大;余震在主震对结构损伤的基础上会加重核岛厂房的附加损伤;随着主余震谱加速度比从0.5增加到1.0时,核岛厂房结构破坏状态超越概率提高了10%～40%。     

考虑非结构构件损伤的钢筋混凝土框架建筑多维地震易损性分析

基于单一指标的传统地震易损性分析忽略了非结构构件损伤对建筑抗震性能的影响。首先基于多维性能极限状态理论建立了三维性能极限状态方程,并对几种特殊情况下的三维阈值曲面进行了讨论。进而以最大层间位移角作为整体结构与位移敏感型非结构构件的性能指标,以峰值楼面加速度作为加速度敏感型非结构构件的性能指标,对建筑的结构损伤和非结构损伤进行描述。考虑各性能指标之间的相关性和各性能指标所对应的极限状态阈值的不确定性,建立了建筑在地震作用下的三维性能极限状态的超越概率函数。最后,采用Open Sees有限元软件对一7层钢筋混凝土框架填充墙建筑进行增量动力分析,得到其各性能水平下的地震易损性曲线。分析结果表明,当忽略非结构构件损伤时,各性能极限状态的超越概率均降低,从而高估了建筑剩余功能水平,进而导致低估建筑的损失。在考虑各性能指标的极限状态阈值的不确定性时,对任一性能极限状态,不同变异系数取值下的易损性曲线会出现交点,在交点之前超越概率随着变异系数的增大而增大,交点之后则随着变异系数的增大而减小。在考虑性能指标间的相关性时,对任一性能极限状态,超越概率随着相关系数的减小而增大。另外,性能指标阈值的不确定性与性能指标间的相关性对地震易损性的影响随着性能水平的提高而逐渐降低,且对低性能水平下建筑地震易损性有明显影响。     

主余震作用下山地掉层框架结构的易损性分析

一次强震过后通常伴有多次余震发生,由于主震和其后续余震之间的间隔时间较短,使得主震损伤结构未能得到及时修复而进一步遭受余震作用,产生“二次损伤”。山地结构的受力性能与普通结构有显著差别。参考我国现行规范设计了具有代表性的3个不同掉层数与掉跨数的山地掉层框架结构及1个普通平地框架结构,采用增量动力分析方法,以Park-Ang损伤指数作为结构响应参数DM,以PGA作为地震动强度参数IM,给出了掉层结构以及平地结构在主余震作用下的易损性曲线,对比分析了掉层结构与平地结构的易损性,研究了余震对各结构易损性的附加影响。基于抗倒塌储备系数(CMR)评价了结构的抗倒塌能力,比较了各结构的抗震倒塌安全储备。结果表明:余震会提高结构的超越概率,且随着余震强度的提高,超越概率越大;掉层结构的超越概率更高,且掉层数与掉跨数对结构地震易损性的影响较大;与平地结构相比,山地掉层结构抗倒塌储备系数较小,抗倒塌安全储备较低。对于掉层结构,掉跨数与掉层数的增加均会降低结构的抗倒塌安全储备,且掉层数对CMR的影响更大。     

近断层地震作用下多层RC框架火灾后抗震性能分析

为研究近断层地震动特性对火灾后多层RC框架抗震性能的影响,以火灾后某多层RC框架结构为研究对象,结合火灾后现场材料的检测与鉴定报告,开展了结构火灾前后在近场有脉冲和无脉冲地震作用下的结构动力弹塑性时程分析,对比分析了近场有脉冲和无脉冲地震动特性对火灾前后RC框架结构整体的抗震性能的影响。研究结果表明:火灾后,整体结构地震响应明显大于火灾前,火灾后结构底层层间位移角在脉冲型地震和无脉冲地震作用下分别达到火灾前的1.44和1.54倍;近场脉冲型地震作用下结构响应明显大于无脉冲地震,罕遇地震作用下,近场脉冲型地震工况下的底部层间位移角相较于无脉冲地震工况增加了96.0%,火灾后更是增加了118.0%。研究成果可为多层RC框架火灾后安全性评估和加固设计提供参考。     

近场地震下竖向刚度不同的混合结构动力性能分析

近场地震的动力特性明显不同于远场地震,因此有必要对结构在近场地震作用下的动力性能展开研究。以上部钢结构-下部混凝土结构这类竖向刚度不同的加层混合结构为研究对象,对其在近场脉冲型地震、近场无脉冲型地震及远场地震作用下的动力响应进行研究。结果表明:在多遇、设防、罕遇地震作用下,近场脉冲型地震会使结构的层间位移角、层间剪力、加速度等动力响应均放大并出现超限的情况,而且都比罕遇地震作用下结构的响应增大更明显;在进行近场区加层混合框架结构的设计和建设时,近场脉冲效应会使结构存在不满足规范的情况,有必要对竖向刚度不同的加层混合结构在近场区的适用性进行深入研究。     

考虑支座硬化与碰撞的隔震结构易损性分析

支座硬化以及隔震层与周围挡土结构的碰撞导致增量动力分析曲线发生突变,针对这一问题提出了适用于同时考虑支座硬化和结构碰撞的地震需求模型。选取21条地震动记录,对隔震结构进行增量动力分析及易损性分析。通过一个21层框架-剪力墙结构的实际工程算例,应用所提出的模型,研究地震作用下隔震沟宽度对结构动力响应及易损性的影响。研究结果表明：碰撞后结构虽然隔震层位移减小,但会造成楼层峰值加速度明显放大及隔震效果的减弱。在发生硬化和碰撞时,滞回圈均会出现明显的上翘现象,IDA曲线会出现突变。在极罕遇地震作用下,当隔震沟宽度较大时,基础隔震结构上部结构出现损伤的超越概率比隔震沟宽度较小的结构均有所减小,其中出现严重损伤的概率减小了17.17%,出现破坏的超越概率减小了3.50%。     

近场地震下钢框架结构地震易损性分析

为阐明近场地震速度脉冲效应对周期较长的钢框架抗震性能的影响规律,采用增量动力分析（IDA）方法,对符合我国现行设计规范的三个不同设防水平的钢框架结构进行了地震易损性分析,并对比分析了其在近、远场地震下的地震易损性差异。结果表明：近场地震作用的速度脉冲效应将放大钢框架结构的动力响应,并增大其概率地震需求模型的不确定性;相同地震强度下,近场地震作用的速度脉冲效应将增大钢框架结构的损伤破坏概率,且周期较长的低设防水平钢框架结构在近场地震作用下更易损伤破坏;鉴于近场地震对钢框架结构地震易损性的显著影响,建议评估钢框架结构的震害风险时,应针对近场和远场地震作用分别建立易损性模型。     

近场地震下钢框架结构地震易损性分析

为阐明近场地震速度脉冲效应对周期较长的钢框架抗震性能的影响规律,采用增量动力分析（IDA）方法,对符合我国现行设计规范的三个不同设防水平的钢框架结构进行了地震易损性分析,并对比分析了其在近、远场地震下的地震易损性差异。结果表明：近场地震作用的速度脉冲效应将放大钢框架结构的动力响应,并增大其概率地震需求模型的不确定性;相同地震强度下,近场地震作用的速度脉冲效应将增大钢框架结构的损伤破坏概率,且周期较长的低设防水平钢框架结构在近场地震作用下更易损伤破坏;鉴于近场地震对钢框架结构地震易损性的显著影响,建议评估钢框架结构的震害风险时,应针对近场和远场地震作用分别建立易损性模型。     

基于性能的RC桥梁地震易损性分析

桥梁的地震易损性分析大多数基于桥梁的破坏状态,基于结构性能的易损性分析直接给出结构对应于不同功能等级的失效概率,因此基于性能的易损性分析更具有实用价值。迄今为止,在桥梁领域尚没有基于结构性能的易损性分析,其主要困难在于定义与结构性能水准相适应的量化性能指标。基于结构极限状态定义了钢筋混凝土桥梁的4个性能水准,以目标墩顶漂移率为量化性能指标,提出基于性能的钢筋混凝土桥梁的地震易损性分析方法。由于桥墩是桥梁结构中极易受到破坏且不易更换的构件,因此常通过研究桥墩的易损性来研究桥梁结构的易损性。在地震作用下,隔震装置将会影响桥墩的易损性,但是目前缺少相关研究。以4跨连续钢筋混凝土桥梁为例,采用Open Sees分别建立非隔震桥梁和隔震桥梁的有限元模型,考虑地震动随机性,对两种桥梁进行了基于IDA(增量动力分析方法)的非线性动力时程分析。最后用文中提出的方法分别对非隔震桥梁和隔震桥梁的中墩进行基于性能的地震易损性分析,并形成易损性曲线。对比非隔震桥梁和隔震桥梁中墩的易损性曲线,分析隔震支座对桥墩易损性的影响。     

Y形高强钢组合偏心支撑框架结构在近场地震下的弹塑性侧向力分布研究

为研究近场地震作用下Y形高强钢组合偏心支撑框架结构(Y-HSS-EBF)的弹塑性侧向力分布,本文精细设计了4个不同层数的Y-HSS-EBF结构,通过弹塑性时程分析且考虑了结构层数、近场地震及其速度脉冲效应对结构的影响,获得了Y-HSS-EBF结构在罕遇水准近场地震下的侧向力分布,基于底部剪力法得到了Y-HSS-EBF结构弹塑性侧向力分布模式,并与已有侧向力分布模式进行了对比。结果表明:近场地震波的速度脉冲效应对Y-HSS-EBF结构的侧向力分布影响较大,应考虑其对结构侧向力分布的影响;本文建议的侧向力分布模式在精度上与时程分析结果平均值最为接近,能够为Y-HSS-EBF结构基于性能的塑性设计方法提供一定参考。     

考虑主余震作用的近海桥墩时变地震易损性分析

基于OpenSEES平台,以某近海刚构桥桥墩为例,选取符合场地类型的地震波,并根据地震记录构造主余震序列。运用"能力需求比"分析方法建立不同服役时间节点桥墩控制截面在不同损伤状态条件下的地震易损性曲线,研究氯离子侵蚀和主余震序列对桥墩抗震性能的影响。结果表明:同一损伤状态的超越概率随着服役时间延长和PGA增大而不断变大,且随着损伤状态等级提高,超越概率逐渐降低。轻微损伤状态下,主余震序列对桥墩易损性影响较小;中等损伤、严重破坏和完全倒塌状态下,同一服役期,考虑主余震序列作用下桥墩的超越概率相比于仅考虑主震作用明显增大。     

基于增量动力分析(IDA)方法的地震易损性工程实例分析

增量动力分析法(Incremental Dynamic Analysis,IDA)是一种以动力弹塑性时程分析为基础的参数分析方法,而建筑结构的地震易损性分析是指在不同强度地震作用下结构达到或超过某种极限状态的概率。文章基于IDA分析方法,通过选取一定数量的地震动记录,指定地震动强度指标并做归一化处理,利用OpenSees软件平台向结构碰撞数值模型输入地震动数据,计算得出结构倒塌概率,以地震动参数为随机变量,对数据进行拟合分析,建立倒塌概率易损性曲线,验证IDA方法的可靠性以及Opensees软件对于该类问题的适用性。     

基于易损性指数的S RC框架核心筒结构地震损伤评估

设计1个20层SRC框架核心筒结构模型,考虑地震的随机性和结构材料的不确定性,采用拉丁超立方体抽取结构-地震动样本,之后对其进行增量动力分析（IDA）,以第1周期谱加速度为强度指标,最大层间位移角为结构需求,定义4个性能水平,研究该结构的易损性。通过引入群体结构震害评估中易损性指数的概念,计算多遇、设防和罕遇地震下的易损性指数。结果表明:以易损性指数作为评价指标,该结构在多遇地震作用下,处于轻微破坏状态;在设防地震作用下,处于中等破坏状态;在罕遇地震作用下,结构处于严重破坏状态。可认为依据我国抗震规范设计的SRC框架核心筒结构能够满足"小震不坏"、"中震可修"和"大震不倒"的抗震设防目标。     

罕遇地震下高层RC框架结构双地震动强度参数易损性分析

为研究高层RC框架结构罕遇地震下的易损性,设计了一个7度区典型11层RC框架结构。采用IDA方法进行时程分析,以地震动峰值地面加速度和结构第一自振周期对应的谱加速度为地震动强度指标,最大层间位移角为结构损伤指标,分别得到了单一地震动强度和双地震动强度参数下的IDA曲线和失效概率,绘制了双地震动强度参数下易损性曲面,并对单一地震动强度和双地震动强度参数下的易损性分析结果进行了对比。结果表明:罕遇地震下,采用双地震动强度参数结构失效概率明显低于采用单一地震动强度参数结构失效概率;对高层RC框架结构,采用双地震动强度参数进行易损性分析反映的地震动信息更全面;采用双地震动强度参数得到的结构失效概率公式更能真实量化不同强度地震作用下结构的失效概率。