CN106709199B - 基于层间位移的抗震鲁棒性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于层间位移的抗震鲁棒性方法,将层作为柱相对于整体框架重要性系数的纽带,提出基于层间位移的柱的层重要性系数;该系数将传统的柱对框架整体的重要程度改变为量化到具体层,其数值反应了柱对该层的影响程度,尤其取值为负表示设置该柱对该层的抗震性能反而起消极作用;将该系数结合层易损性系数,确立评定框架结构抗震鲁棒性的具体指标和方法。基于本发明方法得到的结论可以真实地反映不同强度地震作用下实际工程的鲁棒性,并且能指出控制框架整体抗震鲁棒性的层和柱,对框架抗震鲁棒性的FRP加固设计起指导作用。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域,特别是涉及一种基于层间位移的抗震鲁棒性方法。
背景技术
鲁棒性体现了结构对某一构件或某些构件失效而导致局部破坏的敏感性,其高于结构的安全性、适用性及耐久性基本要求,属于结构的高阶性能。随着城市密度逐渐增加,社会发展日益加快,极罕遇地震,爆炸等自然及人为灾害事件造成的结构倒塌给人们带来的损失尤为巨大,亟需对鲁棒性实质进行深入探索和考究,找出影响其关键因素,给出问题解决方案。
许多学者已对结构的鲁棒性提出了独创性和具有实际使用价值的理论和评估流程。Ribeiro F L A等通过数值模拟方法验证其所提鲁棒性评价方法的准确性;Baker运用风险概率理论确立了结构鲁棒性的量化方式;Starossek等基于结构受损情况,以能量耗散和刚度矩阵为指标确立了鲁棒性的计算方法;Kanno Y等定义了新的结构冗余度、鲁棒性概念,将结构冗余度进一步细化为强弱两个层次,并给出了上述三者之间的数学模型。Lu D G等提出用剩余储备强度指标定量描述结构抵抗竖向连续倒塌的鲁棒性评估方法,基于OpenSees软件建立了一个框架模型并验证了方法的可行性。Khandelwal K等根据加载方式的不同将Pushdown技术划分为3种类型,并对一10层钢框架进行pushdown非线性分析。结果显示,基于高危险性地震所设计框架的鲁棒性要远高于基于中等地震设计框架。高扬基于平面桁架算例,在考虑桁架外力作用及拓扑关系基础上量化了构件的重要程度。黄冀卓以钢结构为模型,提出了考虑构件失效影响面积的鲁棒性评价流程。此外,叶列平、吕大刚、陆新征、李国强、黄靓等人也都从鲁棒性的量化指标、量化方法、评估流程以及未来的发展趋势作了详细分析及讨论。
以上为基于竖向响应的鲁棒性分析,由地震作用所引起的抗水平连续倒塌鲁棒性的研究却非常少。吕大刚以承载力为指标基于Pushover分析方法对一5层3跨的框架结构进行抗震鲁棒性评价。杜永峰、包超等选取了不同地震动激励对框架结构进行鲁棒性分析,并提出了的鲁棒性系数量化了框架的鲁棒性。这些研究成果没有体现框架破坏时的特点,没有找到影响框架破坏的根源。框架(薄弱)层的层间位移过大、破坏是导致框架整体发生侧向连续倒塌的首要因素。以上方法仅仅从框架整体承载力的降低来评价其鲁棒性,没有找到影响框架鲁棒性的关键部位。且连续倒塌的表现形式是变形过大,即鲁棒性与变形直接相关与承载力变化情况并无直接关系,因此以承载力作为计算鲁棒性的指标缺乏科学依据。
发明内容
发明目的
本发明将框架层的地震响应作为柱与结构鲁棒性之间联系的纽带,提出了基于层间位移的鲁棒性评价方法,该方法得到的结论可以真实地反映不同强度地震作用下实际工程的鲁棒性,能指出控制框架整体抗震鲁棒性的层和柱,对框架抗震鲁棒性的(FRP)加固设计起指导作用。
技术方案
为解决上述技术问题,本发明采用如下的技术方案:
一种基于层间位移的抗震鲁棒性方法,其特征在于:首先将层作为柱相对于整体框架重要性系数的纽带,提出基于层间位移的柱的层重要性系数;该系数将传统的柱对框架整体的重要程度改变为量化到具体层,其数值反应了柱对该层的影响程度,尤其取值为负表示设置该柱对该层的抗震性能反而起消极作用;将该系数结合层易损性系数,确立评定框架结构抗震鲁棒性的具体指标和方法。
上述的基于层间位移的抗震鲁棒性方法,具体步骤如下:
(1)基于某一强度地震作用,分别对完整框架模型和移除柱后的损伤模型进行静力弹塑性分析,确立完整模型与各损伤模型的层间位移,依据公式(1)计算并列出所移除梁、柱的各层重要性系数λijk;
其中,在某强度地震作用下,Dijk为移除i层j柱时k层的层间位移;Dk为不移除任何柱下的k层的层间位移;Dmax为该地震作用下框架结构的最大层间位移或称薄弱层层间位移;
(2)依据公式(2)确立该强度地震作用下,各层的层易损性系数
其中,Dk为某强度地震作用不移除任何柱的k层层间位移;Dlim为框架结构的极限层间位移,其值为(1/50)h,h为层高;
(3)综合层重要性系数和层易损性系数,依据公式(3)确立柱基于各个层的框架整体的重要性系数αijk;该重要性系数αijk有多个取值,每个柱取值个数与框架总层数n相等;研究柱若有j个,则总数有n×j个;
(4)比较各αijk,依据公式(4)确立框架的鲁棒性指标β,量化框架结构鲁棒性;该指标的计算来源:柱j即为框架的鲁棒性控制柱,层k即为框架的鲁棒性控制层;
上述公式(1)由两部分组成:第一部分为柱对层响应的敏感程度,若Dijk=Dk,该值为0,说明移除柱对k层极不敏感;若Dijk远大于Dk,该值接近于1,说明移除柱对k层极为敏感;若Dijk<Dk时,该值变为负数,说明移除柱虽对k层也敏感,但敏感趋势向地震响应减小发展;第二部分是某一地震下,框架各层之间的相对重要程度比值,敏感程度与层之间相对重要程度相乘,将其乘积作为层重要系数。即将柱对各层敏感程度进行了相对于最大层间位移层(薄弱层)的归一化处理,统一了柱对各层之间重要性的标准,将其乘积作为层重要系数的取值符合逻辑。
所述抗震鲁棒性适用于普通框架结构或FRP加固框架结构。
优点及效果
和现有技术相比,本发明具有以下优点:
本方法将层作为柱相对于整体框架重要性系数的纽带。定义了基于层间位移的柱的层重要性系数。该系数将传统的柱对框架整体的重要程度改变为量化到具体层,其数值反应了柱对该层的影响程度,尤其取值为负表示设置该柱对该层的抗震性能反而起消极作用。将该系数结合定义的层易损性系数,确立了评定框架结构抗震鲁棒性的具体指标和方法。该方法不但可针对单个柱失效的损伤模型,也可针对两个或两个以上柱同时失效的损伤模型。并且该方法得出的结论能指出控制框架整体抗震鲁棒性的层和柱。
附图说明
图1为本发明工作流程图。
图2为框架立面图。
图3为框架柱网平面图。
图4为5种强度等级地震作用下完整及移除各柱框架侧向层间位移图;其中图4(a)为Level 1层间位移图;图4(b)为Level 2层间位移图;图4(c)为Level 3层间位移图;图4(d)为Level 4层间位移图;图4(e)为Level 5层间位移图。
图5为首层FRP加固框架鲁棒性指标图。
图6为首层和2层FRP加固框架鲁棒性指标图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于层间位移的抗震鲁棒性方法,首先将层作为柱相对于整体框架重要性系数的纽带,提出基于层间位移的柱的层重要性系数;该系数将传统的柱对框架整体的重要程度改变为量化到具体层,其数值反应了柱对该层的影响程度,尤其取值为负表示设置该柱对该层的抗震性能反而起消极作用;将该系数结合层易损性系数,确立评定框架结构抗震鲁棒性的具体指标和方法。
通过“移除柱”后各层间位移比完整结构层间位移的变化情况作为计算该柱的层重要性系数方法。如第i层移除第j个柱对第k层的重要性系数λijk可由公式(1)确定。
以层间位移储备能力作为衡量层易损性好坏的指标,基于某一强度地震作用下框架的层间位移及框架结构的极限层间位移限值,计算该地震作用下框架各层的层易损性系数。具体公式如下:
基于上述层重要性系数和层易损性系数,计算柱考虑层的整体框架重要性系数,该系数与层重要性系数及层易损性系数均成正比,表征了某一强度地震作用下,柱基于各层所表征出的对结构整体破坏性的重要程度。具体表达式如下:
αijk最大值表征了某强度地震作用下,某柱对框架结构破坏可能性及程度的最大影响,其值应与框架的鲁棒性成反比,因此将其倒数β作为结构整体鲁棒性指标,如式(4)所示。这里定义取得最大值的柱为该地震作用下,框架鲁棒性控制柱,取得最大值的层数为框架鲁棒性控制层。
下面本发明将结合工艺流程图及其实施例作进一步描述,但不仅仅包含以下实施例:
(1)实施例模型
图2为某6层RC框架结构,首层层高3.9米、2-6层层高3.6m。横向3跨、纵向5跨。横纵向跨度尺寸如图3所示。框架结构的基本信息和工况见表1。结构横向(x方向)抗侧刚度明显小于纵向(y方向),因而选取横向(x方向)进行静力弹塑性分析。完整框架的分析结果表明,首层和二层的层间位移响应较大,较为薄弱,且首层更为明显。因此,对首层(薄弱层)柱子进行FRP加固,加固特征值λf=1。
根据结构立面图、平面布置图、构件截面尺寸以及已述材料力学属性基于Etabs软件建立数值模型,其中,所选用FRP种类为CFRP布,极限抗拉强度ff=3495MPa,弹性模量为Ef=2450GPa。在梁、柱端部相对整体构件长度的0.1倍与0.9倍处设置相应塑性铰(柱设置PMM铰、梁设置V2剪切铰)。首层柱依据等效刚度原则,对所加固的FRP进行转化。
表1 基本信息及工况
Tab.1Basic properties and working conditions
本实例重点讨论移除FRP加固柱的层重要性系数以及其对框架整体鲁棒性的影响,因此,数值计算时只逐一移除FRP加固柱。为便于对移除柱的描述,利用图2各轴线对移除的FRP加固柱进行编号。例如,图2左下角柱为A1,其右侧横向边柱为A2,上侧纵向边柱为B1。由于框架结构为规则结构,不存在裙房等上部层数出现突变的现象,因此框架沿着横纵两个方向均对称。只需研究平面对称的四分之一部分(A1、A2、B1、B2、C1、C2)即可。
(2)计算结果
采用侧向均布加载方式对数值模型进行静力弹塑性分析,按照UBC规范反应谱,分别确立了Level 1(CA=0.36;CV=0.36)相当于中国规范反应谱地震影响系数αmax=0.9(罕遇地震),Level 2(CA=0.5;CV=0.5)、Level 3(CA=0.6;CV=0.6)、Level 4(CA=0.7;CV=0.7)、Level 5(CA=0.8;CV=0.8)5种强度地震作用下,完好框架与移除各柱框架的侧向层间位移,如图4所示。
表2~表6是五种强度地震作用情况下,根据公式(1)计算出的A1、A2、B1、B2、C1、C2柱的层重要性系数。
表2 Level 1地震下柱的层重要性系数
表3 Level 2地震下柱层重要性系数
表4 Level 3地震下柱层重要性系数
表5 Level 4地震下柱层重要性系数
表6 Level 5地震下柱层重要性系数
表2~表6中均出现了负数,说明由于框架本身变形的影响,移除首层某些加固柱后,框架某些层的层间位移响应反而降低。表7为5种强度地震作用下的层易损系数。将表2~表6以及表7的取值系数代入公式(3),计算出柱考虑层的整体重要性系数αijk,并根据式(4)计算出各强度地震作用下基于柱的结构鲁棒性指标β。并确定出结构鲁棒性控制柱与控制层,由于篇幅所限各步骤计算过程表不在给出,最终的框架结构鲁棒性指标β以及控制柱、控制层见图5。
表7 各强度地震作用下层易损性系数
图5显示,随着地震作用的增大,结构的鲁棒性指标逐渐变小,且结构的鲁棒性控制柱和鲁棒性控制层由柱A1转变为柱A2,1层转变为2层。说明随着地震作用强度的增加,2层地震响应对整体带来的威胁逐渐超过了1层,且2层的这种地震响应由柱A2控制。当该FRP框架进行小地震强度的目标鲁棒性设计时应重点关注柱A1与首层;大地震强度的下目标鲁棒性设计时应重点关注柱A2与2层;保守设计应对首层及2层均进行加固,这也符合在未加固前首层和2层层间位移均明显大于其余各层的现象。
图6为对首层、2层均进行FRP特征值λf=1加固的鲁棒性指标图。为便于对比,只考虑了移除首层FRP加固柱条件下的结构鲁棒性分析(移除2层FRP加固柱以及FRP加固量改变对结构鲁棒性的影响将在后续工作中展开)。图6显示,相比于首层加固而言,一方面,Level3~Level 5的鲁棒性指标有所提高,且控制柱与控制层均转变为A1与1层;而另一方面,Level 1与Level 2的鲁棒性指标却有所降低。上述情况表明,由于2层的整体刚度增加,即使在Level 3~Level 5的地震作用下,加固框架的鲁棒性仍有1层控制;然而,对2层进行加固后鲁棒性指标并非按照预想情况单纯增大,反而出现了某些强度地震作用鲁棒性减小的情况。说明单纯的提高加固投入不一定能提高框架的鲁棒性。
结论:
薄弱层的产生及破坏是框架遭受水平地震作用下发生连续倒塌的首先因素,在对框架结构进行抗震设计及加固维护时必须将薄弱层放在关键位置进行考量。鉴于此:
(1)本发明提出了柱的“层重要性系数”,“层易损性系数”概念。可将此运用于框架的抗震鲁棒性分析当中。本发明适用于框架结构,并能确定不同地震需求下对框架结构的鲁棒性起控制作用的柱以及层。
(2)实施例表明,移除某一柱,不仅只会增大层的地震响应,而且也会降低某些层的地震响应,这种情况以及地震响应大小与层重要性系数的正负以及绝对值大小明确对应。
(3)随着地震作用强度的增加,依据本发明方法所得到的框架鲁棒性指标有所降低,且框架鲁棒性的控制柱或控制层可能会发生变化。
以上结论不仅适用于普通框架结构的抗震鲁棒性分析,且完全适用于FRP加固框架结构。其对加固某一柱,加固用量的选取起指导和决策作用。例如柱的层重要性系数为负数时,间接表明对其加固反而会增大其对某些层的地震响应,若该层为框架鲁棒性控制层则对整体鲁棒性会带来不利影响。由于本发明方法可针对不同强度的地震作用,结合性能抗震设计理念,可以对框架在指定地震设防烈度下的目标鲁棒性能进行针对性设计。
Claims (3)
1.一种基于层间位移的抗震鲁棒性方法,其特征在于:首先将层作为柱相对于整体框架重要性系数的纽带,提出基于层间位移的柱的层重要性系数;该系数将传统的柱对框架整体的重要程度改变为量化到具体层,其数值反应了柱对该层的影响程度,尤其取值为负表示设置该柱对该层的抗震性能反而起消极作用;将该系数结合层易损性系数,确立评定框架结构抗震鲁棒性的具体指标和方法;
具体步骤如下:
(1)基于某一强度地震作用,分别对完整框架模型和移除柱后的损伤模型进行静力弹塑性分析,确立完整模型与各损伤模型的层间位移,依据公式(1)计算并列出所移除梁、柱的各层重要性系数λijk;
其中,在某强度地震作用下,Dijk为移除i层j柱时k层的层间位移;Dk为不移除任何柱下的k层的层间位移;Dmax为该地震作用下框架结构的最大层间位移或称薄弱层层间位移;
(2)依据公式(2)确立该强度地震作用下,各层的层易损性系数
其中,Dk为某强度地震作用不移除任何柱的k层层间位移;Dlim为框架结构的极限层间位移,其值为h为层高;
(3)综合层重要性系数和层易损性系数,依据公式(3)确立柱基于各个层的框架整体的重要性系数αijk;该重要性系数αijk有多个取值,每个柱取值个数与框架总层数n相等;研究柱若有j个,则总数有n×j个;
(4)比较各αijk,依据公式(4)确立框架的鲁棒性指标β,量化框架结构鲁棒性;该指标的计算来源:柱j即为框架的鲁棒性控制柱,层k即为框架的鲁棒性控制层;
2.根据权利要求1所述的基于层间位移的抗震鲁棒性方法,其特征在于:公式(1)由两部分组成:第一部分为柱对层响应的敏感程度,若Dijk=Dk,该值为0,说明移除柱对k层极不敏感;若Dijk远大于Dk,该值接近于1,说明移除柱对k层极为敏感;若Dijk<Dk时,该值变为负数,说明移除柱虽对k层也敏感,但敏感趋势向地震响应减小发展;第二部分是某一地震下,框架各层之间的相对重要程度比值,敏感程度与层之间相对重要程度相乘,将其乘积作为层重要系数。
3.根据权利要求1所述的基于层间位移的抗震鲁棒性方法,其特征在于:所述抗震鲁棒性适用于普通框架结构或FRP加固框架结构。
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