CN110334458B - 一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法 - Google Patents

一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法 Download PDF

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Abstract

一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法，它属于结构抗震安全评估技术领域。本发明解决了目前对结构抗震能力的研究中未考虑初始损伤状态，导致对主震后结构抗震能力的评估的准确性低的问题。本发明可以有效的考虑初始损伤对结构抗震能力的影响，通过对IDA分析获得的数据进行挑选可以反映出不同损伤程度结构的抗震能力，对筛选数据进行回归分析可得到结构的二维极限状态方程，该方程可以有效考虑初始损伤程度和残余抗震能力的相关性，提高主震后结构抗震能力评估的准确性。本发明可以应用于结构抗震安全评估技术领域。

Description

一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法
技术领域
本发明属于结构抗震安全评估技术领域，具体涉及一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法。
背景技术
在地震事件中，主震发生后通常会有多次余震发生。在1994年Northridge地震、2011年Tohoku地震等地震事件中，结构在主震作用下仅有轻微损伤，但在随后发生的强度较低的余震作用下，很多轻微损伤的结构出现了严重损伤甚至倒塌。这主要是因为主震的损伤使得结构的力学性能显著下降，从而使得震损结构在余震事件中有较低的抗震能力。而当前各国抗震规范中只考虑了单次地震荷载，显然低估了余震对结构的影响。
目前，国内外学者对各种结构开展了多次地震下安全裕度评估的研究，但研究中均假设结构的抗震能力不随结构累积损伤而发生变化，并用完好结构的抗震能力去评估结构在地震序列下的安全裕度。主震后损伤结构的抗震能力显然低于完好结构，因此，未考虑初始损伤状态对结构抗震能力的影响会导致在地震序列作用下的安全评估中高估结构的安全裕度。因此，为了更加准确的对结构进行多次地震下的抗震能力评估，有必要提出一种可以考虑初始损伤程度影响的结构抗震能力评估方法。
发明内容
本发明的目的是为解决目前对结构抗震能力的研究中未考虑初始损伤状态，导致对主震后结构抗震能力的评估的准确性低的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、从PEER地震动数据库中初选择出M条地震动序列，再将初选择出的M条地震动序列与设计谱进行谱匹配，获得精选出的M0条地震动序列；
步骤二、利用有限元软件建立安全壳结构模型，利用安全壳结构模型的顶点位移来衡量主震后结构的初始损伤程度和余震下已损结构的动力响应；
步骤三、选取峰值加速度来衡量地震动强度，将精选出的M0条地震动序列中主震的峰值加速度均调幅至PGA1；
步骤四、利用调幅后的主震对安全壳结构进行非线性时程分析，模拟主震后结构的初始损伤程度，分别记录M0条地震动序列的主震下结构的顶点位移值；
步骤五、每条精选出的地震动序列中余震的峰值加速度均依次从PGA1调幅至PGAn，利用不同峰值加速度的余震对主震后结构进行非线性时程分析，分别记录M0条地震动序列对应的主震后结构在不同峰值加速度的余震下的顶点位移值；
步骤六、每条精选出的地震动序列中主震的峰值加速度均依次从PGA2调幅至PGAn，在不同峰值加速度的主震下，分别重复步骤四和步骤五；
步骤七、定义四种极限状态：将混凝土开裂状态定义为极限状态LS1，钢筋屈服状态定义为极限状态LS2，混凝土压碎状态定义为极限状态LS3，结构失效状态定义为极限状态LS4；
分别选择出结构在峰值加速度调幅过程中首次达到极限状态LS1时对应的主震和余震下顶点位移值、首次达到极限状态LS2时对应的主震和余震下顶点位移值、首次达到极限状态LS3时对应的主震和余震下顶点位移值以及首次达到极限状态LS4时对应的主震和余震下顶点位移值；
步骤八、对步骤七选择出的顶点位移值进行回归分析，得到安全壳结构的二维极限状态方程；
根据获得的二维极限状态方程来评估主震后结构的抗震能力。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法，本发明可以有效的考虑初始损伤对结构抗震能力的影响，通过对IDA分析获得的数据进行挑选可以反映出不同损伤程度结构的抗震能力，对筛选数据进行回归分析可得到结构的二维极限状态方程，该方程可以有效考虑初始损伤程度和残余抗震能力的相关性，提高主震后结构抗震能力评估的准确性，所得二维极限状态方程可直接用于结构在地震序列作用下的抗震安全裕度评估中，随着损伤程度的增加，结构安全裕度评估结果对比相差逐渐显著；对于极限状态LS4，采用本发明方法评估的抗震能力可以使安全裕度评估结果，相比于现有方法的安全裕度评估结果的准确率提高17％左右。
附图说明
图1是本发明的一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法的流程图；
图2为本发明示例中所用钢筋混凝土安全壳结构立面图；
其中：安全壳穹顶壁厚为0.762m；筒壁内径为18.898m，其壁厚为1.067m；横向和纵向均布置Φ32钢筋，钢筋间距为80mm；纵向钢筋中心到混凝土边缘的距离为0.1m，横向钢筋中心到混凝土边缘的距离则为0.275m；
图3为结构在极限状态LS1下的二维极限状态图；
图4为结构在极限状态LS2下的二维极限状态图；
图5为结构在极限状态LS3下的二维极限状态图；
图6为结构在极限状态LS4下的二维极限状态图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、从PEER(Pacific Earthquake Engineering Research Center，太平洋地震工程研究中心)地震动数据库中初选择出M条地震动序列，再将初选择出的M条地震动序列与设计谱进行谱匹配，获得精选出的M0条地震动序列；
初选择出的M条地震动序列需满足的条件为：(1)主震与余震的震级均大于5.0；(2)主震与余震的峰值加速度PGA大于等于0.1g；(3)主震与余震记录于同一个台站，且该台站位于自由场地；(4)记录地震动台站的场地剪切波速大于360m/s。
将初选出的地震动序列与设计谱进行谱匹配，精选出的M0条地震动序列是谱值相差最小的M0条地震动序列。
步骤二、利用有限元软件建立安全壳结构模型，利用安全壳结构模型的顶点位移来衡量主震后结构的初始损伤程度和余震下已损结构的动力响应；
实际上，可以利用有限元软件Abaqus建立考虑累积损伤的其他结构模型，并确定可以衡量其他结构在主震损伤和余震下动力响应的结构反应指标；
步骤三、选取峰值加速度(PGA，Peak ground acceleration)来衡量地震动强度，将精选出的M0条地震动序列中主震的峰值加速度均调幅至PGA1；
步骤四、利用调幅后的主震对安全壳结构进行非线性时程分析，模拟主震后结构的初始损伤程度，分别记录M0条地震动序列的主震下结构的顶点位移值；
步骤五、每条精选出的地震动序列中余震的峰值加速度均依次从PGA1调幅至PGAn，利用不同峰值加速度的余震对主震后结构进行非线性时程分析，可得到具有初始损伤状态的结构的抗震能力，分别记录M0条地震动序列对应的主震后结构在不同峰值加速度的余震下的顶点位移值；
步骤五具体为：将每条精选出的地震动序列中余震的峰值加速度均调幅至PGA1，利用峰值加速度为PGA1的余震对主震后结构进行非线性时程分析，记录M0条地震动序列对应的主震后结构在峰值加速度PGA1的余震下的顶点位移值；再将每条精选出的地震动序列中余震的峰值加速度均调幅至PGA2，利用峰值加速度为PGA2的余震对主震后结构进行非线性时程分析，记录M0条地震动序列对应的主震后结构在峰值加速度PGA2的余震下的顶点位移值；以此类推，直至将每条精选出的地震动序列中余震的峰值加速度均调幅至PGAn，利用峰值加速度为PGAn的余震对主震后结构进行非线性时程分析，记录M0条地震动序列对应的主震后结构在峰值加速度PGAn的余震下的顶点位移值；
从PGA1、PGA2、…、PGAn，其中：每次调幅的增幅均为0.1g，即PGA2相对PGA1的增幅为0.1g。
步骤六、每条精选出的地震动序列中主震的峰值加速度均依次从PGA2调幅至PGAn，用来模拟主震后结构的不同初始损伤程度，在不同峰值加速度的主震下，分别重复步骤四和步骤五；
步骤六具体为：将每条精选出的地震动序列中主震的峰值加速度均调幅至PGA2，在峰值加速度为PGA2的主震下，重复步骤四和步骤五的过程；再将每条精选出的地震动序列中主震的峰值加速度均调幅至PGA3，在峰值加速度为PGA3的主震下，重复步骤四和步骤五的过程；以此类推，直至每条精选出的地震动序列中主震的峰值加速度均调幅至PGAn，并重复步骤四和步骤五的过程；
从PGA2、PGA3、…、PGAn，其中：每次调幅的增幅均为0.1g，即PGA3相对PGA2的增幅为0.1g，而且PGA2相对PGA1的增幅也为0.1g。
步骤七、定义四种极限状态：将混凝土开裂状态定义为极限状态LS1，钢筋屈服状态定义为极限状态LS2，混凝土压碎状态定义为极限状态LS3，结构失效状态定义为极限状态LS4；
分别选择出结构在峰值加速度调幅过程中首次达到极限状态LS1时对应的主震和余震下顶点位移值、首次达到极限状态LS2时对应的主震和余震下顶点位移值、首次达到极限状态LS3时对应的主震和余震下顶点位移值以及首次达到极限状态LS4时对应的主震和余震下顶点位移值；
步骤八、基于多维极限状态理论对步骤七选择出的顶点位移值进行回归分析，得到安全壳结构的二维极限状态方程；
根据获得的二维极限状态方程来评估主震后结构的抗震能力。
当前对结构在多次地震的抗震能力评估中，通常假设结构在主震后的抗震能力是不变的，然而结构的材料衰退以及损伤累积会导致结构抗震能力下降。本发明提供了一种考虑主震后初始损伤影响的结构抗震能力评估方法。该方法同时考虑主震损伤状态和余震下结构响应，利用地震序列下的IDA分析(Incremental dynamic analysis，增量动力分析)获得不同初始损伤状态下结构的响应数据，基于多维极限状态理论得到对于结构不同极限状态的二维极限状态方程。
结构在一条地震动下的动力分析为一次非线性时程分析；当地震动调到不同强度后，在每个强度下都进行一次非线性时程分析，这一系列的非线性时程分析称为IDA分析。
在传统的抗震能力评估方法中，一般直接采用IDA方法，并且只对单次地震(主震)进行IDA分析。本发明在IDA的基础上，引入了多维极限状态理论处理数据，并且在IDA分析中，分别对主震和余震进行调幅，这样就同时考虑两个变量(主震损伤和残余抗震能力)，并且可以反映出两个变量的相关性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述每条精选出的地震动序列中余震的峰值加速度均依次从PGA1调幅至PGAn，其中：每次调幅的增幅均为0.1g。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述每条精选出的地震动序列中主震的峰值加速度均依次从PGA2调幅至PGAn，其中：每次调幅的增幅均为0.1g，且PGA2相对于PGA1的增幅为0.1g。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述二维极限状态方程的表达式为：
Figure BDA0002127236060000051
式中，R1为结构在主震下的顶点位移值，RLS,1为仅在主震作用下结构达到极限状态的阈值；R2为结构在余震下的顶点位移值，RLS,2为仅在余震作用下结构达到极限状态的阈值；R1和R2是相关的，而RLS,1和RLS,2则是相互独立的；N是R1与R2之间的相互作用系数。且决定了方程的形状，当N＝1时，R1与R2为线性相关，随着N逐渐增加相关性逐渐降低，当N趋于无穷大时，R1与R2则相互独立。
为了更清晰的描述本发明方法的使用及优势，下面通过实例和附图对该方法进行详细的阐述：
1、首先依据以下原则从PEER地震动数据库选择地震动序列：(1)主震与余震的震级大于5.0；(2)主震与余震的峰值地震动加速度PGA大于0.1g；(3)主震与余震记录于同一个台站，且该台站位于自由场地；(4)记录地震动台站的场地剪切波速大于360m/s。通过上述条件共挑选76条地震序列记录。再将初选的地震动与RG1.60设计谱进行谱匹配，最终确定15条谱值相差最小的地震动。
2、在此示例中选取安全壳结构进行说明，其结构信息如图2所示。通过Abaqus建立安全壳结构的三维有限元模型，混凝土采用实体单元，塑性损伤本构模型用于考虑结构在地震序列下的累积损伤。主震和余震下结构的顶点位移用于衡量主震后结构的初始损伤程度和余震下已损结构的动力响应。
3、将所选主震记录进行调幅并对安全壳进行非线性时程分析，调幅强度范围是从0.1g-2.0g，每次调幅增幅为0.1g；对主震记录的调幅主要用于模拟结构主震后的不同初始损伤状态。对于每个特定的主震强度下，将对应的余震记录进行调幅，调幅范围0.1g-2.0g，增幅为0.1g；将不同强度的余震记录分别作用于该主震后的结构，从而可得到该震损结构的抗震能力。在主震和余震的调幅过程中，记录主震和余震下安全壳的顶点位移。
4、针对钢筋混凝土安全壳结构分别定义了四种极限状态：混凝土开裂定义为极限状态LS1，钢筋屈服定义为极限状态LS2，混凝土压碎定义为极限状态LS3，结构失效定义为极限状态LS4。当主震为0.1g时，在余震调幅过程中，记录结构首次达到极限状态时余震的强度值，并挑选出该主震强度和余震强度下结构的顶点位移值。对主震为其他强度的情况下，也分别对主震和余震下位移值进行上述筛选。值得一提的是，如果在主震下结构已达到目标极限状态，则只记录该主震下位移值，相应的余震位移值记为0。
5、利用多维极限状态方程对所选位移值进行回归分析，得到针对不同极限状态的二维极限状态方程。如图3至图6所示，横坐标代表安全壳在主震作用下的位移值(反映结构的初始损伤状态)，纵坐标则代表结构在余震下的位移值(反应结构的抗震能力)，圆点代表在IDA分析中筛选的位移值，曲线为所得的二维极限状态方程。对应该结构四种极限状态的二维极限状态方程如下所示：
LS1:
Figure BDA0002127236060000061
LS2:
Figure BDA0002127236060000071
LS3:
Figure BDA0002127236060000072
LS4:
Figure BDA0002127236060000073
对于极限状态LS1，主震位移和余震位移是不相关的(N→∞)，这是因为主震下结构未达到开裂，所以结构保持弹性状态，这样初始状态对结构在余震下的动力响应没有影响。而随着极限状态对应的损伤程度逐渐增加，主震损伤和余震下抗震能力的相关性逐渐增加。对于极限状态LS2-LS4，如果抗震安全评估中假设结构极限状态对应的阈值不变，则会高估结构的抗震裕度。在实际结构安全评估中，可以先根据初始损伤状态确定纵坐标值，再根据二维极限状态方程查找该纵坐标值对应的横坐标值，该值即为该初始损伤影响下结构的残余抗震能力，可直接用该能力值判断震损结构的抗震安全裕度。可见，本发明提出的极限状态评估方法可以有效的考虑初始损失状态对结构抗震能力的影响，从而提高结构安全评估的准确性。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、从PEER地震动数据库中初选择出M条地震动序列，再将初选择出的M条地震动序列与设计谱进行谱匹配，获得精选出的M0条地震动序列；
步骤二、利用有限元软件建立安全壳结构模型，利用安全壳结构模型的顶点位移来衡量主震后结构的初始损伤程度和余震下已损结构的动力响应；
步骤三、选取峰值加速度来衡量地震动强度，将精选出的M0条地震动序列中主震的峰值加速度均调幅至PGA1；
步骤四、利用调幅后的主震对安全壳结构进行非线性时程分析，模拟主震后结构的初始损伤程度，分别记录M0条地震动序列的主震下结构的顶点位移值；
步骤五、每条精选出的地震动序列中余震的峰值加速度均依次从PGA1调幅至PGAn，利用不同峰值加速度的余震对主震后结构进行非线性时程分析，分别记录M0条地震动序列对应的主震后结构在不同峰值加速度的余震下的顶点位移值；
步骤六、每条精选出的地震动序列中主震的峰值加速度均依次从PGA2调幅至PGAn，在不同峰值加速度的主震下，分别重复步骤四和步骤五；
步骤七、定义四种极限状态：将混凝土开裂状态定义为极限状态LS1，钢筋屈服状态定义为极限状态LS2，混凝土压碎状态定义为极限状态LS3，结构失效状态定义为极限状态LS4；
分别选择出结构在峰值加速度调幅过程中首次达到极限状态LS1时对应的主震和余震下顶点位移值、首次达到极限状态LS2时对应的主震和余震下顶点位移值、首次达到极限状态LS3时对应的主震和余震下顶点位移值以及首次达到极限状态LS4时对应的主震和余震下顶点位移值；
步骤八、对步骤七选择出的动力响应值进行回归分析，得到安全壳结构的二维极限状态方程；
根据获得的二维极限状态方程来评估主震后结构的抗震能力。
2.根据权利要求1所述的一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法，其特征在于，所述每条精选出的地震动序列中余震的峰值加速度均依次从PGA1调幅至PGAn，其中：每次调幅的增幅均为0.1g。
3.根据权利要求1所述的一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法，其特征在于，所述每条精选出的地震动序列中主震的峰值加速度均依次从PGA2调幅至PGAn，其中：每次调幅的增幅均为0.1g，且PGA2相对于PGA1的增幅为0.1g。
4.根据权利要求1所述的一种考虑初始损伤状态影响的结构抗震能力评估方法，其特征在于，所述二维极限状态方程的表达式为：
Figure FDA0002127236050000021
式中，R1为结构在主震下的顶点位移值，RLS,1为仅在主震作用下结构达到极限状态的阈值；R2为结构在余震下的顶点位移值，RLS,2为仅在余震作用下结构达到极限状态的阈值；N是R1与R2之间的相互作用系数。
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