CN111401747B - 序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法 - Google Patents

序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，包括步骤：S1：根据结构特性随机参数模型和序列型地震动随机参数模型建立地震结构样本库；S2：分析结构概率抗震能力，根据抗震措施类别确定结构性能水平及相应性能指标的概率分布模型；S3：分析结构概率地震需求，确定序列型地震作用下结构性能指标需求及其概率分布模型；S4、通过所述结构概率抗震能力和所述结构概率地震需求计算序列型地震作用下结构反应需求的超越概率，确定砌体结构的易损性曲线。本发明的一种序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，避免采用耗时耗力的非线性时程方法，计算效率高，同时能保证计算精度，可作为评定砌体结构抗震能力的一种手段。

Description

序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法
技术领域
本发明涉及抗震性能评估技术领域，尤其涉及一种序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法。
背景技术
一次剧烈地震发生后往往伴随有大量强余震，由于主震和余震时间间隔比较短，主震后受损的结构来不及修复便遭遇余震，强余震导致结构的损伤进一步加深，严重时会导致结构的局部倒塌甚至整体倒塌，如1999年集集地震、2008年汶川地震、2011年基督城地震，2015年尼泊尔地震，2016年意大利中部地震。而现有世界上大多抗震设计规范主要考虑单次地震作用，未考虑余震对结构破坏的影响，因此急需科学的理论指导来提高工程结构的抗震性能。
目前考虑余震影响的单体建筑的分析已经有很多研究成果，如主余震对钢筋混凝土框架、木结构、钢框架、钢筋混凝土剪力墙结构等的影响，但是仍缺乏余震作用对砌体结构影响的研究。砌体结构在我国应用广泛，尤其是新中国成立以来，我国大多数的民用与工业建构筑物采用该结构体系。进入新世纪后，中国的经济和技术不断的发展，城市建筑中砌体结构占比有所减少，但砌体结构绝对数量仍然很大。预测余震对砌体结构的影响对震后应急救援决策有着重要意义，因此，需要提出一套预测砌体结构主余震震害的方法。
易损性是地震动强度与建筑结构破坏程度之间的关系，反映了结构在不同地震下的抗震能力，也为结构抗震加固、风险评估等研究提供必要的依据。建立砌体结构地震易损性曲线的方法有很多，常用的步骤是：采用概率性分析方法(Monte Carlo法、拉丁超立方等)和非线性时程分析法对结构在地震下的反应(位移、延性、损伤指数等)进行分析，并与采用损伤指标(位移、延性、损伤指数等)划分结构的损伤状态水平进行对比和统计分析，进而得到结构的易损性曲线。但是该方法需进行大量非弹性时程分析，同时序列型地震动相对于单次地震动时程更长，计算效率低，且由于地震动数量限制无法完整反映各参数的随机性。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，该方法计算效率高，同时保持了计算的准确度。
为了实现上述目的，本发明提供一种序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，包括步骤：
S1：根据结构特性随机参数模型和序列型地震动随机参数模型建立地震结构样本库；
S2：分析结构概率抗震能力，根据抗震措施类别确定结构性能水平及相应性能指标的概率分布模型；
S3：分析结构概率地震需求，确定序列型地震作用下结构性能指标需求及其概率分布模型；
S4、通过所述结构概率抗震能力和所述结构概率地震需求计算序列型地震作用下结构反应需求的超越概率，确定砌体结构的易损性曲线。
优选地，所述S1步骤进一步包括步骤：
S11：确定所述砌体结构和序列型地震动的随机变量，所述随机变量包括材料强度、几何尺寸、重力荷载、主震地震动强度、余震相对强度和场地卓越周期，并确定各所述随机变量的概率分布模型；
S12：利用蒙特卡罗法或拉丁超立方方法，结合各所述随机变量的概率分布模型生成随机的所述地震结构样本库。
优选地，根据抗震措施类别将所述砌体结构分为五类，所述砌体结构的种类包括：
A类措施，所述A类措施按现行标准要求设置圈梁，但未设置构造柱；
B类措施，所述B类措施按现行标准要求设置圈梁，并在外墙四角及对应转角处、错层部位横墙与外纵墙交接处、大房间内外墙交接处，较大洞口两侧、楼和电梯间四角和楼梯斜梯段上下端对应墙体处设置所述构造柱；
C类措施，所述C类措施满足所述B类措施的要求，还在楼梯间对应的内横墙与外纵墙交接处、每隔12～15m处和单元横墙与外纵墙交接处设置所述构造柱；
D类措施，所述D类措施满足所述B类措施的要求，还在隔开间横墙轴线与外墙交接处和山墙与内纵墙交接处设置所述构造柱；和
E类措施，所述E类措施满足所述B类措施的要求，还在内墙轴线与外墙交接处、内纵墙与横墙轴线交接处和内墙的局部较小墙垛处设置所述构造柱。
优选地，所述S3进一步包括步骤：
S31：根据多层所述砌体结构剪切性薄弱层破坏机制计算各楼层屈服强度系数ξi，计算结构薄弱层的抗力折减系数R＝1/ξimin；
S32：确定结构基本周期T0,e；
S33：确定余震相对强度γ，计算结构有效延性系数μ；
S34：根据所述结构有效延性系数μ和所述结构基本周期T0,e，计算结构有效弹性周期Teff；
Figure BDA0002414375680000031
S35：根据所述有效弹性周期Teff，计算结构位移的阻尼折减系数B；
S36：根据所述阻尼折减系数B，计算等效单自由度体系的屈服谱位移Sdy和弹塑性谱位移Sdp；
S37：根据第一阵型确定结构阵型高度系数，计算结构概率地震需求θmax。
优选地，根据公式(1)计算所述屈服强度系数ξi：
Figure BDA0002414375680000032
其中，ξi为所述砌体结构第i层的楼层屈服强度系数，n为所述砌体结构的总层数，α为罕遇或设防烈度地震的水平地震影响系数，ρi为第i层计算方向的抗震墙面积率，楼层高度1/2处所述计算方向墙体面积与单层建筑面积之比，与所述计算方向直交方向的抗震墙面积率为ρ’i，λg为单位面积重力荷载代表值的换算系数，λg以0.012N/mm2为基准，λg＝gE/0.012，f2,i为第i层砌筑砂浆强度。
优选地，根据公式(2)计算所述结构基本周期T0,e：
T0,e＝0.02(H+1.2) (2)；
其中，H为房屋高度。
优选地，根据公式(3)计算所述结构有效延性系数μ：
Figure BDA0002414375680000041
其中，γ为余震相对强度，所述余震相对强度是余震地震动峰值加速度与主震地震动峰值加速度的比值，R为抗力折减系数，a0、a1、a2、a3、a4和a5为拟合参数；
当场地类别为I类场地时，a0＝9.68、a1＝0.57、a2＝0.86、a3＝-0.79、a4＝10.83、a5＝0.02；
当场地类别为II类场地时，a0＝9.97、a1＝0.98、a2＝0.71、a3＝-0.84、a4＝13.21、a5＝0.01；
当场地类别为III类场地时，a0＝11.49、a1＝0.77、a2＝1.03、a3＝-0.95、a4＝10.93、a5＝0.04；
当场地类别为IV类场地时，a0＝9.95、a1＝0.55、a2＝0.66、a3＝-0.81、a4＝13.25、a5＝0.01。
优选地，根据公式(4)计算所述阻尼折减系数B：
Figure BDA0002414375680000042
其中，Tg为场地卓越周期。
优选地，根据公式(5)计算所述屈服谱位移Sdy:
Figure BDA0002414375680000043
根据公式(6)计算所述弹塑性谱位移Sdp：
Figure BDA0002414375680000044
其中，g为重力加速度；
根据公式(7)、公式(8)和公式(9)计算所述结构概率地震需求θmax：
Figure BDA0002414375680000051
Figure BDA0002414375680000052
Figure BDA0002414375680000053
/>
其中，δy为屈服位移，δp为弹塑性位移，h为薄弱层层高，Γh为振型高度系数。
优选地，所述S4步骤中，所述结构概率抗震能力θc和所述结构概率地震需求θmax均服从对数正太分布，
根据公式(10)计算所述超越概率P(θmax|PGA>LS)：
Figure BDA0002414375680000054
其中，PGA表示地震动峰值加速度，LS表示对应于结构性能水平的量化指标限值，Φ表示正态标准分布函数，βc表示地震需求的对数标准差，βd表示抗震能力的对数标准差。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
本发明考虑了余震地震动对结构破坏的影响，根据砌体结构薄弱层破坏的特点，在基于最大位移点等效周期的非迭代等效线性化方法的基础上，建立了序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，与现在技术相比，本发明的易损性分析方法计算量小、计算效率高，可快速评估砌体结构的抗震性能。
附图说明
图1为本发明实施例的序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法的流程图；
图2为本发明实施例的序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法的原理图。
具体实施方式
下面根据附图1，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施例的一种序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，包括步骤：
S1：根据结构特性随机参数模型和序列型地震动随机参数模型建立地震结构样本库。
S1步骤进一步包括步骤：
S11：确定砌体结构和序列型地震动的随机变量，随机变量包括材料强度、几何尺寸、重力荷载、主震地震动强度、余震相对强度和场地卓越周期，并确定各随机变量的概率分布模型；
S12：利用蒙特卡罗法或拉丁超立方方法，结合各随机变量的概率分布模型生成随机的地震结构样本库。
S2：分析结构概率抗震能力，根据抗震措施类别确定结构性能水平及相应性能指标的概率分布模型；
结构层间位移角可表征结构不同的性能水准，而不同抗震措施类别对砌体结构抗震性能影响较大。因此，根据抗震措施类别将砌体结构分为五类，砌体结构的种类包括：
A类措施，A类措施按现行标准要求设置圈梁，但未设置构造柱；
B类措施，B类措施按现行标准要求设置圈梁，并在外墙四角及对应转角处、错层部位横墙与外纵墙交接处、大房间内外墙交接处，较大洞口两侧、楼和电梯间四角和楼梯斜梯段上下端对应墙体处设置构造柱；
C类措施，C类措施满足B类措施的要求，还在楼梯间对应的内横墙与外纵墙交接处、每隔12～15m处和单元横墙与外纵墙交接处设置构造柱；
D类措施，D类措施满足B类措施的要求，还在隔开间横墙轴线与外墙交接处和山墙与内纵墙交接处设置构造柱；和
E类措施，E类措施满足B类措施的要求，还在内墙轴线与外墙交接处、内纵墙与横墙轴线交接处和内墙的局部较小墙垛处设置构造柱。
不同的性能水准对应的砌体结构的最大层间位移延性系数可参见表1。
表1砌体结构性能水平表
Figure BDA0002414375680000071
S3：分析结构概率地震需求，确定序列型地震作用下结构性能指标需求及其概率分布模型。
S3进一步包括步骤：
S31：根据多层砌体结构剪切性薄弱层破坏机制计算各楼层屈服强度系数ξi，计算结构薄弱层的抗力折减系数R＝1/ξimin。
根据公式(1)计算屈服强度系数ξi：
Figure BDA0002414375680000072
其中，ξi为砌体结构第i层的楼层屈服强度系数，n为砌体结构的总层数，α为罕遇或设防烈度地震的水平地震影响系数，ρi为第i层计算方向的抗震墙面积率，楼层高度1/2处计算方向墙体面积与单层建筑面积之比，与计算方向直交方向的抗震墙面积率为ρ’i，λg为单位面积重力荷载代表值的换算系数，λg以0.012N/mm2为基准，λg＝gE/0.012，f2,i为第i层砌筑砂浆强度。
S32：确定结构基本周期T0,e。
根据公式(2)计算结构基本周期T0,e：
T0,e＝0.02(H+1.2) (2)；
其中，H为房屋高度(m)。
S33：确定余震相对强度γ，计算结构有效延性系数μ。
根据公式(3)计算结构有效延性系数μ：
Figure BDA0002414375680000081
其中，γ为余震相对强度，余震相对强度是余震地震动峰值加速度与主震地震动峰值加速度的比值，R为抗力折减系数，a0、a1、a2、a3、a4和a5为拟合参数；具体取值请参阅图2。
表2参数a0～a5取值表
参数 a0 a1 a2 a3 a4 a5
I类场地 9.68 0.57 0.86 -0.79 10.83 0.02
II类场地 9.97 0.98 0.71 -0.84 13.21 0.01
III类场地 11.49 0.77 1.03 -0.95 10.93 0.04
IV类场地 9.95 0.55 0.66 -0.81 13.25 0.01
S34：根据结构有效延性系数μ和结构基本周期T0,e，计算结构有效弹性周期Teff；
Figure BDA0002414375680000082
S35：根据有效弹性周期Teff，计算结构位移的阻尼折减系数B。
根据公式(4)计算阻尼折减系数B：
Figure BDA0002414375680000083
其中，Tg为场地卓越周期。
S36：根据阻尼折减系数B，计算等效单自由度体系的屈服谱位移Sdy和弹塑性谱位移Sdp。
根据公式(5)计算屈服谱位移Sdy:
Figure BDA0002414375680000084
根据公式(6)计算弹塑性谱位移Sdp：
Figure BDA0002414375680000085
其中，g为重力加速度；
S37：根据第一阵型确定结构阵型高度系数，计算结构概率地震需求θmax。
根据公式(7)、公式(8)和公式(9)计算结构概率地震需求θmax：
Figure BDA0002414375680000091
Figure BDA0002414375680000092
/>
Figure BDA0002414375680000093
其中，δy为屈服位移，δp为弹塑性位移，h为薄弱层层高，Γh为振型高度系数。
竖向不规则包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续和楼层承载力突变。
重复步骤S31至步骤S37，计算所有地震结构样本的最大层间位移角需求，得到最大层间位移角需求均值
Figure BDA0002414375680000095
及变异系数βd。
S4、通过结构概率抗震能力和结构概率地震需求计算序列型地震作用下结构反应需求的超越概率，确定砌体结构的易损性曲线。
S4步骤中，结构概率抗震能力θc和结构概率地震需求θmax均服从对数正太分布，
根据公式(10)计算超越概率P(θmax|PGA>LS)：
Figure BDA0002414375680000094
其中，PGA表示地震动峰值加速度，LS表示对应于结构性能水平的量化指标限值，Φ表示正态标准分布函数，βc表示地震需求的对数标准差，βd表示抗震能力的对数标准差。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，包括步骤：
S1：根据结构特性随机参数模型和序列型地震动随机参数模型建立地震结构样本库；
S2：分析结构概率抗震能力，根据抗震措施类别确定结构性能水平及相应性能指标的概率分布模型；
S3：分析结构概率地震需求，确定序列型地震作用下结构性能指标需求及其概率分布模型；
S4、通过所述结构概率抗震能力和所述结构概率地震需求计算序列型地震作用下结构反应需求的超越概率，确定砌体结构的易损性曲线；
所述S1步骤进一步包括步骤：
S11：确定所述砌体结构和序列型地震动的随机变量，所述随机变量包括材料强度、几何尺寸、重力荷载、主震地震动强度、余震相对强度和场地卓越周期，并确定各所述随机变量的概率分布模型；
S12：利用蒙特卡罗法或拉丁超立方方法，结合各所述随机变量的概率分布模型生成随机的所述地震结构样本库；
根据抗震措施类别将所述砌体结构分为五类，所述砌体结构的种类包括：
A类措施，所述A类措施按现行标准要求设置圈梁，但未设置构造柱；
B类措施，所述B类措施按现行标准要求设置圈梁，并在外墙四角及对应转角处、错层部位横墙与外纵墙交接处、大房间内外墙交接处，较大洞口两侧、楼和电梯间四角和楼梯斜梯段上下端对应墙体处设置所述构造柱；
C类措施，所述C类措施满足所述B类措施的要求，还在楼梯间对应的内横墙与外纵墙交接处、每隔12～15m处和单元横墙与外纵墙交接处设置所述构造柱；
D类措施，所述D类措施满足所述B类措施的要求，还在隔开间横墙轴线与外墙交接处和山墙与内纵墙交接处设置所述构造柱；和
E类措施，所述E类措施满足所述B类措施的要求，还在内墙轴线与外墙交接处、内纵墙与横墙轴线交接处和内墙的局部较小墙垛处设置所述构造柱；
所述S4步骤中，所述结构概率抗震能力θc和所述结构概率地震需求θmax均服从对数正太分布，
根据公式(10)计算所述超越概率P(θmax|PGA＞LS)：
Figure QLYQS_1
其中，PGA表示地震动峰值加速度，LS表示对应于结构性能水平的量化指标限值，Φ表示正态标准分布函数，βc表示地震需求的对数标准差，βd表示抗震能力的对数标准差。
2.根据权利要求1所述的序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，其特征在于，所述S3进一步包括步骤：
S31：根据多层所述砌体结构剪切性薄弱层破坏机制计算各楼层屈服强度系数ξi，计算结构薄弱层的抗力折减系数R＝1/ξimin；
S32：确定结构基本周期T0，e；
S33：确定余震相对强度γ，计算结构有效延性系数μ；
S34：根据所述结构有效延性系数μ和所述结构基本周期T0，e，计算结构有效弹性周期Teff；
Figure QLYQS_2
S35：根据所述有效弹性周期Teff，计算结构位移的阻尼折减系数B；
S36：根据所述阻尼折减系数B，计算等效单自由度体系的屈服谱位移Sdy和弹塑性谱位移Sdp；
S37：根据第一阵型确定结构阵型高度系数，计算结构概率地震需求θmax。
3.根据权利要求2所述的序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，其特征在于，根据公式(1)计算所述屈服强度系数ξi：
Figure QLYQS_3
其中，ξi为所述砌体结构第i层的楼层屈服强度系数，n为所述砌体结构的总层数，α为罕遇或设防烈度地震的水平地震影响系数，ρi为第i层计算方向的抗震墙面积率，楼层高度1/2处所述计算方向墙体面积与单层建筑面积之比，与所述计算方向直交方向的抗震墙面积率为ρ′i，λg为单位面积重力荷载代表值的换算系数，λg以0.012N/mm2为基准，λg＝gE/0.012，f2，i为第i层砌筑砂浆强度。
4.根据权利要求2所述的序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，其特征在于，根据公式(2)计算所述结构基本周期T0，e：
T0，e＝0.02(H+1.2) (2)；
其中，H为房屋高度。
5.根据权利要求2所述的序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，其特征在于，根据公式(3)计算所述结构有效延性系数μ：
Figure QLYQS_4
其中，γ为余震相对强度，所述余震相对强度是余震地震动峰值加速度与主震地震动峰值加速度的比值，R为抗力折减系数，a0、a1、a2、a3、a4和a5为拟合参数；
当场地类别为I类场地时，a0＝9.68、a1＝0.57、a2＝0.86、a3＝-0.79、a4＝10.83、a5＝0.02；
当场地类别为II类场地时，a0＝9.97、a1＝0.98、a2＝0.71、a3＝-0.84、a4＝13.21、a5＝0.01；
当场地类别为III类场地时，a0＝11.49、a1＝0.77、a2＝1.03、a3＝-0.95、a4＝10.93、a5＝0.04；
当场地类别为IV类场地时，a0＝9.95、a1＝0.55、a2＝0.66、a3＝-0.81、a4＝13.25、a5＝0.01。
6.根据权利要求2所述的序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，其特征在于，根据公式(4)计算所述阻尼折减系数B：
Figure QLYQS_5
其中，Tg为场地卓越周期。
7.根据权利要求4所述的序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法，其特征在于，根据公式(5)计算所述屈服谱位移Sdy：
Figure QLYQS_6
根据公式(6)计算所述弹塑性谱位移Sdp：
Figure QLYQS_7
其中，g为重力加速度；α为罕遇或设防烈度地震的水平地震影响系数；
根据公式(7)、公式(8)和公式(9)计算所述结构概率地震需求θmax：
Figure QLYQS_8
Figure QLYQS_9
Figure QLYQS_10
其中，δy为屈服位移，δp为弹塑性位移，h为薄弱层层高，Γh为振型高度系数；H为房屋高度。
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