CN117251915A - 考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了考虑材料劣化和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，包括：采用合适的数学模型，针对老旧结构的材料退化进行有限元建模；挑选所需要的主余震序列记录，并对老旧结构有限元模型进行非线性时程分析，得到结构的主震损伤数据和主余震累积损伤数据；对主余震损伤数据进行分类，并与相应的余震强度参数构成参数对；构造余震动态概率需求模型，得到余震易损性曲线；计算结构的修复时间和经济损失；在经典的韧性评估公式中引入考虑结构损伤状态这一研究思想，将已获得的考虑损伤状态的修复时间和经济损失引入韧性评估公式，提出同时考虑材料劣化状态和地震损伤的老旧钢筋混凝土结构动态余震韧性计算公式，并计算得到相应的韧性曲线。

Description

考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法
技术领域
本发明属于地震韧性评估技术领域，尤其涉及一种同时考虑材料和地震损伤的老旧建筑结构余震韧性动态评估方法。
背景技术
近年来，强震事件频发，地震作用会对结构产生不可逆的损伤。在这之中，老旧结构由于服役时间长，材料性能已出现不同程度的劣化。此时再次经历连续地震(主震+余震)的冲击作用，无疑会使结构的损伤进一步加剧，甚至会引发结构的倒塌。
现阶段，已有的结构抗震韧性评估理论通常将余震作用和结构的老化分开进行考虑，在评估过程中难以将二者兼顾考虑。这一做法无疑会低估结构的损伤，无法对结构进行精细化的地震安全与韧性评估，甚至会对灾后救援造成极大地阻碍。
鉴于此，十分有必要在韧性评估框架中考虑老旧结构的材料劣化和余震的共同作用，因此，亟需一种可同时考虑二者影响的老旧建筑结构余震韧性动态评估方法。
发明内容
本发明的目的是解决现有地震韧性评估中无法同时考虑老旧结构材料劣化和余震作用的动态评估问题，提供一种同时考虑材料劣化和地震损伤的老旧建筑结构余震韧性动态评估方法。基于结构由材料导致的抗震性能退化和主震损伤，将状态相关的思想引入韧性评估框架中，提出一种新的可同时考虑主震损伤结果、余震损伤和老旧结构材料劣化损伤的建筑结构余震韧性动态评估方法，为实际工程中考虑主震、余震和材料劣化动态影响的韧性评估提供一种更为全面的方法，并将该方法应用于震后房屋鉴定和老旧结构抗震性能动态评估工作。
考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，包括如下步骤：
S1：采用合适的数学模型，针对老旧结构的材料退化进行有限元建模，使其可以较好地模拟老旧结构的力学行为；
S2：挑选所需要的主余震序列记录，并对S1中的老旧结构有限元模型进行非线性时程分析，得到老旧结构的主震损伤数据和主余震累积损伤数据；
S3：基于S2的主震损伤数据和主余震累积损伤数据，针对不同劣化状态和不同主震损伤状态条件下的主余震累积损伤数据进行分类，并与相应的余震强度参数构成参数对；
S4：基于S3的分类结果，针对不同劣化条件和不同主震损伤状态下的主余震累积损伤数据与余震强度参数对，采用对数正态分布构造不同劣化状态和不同主震损伤状态条件下的余震动态概率需求模型，计算得到随损伤条件动态变化的余震易损性曲线；
S5：基于S4的计算结果并参考我国现行的《建筑抗震韧性评价标准》，按照先修复结构构件，后修复非结构构件的顺序，计算结构的修复时间；基于S4得到的随损伤条件动态变化的余震易损性曲线，考虑由地震造成的直接损失，计算老旧结构的经济损失；
步骤6：基于S4和S5的计算结果，在经典的韧性评估公式中引入考虑结构损伤状态这一研究思想，将已获得的考虑损伤状态的修复时间和经济损失引入韧性评估公式，提出同时考虑材料劣化状态和地震损伤的老旧钢筋混凝土结构动态余震韧性计算公式，并计算得到相应的韧性曲线。
优选地，所述S1具体包括：
选取合适的数学模型，针对老旧钢筋混凝土结构的锈蚀钢筋和由锈胀导致的外包混凝土开裂行为进行模拟，并通过下式计算劣化后材料的各项力学指标，并建立老旧钢筋混凝土结构的有限元模型；
bf-b0＝ncwcr
wcr＝2π(vrs-1)X
式中，A*,fy*,fu*,εu*分别代表锈蚀钢筋的剩余截面面积、剩余屈服强度、剩余极限抗拉强度和剩余极限伸长量；fc*表示开裂混凝土的抗压强度；与之对应的A,fy,fu,εu,fc表示完好材料的各项力学指标；η表示锈蚀率；π为圆周率；D为钢筋直径；ε1和εc0表示平均拉应变和峰值压应变；K为模型参数，可取为0.1；bf和b0分别表示锈蚀与未锈蚀梁的宽度；nc表示受压区的钢筋数目；wcr表示开裂宽度；vrs表示体积膨胀率；X表示锈蚀深度。
优选地，所述S3具体包括：
基于S2获得的主震损伤数据和主余震累积损伤数据，首先针对不同劣化条件对所得到的结构损伤数据进行分类，然后针对每种劣化程度下的结构损伤数据，再次采用主震损伤数据对老旧结构的主余震损伤数据进行分类；将最后得到的不同劣化条件和不同主震损伤状态下的主余震累积损伤数据与相应的余震强度参数组成参数对，为后续计算提供数据基础。
优选地，所述S4中随损伤条件动态变化的余震易损性曲线，如下式所示：
式中，MA、MS和AS分别为主余震、主震和余震的缩写；P(LSi|IMAS,DSMS)η为锈蚀率为η的老旧在主震损伤状态为DSMS条件下，经历强度为IMAS余震作用下发生极限状态LSi失效的概率，连成线即为余震易损性曲线；表示不同锈蚀率(η)和不同主震损伤状态(DSMS)条件下的结构累积损伤，取对数后即为余震动态概率需求模型；C表示结构的能力参数；β表示对数标准差；IMAS为余震强度参数；EDP表示工程需求参数；N为余震数目；LSi为第i个极限状态；θ1和θ2为模型参数。
优选地，所述S5中老旧结构的修复时间计算公式如下：
式中，表示老旧结构在不同锈蚀率(η)和不同主震损伤状态(DSMS)条件下的总修复时间；k表示所处的第k层；TR.S,k和TR.NS,k表示结构构件和非结构构件的修复时间；
所述老旧结构的经济损失计算公式如下：
式中，κ为放大系数；RDS,i为结构处于第i个损伤状态(DSi)时的损失系数；P(DSi|IMAS,DSMS)η为锈蚀率为η的老旧在主震损伤状态为DSMS条件下，经历强度为IMAS余震作用下发生破坏状态DSi失效的概率。
优选地，所述步骤6中所述老旧钢筋混凝土结构动态韧性计算公式如下：
Q(t|IMAS,DSMS)η＝Q(t＜t0)η-
L(t|IMAS,DSMS)η·[H(t-t0)-H(t-t0+TR)]·f(t,t0,TR)
L(t|IMAS,DSMS)η＝LDir
式中，TR和TLC分别代表广义的修复时间和控制时间；t表示时间微元；Q(t|IMAS,DSMS)η为考虑损伤状态的老旧结构功能函数；Q(t<t0)表示结构的初始功能；L(t|IM)表示广义的结构损失函数H(·)为Heaviside阶跃函数；f(·)表示恢复函数。
本发明的有益效果：本发明将现有的韧性评估方法中融入了老旧结构由材料劣化导致的抗震性能退化、主震损伤和余震损伤三类损伤工况，解决了现有韧性评估方法无法实现动态评估的问题，提出了一共可同时考虑三类损伤的余震韧性动态评估方法。能够实时评估老旧结构在不同劣化程度、不同主震损伤程度和不同余震强度条件下的韧性水平。本发明的考虑材料劣化和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，可用于建立老旧结构的余震韧性实时动态评估计算模型，实时评价目标结构的动态韧性水平，为城市管理者针对老旧结构的韧性评估工作提供了一种新方法。
附图说明：
图1是本发明考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法的流程图；
图2是本发明一实施例中的根据不同劣化条件和主震损伤分类得到的主余震损伤数据；
图中，图2(a)为劣化条件为η＝5％，图2(b)为劣化条件为η＝10％；
图3是本发明一实施例中的随损伤条件动态变化的余震易损性曲线；
图中，图3(a)为主震损伤条件为DS0，图3(b)为主震损伤条件为DS1；图3(c)为主震损伤条件为DS2，图3(d)为主震损伤条件为DS3；
图4是本发明一实施例中的同时考虑材料劣化状态和地震损伤的老旧钢筋混凝土结构动态韧性曲线；
图中，图4(a)为主震损伤条件为DS0，图4(b)为主震损伤条件为DS1；图4(c)为主震损伤条件为DS2，图4(d)为主震损伤条件为DS3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例提供的考虑材料劣化和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法将传统的仅可计算单一因素影响下的韧性评估方法进行拓展，可进一步考虑多因素并进行实时分析的老旧结构的抗震韧性，能够更为全面地评价老旧结构由于材料退化和多次地震作用下的抗震韧性水平。
考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，该方法的具体步骤为：
如图1所示，本实施例的考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，包括：
步骤S1、采用合适的数学模型，针对老旧结构的材料退化进行有限元建模，使其可以较好地模拟老旧结构的力学行为。
本实施例中具体地，上述步骤S1还包括如下步骤：
针对锈蚀钢筋和锈胀导致的外包混凝土开裂行为，其力学行为数学表达式如下式所示：
bf-b0＝ncwcr
wcr＝2π(vrs-1)X
式中，A*,fy*,fu*,εu*分别代表锈蚀钢筋的剩余截面面积、剩余屈服强度、剩余极限抗拉强度和剩余极限伸长量；fc*表示开裂混凝土的抗压强度；与之对应的A,fy,fu,εu,fc表示完好材料的各项力学指标；η表示锈蚀率；π为圆周率；D为钢筋直径；ε1和εc0表示平均拉应变和峰值压应变；K为模型参数，可取为0.1；bf和b0分别表示锈蚀与未锈蚀梁的宽度；nc表示受压区的钢筋数目；wcr表示开裂宽度；vrs表示体积膨胀率；X表示锈蚀深度。
步骤S2、挑选所需要的主余震序列记录，并对步骤S1中的老旧结构有限元模型进行非线性时程分析，得到结构的主震损伤数据和主余震累积损伤数据。
步骤S3、基于步骤S2的损伤数据，针对不同劣化状态和不同主震损伤状态条件下的主余震损伤数据进行分类，并与相应的余震强度参数构成参数对。
本实施例中具体地，上述步骤S1还包括如下步骤：
首先针对不同劣化条件对所得到的结构损伤数据进行分类，然后针对每种劣化程度下的结构损伤数据，再次采用主震损伤数据对老旧结构的主余震损伤数据进行分类，分类结果如图2所示；
步骤S4、基于步骤S3的分类结果，构造不同劣化状态和不同主震损伤状态条件下的余震动态概率需求模型，进而得到随损伤条件动态变化的余震易损性曲线。
本实施例中具体地，上述步骤S4还包括如下步骤：
采用下式计算余震动态概率需求模型和随损伤条件动态变化的余震易损性曲线：
式中，MA、MS和AS分别为主余震、主震和余震的缩写；P(LSi|IMAS,DSMS)η为锈蚀率为η的老旧在主震损伤状态为DSMS条件下，经历强度为IMAS余震作用下发生极限状态LSi失效的概率，连成线即为余震易损性曲线，本例中将IMAS取为余震峰值加速度(PGAAS)；表示不同锈蚀率(η)和不同主震损伤状态(DSMS)条件下的余震动态概率需求模型；C表示结构的能力参数；β表示对数标准差；IMAS为余震强度参数；EDP表示工程需求参数；N为余震数目；LSi为第i个极限状态；θ1和θ2为模型参数，如表1所示，随损伤条件动态变化的余震易损性曲线如图3所示。
表1.余震需求模型参数θ1和θ2
步骤S5、基于步骤S4的计算结果并参考我国现行的《建筑抗震韧性评价标准》，按照先修复结构构件，后修复非结构构件的顺序，计算结构的修复时间。
本实施例中具体地，上述步骤S5还包括如下步骤：
修复时间的计算公式如下所示，其计算结果如表2所示：
式中，表示老旧结构在不同锈蚀率(η)和不同主震损伤状态(DSMS)条件下的总修复时间；k表示所处的第k层；TR.S,k和TR.NS,k表示结构构件和非结构构件的修复时间。
表2.锈蚀率为5％时老旧结构的修复时间
经济损失的计算公式如下所示：
式中，κ为放大系数；RDS,i为结构处于第i个损伤状态(DSi)时的损失系数；P(DSi|IMAS,DSMS)η为锈蚀率为η的老旧在主震损伤状态为DSMS条件下，经历强度为IMAS余震作用下发生极限状态LSi失效的概率。
步骤S6、基于步骤S4和步骤S5的计算结果，在经典的韧性评估公式中引入考虑结构损伤状态这一研究思想，将已获得的考虑损伤状态的修复时间和经济损失引入韧性评估公式，提出同时考虑材料劣化状态和地震损伤的老旧钢筋混凝土结构动态韧性计算公式，并计算得到相应的韧性曲线，计算公式如下所示，计算结果如图4所示：
Q(t|IMAS,DSMS)η＝Q(t＜t0)η-L(t|IMAS,DSMS)η·[H(t-t0)-H(t-t0+TR)]·f(t,t0,TR)
L(t|IMAS,DSMS)η＝LDir
式中，TR和TLC分别代表广义的修复时间和控制时间；t表示时间微元；Q(t|IMAS,DSMS)η为考虑损伤状态的老旧结构功能函数；Q(t<t0)表示结构的初始功能；L(t|IM)表示广义的结构损失函数H(·)为Heaviside阶跃函数；f(·)表示恢复函数。
本实施例提供的考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，可用于建立考虑结构不同劣化程度和主震损伤状态的建筑结构余震韧性动态分析模型，为工程结构的韧性评估提供理论基础，可用于震后的结构定损和结构抗震性能动态评估的工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：采用合适的数学模型，针对老旧结构的材料退化进行有限元建模，使其可以较好地模拟老旧结构的力学行为；
S2：挑选所需要的主余震序列记录，并对S1中的老旧结构有限元模型进行非线性时程分析，得到老旧结构的主震损伤数据和主余震累积损伤数据；
S3：基于S2的主震损伤数据和主余震累积损伤数据，针对不同劣化状态和不同主震损伤状态条件下的主余震累积损伤数据进行分类，并与相应的余震强度参数构成参数对；
S4：基于S3的分类结果，针对不同劣化条件和不同主震损伤状态下的主余震累积损伤数据与余震强度参数对，采用对数正态分布构造不同劣化状态和不同主震损伤状态条件下的余震动态概率需求模型，计算得到随损伤条件动态变化的余震易损性曲线；
S5：基于S4的计算结果并参考我国现行的《建筑抗震韧性评价标准》，按照先修复结构构件，后修复非结构构件的顺序，计算结构的修复时间；基于S4得到的随损伤条件动态变化的余震易损性曲线，考虑由地震造成的直接损失，计算老旧结构的经济损失；
步骤6：基于S4和S5的计算结果，在经典的韧性评估公式中引入考虑结构损伤状态这一研究思想，将已获得的考虑损伤状态的修复时间和经济损失引入韧性评估公式，提出同时考虑材料劣化状态和地震损伤的老旧钢筋混凝土结构动态余震韧性计算公式，并计算得到相应的韧性曲线。
2.根据权利要求1所述的考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，其特征在于，所述S1具体包括：
选取合适的数学模型，针对老旧钢筋混凝土结构的锈蚀钢筋和由锈胀导致的外包混凝土开裂行为进行模拟，并通过下式计算劣化后材料的各项力学指标，并建立老旧钢筋混凝土结构的有限元模型；
bf-b0＝ncwcr
wcr＝2π(vrs-1)X
式中，A*,fy*,fu*,εu*分别代表锈蚀钢筋的剩余截面面积、剩余屈服强度、剩余极限抗拉强度和剩余极限伸长量；fc*表示开裂混凝土的抗压强度；与之对应的A,fy,fu,εu,fc表示完好材料的各项力学指标；η表示锈蚀率；π为圆周率；D为钢筋直径；ε1和εc0表示平均拉应变和峰值压应变；K为模型参数，可取为0.1；bf和b0分别表示锈蚀与未锈蚀梁的宽度；nc表示受压区的钢筋数目；wcr表示开裂宽度；vrs表示体积膨胀率；X表示锈蚀深度。
3.根据权利要求2所述的考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，其特征在于，所述S3具体包括：
基于S2获得的主震损伤数据和主余震累积损伤数据，首先针对不同劣化条件对所得到的结构损伤数据进行分类，然后针对每种劣化程度下的结构损伤数据，再次采用主震损伤数据对老旧结构的主余震损伤数据进行分类；将最后得到的不同劣化条件和不同主震损伤状态下的主余震累积损伤数据与相应的余震强度参数组成参数对，为后续计算提供数据基础。
4.根据权利要求3所述的考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，其特征在于，所述S4中随损伤条件动态变化的余震易损性曲线，如下式所示：
ln(DMA|DSMS,η)＝θ1ln(IMAS)+θ2
式中，MA、MS和AS分别为主余震、主震和余震的缩写；P(LSi|IMAS,DSMS)η为锈蚀率为η的老旧在主震损伤状态为DSMS条件下，经历强度为IMAS余震作用下发生极限状态LSi失效的概率，连成线即为余震易损性曲线；表示不同锈蚀率(η)和不同主震损伤状态(DSMS)条件下的结构累积损伤，取对数后即为余震动态概率需求模型；C表示结构的能力参数；β表示对数标准差；IMAS为余震强度参数；EDP表示工程需求参数；N为余震数目；LSi为第i个极限状态；θ1和θ2为模型参数。
5.根据权利要求4所述的考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，其特征在于，所述S5中老旧结构的修复时间计算公式如下：
式中，表示老旧结构在不同锈蚀率(η)和不同主震损伤状态(DSMS)条件下的总修复时间；k表示所处的第k层；TR.S,k和TR.NS,k表示结构构件和非结构构件的修复时间；
所述老旧结构的经济损失计算公式如下：
式中，κ为放大系数；RDS,i为结构处于第i个损伤状态(DSi)时的损失系数；P(DSi|IMAS,DSMS)η为锈蚀率为η的老旧在主震损伤状态为DSMS条件下，经历强度为IMAS余震作用下发生破坏状态DSi失效的概率。
6.根据权利要求5所述的考虑材料和地震损伤的老旧结构余震韧性动态评估方法，其特征在于，所述步骤6中所述老旧钢筋混凝土结构动态韧性计算公式如下：
Q(t|IMAS,DSMS)η＝Q(t＜t0)η-L(t|IMAS,DSMS)η·[H(t-t0)-H(t-t0+TR)]·f(t,t0,TR)L(t|IMAS,DSMS)η＝LDir
式中，TR和TLC分别代表广义的修复时间和控制时间；t表示时间微元；Q(t|IMAS,DSMS)η为考虑损伤状态的老旧结构功能函数；Q(t<t0)表示结构的初始功能；L(t|IM)表示广义的结构损失函数H(·)为Heaviside阶跃函数；f(·)表示恢复函数。
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