某框架结构的抗震性能评估_吴巧云
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［10 ］ 尽管 IDA 方法早在 1977 年就由 Bertero 提出， 但是国内在这方面的研究远不及国外研究的广泛， 同
配筋分为 1 ～ 10 十种情况。 结构楼屋面恒、 活载布置 1 （ b ） 、 （ c ） 。 、 、 见图 混凝土强度等级梁 板 柱均为 C30 ； 梁、 柱主筋 HRB335 ， 箍筋 HPB235 ； 结构底层层高 3． 9 m， 其余层 3 m。 截面尺寸： 梁 300 mm × 600 mm； 1 ～ 4 5 ～ 8 层柱 600 mm × 600 mm； 层柱 700 mm × 700 mm， 楼板厚 100 mm。 本文采用 OpenSees 程序对该结构进行增量动力分 由于 结 构 平 面 对 称， 只 选 用 一 榀 框 架 进 行 分 析。 析， 梁、 柱选用基于位移的非线性纤维梁柱单元模拟。 梁 构件设置 4 个纤维截面， 柱构件设置 10 个纤维截面。 梁、 柱截面均分为混凝土和钢筋两部分。 考虑到纵向 钢筋和箍筋对核心混凝土的轴向承载能力的加强， 将 混凝土部分划分为外包混凝土和核心混凝土。 外包混 凝土和核心混凝土的本构参数不同 （ 按照《混凝土结 5． 3． 4 条的要求取平均值 ） ， 构设计规范》 均划分为矩 形块状纤维， 其中， 外包混凝土的划分网格数要少于核 心混凝土划分网格数。截面一根纵向钢筋视为一根纤 维。采用程序 OpenSees 分析得到结构的基本周期 T1 = 1 ． 004 8 s， 采用 PKPM 计算得到 T1 = 1 ． 01 s， 二者比 较接近， 结构有限元模型的准确度得到校验 。 2. 2 地震记录
第 15 期
吴巧云等： 某框架结构的抗震性能评估
［3 ］
159
的影响； Vamvatsikos 等
研究了结构单元骨架曲线特 ［4 ］ 性的不确定性对结构地震性能的影响； Tothong 等 对
构的抗倒塌能力。 由于该分析过程是非 线 性 动 力 过 因此能较好地反映结构在未来可能遇到的不同强 程， 震作用下刚度、 强度以及变形能力的变化全过程。 目 IDA 研究是一种具有多重目的和广泛应用范围的 前， 方法。
［9 ］ ［8 ］
［7 ］
分 析 所 用 模 型 根 据 《建 筑 抗 震 设 计 规 范 》 （ GB50011 － 2010 ） 及 《高层建筑混凝土结构技术规程 》 （ JGJ3 － 2010 ） 的要求， 采用 PKPM 软件对其进行内力 和配筋计算， 结构设计满足我国现行抗震设计规范的 抗震设防烈 要求。主要设计参数如下： 建筑场地 Ⅱ 类， 度 8 度， 设计基本地震加速度 0． 20 g， 设计地震分组第
基金项目： 国家杰出青年科学基金资助项目（ 50925828 ） ； 国家自然科学 基金资助项目（ 50778077 ） 收稿日期： 2010 － 12 － 16 修改稿收到日期： 2011 － 08 － 11 1985 年生 第一作者 吴巧云 女， 博士生， 1965 年生 通讯作者 朱宏平 男， 博士， 教授， 博士生导师，
振 第 31 卷第 15 期
动
与
冲
击 Vol． 31 No． 15 2012
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
某 框 架 结 构 的 抗 震 性 能 评 估
1， 2 1， 2 吴巧云 ，朱宏平 ，樊 1， 2 1， 2 剑 ，曾志和
在结构性能评估中， 关键是得到结构在给定工程 需求参数 EDP 水 平 y 的 年 平 均 超 越 频 率 λ EDP （ y ） ， λ EDP （ y） 表示结构在使用年限 （ 我国通常采用 50 年 ） 内的结构工程需求参数 EDP 超过 y 的概率。 为求得 λ EDP （ y） ， 一种有效且较为精确的方法就是 Vamvatsikos 等
［12 ］ 有关学者 曾研究过， 对于中等高度的建筑， 选取 10 ～ 20 条地震记录进行增量动力分析可以得到较为精
时分析结构在不同 IM 参数及不同性质地震激励下的 抗震性能研究尚为罕见。 本文选择 20 条含明显速度 采用不同的 IM 参 脉冲的近场地震记录作为地震输入 ， 数， 对一个 8 层钢筋混凝土框架结构进行增量动力分 同时选取 20 条典型远场地震输入以作对比研究， 析， 全面分析了该结构的抗震性能。 首先， 基于分析所得 的 IDA 曲线求得结构在不同 EDP 水平下的超越概率。 然后， 基于概率地震危险性分析得到结构的地震危险 性曲线。最后， 基于 IDA 及地震危险性分析的结果得 到结构的年平均超越概率。 为震前灾害预测及震后损 失评估提供了参考。
Seismic performance assessment on some frame structure
2 2 2 2 WU Qiaoyun1， ，ZHU Hongping1， ，FAN Jian1， ，ZENG Zhihe1，
（ 1． School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 ，China； 2． Hubei Key Laboratory of Control Structures，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 ，China）
［11 ］ 二组， 框架抗震等级 2 级 。 结构立面模型及梁柱配 梁截面配筋分为 a ～ d 四种情况， 柱截面 筋见图 1 （ a） ，
等应用增量动力分析和
统计推论分析的方法分析了结构关注部位的响应谱加 速度作为强度参数的适用性， 研究了给定强度参数水 评估了给定地震 平下结构工程需求参数的概率分布， 危险性水平下结构的抗震性能。
［1 ］
提出的增量动力分析法 （ Incremental Dynamic A-
［1 － 9 ］ nalysis，IDA） ， 其自提出以来就受到国内外学者 的 ［1 ］ 关注： Vamvatsikos 等 详细介绍了 IDA 方法的实现过
程， 研究了单自由度及多自由度体系 IDA 曲线的特性， 并与传统的 Pushover 曲线对比， 研究二者之间的关系； Asgarian 等［2］以三种类型的钢抗弯框架为研究对象 ， 对 其进行地震性能评估， 研究延性水平对结构抗震性能
比了改进的标量 IM、 矢量 IM 及传统的标量 IM 对地震 指出合理的选择 IM 参数可以得 概率需求分析的影响， 到更加精确的地震性能估计； Vamvatsikos 等 通过中 间变量 IM， 将概率地震危险性分析和结构的 IDA 分析
［6 ］ 解耦， 从而求得 λ EDP （ y ） ； 我国学者杨成等 应用弹塑 ［5 ］
2
2. 1
计算模型及地震记录的选取
计算模型
Fra Baidu bibliotek
性反应谱对 IDA 方法进行了改进； 吕大刚等 基于地 “折半取中” 震记录的 IDA 方法， 提出了 原则， 以确定结 构倒塌极限状态点； 卜一等 采用 IDA 方法对 9 个不 同结构特性的高层钢框架 － 混凝土核心筒混合结构展 开分析， 提出了高层混合结构的四个性能水准， 并给出 了相应的最大层间位移角范围， 以作为基于性能抗震 设计的控制指标； 申彦利等
Abstract：
An 8storey reinforced concrete frame structure was taken as an investigated subject． The section sizes
and the reinforcement layout of beams and columns were designed． A twodimensional model of the structure was established using OpenSees program． An incremental dynamic analysis was carried out taking 20 nearfield ground motion records，which contain notable obvious speed pulses，as seismic input． Meanwhile，20 typical farfield ground motion records were chosen either to accomplish a comparative analysis． Based on the incremental dynamic analysis，seismic performance assessment on the structure was achieved in the perspective of probability． The exceeding probability， seismic field and hazard curves and mean annual exceeding probability in the cases of different IM parameters and different （ nearfar-field） ground motions were obtained． Comparisons show that the choosing of IM parameters has great influence on the seismic performance assessment． Due to the existence of high velocity pulse，the nearfield ground motions make the exceeding probability，mean exceeding frequency and mean annual exceeding probability of the structure all greater than farfield ground motions． Key words： nearfield ground motion； incremental dynamic analysis； seismic performance assessment； exceeding probability； mean annual exceeding probability based Earth基 于 性 能 的 地 震 工 程 （ Performancequake Engineering，PBEE ） 研究需要对不同水准地震作 用下结构的抗震能力进行评估， 即需要对结构在地震 作用下从屈服、 损伤直至倒塌的全过程进行分析。 加 上地震发生的随机性和评估结构抗震性能时涉及到的 诸多不确定因素， 结构的地震性能评估应从概率分析 的角度进行。
（ 1． 华中科技大学 土木工程与力学学院， 武汉 430074 ； 2． 华中科技大学 控制结构湖北省重点实验室， 武汉 430074 ）
摘
要： 以一个 8 层钢筋混凝土框架结构为研究对象， 首先对其进行结构设计， 得出各梁、 柱截面尺寸及配筋布
置； 然后采用 OpenSees 程序对其中一榀框架建立二维模型， 选择 20 条含明显速度脉冲的近场地震记录对该框架结构进 同时选择 20 条典型远场地震记录以作对比分析 。基于 IDA 分析的结果， 从概率的角度对结构进 行增量动力分析（ IDA） ， 行地震性能评估， 得出结构在不同 IM（ Intensity Measure） 参数及近场、 远场地震作用下的超越概率 、 地震危险性曲线及年 平均超越概率。通过对比分析发现，IM 参数的选择对结构地震性能评估有很大影响 。 近场地震由于其较高的速度脉 冲， 使得结构的超越概率、 平均超越频率及年平均超越概率均大于远场地震 。 关键词： 近场地震； 增量动力分析； 地震性能评估； 超越概率； 年平均超越概率 中图分类号： TU375 ； TU311． 3 文献标识码： A
配筋分为 1 ～ 10 十种情况。 结构楼屋面恒、 活载布置 1 （ b ） 、 （ c ） 。 、 、 见图 混凝土强度等级梁 板 柱均为 C30 ； 梁、 柱主筋 HRB335 ， 箍筋 HPB235 ； 结构底层层高 3． 9 m， 其余层 3 m。 截面尺寸： 梁 300 mm × 600 mm； 1 ～ 4 5 ～ 8 层柱 600 mm × 600 mm； 层柱 700 mm × 700 mm， 楼板厚 100 mm。 本文采用 OpenSees 程序对该结构进行增量动力分 由于 结 构 平 面 对 称， 只 选 用 一 榀 框 架 进 行 分 析。 析， 梁、 柱选用基于位移的非线性纤维梁柱单元模拟。 梁 构件设置 4 个纤维截面， 柱构件设置 10 个纤维截面。 梁、 柱截面均分为混凝土和钢筋两部分。 考虑到纵向 钢筋和箍筋对核心混凝土的轴向承载能力的加强， 将 混凝土部分划分为外包混凝土和核心混凝土。 外包混 凝土和核心混凝土的本构参数不同 （ 按照《混凝土结 5． 3． 4 条的要求取平均值 ） ， 构设计规范》 均划分为矩 形块状纤维， 其中， 外包混凝土的划分网格数要少于核 心混凝土划分网格数。截面一根纵向钢筋视为一根纤 维。采用程序 OpenSees 分析得到结构的基本周期 T1 = 1 ． 004 8 s， 采用 PKPM 计算得到 T1 = 1 ． 01 s， 二者比 较接近， 结构有限元模型的准确度得到校验 。 2. 2 地震记录
第 15 期
吴巧云等： 某框架结构的抗震性能评估
［3 ］
159
的影响； Vamvatsikos 等
研究了结构单元骨架曲线特 ［4 ］ 性的不确定性对结构地震性能的影响； Tothong 等 对
构的抗倒塌能力。 由于该分析过程是非 线 性 动 力 过 因此能较好地反映结构在未来可能遇到的不同强 程， 震作用下刚度、 强度以及变形能力的变化全过程。 目 IDA 研究是一种具有多重目的和广泛应用范围的 前， 方法。
［9 ］ ［8 ］
［7 ］
分 析 所 用 模 型 根 据 《建 筑 抗 震 设 计 规 范 》 （ GB50011 － 2010 ） 及 《高层建筑混凝土结构技术规程 》 （ JGJ3 － 2010 ） 的要求， 采用 PKPM 软件对其进行内力 和配筋计算， 结构设计满足我国现行抗震设计规范的 抗震设防烈 要求。主要设计参数如下： 建筑场地 Ⅱ 类， 度 8 度， 设计基本地震加速度 0． 20 g， 设计地震分组第
基金项目： 国家杰出青年科学基金资助项目（ 50925828 ） ； 国家自然科学 基金资助项目（ 50778077 ） 收稿日期： 2010 － 12 － 16 修改稿收到日期： 2011 － 08 － 11 1985 年生 第一作者 吴巧云 女， 博士生， 1965 年生 通讯作者 朱宏平 男， 博士， 教授， 博士生导师，
振 第 31 卷第 15 期
动
与
冲
击 Vol． 31 No． 15 2012
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
某 框 架 结 构 的 抗 震 性 能 评 估
1， 2 1， 2 吴巧云 ，朱宏平 ，樊 1， 2 1， 2 剑 ，曾志和
在结构性能评估中， 关键是得到结构在给定工程 需求参数 EDP 水 平 y 的 年 平 均 超 越 频 率 λ EDP （ y ） ， λ EDP （ y） 表示结构在使用年限 （ 我国通常采用 50 年 ） 内的结构工程需求参数 EDP 超过 y 的概率。 为求得 λ EDP （ y） ， 一种有效且较为精确的方法就是 Vamvatsikos 等
［12 ］ 有关学者 曾研究过， 对于中等高度的建筑， 选取 10 ～ 20 条地震记录进行增量动力分析可以得到较为精
时分析结构在不同 IM 参数及不同性质地震激励下的 抗震性能研究尚为罕见。 本文选择 20 条含明显速度 采用不同的 IM 参 脉冲的近场地震记录作为地震输入 ， 数， 对一个 8 层钢筋混凝土框架结构进行增量动力分 同时选取 20 条典型远场地震输入以作对比研究， 析， 全面分析了该结构的抗震性能。 首先， 基于分析所得 的 IDA 曲线求得结构在不同 EDP 水平下的超越概率。 然后， 基于概率地震危险性分析得到结构的地震危险 性曲线。最后， 基于 IDA 及地震危险性分析的结果得 到结构的年平均超越概率。 为震前灾害预测及震后损 失评估提供了参考。
Seismic performance assessment on some frame structure
2 2 2 2 WU Qiaoyun1， ，ZHU Hongping1， ，FAN Jian1， ，ZENG Zhihe1，
（ 1． School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 ，China； 2． Hubei Key Laboratory of Control Structures，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 ，China）
［11 ］ 二组， 框架抗震等级 2 级 。 结构立面模型及梁柱配 梁截面配筋分为 a ～ d 四种情况， 柱截面 筋见图 1 （ a） ，
等应用增量动力分析和
统计推论分析的方法分析了结构关注部位的响应谱加 速度作为强度参数的适用性， 研究了给定强度参数水 评估了给定地震 平下结构工程需求参数的概率分布， 危险性水平下结构的抗震性能。
［1 ］
提出的增量动力分析法 （ Incremental Dynamic A-
［1 － 9 ］ nalysis，IDA） ， 其自提出以来就受到国内外学者 的 ［1 ］ 关注： Vamvatsikos 等 详细介绍了 IDA 方法的实现过
程， 研究了单自由度及多自由度体系 IDA 曲线的特性， 并与传统的 Pushover 曲线对比， 研究二者之间的关系； Asgarian 等［2］以三种类型的钢抗弯框架为研究对象 ， 对 其进行地震性能评估， 研究延性水平对结构抗震性能
比了改进的标量 IM、 矢量 IM 及传统的标量 IM 对地震 指出合理的选择 IM 参数可以得 概率需求分析的影响， 到更加精确的地震性能估计； Vamvatsikos 等 通过中 间变量 IM， 将概率地震危险性分析和结构的 IDA 分析
［6 ］ 解耦， 从而求得 λ EDP （ y ） ； 我国学者杨成等 应用弹塑 ［5 ］
2
2. 1
计算模型及地震记录的选取
计算模型
Fra Baidu bibliotek
性反应谱对 IDA 方法进行了改进； 吕大刚等 基于地 “折半取中” 震记录的 IDA 方法， 提出了 原则， 以确定结 构倒塌极限状态点； 卜一等 采用 IDA 方法对 9 个不 同结构特性的高层钢框架 － 混凝土核心筒混合结构展 开分析， 提出了高层混合结构的四个性能水准， 并给出 了相应的最大层间位移角范围， 以作为基于性能抗震 设计的控制指标； 申彦利等
Abstract：
An 8storey reinforced concrete frame structure was taken as an investigated subject． The section sizes
and the reinforcement layout of beams and columns were designed． A twodimensional model of the structure was established using OpenSees program． An incremental dynamic analysis was carried out taking 20 nearfield ground motion records，which contain notable obvious speed pulses，as seismic input． Meanwhile，20 typical farfield ground motion records were chosen either to accomplish a comparative analysis． Based on the incremental dynamic analysis，seismic performance assessment on the structure was achieved in the perspective of probability． The exceeding probability， seismic field and hazard curves and mean annual exceeding probability in the cases of different IM parameters and different （ nearfar-field） ground motions were obtained． Comparisons show that the choosing of IM parameters has great influence on the seismic performance assessment． Due to the existence of high velocity pulse，the nearfield ground motions make the exceeding probability，mean exceeding frequency and mean annual exceeding probability of the structure all greater than farfield ground motions． Key words： nearfield ground motion； incremental dynamic analysis； seismic performance assessment； exceeding probability； mean annual exceeding probability based Earth基 于 性 能 的 地 震 工 程 （ Performancequake Engineering，PBEE ） 研究需要对不同水准地震作 用下结构的抗震能力进行评估， 即需要对结构在地震 作用下从屈服、 损伤直至倒塌的全过程进行分析。 加 上地震发生的随机性和评估结构抗震性能时涉及到的 诸多不确定因素， 结构的地震性能评估应从概率分析 的角度进行。
（ 1． 华中科技大学 土木工程与力学学院， 武汉 430074 ； 2． 华中科技大学 控制结构湖北省重点实验室， 武汉 430074 ）
摘
要： 以一个 8 层钢筋混凝土框架结构为研究对象， 首先对其进行结构设计， 得出各梁、 柱截面尺寸及配筋布
置； 然后采用 OpenSees 程序对其中一榀框架建立二维模型， 选择 20 条含明显速度脉冲的近场地震记录对该框架结构进 同时选择 20 条典型远场地震记录以作对比分析 。基于 IDA 分析的结果， 从概率的角度对结构进 行增量动力分析（ IDA） ， 行地震性能评估， 得出结构在不同 IM（ Intensity Measure） 参数及近场、 远场地震作用下的超越概率 、 地震危险性曲线及年 平均超越概率。通过对比分析发现，IM 参数的选择对结构地震性能评估有很大影响 。 近场地震由于其较高的速度脉 冲， 使得结构的超越概率、 平均超越频率及年平均超越概率均大于远场地震 。 关键词： 近场地震； 增量动力分析； 地震性能评估； 超越概率； 年平均超越概率 中图分类号： TU375 ； TU311． 3 文献标识码： A