钢混凝土组合结构地震易损性研究的关键问题

钢混凝土组合结构地震易损性研究的关键问题摘要:钢-混凝土组合结构在我国高烈度区逐渐得到广泛的应用,但目前国内外对其地震易损性研究很少。在分析总结现有结构地震易损性研究的基础上,阐述了组合结构地震易损性研究中亟待解决的两个关键问题,这些问题的研究和解决将对钢-混凝土组合结构的地震易损性的研究提供坚实的理论基础。

关键词:组合结构地震易损性弹塑性模型性能水平

地震是自然界中危害最严重的灾害之一,是影响城市安全的重要灾种。据世界主要地震资料统计,世界上130多次伤亡巨大的地震中,95%以上的人员伤亡是由于建筑物倒塌所致[1-2]。

结构在高于设防烈度的地震作用下的破坏状态如何,很难通过确定性的方法给出准确的评估,因此对地震灾害进行风险分析已成为当前工程中主要的防灾减灾措施。

1 钢-混凝土组合结构结构地震易损性研究的意义

地震灾害的风险分析主要包括地震危险性分析、地震易损性分析和地震灾害损失估计三个方面。其中地震易损性分析,从概率意义上刻画了不同强度地震下结构完成预定目标性能的能力。

随着钢-混凝土组合梁或组合柱作为主要受力构件的组合结构体系逐渐在我国的高烈度区开始应用,如何确保这种新型的结构体系在

地震作用下的安全性是一个迫切需要解决的问题。除了通过试验研究、理论分析和数值模拟等手段研究该组合体系在地震下的受力机理和破坏状态外,进行易损性研究也具有重要意义,具体体现在几个方面:(1)评价地震对结构造成的破坏,以便于采取措施,使结构的破坏程度和经济损失控制在设计预期的范围之内;(2)基于结构的易损性曲线可以对设计出的结构进行性能评估,对结构进行基于性能的易损性研究为该方法的实现提供了依据;(3)基于易损性分析结果,给出单体结构的震害预测方法。

2 钢-混凝土组合结构地震易损性研究中的关键问题

钢-混凝土组合结构是一种新型的结构型式,国内对钢-混凝土组合结构的地震易损性研究很少[3],有许多问题需要研究,其中,以下几个关键问题亟待解决。

2.1 合理的组合构件及结构弹塑性分析模型

分析方法获得钢-混凝土组合结构地震易损性曲线时,需要采用数值模拟的方法对结构在不同强度等级地震作用下的抗震性能和反应进行计算分析。结构在强震下会达到强非线性状态甚至倒塌,因此需要建立正确反映结构弹塑性承载性能的有限元模型。对于钢管混凝土弹性性能方面,目前主要集中于构件三种截面刚度(轴压刚度、弯曲刚度和剪切刚度)计算方法的研究,但是各国规范建议的钢管混凝土截面

弯曲刚度的计算公式离散较大;非线性性能方面,虽然建议了弯矩-曲率骨架曲线模型,但骨架曲线关键点的计算方法存在着差异,给出的承载力下降段变化不尽合理,而承载力极限后性能对结构的灾害反应影响较大。这些因素直接影响了对结构地震反应分析的模拟。

对于钢-混凝土组合构件,构件屈服后,平截面假定不再适用,虽然采用能反映粘结滑移的细分有限元法可以较好的对组合构件的破坏过程进行研究。但是细分有限元法只适用于构件或较小规模结构,对于复杂结构的整体非线性分析,细分有限元法计算工作量大,是不适用的。因此在已有钢-混凝土组合构件试验和理论研究的基础上,通过理论分析和大量的参数分析,提出适用于结构整体非线性分析的组合构件的弹塑性分析模型的简化确定方法是必要的。已有的试验结果也可以对弹塑性模型进行验证,为钢-混凝土组合结构的弹塑性动力反应分析和整体地震易损性分析提供必要的准备。

2.2 常见钢-混凝土组合结构性能水平限值的确定方法

要获得基于性能的地震易损性曲线,对钢-混凝土组合结构抗震性能进行评估,首先需要合理定义结构的性能水平。ACT40[4]定义结构性能水平的划分为立即使用、生命安全和结构稳定三个水平;我国《建筑抗震设计规范》[5]定义结构性能水平为:性能1、性能2、性能3和性能4。

结构的性能水平是一种有限的破坏状态,与不同强度地震下结构

期望的最大破坏程度相对应。因此提出基于结构极限破坏状态的统一的性能水平的划分方法,具有重要的科学意义。

结构的抗震性能是结构本身具有的抵抗外荷载效应的一种能力,包括承载能力、变形能力等。当采用一个物理量来定义结构的破坏状态时,这个物理量必须能标志结构的抗震能力,称为性能指标。而对于钢－混凝土组合结构,目前尚无可以参考的研究成果,其受力和变形性能也不同于钢筋混凝土结构和钢结构,已有性能指标和性能水平限值是否适用,都需要开展进一步的研究。

3 结论

钢－混凝土组合结构作为继钢结构和混凝土结构之后发展起来的一种重要结构形式,地震安全性意义重大。而目前对其抗震性能及地震易损性研究尚不充分,因此对钢－混凝土组合结构作为后发展起来的一种重要结构形式,开展地震易损性研究,提出实用的地震易损性分析方法,对该类结构的震害预测、地震损失评估及抗震设计具有重要的科学意义。本文总结了国内外结构地震易损性分析的研究成果,提出了目前我国在该领域研究需要解决的几个问题,对该类结构的地震易损性研究具有一定的指导意义。

参考文献

[1]Anson M;Ko JM;Lam ESS.A conception of casualty control based seismic design for buildings. Advances in Building Technology,2002,VOLS I & II, PROCEEDINGS:75-82.

[2]刘晶波,杨建国,杜义欣,等.国家地震紧急救援训练基地可控地震废墟设计(I)—结构地震破坏模式[J].自然灾害学报,2006,15(2):149～156.

[3]刘晶波,刘阳冰.基于性能的方钢管混凝土框架地震易损性分析[J].土木工程学报,2010,43(2):1～9.

[4]Applied Technology Council.ATC-40 Recommended methodology for seismic evaluation and retrofit of existing concrete building[S].Redwood City, California,1996.

[5]中华人民共和国行业标准.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].中华人民共和国建设部,2009.