减震技术| 基于土耳其地震波的减震结构破坏分析
01引言
2月6日,土耳其南部靠近叙利亚边境地区连续发生两次7.8级地震,引起强烈关注。据官方最新统计数据,地震造成超过4万人遇难,灾区大部分建筑倒塌、严重受损,如下图1(图片来源网络,如有侵权请联系删除)。大家知道《建筑工程抗震管理条例》自2021年9月1日起开始实施,条例明确规定位于高烈度设防区、地震重点监视防御区的八类建筑采用隔震减震等技术,以保证本区域设防地震时能够满足正常使用要求。本文主要介绍基于土耳其地震波对减震结构的破坏分析,直观了解土耳其地震对采用国内设防烈度设计的减震结构破坏情况。
图1 地震造成建筑破坏
2.1 结构模型信息
本算例为依据中国规范设计的减震结构,建筑平面呈“V”形,结构为5层,局部6层混凝土的框架结构,第一层层高2m,2~5层层高为3.9m,6层高3m,楼层总高度为18.5m,结构轴测图和平面图如图2所示。结构安全等级二级,抗震设防类别为乙类,设防烈度为8度,场地类别为Ⅱ。本算例采用的是减震结构分析软件SAUSG-Zeta分析设计,在软件中对无控结构进行阻尼器布置,有控模型采用墙板式阻尼器,均匀分布在结构的横向和纵向,阻尼器为速度型阻尼器,采用Maxwell模型,阻尼器相关参数如图3。
图2 减震结构模型
图3 阻尼器定义参数
2.2 地震动信息
强震台网记录的地震动时程包含了地面的运动的全部信息,更加直观的体现地震破坏力的强弱。本算例采用的地震波为第一次7.8级地震3123台站的地震记录(来自陆新征课题组公众号),并将此站台的强震记录作为结构分析对象。该站台双向地震动加速度时程和反应谱如图4-6所示。根据实际情况,地震动EW可能作用在结构X向,也可能作用在结构Y向,因此地震动时程EW和NS分别作为主方向作用在该减震结构上,结构分析时对地震动进行截断,以提高计算效率。为充分体现结构在此地震动下的破坏情况,本算例选取了人工波RH1TG045作为对比分析。
图4 地震动谱
图5 EW方向的地震记录
图6 NS方向的地震记录
由图4-6土耳其地震波时程曲线可知,两个方向的地震动时程PGA最大值超过600cm/s2,从反应谱曲线可以看出土耳其地震动影响系数在0~3s区间内要远大于规范谱地震影响系数,在中长周期段和规范谱相当。人工波和8度罕遇规范谱拟合较好。
2.3 结构分析结果
2.3.1 层间位移角
图7 楼层位移角
图7为按照中国规范8度罕遇地震调幅过的人工波RH1TG045和土耳其实际地震记录下减震结构的层间位移角,人工波工况下,减震结构X、Y向层间位移角在1/200左右,满足规范要求;而土耳其强震记录下减震结构层间位移角达到1/40,超过《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规定的弹塑性层间位移角限值。
2.3.2 楼层剪力
图8 楼层剪力
图8为人工波和土耳其强震记录下结构的楼层剪力图,可知土耳其地震波作用下,该结构楼层剪力远超8度罕遇地震调幅的人工波楼层剪力值,其中X向楼层剪力差值将近一倍。土耳其地震工况下,楼层剪力可能超过结构竖向构件抗剪承载力,导致竖向构件受到破坏。
2.3.3 柱损伤情况
图9 结构能量曲线图
图9为截取的人工波和土耳其强震X向作为主方向的减震结构耗能图,人工波情况下速度型阻尼器耗能正常,结构弹塑性耗能较小,而土耳其地震波下速度型阻尼器耗能不明显,结构弹塑性耗能增加较大,可以预判土耳其强震波工况下构件损坏比较严重。
2.3.4 柱损伤情况
图10 结构柱受压损伤
图11 性能评价标准对话框
图10为人工波和土耳其强震记录下结构柱的受压损伤包络图,混凝土受压损伤将影响构件承载力,因此需要重点关注。由图可知,结构第1,2层柱两端受压损伤比较严重。在SAUSG软件中性能评价标准对话框中,根据规范和文献资料,对各类构件性能水平有相应的规定,如图11。人工波下结构柱受压损伤系数最大值为0.36,对应柱性能水平中度损坏;而土耳其强震记录下结构柱受压损伤系数超过0.6的占比达16.9%,此部分结构柱达到重度损坏。由此可见在土耳其强震记录下混凝土柱的刚度退化比较严重,承载能力严重下降。
2.3.5 构件性能
图12 构件性能
图12为人工波和土耳其地震波工况下,该减震结构构件性能水平包络图。人工波工况下,有6.9%的构件达到了中度损坏,其余构件均为轻度损坏及以下,而土耳其地震波下,结构构件达到重度损坏及以上的占比达到20.1%,结构发生破坏不能够继续使用,可见土耳其强震破坏力之大。
(1) 根据楼层数据指标判断,此次土耳其地震作用强度远高于依据中国规范8度罕遇地震调幅的人工波地震作用,发生远超国内规范限值的严重变形,对结构产生的破坏力巨大,阻尼器在该强震下的耗能情况不明显,主要依靠结构自身弹塑性耗能。
(2) 根据构件损伤和性能水平判断,人工波工况下,阻尼器消耗一部分能量,构件损伤不明显,性能水平基本在轻度损坏及以下,基本满足8度罕遇地震下的性能要求。土耳其地震作用下性能水平显示梁柱构件严重损坏,结构的弹塑性耗能起到主要作用,从而构件发生破坏,进而导致结构倒塌。
来源:SAUSG非线性仿真,作者:刘建成,图片版权归原作者所有。
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