震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)損傷評估

姜紹飛, 祝 豪, 張漳榮, 趙 劍, 王 耀

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福州 350108；2.中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福州 362000)

裝配建筑因其生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保而得到蓬勃發(fā)展。我國是一個地震多發(fā)國家，汶川地震、雅安地震[1]均造成大量結(jié)構(gòu)損傷或破壞，而裝配建筑的整體性能還略差于現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)。為降低財產(chǎn)損失和方便后續(xù)結(jié)構(gòu)加固，開展震后裝配建筑快速評估顯得至關(guān)重要。

黃超等[2]基于性能的抗震評估思想，以建筑結(jié)構(gòu)的層間位移和構(gòu)件塑性變形作為抗震性能評估的目標，從定量角度，基本上解決了目前既有RC建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能評估與加固處理問題；葉列平等[3]通過考慮建筑結(jié)構(gòu)的抗震承載與塑性變形，提出了建筑結(jié)構(gòu)抗震能力指標IS和需求指標IS0，并通過結(jié)合實際結(jié)構(gòu)的震害強度，對它們的取值進行了確定；陳再現(xiàn)等[4]根據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過抗震性能試驗后產(chǎn)生的裂縫位置、形狀、寬度和長度評估結(jié)構(gòu)的損傷程度；杜曉菊等[5]基于材料、構(gòu)件損傷計算結(jié)構(gòu)損傷指標D來評估結(jié)構(gòu)的損傷程度；后來Park等[6]通過分析模態(tài)參與系數(shù)與層剛度損傷因子之間的關(guān)系，對環(huán)境激勵下的建筑結(jié)構(gòu)進行了損傷識別和評估。這些工作說明，選擇某一性能指標(廣義力或者位移)、結(jié)構(gòu)固有特性(頻率、阻尼比和模態(tài)參與系數(shù)等)或外觀特性(裂縫、整體變形等)，都可以評估結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)。

隨著研究工作的深入，各國相繼開展震后RC結(jié)構(gòu)的鑒定評估標準的制訂。如日本的《既有鋼筋混凝土建筑抗震評估與加固標準》考慮構(gòu)件塑性變形、結(jié)構(gòu)抗震承載能力等因素，劃分了三級抗震評估體系[7]。歐洲EC8[8]則是基于力和基于位移進行RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估，美國綜合考慮建筑風險識別和抗震加固方法，我國也制訂了相應(yīng)的抗震鑒定與評估技術(shù)標準[9-10]。

雖然目前關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與評估的理論比較成熟，但對于(裝配)結(jié)構(gòu)的抗震性能評估存在諸多問題有待研究：① 損傷評估多集中在結(jié)構(gòu)構(gòu)件[11]、規(guī)則結(jié)構(gòu)[12-13]，且結(jié)構(gòu)或構(gòu)件基本為現(xiàn)澆式，而不規(guī)則、裝配建筑震后評估未見報道；② 單一指標評估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件偏差較大，如局部損傷較嚴重但整體損傷指標卻無法較好反映真實狀態(tài)；③ 量化的評估指標雖能指導(dǎo)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計，但對裝配建筑的量化適用性不高。

據(jù)此，基于結(jié)構(gòu)材料屬性、層間變形、扭轉(zhuǎn)變形及裂縫等參數(shù)，本文研究震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)的綜合損傷指標DI，建立DI限值與地震破壞水準之間的關(guān)系，其后用振動臺試驗和數(shù)值分析對所提評估理論的可行性和有效性進行了驗證，并與脈動無損測試、規(guī)程評估結(jié)果進行了比較。

1 地震模擬振動臺試驗

1.1 試驗概況

根據(jù)文獻[14-15]、試驗設(shè)備和場地，設(shè)計了一棟3層1/3縮尺RC不規(guī)則裝配框剪模型(圖1)，其二、三層的剪力墻為干式連接(圖2)。

主要設(shè)計參數(shù)如下：設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g，設(shè)計地震分組為第二組，抗震等級為二級，場地類別為Ⅱ類。結(jié)構(gòu)平面尺寸為0.9 m×1.8 m，橫向2跨(1.2 m+0.6 m)，縱向1跨(0.9 m)，層高均為1 m；梁、柱截面尺寸分別為75 mm×135 mm、100 mm×100 mm，剪力墻厚75 mm，樓板厚60 mm，梁、柱、剪力墻以及樓板的混凝土強度均為C30；箍筋為鍍鋅鐵絲，梁箍筋為?3@50，柱箍筋為?3@60，梁柱縱筋均采用直徑為6 mm的HPB300級鋼筋；剪力墻采用雙排雙向受力分布筋?6@100；鋼板為Q235且厚度為5 mm，螺栓為8.8級，連接鋼框總長為660 mm；混凝土保護層厚度均為5 mm。相關(guān)材料參數(shù)見表1、2。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼材力學(xué)性能

選取El-Centro波、Taft波以及SHW2波作為地震動輸入，沿結(jié)構(gòu)橫向施加地震動，對結(jié)構(gòu)模型進行振動臺試驗。選取峰值地面加速度(PGA)作為強度度量參數(shù)，PGA取值為0.1g、0.15g、0.2g、0.31g、0.4g、0.51g和0.62g，其中SHW2波只加到0.51g。

1.2 變形分布

圖3～圖5給出了El-Centro波、Taft波和SHW2波作用下結(jié)構(gòu)各層的層間位移，反映了整體結(jié)構(gòu)的變形情況。當樓層變形超過結(jié)構(gòu)本身的變形能力時，便發(fā)生破壞，層間變形的最大響應(yīng)一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)受損較嚴重的部位即1～2層，它也反映了結(jié)構(gòu)裂縫分布的主要規(guī)律。

圖3 El-Centro波作用下的層間位移

圖4 Taft波作用下的層間位移

圖5 SHW2波作用下的層間位移

圖6～圖8給出了三種波作用下結(jié)構(gòu)各層的扭轉(zhuǎn)角最大值。由于結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻，質(zhì)量中心與剛度中心不重合導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。幾個圖中都可看出，最大扭轉(zhuǎn)變形出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)第2～3層，即不規(guī)則層，反映了結(jié)構(gòu)平立面剛度分布的不規(guī)則性，增大了結(jié)構(gòu)損傷程度。

圖6 El-Centro波作用下的扭轉(zhuǎn)角

圖7 Taft波作用下的扭轉(zhuǎn)角

圖8 SHW2波作用下的扭轉(zhuǎn)角

1.3 裂縫分布

混凝土裂縫直觀反映了結(jié)構(gòu)的損傷情況，對結(jié)構(gòu)進行裂縫檢測，以保障其繼續(xù)安全使用至關(guān)重要。

圖9給出了不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)裂縫分布圖，測量其主要構(gòu)件的25條裂縫，部分損傷較嚴重的列入表3，裂縫寬度及其數(shù)量如表4。

表4 裂縫寬度與其數(shù)量

(a)三維立體圖

損傷最嚴重幾條未列入表 3：編號1貫穿梁端外沿，裂寬為0.861 mm；編號2孔洞缺陷較多，裂縫貫穿梁端外沿且柱端局部硂有脫落風險，裂寬為0.689 mm；編號5裂縫貫穿柱端表面外延，縫寬>1 mm且縫長接近100 mm，也可能為樓層拼接裂縫；編號22孔洞裂紋較多，裂縫貫穿梁柱相接部分。

表3 主要構(gòu)件裂縫

1.4 動力特性

地震損傷引發(fā)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的改變，進而引起動力參數(shù)的變化，這里用動力參數(shù)的變化來評價結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

(1)自振頻率：它與結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度相關(guān)，一般結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量不會發(fā)生變化，故結(jié)構(gòu)自振頻率變化反映的是結(jié)構(gòu)剛度的改變。由圖10知，IAFSW結(jié)構(gòu)前二階頻率變化趨勢基本一致，其中震前結(jié)構(gòu)前兩階頻率分別為4.639 Hz、6.836 Hz，PGA=0.62g時下降為3.418 Hz、5.371 Hz，且隨地震波PGA增大而下降幅度增大。說明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)累積損傷，整體剛度受到極大削弱。

圖10 不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)頻率變化

(2)阻尼比：它反映結(jié)構(gòu)在振動過程中的耗能程度，阻尼比越大，耗能越大、結(jié)構(gòu)損傷越輕微；當結(jié)構(gòu)接近或進入彈塑性階段后，阻尼比會隨結(jié)構(gòu)內(nèi)力或變形的增加而迅速增大[16]。從圖11的前2階阻尼比看出，在PGA=0.2g前前2階阻尼比基本一致，但PGA=0.51g前結(jié)構(gòu)一階阻尼比大于二階阻尼比。

從振動形態(tài)看，結(jié)構(gòu)一階主要表現(xiàn)為橫向平動，結(jié)構(gòu)二階表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)變形；結(jié)構(gòu)受到地震波PGA越大或越早進入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)平扭耦合變形越明顯，而一階阻尼比突然大于二階說明一階阻尼對結(jié)構(gòu)的平動耗能程度大于二階阻尼對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耗能程度。圖11看出震前一二階阻尼比為11.12%、12.35%，PGA=0.62g時提高到17.46%、16.31%，阻尼比均隨地震波PGA增大而變大，說明結(jié)構(gòu)阻尼對整體結(jié)構(gòu)耗能越來越大。

圖11 不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)阻尼比變化

(3)振型：結(jié)構(gòu)主振型與質(zhì)量、剛度有關(guān)，隨著地震波PGA增大結(jié)構(gòu)損傷不斷積累，結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本不變而剛度變小。由圖12知，彈性階段，不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)一階振型呈彎剪變形形態(tài)，一、二層振型有逐漸外凸的跡象，整體變形形態(tài)由彎剪型向彎曲型過渡。由圖知整體結(jié)構(gòu)隨地震波PGA增大而振型變化幅度較小，振型從反映了結(jié)構(gòu)的相對剛度，說明低層結(jié)構(gòu)振型對結(jié)構(gòu)損傷影響較小。

圖12 不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)一階振型變化

2 震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)損傷評估

2.1 現(xiàn)澆RC結(jié)構(gòu)規(guī)程:層間最大位移角

按照現(xiàn)澆混凝土GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[14]規(guī)定，按照層間最大位移角限值(表5)對震損IAFSW結(jié)構(gòu)進行損傷評估。

表5 不同破壞等級的層間最大位移角限值

由于IAFSW結(jié)構(gòu)各層均為1 m,結(jié)合圖3～圖5的層間位移，可知層間最大位移角[θ]:①各樓層的層間最大位移角均小于抗規(guī)限制值0.02，滿足“三水準”抗震設(shè)防要求；②各樓層最大層間位移角總的趨勢是max([θ]1)≥max([θ]2)≥max([θ]3)，在地震波不變的情況下，3層最大層間位移角與1、2層最大層間位移角差值隨地震強度增加而增大，說明1、2層層間變形越來越大，3層層間變形相對很小；③圖4中1、3層在0.51gPGA下的最大層間位移角以及圖5中2層在0.31gPGA下的最大層間位移角變化較大。圖4是由于1層抗側(cè)剛度不及2層和3層的，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)或彎剪變形突然加大；圖5是局部構(gòu)件中鋼筋疲勞甚至屈服，提前進入彈塑性階段或地震波頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率很接近。

除SHW2波作用下PGA=0.51g時，結(jié)構(gòu)層間最大位移角為0.005 295 8>4[Δue]=0.005(層高1 m)外，其余層間最大位移角對應(yīng)的結(jié)構(gòu)破壞程度都在中等破壞或中等破壞以下。按最大損傷程度綜合評估震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)，應(yīng)屬中等破壞。

2.2 層間最大扭轉(zhuǎn)角

由圖13計算可得結(jié)構(gòu)1～3層剛度中心的X向坐標：1.191 2 m、1.181 5 m、1.166 m，知結(jié)構(gòu)樓層剛心不重合；另外計算樓層在El-Centro波、Taft波和SHW2波作用下的最大層間位移δmax均介于1.2倍～1.5倍的樓層兩端最大層間位移的平均值(δ1+δ2)/2，兩者的比值在Y向分別為：1.31、1.44和1.42，故本文研究結(jié)構(gòu)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

圖13 結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則平面圖

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角越大，結(jié)構(gòu)扭動就越厲害，結(jié)構(gòu)累積損傷效應(yīng)也隨之增加，扭轉(zhuǎn)角亦是評估震損不規(guī)則結(jié)構(gòu)的指標。這里采用廣義層間扭轉(zhuǎn)角θ/h來表征損傷[17]：

θ/h=(μ-1)[θ]/(μR)

(1)

式中:θ為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角；h為結(jié)構(gòu)層高；μ為扭轉(zhuǎn)位移比，取值為1.2～1.5；[θ]為結(jié)構(gòu)的層間位移角；R為構(gòu)件到樓層轉(zhuǎn)動中心的最大距離，假定結(jié)構(gòu)剛度中心與轉(zhuǎn)動中心重合。

廣義層間扭轉(zhuǎn)角θ/h限值可由層間最大位移角[θ]限值范圍確定。由式(1)得震損結(jié)構(gòu)1～3層的廣義扭轉(zhuǎn)角限值分別為2/815×10-3、2/753×10-3和1/665×10-3。

由圖6～圖8知，不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)各層扭轉(zhuǎn)角隨PGA的增大而增大，最大扭轉(zhuǎn)角都出現(xiàn)在三層，但每層的扭轉(zhuǎn)角增長幅度卻不一樣，它隨著樓層的增加而降低；與此同時，結(jié)構(gòu)模型的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)還和地震波的類型有較大關(guān)聯(lián)，由于上海人工波強震時間長，所帶來的地震沖擊力更大，在PGA為0.4g時，SHW2波所引起的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)明顯要大于其他波。

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)除以層高h=1 m與上述限值比較，評定震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)為嚴重破壞。

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫

裂縫可獲得構(gòu)件損傷情況。由GB 50011—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[15]中結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大縫寬限值和張坤[18]所述混凝土裂縫限值標準，知震損結(jié)構(gòu)整體屬輕微破壞。

用單面平測法[19]測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫深度。裂縫深度h與結(jié)構(gòu)厚度H關(guān)系如下：h≤0.1H表面裂縫；0.1H

2.4 綜合損傷指標DI

2.4.1 DI與結(jié)構(gòu)性能等級

DI的范圍為[0,1]：DI=0，完好狀態(tài)；DI≥1，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件完全破壞，DI值越大結(jié)構(gòu)損傷越嚴重。DI能夠反映從材料到構(gòu)件截面、構(gòu)件、樓層及結(jié)構(gòu)多個層面[20]，可精確評估震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

基于材料屬性，通過加權(quán)系數(shù)得到初步的指標DI0，然后基于試驗中的變形、裂縫分布等，對指標計算式中的系數(shù)修正，并依據(jù)文獻[21]建立損傷指標限值DI與地震破壞水準之間的關(guān)系。DI計算過程如下。

DI0由混凝土和鋼材損傷加權(quán)得到，其中混凝土纖維損傷量化采用雙線性模型[22]，見式(2)～(3)，混凝土單軸本構(gòu)為考慮箍筋約束作用的Mander模型[23]。

(2)

(3)

式中：Dci為第i根混凝土纖維的損傷指標；Dcu為混凝土達到極限抗壓強度時對應(yīng)的損傷指標；σcd、σcu、σcf為混凝土棱柱體(150 mm×150 mm×450 mm)的初始破壞強度、極限抗壓強度和殘余強度，εcd、εcu、εcf為前述混凝土強度對應(yīng)的應(yīng)變。

鋼筋、鋼板和螺栓均屬鋼材，采用由CB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[15]附錄C中應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型，鋼材纖維損傷量化采用式(4)來確定[24]。

(4)

式中：Dsi為第i根鋼材纖維的損傷指標；(2Nf)j為第j周期下按塑性應(yīng)變幅值加載至鋼材斷裂的半周期數(shù)。

震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、樓層和結(jié)構(gòu)體系的損傷指標值，均按式(5)計算：

(5)

式中:λi為構(gòu)件或樓層加權(quán)系數(shù)，λi修正為λi(1+λc+λd)。

構(gòu)件加權(quán)系數(shù)除考慮材料外，還需考慮構(gòu)件開裂影響，所以引入單個構(gòu)件裂縫數(shù)量與結(jié)構(gòu)總裂縫數(shù)量比值λc作為附加考量因子，由1.3節(jié)確定。樓層加權(quán)系數(shù)除使用構(gòu)件損傷指標外，還應(yīng)引入層間變形影響因子λd，來考慮薄弱層與損傷樓層位置的變化對結(jié)構(gòu)的影響。

λd=λθ·λt

(6)

(7)

(8)

式中:λθ為考慮層間最大位移的加權(quán)系數(shù)；λt為考慮層間最大扭轉(zhuǎn)的加權(quán)系數(shù)。

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[14]，這里使用修正的DI對震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)進行了損傷分析，將結(jié)構(gòu)性能目標劃分為五個等級，如表6所示。

表6 不同性能等級

2.4.2 結(jié)構(gòu)損傷評估

圖14和圖15分別為震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件損傷值分布圖、由構(gòu)件損傷值加權(quán)組合得到的結(jié)構(gòu)樓層損傷圖，可以發(fā)現(xiàn)樓層越高結(jié)構(gòu)損傷越輕，由式(5)得到結(jié)構(gòu)損傷指標值DI=0.193 3，所以震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)為中等破壞。

圖14 震損IAFSW結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷指標值

圖15 震損不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)樓層損傷指標值

3 IAFSW結(jié)構(gòu)損傷模型與驗證

3.1 IAFSW結(jié)構(gòu)的損傷模型

圖16 結(jié)構(gòu)有限元模型

上述有限元模型建立的過程中需要對材料本構(gòu)模型修正。2.4.1小節(jié)的結(jié)構(gòu)損傷指標DI考慮了結(jié)構(gòu)材料最大的損傷程度，故可將其應(yīng)用于混凝土材料和鋼材，作為梁、柱、剪力墻中材料本構(gòu)的影響因子。

對于混凝土材料的單軸本構(gòu)修正，即將實測得到的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度(見表7)輸入Mander曲線中并考慮損傷因子DI對本構(gòu)參數(shù)的影響。其中結(jié)構(gòu)模型第三層除剪力墻外，其余構(gòu)件損傷不明顯。

表7 結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強度

對于鋼材的本構(gòu)模型修正，因裝配結(jié)構(gòu)模型的損傷指標DI裝配=0.193 3屬中等破壞，而由戚永樂[11]給出的中等破壞限值知，縱筋的極限拉應(yīng)變應(yīng)取為εsu=0.05/0.6=0.083，結(jié)構(gòu)震后?6鋼筋的屈服強度fy裝配=203×(1-0.193 3)=163.76 MPa，相應(yīng)地抗拉強度ft裝配=215.48 MPa，而鋼筋的彈性模量Es裝配根據(jù)各個構(gòu)件的損傷程度確定。?3箍筋本構(gòu)各個參數(shù)修正同?6鋼筋。

3.2 模型有效性驗證

3.2.1 無損脈動測試

用DH5920測試分析系統(tǒng)對震損IAFSW結(jié)構(gòu)進行動力參數(shù)檢測，布置x、y向各一個加速度傳感器于如圖17(a)，測試結(jié)構(gòu)2個方向振動加速度。

圖17 現(xiàn)場動力測試震損裝結(jié)構(gòu)

使用DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)對IAFSW結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)進行頻譜分析，提取模態(tài)參數(shù)并分析頻率、阻尼比和振型的變化，如圖18～圖20所示。

分析圖18與1.4小節(jié)結(jié)構(gòu)自振頻率發(fā)現(xiàn)，(1)脈動法測試的不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)震后自振頻率小于前述1.4小節(jié)結(jié)構(gòu)震前自振頻率，但兩者很接近，結(jié)構(gòu)震后前2階頻率衰減程度均不超過6%，說明結(jié)構(gòu)經(jīng)地震作用后剛度退化，有真實損傷產(chǎn)生；(2)脈動法測試的結(jié)構(gòu)自振頻率明顯大于結(jié)構(gòu)在PGA=0.62g時的3.418 Hz和5.371 Hz。這里考慮到結(jié)構(gòu)在震中受到的損傷是一個不斷累積疊加的過程，持續(xù)受到強荷作用，而脈動法測試的條件是環(huán)境激勵，結(jié)構(gòu)受自然條件的影響，另外考慮到結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量的影響，整體結(jié)構(gòu)在震中的自身質(zhì)量包含樓層的配重塊質(zhì)量，而脈動測試無樓層配重塊質(zhì)量，由(1)知結(jié)構(gòu)是有真實損傷的，剛度存在退化，所以脈動法測試的結(jié)構(gòu)自振頻率大于PGA=0.62g時結(jié)構(gòu)的自振頻率。

傳統(tǒng)的“食品添加劑”課程教學(xué)模式較為單一，多采用以教師為主的講授式教學(xué)方法，機械性地將不同種類的食品添加劑分章節(jié)“滿堂灌”，導(dǎo)致學(xué)生將“食品添加劑”簡單理解為“食品化學(xué)”課程的延伸，無法真正理解食品添加劑在食品行業(yè)和日常生活中的作用，使得部分學(xué)生學(xué)習積極性不高、興趣不濃厚。因此，傳統(tǒng)的教學(xué)模式亟待革新突破以適應(yīng)“食品添加劑”在新形勢下的教學(xué)需求。

圖18 結(jié)構(gòu)震前后頻率

分析圖19與1.4小節(jié)結(jié)構(gòu)阻尼比部分發(fā)現(xiàn)，而脈動法測試的不規(guī)則震損結(jié)構(gòu)前兩階阻尼比小于結(jié)構(gòu)震前阻尼比和結(jié)構(gòu)在PGA=0.62g時的前兩階阻尼比17.46%和16.31%，原因是脈動法測試與后兩者測試的條件不同，前者是自然條件下的阻尼比而后兩者受地震波(白噪聲和其它波)作用，另外結(jié)構(gòu)阻尼比大小反映著結(jié)構(gòu)耗能程度，在自然條件下結(jié)構(gòu)耗能明顯小于在地震波作用下的結(jié)構(gòu)耗能。

圖19 結(jié)構(gòu)震后阻尼比

由圖20和1.4小節(jié)的圖12知，IAFSW結(jié)構(gòu)震后一階振型第一層增大8.73%、第二層增大26.12%，線型外凸，幾乎呈線性。在此過程中，結(jié)構(gòu)變形形態(tài)由彎剪型向彎曲型過渡，說明振型的變化與結(jié)構(gòu)變形形態(tài)有關(guān)，從而對結(jié)構(gòu)損傷有影響。

圖20 結(jié)構(gòu)震前后一階振型

由圖18～圖20知，考慮頻率、阻尼比和振型的影響，結(jié)構(gòu)震后損傷增大，一二層損傷較第三層明顯。

3.2.2 有限元驗證

為保證有限元模型能夠可靠地反映前述結(jié)構(gòu)的真實損傷，和為了能夠更好地且有效地保證參數(shù)設(shè)置的準確性，本小節(jié)對修正后的有限元損傷模型進行了模態(tài)分析，模態(tài)參數(shù)亦是檢查模型是否正確建立的標志之一。將白噪聲、有限元程序和脈動法對應(yīng)的頻率分別記為f白、f有和f脈，誤差記為e1=|f有-f白|/f白,e2=|f有-f脈|/f脈。

由表8知，不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)震前在有限元程序里面的一二階頻率與試驗時白噪聲所得頻率分別相差1.23%和0.57%，震后在有限元程序里面的一二階頻率與脈動法所測頻率分別相差5.15%和0.87%，上述比例均不超過6%，說明結(jié)構(gòu)模態(tài)周期匹配良好。

表8 結(jié)構(gòu)模型模態(tài)頻率

由圖21知，IAFSW結(jié)構(gòu)震前在有限元程序里面的一階振型第一、二層的振型數(shù)值與試驗時白噪聲所得數(shù)值分別相差0.02%和7.64%，震后在有限元程序里面的一階振型第一、二層的振型數(shù)值與脈動法所測數(shù)值分別相差3.63%和1.15%，上述比例均不超過5%，說明結(jié)構(gòu)振型匹配良好。

圖21 結(jié)構(gòu)模型一階振型

結(jié)構(gòu)模型的阻尼比在程序中默認為0.05，經(jīng)分析裝配框-剪結(jié)構(gòu)模型震后一二階阻尼均比為0.050 2，可發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)震后阻尼比會返回至接近最初狀態(tài)的值。

綜上所述，結(jié)構(gòu)模擬效果較好，說明有限元損傷模型中的參數(shù)設(shè)置合理，可用于相關(guān)后續(xù)的分析工作。

3.3 比較與討論

采用“全面分析、綜合判斷”的原則可快速掌握震損結(jié)構(gòu)的整體破壞狀態(tài)和薄弱環(huán)節(jié)，如表9所示。

脈動法評估指標由式(9)確定，該指標基于劉成清等[25-26]提出的考慮高階振型、振型參與系數(shù)、結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼比等影響因素的損傷模型，本文對其損傷指標進行了修正。

(9)

由式(9)計算得D試驗=0.593 4；D脈動=0.443 3，兩者均介于0.4～0.6之間[26]，脈動法評估結(jié)果與1.4節(jié)試驗評估結(jié)果一致，不規(guī)則裝配框剪結(jié)構(gòu)屬中等破壞。

由表9知，震損IAFSW結(jié)構(gòu)由試驗結(jié)果直接取層間最大扭轉(zhuǎn)角、層間最大位移角和結(jié)構(gòu)動力特性等指標評價時，震損結(jié)構(gòu)分別為嚴重破壞、中等破壞和中等破壞；采取測量手段使用裂縫參數(shù)評價震損結(jié)構(gòu)時，震損結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為輕微破壞，表明結(jié)構(gòu)局部損傷并不嚴重；而使用修正的結(jié)構(gòu)損傷指標DI評價震損結(jié)構(gòu)時結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為中等破壞，這與無損脈動法、規(guī)范層間最大位移評估結(jié)果一致。由此可知，震損IAFSW結(jié)構(gòu)評估為中等破壞才符合實際狀態(tài)，即DI能精確評估震損結(jié)構(gòu)。

表9 無損指標評估

4 結(jié) 論

(1)提出了不規(guī)則裝配建筑損傷指標DI，并對指標計算式中相關(guān)參數(shù)進行了修正，該指標考慮了結(jié)構(gòu)材料屬性、層間變形、扭轉(zhuǎn)變形以及裂縫參數(shù)等影響，此外，還建立了該指標DI限值與地震破壞水準之間的關(guān)系，對震后結(jié)構(gòu)破壞程度的整體快速評估和局部薄弱環(huán)節(jié)的識別具有重要意義。

(2)使用振動臺試驗案例和有限元分析對所提結(jié)構(gòu)綜合損傷指標DI進行了驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)綜合損傷指標DI相對層間最大扭轉(zhuǎn)角、裂縫等更能真實反映震損結(jié)構(gòu)損傷情況，而且與基于脈動法的結(jié)構(gòu)整體損傷檢測評估和規(guī)范層間最大位移評估結(jié)果一致，說明結(jié)構(gòu)綜合損傷指標DI用于評估裝配震損結(jié)構(gòu)是可行的。

本文初步驗證了結(jié)構(gòu)震害級別與所提評估指標之間的對應(yīng)關(guān)系，但還需更多的試驗或仿真來進一步驗證相關(guān)理論。上述工作為裝配混凝土結(jié)構(gòu)損傷評估、震損結(jié)構(gòu)剩余使用壽命預(yù)測以及加固提供技術(shù)參考。