付 國(guó),張 博,何 斌
(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌 712100)
地震尤其是強(qiáng)震引起的建筑物倒塌破壞是造成人員傷亡的最主要原因[1],開(kāi)展破壞準(zhǔn)則研究對(duì)探索倒塌破壞規(guī)律、實(shí)現(xiàn)大震不倒抗震設(shè)防目標(biāo)具有重要意義。抗震破壞準(zhǔn)則以變形準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則、雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則應(yīng)用最為廣泛[2]:變形準(zhǔn)則定義結(jié)構(gòu)層間位移角是達(dá)到位移角限值時(shí)發(fā)生倒塌破壞,其判定標(biāo)準(zhǔn)最為簡(jiǎn)單,但考慮地震動(dòng)三要素最少,容易低估框架的抗倒塌能力,其本質(zhì)應(yīng)為結(jié)構(gòu)的不倒塌標(biāo)準(zhǔn)而非倒塌標(biāo)準(zhǔn);能量準(zhǔn)則理論上最為合理,通過(guò)比較輸入能量與結(jié)構(gòu)吸收能量的大小定義結(jié)構(gòu)破壞,但能量計(jì)算受加載制度、結(jié)構(gòu)特性的影響顯著,能量劃分依據(jù)和計(jì)算方法仍是破壞準(zhǔn)則研究的難點(diǎn)問(wèn)題[3-6]。由于單參數(shù)準(zhǔn)則選取唯一倒塌臨界點(diǎn)定義結(jié)構(gòu)破壞,很難解釋地震倒塌破壞的隨機(jī)性、不確定性,部分學(xué)者嘗試變形、耗能2個(gè)參數(shù)的組合對(duì)倒塌破壞進(jìn)行研究,以Park-Ang雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則[7]應(yīng)用最為廣泛:
式中:D為結(jié)構(gòu)的破壞指數(shù);δm為最大加載位移;δμ為單調(diào)加載下的極限變形;∫dε為累積滯回耗能;Qy為屈服荷載;β為組合系數(shù)。
雙參數(shù)準(zhǔn)則的組合參數(shù)β計(jì)算公式、破壞指數(shù)是否為1、變形與耗能的耦合關(guān)系是后期研究和改進(jìn)的重點(diǎn)[8]。變形項(xiàng)中最大變形δμ考慮了研究對(duì)象變形能力強(qiáng)弱對(duì)倒塌破壞的影響,但耗能項(xiàng)Qy與δμ的組合未延續(xù)其考慮能力大小的設(shè)計(jì)思想。部分學(xué)者嘗試從子結(jié)構(gòu)破壞角度研究整體性能退化規(guī)律[9-10],如何區(qū)分整體變形與層變形,確定倒塌極限準(zhǔn)則破壞準(zhǔn)則研究的關(guān)鍵。
結(jié)構(gòu)變形能力越強(qiáng),相同地震動(dòng)輸入下極限變形也就越大,現(xiàn)有倒塌破壞準(zhǔn)則未能全面揭示結(jié)構(gòu)變形能力強(qiáng)弱對(duì)倒塌破壞的影響,也就無(wú)法完全解釋鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能差異和變化規(guī)律,需要探索包含變形能力強(qiáng)弱參數(shù)影響的抗倒塌性能量化方法。
文中研究結(jié)構(gòu)變形能力與抗倒塌性能退化之間的量化關(guān)系以及結(jié)構(gòu)變形能力強(qiáng)弱的定義方法,建立框架結(jié)構(gòu)的延性倒塌破壞準(zhǔn)則。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算驗(yàn)證和考查延性準(zhǔn)則的可行性和合理性,綜合破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)現(xiàn)象確定對(duì)應(yīng)的性能標(biāo)準(zhǔn),為框架結(jié)構(gòu)的抗地震倒塌研究提供參考。
提高框架結(jié)構(gòu)的變形能力能夠有效提升結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,變形能力越強(qiáng)的結(jié)構(gòu)倒塌破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的極限變形也就越大,結(jié)構(gòu)的最大極限變形可定量描述其變形能力強(qiáng)弱。受地震動(dòng)輸入的不確定性和結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的強(qiáng)隨機(jī)性影響,現(xiàn)有理論方法和有限元方法尚不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)框架的極限變形,即使將地震動(dòng)輸入簡(jiǎn)化為低周反復(fù)加載,加載制度對(duì)結(jié)構(gòu)的極限變形大小仍影響仍不可忽略?;谏鲜鲆蛩?,考慮到單調(diào)加載對(duì)應(yīng)極限變形大于反復(fù)加載和地震動(dòng)加載,參考雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則中變形項(xiàng)的計(jì)算方法和混凝土柱相關(guān)研究成果,可定義鋼筋混凝土框架的變形能力值與單調(diào)加載下的極限變形相同。但是框架的單調(diào)加載極限變形計(jì)算鮮有研究報(bào)道;另一方面受抗震理論研究和試驗(yàn)數(shù)量限制,直接推導(dǎo)統(tǒng)計(jì)計(jì)算式也存在較大的困難。
通過(guò)對(duì)已有模型試驗(yàn)和抗震規(guī)范進(jìn)行研究和總結(jié),可以發(fā)現(xiàn):
(1)從倒塌極限狀態(tài)看,框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)多選取框架柱嚴(yán)重破壞或承載力大幅下降作為試驗(yàn)的終止條件,第一個(gè)柱退出工作可視為臨近倒塌的重要特征點(diǎn),部分規(guī)范[11-12]也認(rèn)可主要抗側(cè)力構(gòu)件破壞可作為結(jié)構(gòu)倒塌的極限狀態(tài)。模型試驗(yàn)特別是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明不同輸入下結(jié)構(gòu)破壞方向雖然不同,但薄弱層和薄弱構(gòu)件的位置卻大致相同[13-14],抗震規(guī)范認(rèn)為“強(qiáng)震作用下由于結(jié)構(gòu)薄弱部位產(chǎn)生了彈塑性變形,結(jié)構(gòu)構(gòu)件嚴(yán)重破壞甚至引起結(jié)構(gòu)倒塌破壞”[15]。薄弱區(qū)域內(nèi)構(gòu)件破壞是結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因,選取第一個(gè)框架柱退出工作作為框架結(jié)構(gòu)的倒塌破壞極限狀態(tài);
(2)從層間位移角統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,我國(guó)抗震規(guī)范定義結(jié)構(gòu)變形角限值時(shí)大量參考了構(gòu)件尤其是框架柱的試驗(yàn)結(jié)果,“根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)研究和計(jì)算分析結(jié)果,提出以構(gòu)件(梁、柱、墻)和節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限變形時(shí)的層間位移角作為罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值的依據(jù)”[15],框架結(jié)構(gòu)的極限位移與柱的極限位移存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的一致性;
(3)假定結(jié)構(gòu)薄弱層內(nèi)柱設(shè)計(jì)參數(shù)相同、加載過(guò)程中柱破壞程度也相同,則薄弱層和柱同時(shí)達(dá)到極限變形,此時(shí)結(jié)構(gòu)已退化為機(jī)構(gòu),倒塌將不可避免,薄弱層極限變形應(yīng)不大于柱極限變形。
因此,為了簡(jiǎn)化研究,鋼筋混凝土框架的最大變形可參考混凝土柱的變形能力,文中定義結(jié)構(gòu)層的極限變形與樓層內(nèi)的框架柱極限變形相同(同一層內(nèi)框架柱極限變形不同時(shí)取最小值),即薄弱層單調(diào)加載極限變形δF,max與該層內(nèi)所有柱的單調(diào)加載極限變形最小值δc,min相同:
近日,引黃入冀補(bǔ)淀工程項(xiàng)目建議書(shū)獲國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)。按照計(jì)劃,該工程建成后,將每年向白洋淀生態(tài)補(bǔ)水2.55億m3,扣除輸水損失后凈補(bǔ)水量為1.1億m3。該工程總投資388 713萬(wàn)元,工程任務(wù)是為沿線(xiàn)部分地區(qū)農(nóng)業(yè)供水和向白洋淀實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水,緩解沿線(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉缺水及地下水超采狀況,改善白洋淀生態(tài)環(huán)境和當(dāng)?shù)厣钌a(chǎn)條件,并可作為沿線(xiàn)地區(qū)抗旱應(yīng)急備用水源。工程主輸水線(xiàn)路總長(zhǎng)482km,其中,河北省占398km,滏陽(yáng)河支線(xiàn)長(zhǎng)27km。按照計(jì)劃,工程總干渠渠首年均引水量7.37億m3,河北省引黃時(shí)段為11月至次年2月。
作者前期通過(guò)對(duì)混凝土柱破壞的研究,提出了鋼筋混凝土柱的延性破壞準(zhǔn)則,建立了變形能力、加載幅值、軸壓比、配箍率與性能退化之間的量化關(guān)系;研究表明變形能力大小顯著影響柱的倒塌破壞,考慮變形能力強(qiáng)弱的影響能夠更好地定義柱的破壞[16]。鋼筋混凝土柱的延性準(zhǔn)則計(jì)算式如式(3)所示:
式中:D為柱破壞指數(shù);kn為軸壓比影響系數(shù);kρv為配箍率影響系數(shù);μi為第i個(gè)加載幅值對(duì)應(yīng)的延性系數(shù),βi為μi對(duì)應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù);μmax為單調(diào)加載下的柱延性系數(shù);n為軸壓比;ρv為混凝土柱的體積配箍率。軸壓比影響系數(shù)kn根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析給出,配箍率系數(shù)kρv借鑒阿倫尼烏斯公式擬合得出。
參考等效延性準(zhǔn)則[12]把單調(diào)加載視為位移幅值為δmax、加載循環(huán)數(shù)為1/4的滯回加載,則延性準(zhǔn)則計(jì)算式(3)可改寫(xiě)為:
延性準(zhǔn)則計(jì)算式(3)將2種加載方式統(tǒng)一到一個(gè)公式中,實(shí)現(xiàn)了破壞準(zhǔn)則形式上的統(tǒng)一。105根低周反復(fù)加載柱和9根單調(diào)加載柱破壞指數(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差列于表1中。其中D0、D0,0.85、Dρv、Dρv,0.85分別對(duì)應(yīng)不考慮配箍率影響和承載力退化差異、不考慮配箍率影響考慮承載力退化至85%、考慮配箍率影響不考慮承載力退化差異、考慮配箍率影響和承載力退化至85%4種情況。4組破壞指數(shù)平均值均接近1.0,標(biāo)準(zhǔn)差在0.2至0.4之間,延性準(zhǔn)則可實(shí)現(xiàn)混凝土柱的倒塌破壞量化研究。
表1 框架柱延性準(zhǔn)則破壞指數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of damage index of RC columns
破壞指數(shù)D0,0.85和Dρv,0.85分別由式(7)和式(8)計(jì)算得出。
式中:d為混凝土柱的承載力退化實(shí)際值。
定義框架結(jié)構(gòu)的破壞指數(shù)與所有結(jié)構(gòu)層的破壞指數(shù)最大值相同,一般該樓層為結(jié)構(gòu)的薄弱層:
式中:Dj為結(jié)構(gòu)第j層的破壞指數(shù),可由下式計(jì)算得出:
式中:k為薄弱層內(nèi)單調(diào)加載變形最小的框架柱編號(hào);kn、kρv分別為薄弱層的i編號(hào)框架柱的軸壓比影響系數(shù)和配箍率影響系數(shù);nk、ρv,k分別為第i編號(hào)柱對(duì)應(yīng)的軸壓比與配箍率;βi為框架位移加載幅值對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù);μF,k為薄弱層位移加載幅值對(duì)應(yīng)延性系數(shù);μF,max薄弱層等效單調(diào)加載位移對(duì)應(yīng)延性系數(shù),由式(13)計(jì)算得出:
式中:δF,y為薄弱層的屈服位移;δc,min為薄弱層所有框架柱中的最小單調(diào)加載極限值,由文獻(xiàn)[17]公式計(jì)算得出:
式中:θust(%)為單調(diào)加載下混凝土柱的極限轉(zhuǎn)角;αst,mon為與鋼筋類(lèi)型相關(guān)的系數(shù),對(duì)熱軋鋼取1.25;L為柱的計(jì)算長(zhǎng)度;n為柱的實(shí)際軸壓比;Ls/h為柱的剪跨比;fy′為鋼筋的抗壓強(qiáng)度;ρ、ρ′為拉區(qū)和壓區(qū)縱向鋼筋配筋率;fc′為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度。
為驗(yàn)證延性準(zhǔn)則的合理性和準(zhǔn)確性,對(duì)收集到的部分鋼筋混凝土框架模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算分析。表2根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的承載力退化、位移角與延性準(zhǔn)則破壞指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系??梢钥闯?5榀框架承載力退化范圍為42.1%~97.2%,平均值為78.38%;框架的破壞位移角變化范圍為1/63~1/17 rad,平均值為1/28 rad;薄弱層位移角變化范圍為1/38~1/9 rad,平均值為1/20 rad。
表2 框架結(jié)構(gòu)破壞指數(shù)Table 2 Damage index of RC frames
4組破壞指數(shù)平均值在0.763~0.919之間,標(biāo)準(zhǔn)差在0.206~0.404之間,延性準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)了鋼筋混凝土框架的倒塌破壞量化表征。不考慮承載力退化的D0、Dρv組數(shù)據(jù)分別較對(duì)照組D0,0.85、Dρv,0.85破壞指數(shù)分別增加0.083、0.014,表明隨著承載力退化值的增大,結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)一步加劇、破壞指數(shù)相應(yīng)增加。不考慮配箍率影響的D0、D0,0.85組數(shù)據(jù)分別較對(duì)照組Dρv、Dρv,0.85數(shù)據(jù)減小0.073、0.132,考慮配箍率后破壞指數(shù)更接近1.0,與實(shí)際破壞現(xiàn)象更相符。不考慮承載力退化幅值的D0、Dρv組數(shù)據(jù)準(zhǔn)差分別是D0,0.85、Dρv,0.85數(shù)據(jù)的1.723倍、1.629倍,從破壞指數(shù)離散性角度看,考慮承載力退化值對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的影響顯著。綜合考慮上述因素后,考慮承載力退化和配箍率影響的Dρv,0.85組數(shù)據(jù)最優(yōu)。
Dρv平均值0.919略小于1.0,表明選取第一個(gè)框架柱退出工作為倒塌極限狀態(tài)是可行的、更接近結(jié)構(gòu)的真實(shí)倒塌臨界點(diǎn)。按式(7)可反推D=1.0時(shí)承載力退化值為72.04%,建議模型試驗(yàn)中在保證人員、設(shè)備安全的前提下,可加載至峰值承載力的70%~75%,以便更好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體性能的退化規(guī)律研究。
與表1混凝土柱的破壞指數(shù)對(duì)比可知,鋼筋混凝土框架的破壞指數(shù)均大于表1對(duì)應(yīng)值,考慮模型試驗(yàn)中框架柱的設(shè)計(jì)參數(shù)基本相同,薄弱層柱的破壞指數(shù)平均值低于單柱試驗(yàn)破壞值,破壞指數(shù)的差異表明結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)框架柱的破壞程度低于混凝土柱,這一結(jié)果與模型試驗(yàn)現(xiàn)象較為符合?;炷林茐闹笖?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差大于框架結(jié)構(gòu)破壞指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差,說(shuō)明柱破壞的離散性更大,框架結(jié)構(gòu)作為一個(gè)完整系統(tǒng),發(fā)生嚴(yán)重破壞的概率下降。
將框架破壞劃分為4個(gè)階段,分別是輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌失效。其中輕微破壞對(duì)應(yīng)梁柱等主要構(gòu)件出現(xiàn)裂縫并開(kāi)始發(fā)育;中等破壞對(duì)應(yīng)混凝土保護(hù)層鼓出、剝落;嚴(yán)重破壞對(duì)應(yīng)混凝土大面積剝落和圧酥;倒塌失效對(duì)應(yīng)第一個(gè)柱退出工作或模型試驗(yàn)的加載結(jié)束。
擬靜力試驗(yàn)加載過(guò)程中位移幅值的增量基本相同,破壞曲線(xiàn)的斜率可近似反映結(jié)構(gòu)的破壞速率。圖1給出了根據(jù)文中破壞準(zhǔn)則計(jì)算得出的2種不同層數(shù)鋼筋混凝土框架的破壞曲線(xiàn),2組曲線(xiàn)在各破壞階段分布、破壞速率發(fā)展等方面較為類(lèi)似,延性準(zhǔn)則能夠適用于不同層數(shù)、不同跨數(shù)的鋼筋混凝土框架抗震性能研究。由圖可知框架在輕微破壞階段經(jīng)歷的加載循環(huán)數(shù)最多,破壞曲線(xiàn)的斜率最小對(duì)應(yīng)破壞速率最慢,嚴(yán)重破壞階段循環(huán)數(shù)最少對(duì)應(yīng)破壞速率最大,中等破壞階段加載循環(huán)數(shù)和破壞速率介于兩者之間。破壞曲線(xiàn)說(shuō)明框架結(jié)構(gòu)的破壞程度和破壞速率隨位移幅值增大而增大,與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。
圖1 鋼筋混凝土框架破壞曲線(xiàn)Fig.1 Damage curves of the RC frame
為進(jìn)一步研究延性系數(shù)增長(zhǎng)、破壞指數(shù)增加、框架破壞現(xiàn)象三者之間關(guān)系,將參考文獻(xiàn)中試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明,不同破壞階段臨界點(diǎn)的破壞指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 填充墻框架破壞等級(jí)與破壞特征Table 3 Relationship between damage index and damage phenomenon
根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果,建議輕微破壞-中等破壞階段臨界點(diǎn)破壞指數(shù)為0.1,中等破壞-嚴(yán)重破壞的臨界點(diǎn)取0.4,綜合文獻(xiàn)建議值、柱延性準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)和框架破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,偏于安全取倒塌失效對(duì)應(yīng)破壞指數(shù)為0.9,破壞標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。
表4 延性準(zhǔn)則破壞標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Damage evaluating standards of ductility criterion
表4中尚慶學(xué)等[36]、牛荻濤等[37]分別給出了基于Park-Ang雙參數(shù)準(zhǔn)則的剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)破壞標(biāo)準(zhǔn),尚慶學(xué)工作中中等破壞和嚴(yán)重破壞指數(shù)最大值與最小值之差為0.303和0.50,牛荻濤工作中分別為0.25和0.25。雙參數(shù)準(zhǔn)則僅在變形項(xiàng)中考慮了變形能力強(qiáng)弱的影響,對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)性能退化過(guò)程中破壞指數(shù)差異減少,破壞指數(shù)區(qū)間偏小。文中提出的延性準(zhǔn)則兩個(gè)破壞階段的最大值與最小值之差為0.3和0.5,對(duì)應(yīng)破壞指數(shù)范圍最大,更適宜應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能評(píng)估。
與混凝土柱延性準(zhǔn)則破壞指數(shù)相比,框架破壞指數(shù)在輕微、中等、嚴(yán)重3個(gè)破壞階段的最大值分別小了0.1、0.2、0.1,表明框架結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體,其抗震性能較單柱具有一定程度的提升。由于框架延性準(zhǔn)則選取了第一個(gè)柱退出工作為倒塌極限狀態(tài),因此框架結(jié)構(gòu)破壞指數(shù)與柱破壞指數(shù)差異較小。
文中參考混凝土柱延性準(zhǔn)則設(shè)計(jì)思想提出了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性破壞準(zhǔn)則,并對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的變形能力與性能退化關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)論如下:
(1)考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)倒塌與主要抗側(cè)力構(gòu)件破壞之間的關(guān)系,結(jié)合現(xiàn)有抗震理論研究,選取第一個(gè)框架柱退出工作為倒塌破壞極限狀態(tài),根據(jù)結(jié)構(gòu)層內(nèi)柱的單調(diào)加載極限變形得出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的極限變形。推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)加載位移延性系數(shù)、軸壓比、配箍率、加載制度以及最大變形能力與整體性能退化之間的函數(shù)關(guān)系,提出了鋼筋混凝土框架的延性破壞準(zhǔn)則。
(2)25榀框架模型的破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合較好,考慮變形能力影響的延性準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)了倒塌破壞量化研究。對(duì)比結(jié)果表明配箍率和承載力退化幅值大小對(duì)破壞指數(shù)計(jì)算具有較大影響,綜合考慮兩個(gè)影響因素的Dρv,0.85組破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果和離散性最優(yōu)。
(3)根據(jù)鋼筋混凝土框架延性破壞準(zhǔn)則計(jì)算得到的破壞曲線(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,隨著位移加載幅值的增加,結(jié)構(gòu)破壞速率逐漸加快,對(duì)應(yīng)破壞階段所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)減少。
(4)根據(jù)鋼筋混凝土框架試驗(yàn)的破壞現(xiàn)象、破壞指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果建立了延性準(zhǔn)則破壞標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的中等破壞和嚴(yán)重破壞分布區(qū)間更大,更適合結(jié)構(gòu)抗震性能退化研究,延性準(zhǔn)則可以較好的揭示結(jié)構(gòu)倒塌與構(gòu)件破壞的差異。