2023年土耳其强震作用下不同结构模型的抗震性能及地震损伤分析.pdf

书书书第 卷第 期 年 月防灾科技学院学报 ，年土耳其强震作用下不同结构模型的抗震性能及地震损伤分析薛红京，陆新征，赵子斌，蔡青，耿伟（北京市建筑设计研究院有限公司，北京 ；清华大学土木工程系，北京 ；哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 ）摘要：年 月 日土耳其发生 地震和 地震，造成土耳其多个城市出现严重人员伤亡和建筑物倒塌。为判断按照中国建筑抗震设计规范设防的多层混凝土建筑结构在本次地震作用下的破坏情况，对中国 度设防区某 层混凝土结构办公楼，采用大型通用有限元软件 ，输入土耳其地震 台站地震动记录，分别对框架结构、框剪结构、隔震结构和减震结构 种结构模型进行弹塑性动力时程分析。结果表明：框架结构、框剪结构和隔震结构在地震动作用下损伤严重，按变形标准判断有倒塌风险；采用黏滞阻尼器减震技术的结构虽然也有一定程度的损伤，但损伤程度有限，建筑物无倒塌风险。关键词：土耳其地震；框架结构；框剪结构；隔震技术；减震技术；时程分析；结构损伤中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：薛红京（），男，博士研究生，正高级工程师，主要从事建筑结构抗震设计及研究 引言 年 月 日 时 分（），在土耳其卡 赫 拉 曼 马 拉 发 生 地 震，震 中 位 于 、；年 月 日 时 分（），在该地震北东方向约 又发生了 地震，震中位于 、。截至 年 月 日，土耳其 个省份至少有 人死亡，人受伤，座建筑被毁。在叙利亚西北部，至少有 人死亡，人受伤，座建筑被毁，数千人受损 。根据相关震灾调查结果和新闻报道，本次土耳其地震造成多个城市大面积建筑物倒塌，倒塌的建筑物结构类型多样，有砖混结构、混凝土框架结构和安全程度较高的剪力墙结构。为判断本次地震对按照中国抗震设计规范设防建筑的安全性，选取我国 建筑抗震设计规范（）（以下简称抗规）的 度设防烈度区某四层混凝土结构办公楼为研究对象，针对 种常用结构类型分别分析变形与损伤，建立的计算模型编号为：为混凝土框架结构，为混凝土框剪结构，为在基底布置橡胶隔震支座混凝土框架结构，为柱间支撑为黏滞阻尼器的混凝土框架减震结构。计算模型建立图 为土耳其 台站地震动记录 分量与我国规范反应谱比较，图 为土耳其 台站地震动加速度时程。从图 加速度反应谱可知，土耳其 台站地震波对短周期建筑结构破坏力较大，对 以上长周期建筑结构破坏力相对小。土耳其 台站地震动衰减慢，采用隔震技术后长周期结构作用强烈，故对 种结构类型地震作用评估采用该台站记录的地震动。分析 研 究 对 象 建 筑 地 上 层，层 高 均 为图 土耳其 台站地震动记录与中国规范反应谱对比 图 土耳其 台站地震动加速度时程 ，建筑总高度 ，混凝土框架结构，位于设防烈度 度区，建筑结构安全等级二级，结构重要性系数 ，建筑结构抗震设防类别为标准设防类，框架抗震等级二级。抗震设防相关参数见表 。框架结构 模型为实际工程设计，结构柱尺寸为 ，框架梁尺寸为 ，楼屋面板厚度为 ；框架柱、框架梁、结构楼板混凝土强度等级均为 。按 建筑结构荷载规范（）统计建筑各部位材料容重、装饰情况和建筑作法以及使用功能，各部位荷载见表 。结构构件自重由程序自动计入。模型 三维结构布置见图 ，框剪结构防灾科技学院学报第 卷表 抗震设防相关参数 参数抗震设防烈度设计基本地震加速度 场地类别设计地震分组场地特征周期 弹性分析阻尼（小震）周期折减系数抗震设防烈度 类第二组 表 计算模型荷载输入 部位 层楼面 （）屋面层（）外围填充墙 （）恒载活载恒载活载 层屋面女儿墙荷载数值 图 个模型结构布置图 模 型 以 模 型 为 基 础，双 向 局 部 布 置 厚混凝土剪力墙，混凝土强度等级同样为 。其余条件均同模型 ，模型 平面布置见图 。隔震模型 和减震模型 同样以框架模型 为基础，为便于对比隔震模型 仅基于模型 在基底布置橡胶隔震支座，隔震层支座布置见图 ，周边柱底布置 个铅芯橡胶支座 ，中间柱底布置 个普通橡胶支座 。减震模型 双向共布置 个黏滞阻尼器减震耗能构件，黏滞阻尼器阻尼系 数 为 （），阻 尼 指 数 为 ，阻尼器平面布置见图 。个 模 型 按 照 建 筑 抗 震 设 计 规 范（）推荐振型分解反应谱法，结构自振周期、基底剪力、层间位移等计算结果见表 。表 中 模型为 度区设防地震作用计算结果。从表 计算结果可以看出，个模型构件尺寸合理、布置规则、主体结构变形可控，建筑结构均能满足抗震设防烈度 度区安全性能要求。第 期薛红京等：年土耳其强震作用下不同结构模型的抗震性能及地震损伤分析表 多遇地震下 个模型的自振周期和层间位移角计算结果 模型自振周期最大层间位移角质量参与系数最大轴压比 向向向向柱墙 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）常用结构形式变形与损伤计算框架结构（）与框架剪力墙结构（）为常用结构形式，按照建筑功能及建筑平面布置，本工程采用框架结构最为合理，上节计算结果表明框架结构可以满足本工程 度区抗震设防需求。为提高工程安全度，结合建筑平面局部布置剪力墙提高建筑抗侧刚度与安全性，模型框剪结构也为同类工程合理结构体系。本节围绕模型 框架结构与模型 框剪结构，采用通用有限元程度 输入土耳其 台站地震动记录对模型 框架结构与模型 框剪结构进行动力弹塑性分析，评估按照中国规范 度抗震设防烈度区设计的框架结构与框剪结构在土耳其 台站地震动作用下安全情况。图 为框架结构 层间位移角计算结果，在 台站地震动作用下，建筑结构 向与 向均出现严重变形，最大层间位移角出现在 向 层，达到 ，向变形稍好于 向，最大层间位移角为 ，建筑物 向与 向层间位移角均 大 于 ，根 据 建 筑 抗 震 设 计 规 范（）变形判定标准，框架结构 在土耳其 台站地震动作用下 向与 向层间层间位移角均超过规范不倒塌限值 ，存在倒塌可能。图 为框剪结构 层间位移角计算结果，与框架结构 相比较，由于剪力墙影响，框剪结构 抗侧抗度有明显提升，向最大层间位移角出现在 层，达到 ，向最大层间位移角出现在 层，为 ，框剪结构 虽然抗侧图 框架结构 层间位移角 图 框剪结构 层间位移角 刚度及抗震性能较框架结构 有所提升，但根据 建筑抗震设计规范（）变形判定标准，框剪结构 在土耳其 台站地震防灾科技学院学报第 卷动作用下 向与 向层间层间位移角均超过规范不倒塌限值 ，同样存在倒塌可能。图 框架结构 主体结构损伤分布 图 为框架结构 在土耳其 台站地震动作用下主体结构损伤分布，可以看出构件损伤较为严重，框架梁与框架柱仅有 处于无损伤状态，轻微损伤及轻度损伤比例 ，中度损伤与中度损伤比例达到 ，构件严重损伤比例为 ，底部 层框架基本都处于重度或严重损伤状态。与层间变形计算结果相对应，建筑物底部 层梁柱损伤严重，引起整体倒塌 。图 为框剪结构 在土耳其 台站地震动作用下主体结构损伤分布，主体无损伤构件比例为 ，主要为 层局部剪力墙，轻微损伤与轻度损伤比例为 ，中度损伤与重度损伤比例为 ，严重损伤比例为 ，主要发生在 层剪力墙以及首层框架底部与顶部节点区域。基于上述计算结果，框架结构 与框剪结构 在土耳其 台站地震动作用下，主体结构变形严重，超出我国现行规范弹塑性变形限值。框架柱与剪力墙等关键竖向构件出现严重损伤，不排除有倒塌风险 ，失去加固修缮价值。采用隔震与减震技术结构变形与损伤计算近些年建筑结构隔震技术与减震技术得到了快速发展，采用隔震与减震技术后建筑结构模态周期延长，结构附加阻尼增加，降低了地震能量输入，一定程度上提高了建筑抗震能力与安全性能 。本文第 节基于框架结构 建立了隔震结构 和减震结构 两个结构分析模型，采用通用有限元程度 输入 台站地震动记录对模型隔震结构 与减震结构 进行变形与损伤分析。隔震结构 周边柱底布置 个铅芯橡胶支座 ，中间柱底布置 个普通橡胶支座 ，计算结果隔震系数 为 ，达 到 降 低 一 度 的 隔 震 效 果，见图 。减震结构 双向共布置 个黏滞阻尼器 减 震 耗 能 构 件，黏 滞 阻 尼 器 阻 尼 系 数 为 （），为增加耗能效果设定阻尼指数为 ，见图 。图 为隔震结构 层间位移角计算结果，可以看出在 台站地震动作用下，建筑结构向与 向层间位移角在地上一层与隔震层均出现极大值，其中隔震层 向与 向层间位移角均超过 ，层 向最大层间位移角，达到第 期薛红京等：年土耳其强震作用下不同结构模型的抗震性能及地震损伤分析图 框剪结构 构件损伤分布 图 隔震结构 层间位移角 ，向最大层间位移角达到 。根据程序计算结果隔震结构 在土耳其 地震动作用下直接倒塌，在土耳其 台站强震作用下隔震结构 结构安全性能低于常规框架结构 和框剪结构 ，主要原因是隔震层在地震动作用下发生超安全范围变形，进而引起首层结构倾斜变形，造成隔震结构 发生倒塌。隔震层位移时程见图 ，从图 可以看出，在土 耳 其 台 站 地 震 动 作 用 下，约 在 第 隔震层变形达到 ，远超 建筑隔震设计标准 （）橡胶隔震支座变形 倍直径限值 ，随后在土耳其 时程波继续作用下，建筑物首层变形持续增大，最终倾斜垮塌。图 为隔震结构 在 地震动作用下首层垮塌状态，首层由于出现极大侧移变形上部楼层跌落式垮塌。图 为减震结构 层间位移角计算结果，在土耳其 台站地震动作用下，建筑结构层间位移角计算结果较前 个设计模型有了明显好转，向与 向最大层间位移角均在地上一层，分 别 为 和 ，均 未 超 过 规 范 限值，表明建筑结构无倒塌风险。图 为黏滞阻尼器滞回曲线，阻尼器在地震动作用下出力稳定，形状饱满，提升了建筑结构耗能效果，建筑结构在地震动作用下能量时程分布见图 ，按照抗规提供的能量法计算，本工程结合柱间支撑布置的 个黏滞阻尼器贡献 的附加阻尼比，减震耗能效果明显，起到降低地震反应保护主体结构的作用 。图 为减震结构 在土耳其 台站地震动作用下主体结构损伤分布，可以看出与前 个结构模型相比损伤有明显好转，轻微损防灾科技学院学报第 卷图 隔震层位移时程 图 隔震结构 垮塌状态 图 减震结构 层间位移角 伤至中度损伤比例达到 ，重度损伤与严重损伤比例分别为 与 ，综合层间变形指标判断，减震结构 在土耳其 台站地震动作用下无倒塌风险 。图 阻尼器滞回曲线 图 为土耳其某四层混凝土框架结构在土耳其 级地震作用下的破坏状况，从破坏形态上看，底部一层和二层变形严重，竖向结构柱失去承载能力完全破坏，上部三层和四层第 期薛红京等：年土耳其强震作用下不同结构模型的抗震性能及地震损伤分析图 地震波作用下建筑结构的能量时程分布 图 减震结构 构件损伤分布 图 土耳其地震作用下四层框架结构震损状况 虽然在地震动作用下变形也较为严重，但变形量和破坏程度低于底部一层和二层，破坏部位与破坏程度与 图 框架 结 构 损伤 分析 结果较为吻合，建筑物失去修缮加固价值。结论本文采用 年 月 日土耳其 级地震 台站地震动记录，对按照中国抗震设防 防灾科技学院学报第 卷度区设计的框架结构、框剪结构、隔震结构和减震结构 种结构形式的 层混凝土结构办公楼进行了抗震性能及地震损伤分析，得出如下结论：（）本次土耳其 级地震强度大、破坏力强，按照中国规范 度设防烈度区设计的多层框架结构和框剪结构在 台站地震波作用下，均有倒塌风险。（）土耳其强震会造成隔震建筑隔震层变形过大，超过隔震支座变形能力极限，引起建筑主体结构出现倾斜垮塌。（）柱间支撑为黏滞阻尼器的混凝土框架减震结构，抗震性能良好，黏滞阻尼器在地震动作用下可以发挥耗能效果保护主体结构，同时黏滞阻尼器动刚度可以为主体结构抗侧需求提供帮助。参考文献 ，（）：，（）：，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 建筑抗震设计规范：北京：中国建筑工业出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部 建筑结构荷载规范：北京：中国建筑工业出版社，顾祥林，印小晶，林峰，等 建筑结构倒塌过程模拟与防倒塌设 计 建筑结构学报，（）：孙玉红，聂立武，韩古月 地震作用下建筑结构倒塌失 效 准 则 分 析 中 外 建 筑，（）：刘惠 利，刘 文光隔 震结 构 设 计与 分析 方 法 探讨 广州大 学学 报（自 然科 学 版），（）：中华人民共和国住房和城乡建设部 建筑隔震设计标准：北京：中国计划出版社，曾明，赵均 钢框架 混凝土核心筒结构装设黏滞阻尼器的减震控制分析 防灾减灾工程学报，（）：陆新征，顾栋炼，赵鹏举，等 建筑结构防地震倒塌 性 能 设 计 建 筑 结 构，（）：，第 期薛红京等：年土耳其强震作用下不同结构模型的抗震性能及地震损伤分析 ，（，；，；，）：，（），：；防灾科技学院学报第 卷