框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震地震易損性分析

王 恩

（北京博大經(jīng)開建設(shè)有限公司，北京 101100）

0 引言

目前，隨著我國建筑技術(shù)的創(chuàng)新與完善，相關(guān)行業(yè)也得到了進一步發(fā)展，為部分工程施工提供便利條件?？拐鸱勒鹛幚硎墙ㄖ┕ぶ嘘P(guān)鍵的一項工作。通常情況下，施工人員會選擇在建筑的承壓區(qū)域或者側(cè)方向支柱區(qū)域構(gòu)建鋼筋混凝土框架剪力墻，作用于多層或者高層建筑的防震處理，傳統(tǒng)的施工通常采用單層級關(guān)聯(lián)或者建筑關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)施工任務(wù)目標，雖然該方式可以完成預(yù)期的建筑任務(wù)，但是在實際應(yīng)用的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)側(cè)向彎曲、定向斷裂等問題，對施工效果會產(chǎn)生消極影響，拖慢工程處理的進度。為了解決該問題，減少經(jīng)濟損失，需要對框架剪力墻抗震性能進行測定與檢驗。因此，對框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震地震易損性進行分析。

針對易損性的處理，從建筑的基礎(chǔ)設(shè)計進行分析，結(jié)合剪力墻的多方向框架，逐步確定抗震的單元效果，構(gòu)建抗震層級，在增大結(jié)構(gòu)剛度，減少層間位移的同時，降低整體框架的易損性，完成測定加固分析，為后續(xù)的建筑處理提供理論依據(jù)。

1 框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震地震易損性分析

1.1 增量動力及易損指標測算調(diào)整

在對框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震地震易損性進行分析前，需要先對增量動力及易損指標作出測算調(diào)整。一般情況下，框架剪力墻多被應(yīng)用在高層級的建筑中，與內(nèi)部承壓結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的同時，由于外部因素的影響，再加上抗震架構(gòu)的輔助，形成彈性形變，加重建筑的易損程度。所以針對基礎(chǔ)建設(shè)情況，需要先測定動態(tài)增強動力，如公式（1）所示。

式中：為動態(tài)增強動力，為應(yīng)變系數(shù)，為易損變量，為動力極限值。

通過上述計算，最終可以得出實際的動態(tài)增強動力。根據(jù)特定的標準，調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)的承壓面積，并更改抗震結(jié)構(gòu)的搭接角度，推斷出具體的易損范圍，采用IDA的分析方式，對基礎(chǔ)性的易損驗證指標的合理性以及完整性進行驗證，同時，設(shè)定震動強度指標。在所設(shè)定的每個周期內(nèi)，進行測定的記錄，實現(xiàn)高頻分量過濾，最終完成對增量動力及易損指標測算的定向調(diào)整。

1.2 異形柱框剪結(jié)構(gòu)建立

在完成對增量動力及易損指標測算的調(diào)整后，接下來，需要根據(jù)建筑抗震結(jié)構(gòu)的形變狀態(tài)，建立異形柱框剪分析結(jié)構(gòu)。在非線性易損標定分析的背景下，結(jié)合結(jié)構(gòu)內(nèi)部的單質(zhì)化單元，測定彈塑性形變狀態(tài)，與此同時，結(jié)合PERFORM-3D 技術(shù)，計算出多線程地震波頻率，如公式（2）所示。

式中：為多線程地震波頻率，為配筋作用強度，為對比易損差值。

通過上述計算，最終可以得出實際的多線程地震波頻率。此時，對異形柱的形變狀態(tài)觀測，將模擬波動調(diào)節(jié)至合理狀態(tài)，在線性搭接作用下，構(gòu)建異形柱框剪分析模型，如圖1 所示。

根據(jù)圖1，構(gòu)建異形柱框剪單向分析模型，獲取異形柱框剪結(jié)構(gòu)相關(guān)受力數(shù)據(jù)，以便接下來的框架剪力墻結(jié)構(gòu)易損性分析。

圖1 異形柱框剪結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)單向模型圖

1.3 塑性抗震易損模型構(gòu)建

在完成對異形柱框剪結(jié)構(gòu)的后，接下來，需要構(gòu)建塑性抗震易損模型。將建筑抗震結(jié)構(gòu)劃分為約束區(qū)和非約束區(qū)，采用Concrete02 的架構(gòu)作為基礎(chǔ)，增加剪力墻的混凝土厚度，在定向的抗震易損周期內(nèi)，進行狀態(tài)對比，見表1。

表1 抗震易損周期狀態(tài)對比表

根據(jù)表1，可以對抗震易損周期狀態(tài)進行對比與分析。結(jié)合塑性抗震能力，劃定此時的易損值范圍，并加固剪力墻，構(gòu)建塑性抗震易損模型。

1.4 增量動力法實現(xiàn)剪力墻抗震易損性分析

在構(gòu)建塑性抗震易損模型以后，結(jié)合增量動力法實現(xiàn)剪力墻抗震易損性分析。依據(jù)得出的增強動力，調(diào)整最大層間的位移角，并與地震動強度形成關(guān)聯(lián)關(guān)系，即IDA 曲線。隨機IDA 分析方法通過選擇跟結(jié)構(gòu)場地相適應(yīng)的地震動，將其與結(jié)構(gòu)隨機參數(shù)抽樣及設(shè)計，抽樣及設(shè)計方法分別選擇拉丁超立方法、正交設(shè)計。然后得到一組地震－結(jié)構(gòu)隨機樣本對，通過分析獲得結(jié)果。在標定易損范圍內(nèi)，營造抗震環(huán)境，分別設(shè)定52%、18%、85%的易損分位，計算出抗震易損反應(yīng)概率函數(shù)，如公式（3）所示。

式中：為抗震易損反應(yīng)概率函數(shù)，為定義易損系數(shù)，為失效距離。

通過上述計算，最終可以得出實際的抗震易損反應(yīng)概率函數(shù)。在正態(tài)分布狀態(tài)下，通過調(diào)整增強動力來控制易損范圍，在不同的環(huán)境下，完成對框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震地震易損性的分析。

2 實例分析

2.1 A 工程抗震處理施工現(xiàn)狀

A 工程是一座高層級的多變建筑，實際上可以看做異形柱框架剪力墻住宅樓房。大樓的底層層高預(yù)設(shè)為4.15m，分為上層與地下室，地下室總體為3 層，其中一層為車庫。上層的高程距離均設(shè)定為3.5m，內(nèi)部結(jié)構(gòu)總高度為30.5m，大樓建筑的總面積為2254.35m。在建設(shè)施工初期，為了提升建筑整體的安全性與穩(wěn)定性，工程施工人員在樓房內(nèi)部安裝關(guān)聯(lián)了防震處理結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

根據(jù)圖2，可以完成對A 工程防震結(jié)構(gòu)的設(shè)計。由于A 工程建設(shè)位置震點較多，因此，需要將抗震設(shè)防烈度為 6.5 度，建筑的場地類別為Ⅱ類，框架剪力墻的特征周期為0.15 s。隨后，為了增加建筑整體的等效處理效果，需要在“L”形柱、“T”形柱之間加設(shè)等肢長柱，計算出肢長高度，如公式（4）所示。

圖2 A 工程防震結(jié)構(gòu)圖示

式中：為肢長高度，為防震覆蓋面積，為震點數(shù)量。

通過上述計算，最終可以得出實際的肢長高度，與此時的高程深度進行對比，將存在的差值控制在合理的范圍內(nèi)。

側(cè)向剪力墻的邊緣構(gòu)件為825mm～1025 mm，雖然可以形成定向的承接抗震效果，但是建筑整體的厚度與抗震柱肢并不相同，逐步形成側(cè)向彎曲、斷裂等問題，等級異形柱無法達到預(yù)期的應(yīng)用效果，鋼筋的總體強度等級也僅可以達到HRB400，逐漸促使工程抗震處理現(xiàn)狀變得更加糟糕，對后續(xù)的施工處理形成阻礙。

2.2 A 工程框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震易損實證

在完成對A 工程抗震處理施工現(xiàn)狀的分析之后，針對工程的整體施工效果，對其框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震易損實證。首先，結(jié)合建筑的構(gòu)建情況，計算出具體的抗震損性強度，如公式（5）所示。

式中：為抗震損性強度，為剪力剛度，為定向剛度。

通過上述計算，最終可以得出實際的抗震損性強度，承接基礎(chǔ)抗震能力，在特定的地震動強度環(huán)境下，修改調(diào)整剪力墻的側(cè)向角度，控制對數(shù)均值以及對數(shù)標準差，明確具體的易損范圍，在最大層間位移角的背景下，觀察框架剪力墻的彎曲程度，繪制正態(tài)分布函數(shù)，如圖3 所示。

根據(jù)圖3，利用三維模擬技術(shù)，針對設(shè)定的易損點，還原剪力墻的震動實況，在不同的震動強度作用下，只針對易損覆蓋區(qū)域，逐步調(diào)整最大層間位移角的偏重方向，減少剪力墻的實際承壓力，在不同的水平狀態(tài)下，進行等效易損性斜率的計算。

圖3 正態(tài)分布函數(shù)呈現(xiàn)圖示

通常將地震作用和結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)看作是隨機變量。一般假設(shè)當結(jié)構(gòu)通過變化達到某種破壞狀態(tài)，即ds 的地震動譜位移S服從對數(shù)正態(tài)分布，見式（6）。

式中：S為結(jié)構(gòu)達到某一破壞狀態(tài)時的地震動譜位移；S為破壞狀態(tài)為ds 時的譜位移均值；ε為均值為1的服從對數(shù)正態(tài)分布的隨機變量?；诓煌牡卣饎虞斎胂?，易損性曲線可以直觀地描述出結(jié)構(gòu)反應(yīng)在超過規(guī)范規(guī)定的破壞狀態(tài)的概率，破壞極限狀態(tài)包括倒塌、嚴重破壞、中等破壞以及輕微破壞。對結(jié)構(gòu)的極限破壞進行評估的方式主要是采用結(jié)構(gòu)震害評估方式，見表2。

表2 框架結(jié)構(gòu)房屋震害等級的劃分

根據(jù)易損測定點的不同，所繪制的易損曲線也存在差異，如圖4 所示。

圖4 易損曲線變動情況圖示

根據(jù)圖4，可以完成對此時A 工程建筑防震地震易損曲線變動情況的基本處理。

隨后，在特定的環(huán)境下，結(jié)合建筑的搭接情況，計算具體的易損斜率，如公式（6）所示。

式中：為易損斜率，為抗震防范系數(shù)，為易損差值。

通過上述計算，最終可以得出實際的易損斜率，進行定向分析：在基礎(chǔ)施工建設(shè)過程中，針對框架剪力墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)的承壓力，預(yù)設(shè)不同的震動環(huán)境。經(jīng)過測驗發(fā)現(xiàn)，隨著震動幅度以及強度的逐漸增長，墻體結(jié)構(gòu)也會發(fā)生等效變化、部分區(qū)域會形成彎曲狀，此時的易損斜率是較高的；反之，震動的幅度以及強度逐漸下降，墻體結(jié)構(gòu)所形成的彎曲狀得到了有效控制，此時的易損斜率相對較小，框架剪力墻的損壞問題也更得到了強有力地控制，為后續(xù)的施工建設(shè)營造更加安全穩(wěn)定的環(huán)境。

3 結(jié)語

抗震結(jié)構(gòu)是建筑施工的必備處理工作，一般會在施工中期進行，針對框架剪力墻的重點易損區(qū)域，進行處理。與此同時，擴展預(yù)設(shè)的抗震區(qū)域，布設(shè)相對應(yīng)的易損測定節(jié)點，從多個方向增加防震的實際效果，框架剪力墻的安裝與重組也要更加謹慎、關(guān)聯(lián)，與建筑基礎(chǔ)的抗震架構(gòu)形成合理的搭接，以此來營造更加穩(wěn)定、安全的建筑環(huán)境，加強建筑綜合抗震能力，為后續(xù)的施工處理奠定更堅實的基礎(chǔ)條件。