地震易损性分析中双分量地震动选取方法研究

发布时间：2020-08-11 21:03

【摘要】：结构地震易损性分析是基于性态抗震设计和抗震性能评估的重要研究内容,而地震易损性分析中首先要解决的问题就是地震动记录该如何选取。震害研究调查和地震理论研究的结果都表明,地震作用是具有多维效应的,且实际的工程结构也是三维立体空间构成,因此仅仅考虑单向输入下的地震作用对结构地震易损性的影响是不全面的,也是不合理的,这样会低估结构在地震作用下的地震响应。随着抗震理论的发展、结构数值计算能力的提高以及实际工程对结构安全需求的提高,工程学界现在逐渐开始重视结构在双向(三向)地震作用时的结构地震反应分析。但是目前对结构进行双向地震输入时仍然有一些问题需要解决。如地震动参数如何选择,双向地震动记录如何选取等。基于此,本文从地震动强度参数的选择、双向输入地震动选取方法以及单、双向输入下结构地震易损性分析结果差异等角度进行了研究探索,主要研究内容如下:(1)基于有限元软件OpenSEES,建立了用于结构地震易损性分析的典型三维框架结构模型。从结构的整体动力特性,结构构件以及结构整体滞回性能三个维度对所建有限元模型有效性进行了验证,为后续的研究分析奠定了基础。(2)在地震动记录选取时,首先系统总结归纳了24种地震动强度参数的特点,其次采用距离分析和Pearson相关分析方法对地震动强度参数间的实用性和可组合性进行了评价。最后通过非线性时程分析,对各地震动强度参数和地震作用下结构的最大地震响应(最大层间位移角)进行统计回归分析,从相关性、有效性、实用性和效益性几个方面来评价和优选出双向地震动记录选取时所需的地震动强度参数。(3)针对结构地震易损分析时双向输入地震动记录(组)的选取问题,考虑到单一地震动强度参数并不能充分反映地震动特性对结构地震易损性的影响,分别采用了描述地震特性的震级M和震中距R组合,以及考虑地震动峰值特性和与场地条件有关的峰值加速度PGA和卓越周期Tp组合,来筛选双向地震动记录,建议了选取地震动记录采用的相关参数的合理取值范围。最后通过对单、双向输入下结构地震易损性分析结果的对比分析,说明了对结构进行双向地震易损性分析的必要性,验证了本文双向地震动记录选取方法的有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.11
【图文】：

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上房屋倒塌；在2017年8月8日四川省阿坝州九寨沟县发生7.0级地震，伤亡500多人；前不久的2018年2月中国台湾省花莲发生6.5级地震，伤亡数百人，大量房屋倒塌损毁。图1.1分别展示了中国最近发生几次强震的各种破坏情况，由此可以看出地震的危害之大。近年来频频发生的地震不仅造成了惨重的人员伤亡和巨大的经济财产损失，也使我们清醒地认识到，在工程抗震分析和设计时，如何有效的反映强震对建筑结构的影响，如何有效的提高对结构抗震性能的全面理解和抗震设计理念及设计分析方法的改进，将是今后工程抗震领域的主要研究内容。随着社会经济的飞速发展，人们对自身和建筑结构的安全性的要求日益提高。由于近年来地震灾害频繁发生，引发了一系列严重的社会和经济问题，这使得地震灾害的风险性分析越来越得到重视。地震灾害的风险性分析主要包括地震危险性分析、地震易损性分析和地震灾害损失评估三个方面[2]。地震灾害的危险性分析主要研究给定区域内发生各种强度地震灾害的概率；地震易损性分析则涉及到震害调查、结构抗震试验、结构地震动的模拟、结构工程的地震反应分析以及工程结构的抗震可靠度分析等内容，研究的是工程结构在不同强度地震作用下受到伤害、破坏或倒塌的可能性；地震灾害的损失评估则是在地震风险性分析和地震易损性分析的基础上

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（ a）五层结构平面图（b）五层结构立面图图 2-4 结构设计模型示意图2.3.2 SATWE 参数设置采用 PKPM 中结构设计子模块 SATWE 进行此次典型框架结构的设计和运算工作。在 PM 中完成结构模型设计和荷载加载后，需要进入 SATWE 模块计算结构参数，用以查看和检验模型是否出现设计失误和模型各项设计信息是否满足规范要求等，以便后续的研究分析。下文将本次设计运算中 SATWE 参数设置做一个简要的梳理和总结。在总信息模块，基于典型框架结构的设计和需要进行双向水平地震作用，水平力与整体坐标系夹角设为零度；结构构造和材料参数信息按规范填入；墙元细分最大控制长度，为保证其设计进度，取为 1.0；在恒活荷载计算信息中，选择模拟施工加载 3，及采用分层刚度分层加载模型。在分层加载时，去掉了没用的刚度，是结果更接近与实际情况；强制刚性楼板假定则按需要选择，计算楼层位移比和结构层间位移比是应考虑，而计算结构周期、内力、位移以及配筋计算时则不考虑。地震作用计算信息中选择计算水平地震作用，结构所在地区选为全国；规范

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图 2-5 修正 Kent-Park 混凝土本构模型图图 2-6 修正 Kent-Park 混凝土本构模型本文中将有箍筋约束的核心区混凝土与无约束的保护层混凝土分开考虑；分别选用不同的本构参数，（1）以考虑箍筋的约束对核心区混凝土的强化作用。根据上文，=采用的参数如下：对于无约束的保护层混凝土参数选取，参照《混凝土结构设计规范》[85]，保护层混凝土pcf 取为cmf ；峰值压应变0 =0.002；极限压应变u =0.0033；极限压应力 0.2pcu cmf f；屈服应力tf 取为tmf ；初始刚度与卸载刚度比值 =0.1；受拉软化阶段刚度绝对值 /0.002ts tmE f。（2）对于核心区混受约束混凝土参数的取值，则根据修正 Kent-Park 模型，按照文献[86]相关参数计算方法，来确定受约束核心区混凝土的参数取值；其中受约束区混凝土初始刚度和卸载刚度比值一样取为 0.1；约束区受拉软化段刚度绝对值 /0.002tsc tmE f。2.4.2.2. 钢筋本构模型钢筋本构模型采用 OpenSEES 中 Steel02 显示模型，选用该模型因其计算效率高，节约资源，而且与钢筋往返加载实验结果吻合较好，具有很好的的数值稳定性。Menegotto-Pinto 钢筋本构模型[87]，该本构模型的应力-应变曲线关系式基本表达为一条过渡曲线，如图 2-7、2-8 所示：

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