王瑩，李兆霞，王若竹

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096; 2.江蘇省工程力學(xué)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

復(fù)雜高層鋼-混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷時(shí)變特性研究*

王瑩?，李兆霞，王若竹

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096; 2.江蘇省工程力學(xué)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)尚未考慮服役期內(nèi)材料性能劣化所引起的損傷的非線性演化過(guò)程.本文面向復(fù)雜高層鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，考慮不同服役期內(nèi)混凝土材料性能劣化所引起的局部構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的變化，建立了組合結(jié)構(gòu)地震損傷時(shí)變分析模型.針對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、阻尼等參數(shù)在服役期內(nèi)具備“變量”的特征，同時(shí)在遭遇地震時(shí)又具有“常量”的特點(diǎn)，提出將此類參數(shù)作為“擬變量”處理，分析了結(jié)構(gòu)的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)；依據(jù)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，分別基于層間位移的整體法和基于構(gòu)件損傷的加權(quán)組合法建立了結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變模型，研究了復(fù)雜高層鋼-混組合結(jié)構(gòu)的抗震性能.結(jié)果表明：服役期內(nèi)結(jié)構(gòu)性能呈現(xiàn)顯著的時(shí)變特性，多遇地震下結(jié)構(gòu)損傷可能超出限值；剛度變化引起抗側(cè)向作用力和地震作用傳導(dǎo)能力的共同變化.對(duì)比分析了基于地震損傷時(shí)變模型和常規(guī)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)值的差異，發(fā)現(xiàn)材料時(shí)變特性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和評(píng)估的精確性具有較大影響.

組合結(jié)構(gòu)；時(shí)變特性；動(dòng)力彈塑性時(shí)程；地震損傷

Abstract：Nonlinearly evolutionary process of damage due to material degradation is not considered in the seismic performance design of complex high-rise structure.Aiming at complex high-rise steel-concrete composite structure,the time-dependent characteristic of local component and whole structure induced by key parameters of concrete material was considered in this paper.Combining the time-dependent model of seismic damage with dynamic elastic-plastic time history analysis method,damage time-dependent characteristic of high-rise steel-concrete composite structure was studied.Because key parameters such as stiffness and damping not only have the “variable” character in service periods,but also have the “constant” character under seismic loads,the method regarding the key parameters as “quasi-variables” was proposed.Dynamic elastic-plastic time history analysis was used to obtain the dynamic response of the structure.Both the integral method based on interlayer displacement and the weighted combination method based on component’ damage were used to research on the time-dependent characteristic of the composite structure.The result shows that the structure in service period has significantly time-dependent characteristic.Time-dependent damage might exceed the corresponding threshold value under frequent earthquakes.The change of stiffness may lead to the change of the lateral force and the transmission capacity of earthquake action.Compareing the time-dependent damage in service period with design value without counting the time-dependent characteristics,it can be found that time-dependent characteristics of material have great influence on the accuracy of the seismic design and evaluation of the structure.

Keywords：composite structure; time-dependent characteristic; dynamic elastic-plastic time history; seismic damage

強(qiáng)震作用下復(fù)雜鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)使用功能的喪失和倒塌主要是由于結(jié)構(gòu)的損傷引起的，因此，評(píng)估地震作用下的損傷程度是此類結(jié)構(gòu)抗震性能研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題.若能將結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)量化為相關(guān)承載性能的損傷指標(biāo)，即可直觀地對(duì)復(fù)雜鋼-混組合結(jié)構(gòu)的抗震性能作出評(píng)估.目前對(duì)于鋼-混組合結(jié)構(gòu)體系性能化設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題的理論研究在一定程度上落后于工程實(shí)踐，地震作用下的損傷演化過(guò)程并不清晰[1]，且現(xiàn)有評(píng)估方法將結(jié)構(gòu)看作時(shí)不變對(duì)象，采用與服役時(shí)間無(wú)關(guān)的單一模型進(jìn)行抗震性能評(píng)估.實(shí)際上混凝土材料的力學(xué)性能會(huì)隨著服役期逐步劣化，使得結(jié)構(gòu)的承載性能呈現(xiàn)時(shí)變特性.

目前，結(jié)構(gòu)損傷理論的研究主要集中在材料[2]、構(gòu)件[3]及結(jié)構(gòu)[4]3個(gè)層次.構(gòu)件層次的損傷模型直接從建立能描述構(gòu)件損傷過(guò)程的模型出發(fā).陳鑫等[5]考慮軸壓比系數(shù)和體積配箍率等因素研究高強(qiáng)混凝土柱的損傷發(fā)展過(guò)程.羅欣等[6]采用能量耗散系數(shù)和最大變位處的卸載剛度的退化為破壞參數(shù)，提出了適用于高強(qiáng)混凝土剪力墻構(gòu)件的雙參數(shù)地震損傷模型.Park等[7]將各構(gòu)件的耗能比作為權(quán)重系數(shù)，由構(gòu)件損傷加權(quán)得到樓層損傷，再由樓層損傷得到整體結(jié)構(gòu)的損傷.杜修力等[8]對(duì)加權(quán)組合法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，提出了損傷越大的樓層對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的貢獻(xiàn)越大，通過(guò)樓層損傷確立加權(quán)系數(shù).蔣歡軍等[9]提出了非線性的樓層位置系數(shù)，進(jìn)一步完善了加權(quán)組合法損傷模型.可見，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在結(jié)構(gòu)損傷領(lǐng)域開展了多方面研究，但研究多針對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件，而對(duì)復(fù)雜鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)研究較少，且在軟件實(shí)現(xiàn)、單元?jiǎng)澐帧⒂?jì)算效率和精度方面也存在一定的局限性.

本文即針對(duì)上述理論研究的不足，面向復(fù)雜高層鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，從混凝土材料的損傷時(shí)變模型出發(fā)，研究結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)變特性，基于動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法獲得結(jié)構(gòu)在不同服役年限時(shí)遭遇地震的響應(yīng)，建立具備結(jié)構(gòu)性能對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)的整體法地震損傷時(shí)變模型和加權(quán)組合法地震損傷時(shí)變模型，根據(jù)上述的地震響應(yīng)研究高層組合結(jié)構(gòu)的地震時(shí)變損傷特性，評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能.

1 復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變特性研究流程圖

采取的復(fù)雜高層鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)地震損傷時(shí)變特性分析的技術(shù)路線圖如圖1所示.

首先，通過(guò)改變彈性模量、抗壓強(qiáng)度等材料參數(shù)來(lái)考慮混凝土材料的時(shí)變特性，獲得結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼矩陣，將服役期內(nèi)剛度和阻尼等關(guān)鍵參數(shù)作為“擬變量”處理，結(jié)合上述結(jié)構(gòu)參數(shù)在服役期間的“變量”特性和進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析中需作為“常量”參與計(jì)算的要求，建立考慮時(shí)變特性的動(dòng)力增量微分方程，給出結(jié)構(gòu)響應(yīng)的求解方法，從而實(shí)現(xiàn)由材料特性變化所引起的構(gòu)件、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)變化的過(guò)渡.

然后，結(jié)合損傷評(píng)估理論，分別建立具備結(jié)構(gòu)性能對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)的整體損傷時(shí)變模型和構(gòu)件性能對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)的加權(quán)組合損傷時(shí)變模型.通過(guò)選取合理的損傷判別準(zhǔn)則，基于樓層層間位移建立基于整體法的多級(jí)損傷時(shí)變模型；參照鋼-混組合結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件在地震作用下的損傷特點(diǎn)，建立構(gòu)件時(shí)變損傷值多級(jí)評(píng)估方法，從而使構(gòu)件損傷能直觀反映構(gòu)件的服役性能狀態(tài).根據(jù)各類構(gòu)件的重要性系數(shù)和損傷貢獻(xiàn)系數(shù)確定構(gòu)件的加權(quán)組合系數(shù)，得到樓層時(shí)變損傷值；再依據(jù)樓層位置和損傷貢獻(xiàn)系數(shù)確立樓層損傷加權(quán)系數(shù)，建立結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變模型.

圖1 復(fù)雜高層鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)地震損傷時(shí)變特性分析的技術(shù)路線

最后，基于大型商用軟件MIDAS建立典型復(fù)雜高層鋼-混組合結(jié)構(gòu)模型，選取典型地震波，運(yùn)用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法獲得多遇地震和罕遇地震下的結(jié)構(gòu)響應(yīng).基于上述時(shí)變損傷評(píng)估模型，獲得服役期內(nèi)地震損傷時(shí)變規(guī)律，根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷值與抗震設(shè)防要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)比考慮了時(shí)變特性和不考慮時(shí)變的結(jié)構(gòu)的損傷值，分析時(shí)變特性產(chǎn)生的原因，評(píng)估混凝土材料時(shí)變對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的影響.

2 鋼-混組合結(jié)構(gòu)地震損傷時(shí)變模型

材料性能的時(shí)變性會(huì)導(dǎo)致地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的時(shí)變性，不可避免地對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力產(chǎn)生影響，使得服役期內(nèi)遭遇地震時(shí)的損傷值變化，因此，建立科學(xué)的時(shí)變損傷評(píng)估方法對(duì)于研究復(fù)雜高層組合結(jié)構(gòu)的時(shí)變特性尤為重要.本文從常用的結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估方法入手，建立具備性能對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變模型.

2.1 基于整體法的結(jié)構(gòu)地震損傷時(shí)變模型

層間位移角是結(jié)構(gòu)地震變形中的重要控制參數(shù)，也是運(yùn)用整體法評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷的重要指標(biāo).結(jié)合規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)彈塑性階段的層間位移角限值及其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷等級(jí)劃分和結(jié)構(gòu)損傷程度的描述[10]，本文所采用的描述鋼筋-混凝土組合結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)見表1.

對(duì)于上述5個(gè)等級(jí)的損傷表述，不少研究工作者提出了與上述定性的損傷描述所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷值范圍.參考多位研究者的結(jié)論[5-9]，并根據(jù)變形損傷準(zhǔn)則，本文提出基于層間位移和地震損傷等級(jí)之間的5個(gè)等級(jí)的整體法結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估模型，如式(1)所示：

(1)

式中：Δu為服役期任意時(shí)刻結(jié)構(gòu)的層間位移值；Δu1,Δu2，Δu3和Δu4分別對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)達(dá)到輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和倒塌狀態(tài)時(shí)的層間位移限值.當(dāng)D達(dá)到0.8時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)已臨近倒塌.此模型能夠建立與結(jié)構(gòu)損傷等級(jí)和地震設(shè)防水準(zhǔn)的直接聯(lián)系，直觀評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能是否達(dá)到相應(yīng)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn).

相應(yīng)的層間位移限值可以根據(jù)層間位移角限值和樓層層高求得，見式(2)：

[Δu]=[θ]h

(2)

式中:[θ]為層間位移角限值;h為計(jì)算層層高.

根據(jù)式(1)和式(2)，并結(jié)合抗震設(shè)防的三水準(zhǔn)要求，認(rèn)為基本完好符合小震不壞，輕微損傷和中度損傷對(duì)應(yīng)中震可修，嚴(yán)重破壞滿足大震不倒的要求，本文將地震損傷對(duì)應(yīng)的5個(gè)等級(jí)與定義的損傷值對(duì)照，對(duì)界定地震破壞的不同等級(jí)的4個(gè)層間位移角限值命名為[θ1]，[θ2]，[θ3]和[θ4]，相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示.

表1 地震作用下結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)與層間位移角的關(guān)系

表2 層間位移角和結(jié)構(gòu)損傷值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 基于加權(quán)組合法的結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變模型

不同類別構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能的重要程度并不相同，且位于不同位置的構(gòu)件的損傷對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的影響也不盡相同.一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，損傷越大的構(gòu)件對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷的貢獻(xiàn)程度越大[11].據(jù)此，通過(guò)不同加權(quán)系數(shù)，本文提出基于構(gòu)件損傷并運(yùn)用加權(quán)組合獲得樓層損傷的時(shí)變模型：

(3)

式中:Djt為第j層在服役t年時(shí)的損傷；Dat-i為服役t年遭遇地震時(shí)第i個(gè)剪力墻的時(shí)變損傷值；Dbt-i為服役t年遭遇地震時(shí)第i個(gè)型鋼混凝土柱的時(shí)變損傷值；Dct-i為服役t年遭遇地震時(shí)第i個(gè)型鋼梁的時(shí)變損傷值；Ddt-i為服役t年遭遇地震時(shí)第i個(gè)混凝土連梁的時(shí)變損傷值；λat,λbt,λct和λdt分別為上述各類構(gòu)件在服役t年時(shí)的加權(quán)組合系數(shù)；k，l，m，n分別表示各類構(gòu)件的總個(gè)數(shù).

在評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，需要考慮不同各類別構(gòu)件的重要性的差異.規(guī)范針對(duì)鋼-混組合結(jié)構(gòu)制定了“關(guān)鍵構(gòu)件”、“主要構(gòu)件”、“次要構(gòu)件”和“耗能構(gòu)件”等構(gòu)件重要性類別的定義，其與損傷狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示.

表3 各類構(gòu)件損傷狀態(tài)與結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

規(guī)范規(guī)定，“個(gè)別”對(duì)應(yīng)數(shù)量不超過(guò)5%，“部分”對(duì)應(yīng)數(shù)量不超過(guò)30%，“多數(shù)”對(duì)應(yīng)數(shù)量不少于50%.在進(jìn)行加權(quán)組合時(shí)，往往依據(jù)結(jié)構(gòu)的各個(gè)損傷狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的構(gòu)件損傷狀態(tài)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)來(lái)給出重要性系數(shù).文獻(xiàn)[9]結(jié)合一典型鋼-混組合結(jié)構(gòu)樓層失效情況，獲得鋼筋混凝土剪力墻、型鋼混凝土柱、型鋼混凝土梁和混凝土連梁的重要性系數(shù)分別為：3.5,2.8,2.3和1.6，本文即采用此系數(shù)對(duì)構(gòu)件損傷進(jìn)行加權(quán)組合.

由于損傷越大的構(gòu)件對(duì)樓層的損傷影響也越大[5]，因此在定義加權(quán)組合系數(shù)時(shí)需要考慮損傷貢獻(xiàn)系數(shù).在服役期間各類構(gòu)件損傷呈現(xiàn)時(shí)變特性，因此結(jié)合構(gòu)件重要性系數(shù)a,b,c和d確立構(gòu)件具備時(shí)變特性的損傷組合加權(quán)系數(shù)，如式(4)所示.

(4)

通過(guò)加權(quán)組合法確立了各樓層時(shí)變損傷值后，再進(jìn)行加權(quán)組合來(lái)獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的損傷值，常用的結(jié)構(gòu)損傷加權(quán)組合如式(5)所示：

(5)

式中:λj為第j層樓層的損傷加權(quán)系數(shù)；Dj為第j層的樓層損傷.影響樓層損傷值系數(shù)λj的主要因素有兩個(gè)：樓層位置系數(shù)和樓層損傷值系數(shù).對(duì)于多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)而言，底部樓層的重要性遠(yuǎn)高于上部樓層，采用文獻(xiàn)[9]修正的非線性樓層重要性系數(shù)，如式(6)所示：

(6)

式中：N為樓層總數(shù)；j為第j層.

由于樓層的承載能力不同、樓層結(jié)構(gòu)分布不同、存在薄弱層等因素，不同樓層對(duì)于結(jié)構(gòu)的損傷貢獻(xiàn)不同，一般通過(guò)樓層損傷值或地震下樓層的能量不同確定.采用式(7)確立樓層損傷貢獻(xiàn)系數(shù)：

(7)

式中:ωjt為服役ta時(shí)在地震作用下第j層樓的樓層損傷貢獻(xiàn)數(shù)時(shí)變值；Djt為服役t年時(shí)遭遇地震作用的第j層樓層損傷值；Dmax-t為服役t年時(shí)遭遇地震作用的樓層損傷最大值.

結(jié)合上述兩個(gè)系數(shù)建立具備時(shí)變特性樓層的損傷加權(quán)系數(shù)：

(8)

式中:λjt為服役t年時(shí)在地震作用下第j層樓的樓層損傷加權(quán)系數(shù)時(shí)變值.

由此，可以獲得具備結(jié)構(gòu)性能多級(jí)對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變模型：

(9)

式中:λjt為結(jié)構(gòu)服役t年遭遇地震時(shí)第j層樓層的損傷加權(quán)系數(shù)，Djt為結(jié)構(gòu)服役t年遭遇地震時(shí)第j層的樓層損傷值.

3 算例分析

本算例為一高層寫字樓，內(nèi)部為混凝土剪力墻核心筒，外部為工字鋼混凝土混合柱和型鋼梁組成.結(jié)構(gòu)總高度90 m，20層，層高4.5 m.標(biāo)準(zhǔn)層的平面圖如圖2所示.抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.2 g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為0.35 s.在計(jì)算中未考慮樓板作用，可能導(dǎo)致計(jì)算的自振周期比真實(shí)結(jié)構(gòu)略大.結(jié)構(gòu)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，結(jié)構(gòu)的外部框架結(jié)構(gòu)和核心筒結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)都為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為60 a.具體截面尺寸及材料如表4所示.

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖及結(jié)構(gòu)示意圖

構(gòu)件主要材料截面尺寸剪力墻C40混凝土1800mm×400mm型鋼混凝土柱C40混凝土Q235鋼500mm×500mm型鋼梁Q235鋼250mm×250mm×9mm×14mm連梁C40混凝土1000mm×400mm

3.1 構(gòu)件纖維模型

采用纖維束模型進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，截面的軸向變形和彎曲變形通過(guò)每個(gè)纖維的軸向變形實(shí)現(xiàn)，纖維的應(yīng)力狀態(tài)通過(guò)纖維的應(yīng)變狀態(tài)求解，繼而計(jì)算截面的彎曲和軸力.纖維束模型如圖3所示.

圖3 構(gòu)件纖維束模型示意圖

圖4 鋼筋混凝土剪力墻截面及型鋼混凝土 柱截面纖維單元?jiǎng)澐质疽鈭D

本文選用Kent-Scott-Park模型[12]作為混凝土纖維的本構(gòu)模型，通過(guò)考慮混凝土材料受壓段的最大應(yīng)力和應(yīng)變以及應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段的退化曲率來(lái)反映箍筋的約束情況，獲得材料的剩余強(qiáng)度.混凝土本構(gòu)模型的示意圖如圖5所示.對(duì)于鋼筋混凝土和型鋼混凝土柱中的鋼材的纖維模型采用Menegotto-Pinto模型[13]，相應(yīng)的本構(gòu)模型的示意圖如圖6所示.

圖5 混凝土Kent-Scott-Park本構(gòu)模型

圖6 鋼材Menegotto-Pinto本構(gòu)模型

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定選取兩條天然波：E1-Centro和T2-Ⅱ-2波，以及一條人工波Northridge波進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析.根據(jù)不同設(shè)防水準(zhǔn)下不同烈度地震的要求，選用地震加速度峰值控制值，對(duì)3條地震波的加速度幅值進(jìn)行調(diào)幅處理，如式(10)所示：

(10)

通過(guò)MIDAS-GEN計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)自振周期為5.5 s，根據(jù)地震持續(xù)時(shí)間控制，選取為結(jié)構(gòu)自振周期的5～10倍，選擇地震波中較有代表性的一段，控制持續(xù)時(shí)間為30 s.調(diào)整加速度幅值和持續(xù)時(shí)間，則調(diào)整后的波形如圖7所示.輸入地震作用后，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程的求解獲得地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng).圖8為結(jié)構(gòu)受到加速度峰值為70 cm/s2的地震(El-Centro波)作用時(shí)，不考慮材料時(shí)變效應(yīng)的結(jié)構(gòu)頂部某節(jié)點(diǎn)在30 s內(nèi)的位移時(shí)程.

4.3 促進(jìn)旅游與相關(guān)產(chǎn)業(yè)融合，開發(fā)多元生態(tài)旅游產(chǎn)品 結(jié)合區(qū)域資源和產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際，公園旅游業(yè)發(fā)展要與其他產(chǎn)業(yè)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、共同發(fā)展，培育多條“旅游+X”產(chǎn)業(yè)鏈。引導(dǎo)跨行業(yè)投資旅游業(yè)，創(chuàng)新旅游業(yè)態(tài)。引導(dǎo)體育業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、文化業(yè)等企業(yè)集團(tuán)投資旅游業(yè)，發(fā)展特色旅游產(chǎn)業(yè)，如旅游農(nóng)業(yè)、旅游文化業(yè)、旅游運(yùn)動(dòng)業(yè)、旅游交通業(yè)等，開發(fā)多元的生態(tài)旅游產(chǎn)品，豐富游客體驗(yàn)，培育新型旅游市場(chǎng)主體群(表4)。

圖7 調(diào)整后的E1-Centro地震波

圖8 設(shè)計(jì)條件下結(jié)構(gòu)頂部某節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程響應(yīng)

3.2基于整體法損傷模型的多遇地震下結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)變特性

結(jié)構(gòu)遭遇多遇地震時(shí)，主要承載部分處于彈性變形區(qū)間，滿足“小震不壞”的設(shè)防要求是抗震設(shè)計(jì)的基本目標(biāo).研究處于彈性狀態(tài)的損傷時(shí)變效應(yīng)，可有效地識(shí)別結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后引起結(jié)構(gòu)變化的干擾因素，有助于了解損傷時(shí)變的規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)理.因此，首先對(duì)結(jié)構(gòu)遭遇多遇地震時(shí)的損傷加以研究.本文采用文獻(xiàn)[14-15]給出的混凝土材料在不同年限下的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的時(shí)變規(guī)律，分別如圖9和圖10所示.

圖9 C40混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)變特性

圖10 C40混凝土彈性模量時(shí)變特性

表5給出了服役5～60 a內(nèi)，每隔5 a抗壓強(qiáng)度和彈性模量的值.選取服役期5～60 a間每隔5 a的時(shí)變參數(shù)值輸入復(fù)雜高層鋼-混組合結(jié)構(gòu)，控制地震波的輸入，采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)的時(shí)變響應(yīng)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)變模型獲得時(shí)變損傷值，與設(shè)計(jì)條件下不考慮混凝土?xí)r變效應(yīng)獲得的損傷值加以對(duì)比.此處所謂的設(shè)計(jì)條件下的損傷值，意指對(duì)應(yīng)于不考慮時(shí)變性的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值40 MPa時(shí)的損傷值.

采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法所獲得的地震作用(EI-Centro波)期間，各樓層的最大層間位移值如圖11所示，可以看出，最大層間位移發(fā)生在第10層.選取該層的層間位移作為整體法分析結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷值的動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)，將不同年限的層間位移值代入式(1)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的時(shí)變損傷值并判定結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)，與不考慮結(jié)構(gòu)時(shí)變效應(yīng)的設(shè)計(jì)值比較，判別是否滿足相應(yīng)的設(shè)防要求.當(dāng)然，隨著結(jié)構(gòu)、地震波和地震波作用時(shí)間的不同，最大層間位移值以及發(fā)生的樓層都不盡相同，需要根據(jù)實(shí)際情況采用.

表5 不同服役時(shí)間點(diǎn)C40混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量

圖11 多遇地震下的最大層間位移 (EI-Centro波)

圖12為運(yùn)用整體法時(shí)變損傷模型獲得的結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷值.可以看出，損傷值呈現(xiàn)顯著的時(shí)變特性，服役5～15 a，損傷值呈下降趨勢(shì)，主要是由于此階段的混凝土材料強(qiáng)度和彈性模量的明顯增長(zhǎng)使得結(jié)構(gòu)剛度增加，抗側(cè)向作用能力加強(qiáng)，此時(shí)結(jié)構(gòu)主體處于彈性階段；結(jié)構(gòu)服役15～30 a時(shí)損傷值幾乎不變，此期間混凝土材料性能改變較?。环?0～60 a由于材料彈性模量及強(qiáng)度減小，結(jié)構(gòu)剛度降低，層間位移開始增大，時(shí)變損傷值明顯增大，第60 a時(shí)的損傷值相較于第30 a增長(zhǎng)40%以上.

可以看出，混凝土材料性能的改變所引起的結(jié)構(gòu)剛度變化可能是引起結(jié)構(gòu)損傷改變的主要原因，剛度變化帶來(lái)的結(jié)構(gòu)抗側(cè)向作用能力的變化，可能是影響結(jié)構(gòu)地震損傷值變化的主要因素.上述推論，需要通過(guò)進(jìn)一步分析來(lái)驗(yàn)證.

圖12 基于整體法多遇地震下的時(shí)變損傷 (E1-Centro波)

圖13和圖14分別給出了結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)遭遇多遇地震T2-Ⅱ-2波和Northridge波時(shí)，采用整體法損傷時(shí)變模型所獲得的結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷值.對(duì)比圖12、圖14，可以看出E1-Centro波和Northridge波下的時(shí)變損傷的變化趨勢(shì)較為一致，在T2-Ⅱ-2波作用下，結(jié)構(gòu)在服役第50～60 a時(shí)變損傷值顯著增加，隨著材料彈性模量等性能指標(biāo)下降，結(jié)構(gòu)剛度降低，開始進(jìn)入塑性變形區(qū)間，第60 a時(shí)損傷達(dá)到設(shè)計(jì)值的1.07倍左右.與E1-Centro波和Northridge波相比，遭遇T2-Ⅱ-2波時(shí)的時(shí)變損傷值較大，主要原因可能是由于后者接近地震時(shí)程加速度峰值的時(shí)間點(diǎn)多于前者.而在第30～50 a時(shí)變損傷有一定程度下降，隨著結(jié)構(gòu)剛度降低而增加，這與遭遇EI-Centro波和Northridge波的損傷變化規(guī)律相反，這可能是由于結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)以后，往往會(huì)引起振動(dòng)形態(tài)的改變，通過(guò)對(duì)比不同波作用下振動(dòng)形態(tài)的變化來(lái)探究上述現(xiàn)象發(fā)生的原因.在服役第30～50 a結(jié)構(gòu)剛度下降時(shí)，結(jié)構(gòu)抗側(cè)向作用能力下降，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的層間位移；與此同時(shí)，傳導(dǎo)至上部樓層的地震作用力也有所減小，從而導(dǎo)致上部樓層的層間位移減小，而結(jié)構(gòu)遭遇多遇地震T2-Ⅱ-2波時(shí)，最大層間位移多出現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu).也就是說(shuō)，在此工況下，上部樓層層間位移的變化引起了結(jié)構(gòu)損傷的變化，由此導(dǎo)致服役期30～50 a時(shí)遭遇此地震時(shí)結(jié)構(gòu)的時(shí)變損傷值呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

圖13 多遇地震下的結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷(T2-Ⅱ-2波)

圖14 多遇地震下的結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷(Northridge波)

圖15和圖16分別給出了服役期的不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)(服役第15 a，30 a，45 a和60 a)遭遇多遇地震E1-Centro波和T2-Ⅱ-2波時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間位移變化情況.可以發(fā)現(xiàn)，E1-Centro波下結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)穩(wěn)定，由于結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，剛度改變導(dǎo)致了抗側(cè)向力的改變，直接影響了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，但并未改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)，因此損傷與剛度變化呈現(xiàn)較高的一致性.而在T2-Ⅱ-2波下，結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)開始紊亂.

圖15 多遇地震(T2-Ⅱ-2波)下層間位移變化趨勢(shì)

圖16 多遇地震(Northridge波)下層間位移變化趨勢(shì)

考察圖16中結(jié)構(gòu)在服役第30 a和第45 a遭遇地震的層間位移變化，可以發(fā)現(xiàn)，在第45 a遭遇地震時(shí)，底部樓層的層間位移顯著增大，上部樓層卻有所減小.可以推測(cè)，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度下降時(shí)，結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力作用能力下降，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大層間變形，與此同時(shí)，傳導(dǎo)至上部樓層的地震作用力也有所減小，這說(shuō)明由于塑性變形等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)傳導(dǎo)地震作用的能力下降.在T2-Ⅱ-2波下，最大層間位移多出現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)，由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷值與剛度變化趨勢(shì)相一致.在服役60 a遭遇地震時(shí)，上下部樓層樓層位移整體增大，可見，當(dāng)剛度變化較為顯著時(shí)，結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力作用能力的變化仍為主要影響因素.

由以上分析推測(cè)：結(jié)構(gòu)剛度變化會(huì)引起抗側(cè)向力作用能力和傳遞地震作用能力的雙重改變，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)紊亂且時(shí)變損傷值出現(xiàn)波動(dòng).

3.3基于加權(quán)組合法損傷模型的多遇地震下結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)變特性

采用加權(quán)組合法計(jì)算結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，首先計(jì)算不同年限下結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的損傷值.結(jié)合構(gòu)件重要性系數(shù)和構(gòu)件損傷值貢獻(xiàn)系數(shù)計(jì)算構(gòu)件的加權(quán)系數(shù)，獲得樓層損傷值，再依據(jù)樓層位置系數(shù)和損傷貢獻(xiàn)系數(shù)，加權(quán)組合獲得結(jié)構(gòu)損傷.運(yùn)用加權(quán)組合法獲得的結(jié)構(gòu)遭遇E1-Centro波時(shí)的時(shí)變損傷如圖17所示.可以看出，損傷具有明顯的時(shí)變特征，特別是在服役45～60 a，時(shí)變損傷值隨著剛度下降而顯著增大.多數(shù)時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷值不同程度地高于設(shè)計(jì)值，在60 a時(shí)達(dá)到了設(shè)計(jì)值的1.65倍.與圖10進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，在服役第35～40 a，結(jié)構(gòu)剛度降低，時(shí)變損傷隨之增大，這點(diǎn)與圖10的結(jié)果并不一致.這是由于加權(quán)組合法綜合考慮了各類構(gòu)件損傷的變化，當(dāng)結(jié)構(gòu)主體處于彈性狀態(tài)時(shí)，時(shí)變損傷值與剛度密切相關(guān)，能更清晰地呈現(xiàn)材料時(shí)變特性對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.通過(guò)對(duì)遭遇不同波形的多遇地震作用時(shí)的時(shí)變損傷值進(jìn)行分析，進(jìn)一步探究了兩種方法評(píng)估結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷特性的差異.

圖17 多遇地震(El-Centro波)下時(shí) 變損傷值(加權(quán))

圖18給出了T2-Ⅱ-2波作用時(shí)，運(yùn)用加權(quán)組合法獲得的結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷值.可以看出，損傷呈現(xiàn)顯著的時(shí)變特性，最大時(shí)變損傷值為設(shè)計(jì)值的1.8倍，但與圖13所示整體法的時(shí)變損傷變化趨勢(shì)完全不同，在服役的前50 a，變化趨勢(shì)相反，可以通過(guò)對(duì)各類構(gòu)件的損傷變化加以分析，獲得產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因.

圖18 多遇地震(T2-Ⅱ-2波)下時(shí)變損傷值(加權(quán))

由于多遇地震下多數(shù)豎向構(gòu)件處于彈性階段，結(jié)構(gòu)損傷主要來(lái)自混凝土連梁等耗能構(gòu)件.表6列出了服役30～35 a的不同樓層各類構(gòu)件損傷均值.可以看出，處于彈性狀態(tài)的型鋼混凝土柱等豎向構(gòu)件尚未達(dá)到輕微損傷.換言之，剛度減小對(duì)豎向承載構(gòu)件的變形有所影響，但此階段損傷值無(wú)明顯改變，部分樓層的損傷可通過(guò)耗能構(gòu)件的損傷呈現(xiàn).如在30 a和35 a層間位移最大的16層及附近樓層連梁損傷呈下降趨勢(shì)，與整體法損傷模型一致，但在加權(quán)組合法中，綜合考慮了各類構(gòu)件和樓層損傷及其權(quán)重的影響后，結(jié)構(gòu)損傷呈現(xiàn)增大趨勢(shì).因此，加權(quán)組合法更加符合結(jié)構(gòu)在多遇地震下的損傷演化機(jī)理.

表6 服役期30 a與35 a的各樓層構(gòu)件損傷均值

為了與整體法獲得的損傷值加以比較，圖19給出了依據(jù)兩種方法，并將E1-Centro波、T2-Ⅱ-2波和Northridge波所得到的總損傷值加以平均后的時(shí)變的損傷值.

圖19 整體法和加權(quán)組合法的損傷均值

可以看出，兩種方法所得到的損傷均值具有較大差別.整體法所得到的服役前50 a的時(shí)變損傷均值與設(shè)計(jì)均值比較接近，而在服役50 a后時(shí)變損傷均值呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì).加權(quán)組合法損傷模型下，服役前50 a遭遇地震時(shí)的時(shí)變損傷均值呈現(xiàn)顯著非線性，表現(xiàn)出與剛度變化較強(qiáng)的相關(guān)性，在多遇地震作用下加權(quán)組合法損傷時(shí)變模型能夠更加全面的反映結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)變情況.綜合來(lái)看，整體法損傷時(shí)變?cè)u(píng)估模型下的結(jié)構(gòu)損傷要大于加權(quán)組合法損傷模型，但二者的變化趨勢(shì)基本一致，可利用整體法損傷時(shí)變模型與結(jié)構(gòu)抗震性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出加權(quán)組合法損傷時(shí)變模型相應(yīng)的性能指標(biāo).如根據(jù)圖18，可取加權(quán)組合法結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變模型達(dá)到“輕微損傷”時(shí)的損傷值為0.06，但是本文中計(jì)算的地震波數(shù)量較少，若要獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)損傷限值，還應(yīng)進(jìn)行其它地震波下的結(jié)構(gòu)損傷計(jì)算，減小偶然因素對(duì)其取值的影響.文章限于篇幅，未能對(duì)罕遇地震下結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)變效應(yīng)作相應(yīng)分析.

4 結(jié) 論

本文面向復(fù)雜高層鋼-混組合結(jié)構(gòu)，考慮混凝土材料參數(shù)變化所引起的局部構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)損傷變化，結(jié)合地震損傷時(shí)變模型，運(yùn)用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法，建立了基于結(jié)構(gòu)變形的整體法損傷時(shí)變模型和建立在構(gòu)件損傷基礎(chǔ)上的加權(quán)組合法損傷時(shí)變模型，研究了該類型結(jié)構(gòu)的地震損傷時(shí)變規(guī)律.通過(guò)上述工作獲得主要結(jié)論如下：

1)地震作用下的高層鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)損傷呈現(xiàn)顯著的時(shí)變特性，與不考慮材料時(shí)變特性的損傷設(shè)計(jì)值存在差異，存在部分情況下超出相應(yīng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象；

2)結(jié)構(gòu)在多遇地震下基本處于彈性階段且振動(dòng)形態(tài)穩(wěn)定，損傷時(shí)變效應(yīng)明顯，且與剛度變化呈現(xiàn)極強(qiáng)的相關(guān)性；

3)地震作用越大，結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變特性越顯著.遭遇部分多遇地震時(shí)，在結(jié)構(gòu)剛度變化不顯著的服役期前段，損傷值出現(xiàn)一定的波動(dòng).對(duì)比各構(gòu)件損傷，發(fā)現(xiàn)剛度變化引起結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)地震作用能力的變化.對(duì)比工程實(shí)踐，得出結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)地震作用能力與抗側(cè)向作用能力的共同作用導(dǎo)致在服役期內(nèi)遭遇地震作用時(shí)的結(jié)構(gòu)損傷呈現(xiàn)波動(dòng)性的結(jié)論；

4)整體法和加權(quán)組合法損傷時(shí)變模型獲得的損傷時(shí)變規(guī)律基本一致，但是前者的時(shí)變損傷值高于后者；兩種損傷時(shí)變模型各有特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合使用.整體法的結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變模型建立在國(guó)家相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，故能夠準(zhǔn)確地呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷值與結(jié)構(gòu)承載性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，直觀地反映材料時(shí)變特性對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的影響；加權(quán)組合法建立的損傷時(shí)變模型適用對(duì)構(gòu)件重要性易于評(píng)估的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，相比于前者，后者準(zhǔn)確性較高且能反映地震作用下各構(gòu)件的損傷程度，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)修正.因此，二者均可用于研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)損傷時(shí)變特性，此外，可以使用整體法損傷時(shí)變模型評(píng)估結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)，加權(quán)組合法損傷模型分析構(gòu)件性能狀態(tài).

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Research on Time-dependent Seismic Damage Characteristic of Complex High-rise Steel-concrete Composite Structure

WANG Ying?,LI Zhaoxia,WANG Ruozhu

(1.School of Civil Engineering,Southeast Univeristy,Nanjing 210096,China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Engineering Mechanics,Nanjing 210096,China)

1674-2974(2017)09-0052-11

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.09.007

2016-08-29

項(xiàng)目資助：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678135，51008069),National Natural Science Foundation of China(51678135，51008069)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3205007205),The Fundan ental Research Funds for the Central Universities(3205007205)

王瑩(1980—)，女，江蘇濱海人，東南大學(xué)副教授，博士

，E-mail:civil_wangying@seu.edu.cn

O346.1

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