RC框架结构办公建筑韧性影响因素分析

郭仕豪, 刘娟, 左健, 赵作周

郭仕豪, 刘娟, 左健, 赵作周. RC框架结构办公建筑韧性影响因素分析[J]. 工程力学. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2024.01.0036
引用本文: 郭仕豪, 刘娟, 左健, 赵作周. RC框架结构办公建筑韧性影响因素分析[J]. 工程力学. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2024.01.0036
GUO Shi-hao, LIU Juan, ZUO Jian, ZHAO Zuo-zhou. ANALYSIS ON FACTORS AFFECTING THE RESILIENCE OF A RC FRAME STRUCTURE OFFICE BUILDING[J]. Engineering Mechanics. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2024.01.0036
Citation: GUO Shi-hao, LIU Juan, ZUO Jian, ZHAO Zuo-zhou. ANALYSIS ON FACTORS AFFECTING THE RESILIENCE OF A RC FRAME STRUCTURE OFFICE BUILDING[J]. Engineering Mechanics. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2024.01.0036

RC框架结构办公建筑韧性影响因素分析

基金项目: 国家重点研发计划项目(2022YFC3003602)
详细信息
    作者简介:

    郭仕豪(1999−),男,山东人,硕士生,主要从事建筑抗震韧性研究(E-mail: gsh22@mails.tsinghua.edu.cn)

    刘 娟(1992−),女,山东人,博士,主要从事钢筋混凝土结构抗震研究(E-mail: lj2022@mail.tsinghua.edu.cn)

    左 健(1986−),男,辽宁人,高工,硕士,主要从事结构工程设计与研究(E-mail: zuojian2006@163.com)

    通讯作者:

    赵作周(1967−),男,甘肃人,副教授,博士,博导,主要从事结构工程抗震研究(E-mail: zzzhao@tsinghua.edu.cn)

  • 中图分类号: TU375.4

ANALYSIS ON FACTORS AFFECTING THE RESILIENCE OF A RC FRAME STRUCTURE OFFICE BUILDING

  • 摘要:

    基于《建筑抗震韧性评价标准》GB/T 38591−2020,本文对一栋7度(0.1 g)抗震设防、采用高强混凝土的RC框架结构高层办公建筑进行了抗震韧性评价,定量分析了提高结构体系阻尼比(模拟消能加固)、改变结构构件抗震性能、改变非结构构件抗震性能、提高电梯抗震性能参数对该框架结构建筑震后修复费用、修复时间和人员伤亡的影响,以及抗震韧性评价结果的变化。结果表明:通过消能加固技术提高结构体系的阻尼比可明显降低结构的地震响应,三个韧性评价指标均呈现不同程度的下降;改变结构构件抗震性能对建筑修复时间和人员伤亡的影响显著高于非结构构件抗震性能变化的影响,提升结构构件的抗震性能可使修复时间和人员伤亡大幅下降;非结构构件抗震性能变化对建筑震后修复费用的影响显著高于结构构件,提升非结构构件的抗震性能可使修复费用大幅下降;提高电梯抗震性能参数可以显著缩短修复时间。研究结果可为不同目标导向的建筑抗震韧性提升设计提供参考。

    Abstract:

    Based on the "Standard for seismic resilience assessment of buildings" GB/T 38591−2020, the seismic resilience of a high-rise RC frame structure office building with high-strength concrete in 7-degree (0.1 g) fortification earthquake zone was evaluated in this research. A quantitative analysis was conducted on the resilience assessment indicators of post-earthquake repair cost, repair time and personnel casualties, as well as the changes in the seismic toughness evaluation results, in terms of improving the damping ratio of the structural system (energy dissipation retrofitting), changing the seismic performance of structural and non-structural components, and changing the seismic performance parameters of elevator. The results show that increasing the damping ratio of the structural system through energy dissipation retrofitting technology can significantly reduce the seismic response of the structure, and the three resilience indexes show varying degrees of decline. The impact of changes in structural component on building repair time and personnel casualties is significantly higher than that of non-structural components. Improving the seismic performance of the structural components can significantly reduce repair time and personnel casualties. The impact of changes in seismic performance of non-structural components on post-earthquake repair costs is significantly higher than that of structural components. Enhancing the seismic performance of non-structural components can significantly reduce repair costs. Moreover, improving the seismic performance parameters of elevators can significantly shorten the repair time. The research results can provide guidance for improving seismic resilience design of buildings with different targets.

  • 抗震减灾领域的研究理念正逐步从保证结构安全向减轻地震损失、保障建筑功能、提升建筑功能的恢复能力转变。在此背景下,研究建筑抗震韧性水平的量化评估方法以及如何提升其抗震韧性,成为了地震工程领域的研究热点。

    2003年,美国地震工程研究中心(简称 EERI)首次提出了抗震韧性(Seismic Resilience)的概念[1],在建筑层面开展抗震韧性评价工作走在了相关领域的最前沿。2012年,美国联邦应急管理局(FEMA)提出了建筑抗震性能评估方法FEMA P-58[2],通过评估建筑修复时间、修复成本以及人员伤亡的具体指标来表征建筑抗震韧性水平。2013年,英国奥雅纳公司在FEMA P-58的基础上,提出计入公共设施中断时间和震后延迟开工时间的三级制韧性评级标准REDi[3]。2015年USRC开发了USRC Building Rating System[4]韧性评估集成平台,建立了一套五星制韧性评级体系。国内外学者应用上述方法对建筑展开了大量定性定量评估[56]

    2020年,国家标准GB/T 38591−2020《建筑抗震韧性评价标准》[7](下称《标准》)发布,提出了适合我国国情的抗震韧性指标计算方法与评价标准。《标准》发布后,国内学者基于《标准》针对各类建筑展开了建筑的韧性评价研究。王啸霆等[8]开发了韧性标准的配套软件,按照韧性标准给出的评价流程,完成了六栋RC框架结构建筑的韧性评价。崔明哲等[9]对既有高层剪力墙建筑进行了抗震韧性评价,对评估不确定性范围和结构构件易损性组归并的影响展开分析。岳哲萌[10]基于《标准》对1栋4层框架结构及1栋12层框剪结构开展了抗震韧性评价研究。乔保娟等[11]采用基于材料应力-应变或构件转角的方法来判断构件损伤状态,提高了对复杂建筑的适用性。杨参天等[12]研究了多塔大底盘层间隔震建筑的抗震韧性,发现大底盘对层间隔震建筑的地震响应存在放大效应。解琳琳等[13]以8度区RC框架-剪力墙工程为例,设计了3个不同标准下的隔振案例并开展了韧性评价。卢啸等[14]研究了填充墙力学贡献对办公楼抗震韧性的影响,发现考虑填充墙的力学贡献能大幅减少结构构件和位移型非结构构件的修复费用和时间。

    既有抗震韧性评价的研究中大多只讨论了不同结构类型及减隔震技术对建筑韧性评价结果的影响,而对采取不同抗震韧性提升措施对建筑具体韧性评价指标的影响研究较少。目前既有建筑存在抗震韧性提升的巨大需求,但对应当采取哪些措施才能更高效的提升抗震韧性以及不同措施对具体抗震韧性指标的提升程度的研究并不充分。

    基于施炜等[15]的研究成果,按照我国建筑抗震规范设计的RC框架结构中,满足7度(0.1 g)设防要求设计的框架结构抗地震倒塌能力最差,因此,本文以7度(0.1 g)设防的框架结构为例,基于《标准》对一栋典型的7度(0.1 g)设防RC框架高层建筑进行抗震韧性评价,定量分析改变结构阻尼比(模拟消能加固)、结构构件工程需求参数、非结构构件选型及电梯性能对其韧性评级结果、修复费用指标、修复时间指标及人员伤亡指标的影响程度,为相关工程设计提供参考。

    根据GB 50011−2010《建筑抗震设计规范》[16] (下称《抗规》)要求设计了一栋典型框架结构办公楼,层高3.9 m,共10层,总高度39 m(局部43 m)。抗震设防烈度为7度(0.1 g)、场地类别为II类、设计地震分组为第二组、场地特征周期为0.4 s。框架柱如采用C40级混凝土,底层柱截面需700 mm×700 mm才能满足轴压比要求,此时结构最大层间位移角仅为1/1238(不进行周期折减),远小于规范限值1/550要求。因此,设计中通过采用高强混凝土来减小柱截面尺寸,使结构更加合理。

    设计参数如下:柱混凝土采用C60级混凝土,结构底部5层框架柱(柱1)截面尺寸为550 mm×550 mm,上部5层框架柱截面尺寸为450 mm×450 mm;柱2各层均为450 mm×450 mm。梁板采用C40级混凝土,主体结构主梁截面尺寸均为300 mm×700 mm(主梁1)和300 mm×400 mm(主梁2),次梁截面尺寸为250 mm×400 mm,顶部突出屋面部分的梁截面尺寸为300 mm×400 mm,板厚为120 mm。柱纵筋采用HRB600,梁纵筋采用HRB400,梁柱箍筋均采用HRB400级钢筋。结构平面布置与三维模型见图1,梁柱截面配筋见图2

    图  1  框架结构示意  /mm
    Figure  1.  Schematic diagram of frame structure
    图  2  梁柱截面配筋图  /mm
    Figure  2.  Beam and column reinforcement diagram

    荷载取值如下:楼面附加恒荷载取2.2 kN/m2,不上人屋面,屋面附加恒荷载5 kN/m2;根据GB 55001−2021《工程结构通用规范》[17],该办公建筑结构活荷载取值如下:楼面取2.5 kN/m2,卫生间取2.5 kN/m2,楼梯间取3.5 kN/m2,屋面取0.5 kN/m2,设备机房、电梯等特殊位置活荷载均按产品厂家提供的资料取用。填充墙采用0.2 m厚蒸压加气混凝土砌块墙,容重8.0 kN/m3,内墙线荷载取8.5 kN/m,外墙取10 kN/m。

    采用PKPM软件完成了该结构的抗震设计,计算结果显示:7度小震不进行周期折减时,结构最大层间位移角为1/1039;考虑填充墙影响进行周期折减时(折减系数取0.7),结构最大层间位移角为1/759,满足规范限值1/550要求。

    利用开源软件OpenSees[18]建立了基于纤维模型的该框架结构三维数值分析模型。梁和柱均采用基于力的非线性梁柱单元(forceBeamColumn),各构件设置2个节点,划分1个单元,设置4个Gauss-Lobatto积分点。楼板采用刚性楼板假定。梁、柱构件截面纤维划分结果如图3所示,考虑了箍筋对核心混凝土的约束作用,考虑楼板作为翼缘的有利作用,依据GB 50010−2010《混凝土结构设计规范》[19]按T/L型梁(对应中梁和边梁)建模。选用具有明显屈服平台的ReinforcingSteel模型模拟钢筋,见图4(a),强度按照标准值选取。选用单轴材料Concrete01对保护层和核心区混凝土进行建模,该本构模型为修正的Kent-Park模型,不考虑混凝土受拉贡献,见图4(b)。

    图  3  梁柱截面纤维划分  /mm
    Figure  3.  Beam and column section fiber division
    图  4  材料本构模型
    Figure  4.  Material constitutive model

    为进一步验证结构建模方法与材料本构模型的正确性,对课题组既有试验试件进行了有限元模拟[20],模拟结果与试验实测滞回曲线吻合较好(见图5)。

    图  5  模拟结果与试验结果对比
    Figure  5.  Comparison of numerical and experimental results

    为了验证基于OpenSees的有限元模型与PKPM设计模型的一致性,表1所示为二者的计算结构质量、模型前三阶周期的结果对比,可以看到,两个软件计算的结构总质量相差不足2%,前三阶振型周期差异不超过1%。表明本文使用OpenSees建立的数值分析模型准确再现了所设计结构的基本动力特性。此外,模态质量参与系数表明,结构的第1振型为Y方向平动,第2振型为X方向平动,第3振型为Z方向的扭转。

    表  1  模态分析结果
    Table  1.  Modal analysis results
    软 件 结构质量/t 振型周期/s
    1st(Y向)
    2nd(X向) 3rd(扭转)
    Tpk99571.8891.7651.575
    Tos101531.9051.7811.587
    误差/(%)1.970.850.910.76
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    依据《标准》的选波要求,根据相应的场地类型、地震设计分组、阻尼比和设防烈度,从PEER强地震动数据库中选取了9条天然地震动记录,从SAUSAGE中选择了2条人工波记录。图6显示了这11条地震波的加速度反应谱。可以看出,平均加速度谱曲线与设计规范规定的目标谱在基本周期处误差不超过5%,满足《抗规》要求。

    图  6  加速度反应谱
    Figure  6.  Acceleration response spectra

    完成了结构在设计7度设防地震和7度罕遇地震作用下的动力响应分析,通过改变结构阻尼比,模拟在原结构基础上(5%阻尼比)设置速度型消能器加固(阻尼比增加到8%及10%)的效果,对比结构地震响应的差异。X向和Y向的层间位移角及楼层加速度统计结果见图7~图10,结构最大响应(不考虑电梯局部突出的鞭哨效应)见表2表3。由图可见,结构最大层间位移角出现在第六层,最大楼层加速度出现在第十层(不考虑电梯局部突出的鞭哨效应),增大结构阻尼比可以显著降低结构的最大层间位移角和最大楼面加速度。阻尼比由5%增大至10%,在7度设防地震和7度罕遇地震下的最大层间位移角分别降低27%与24%,对于最大楼面加速度则分别降低27%与25%。罕遇地震作用下结构时程分析的最大层残余位移角结果满足《标准》中不大于0.5%的限值,可以进行下一步的抗震韧性评价工作。

    图  7  7度设防烈度地震下5%阻尼比结构响应
    Figure  7.  Structural response with 5% damping ratio under 7-degree fortification design earthquake level
    图  8  7度设防烈度地震下不同阻尼比结构响应平均值对比
    Figure  8.  Comparison of mean values of structural response for different damping ratios under 7-degree fortification design earthquake level
    图  9  7度罕遇地震5%阻尼比结构响应
    Figure  9.  Structural response with 5% damping ratio under 7-degree rare earthquake level
    图  10  7度罕遇地震不同阻尼比结构响应平均值对比
    Figure  10.  Comparison of mean values of structural response for different damping ratios under 7-degree rare earthquake level
    表  2  7度设防烈度地震作用下结构最大响应
    Table  2.  Maximum structural response under 7-degree fortification design earthquake level
    阻尼比/(%) 最大层间位移角/(%) 最大楼面加速度/(m·s−2)
    X Y X Y
    5 0.28 0.24 1.526 1.563
    8 0.23 0.20 1.237 1.277
    10 0.20 0.18 1.115 1.145
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    表  3  7度罕遇地震作用下结构最大响应
    Table  3.  Maximum structural response under 7-degree rare earthquake level
    阻尼比/(%) 最大层间位移角/(%) 最大楼面加速度/(m·s−2)
    X Y X Y
    5 0.67 0.61 3.102 3.051
    8 0.56 0.52 2.466 2.661
    10 0.50 0.47 2.208 2.436
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    本文主要研究改变结构阻尼比(模拟消能加固)、改变结构构件工程需求参数(采用高性能结构构件)、建筑非结构构件选型(采用抗震性能较好非结构构件)以及电梯设备性能(采用高性能设备)四个影响因素对建筑抗震韧性评价结果的影响程度。结构阻尼比分别取5%、8%、10%,其中5%对应未加固状态;非结构构件选型为在《标准》的非结构构件工程需求参数表中选择抗震性能普通和抗震性能较好两种类别;结构构件工程需求参数为按《标准》推荐取值和在其基础上提升30%,模拟结构构件采用高性能构件后延性提升,并考虑了电梯性能提升的影响。建筑抗震韧性评级的基本流程见图11

    图  11  建筑抗震韧性评级流程
    Figure  11.  Building seismic resilience assessment proceeding

    根据常见典型办公楼建筑、机电设备专业施工图纸,收集建筑信息。本文统计了建筑抗震韧性评价所需的构件信息,包括结构构件和非结构构件的种类、数量、几何尺寸、楼层分布等。人员密度模型取《标准》中给出的办公用房建议值0.5人/m2,不随时间而变化。

    该办公建筑主要结构构件、非结构构件信息见表4表5,其中部分非结构构件对抗震韧性指标的计算存在显著影响,因此将非结构构件采用的具体类别也在表中列出以进行对比。算例所涉及的各类构件的敏感类型及工程需求参数均按照《标准》选取,构件造价采用《标准》配套云平台的默认数据[21]

    表  4  建筑构件信息(其中非结构构件为标准类别)
    Table  4.  Building component information (non-structural components are standard category)
    构件名称 工程需求参数类别 具体类别 分布楼层 单位 单价/元 每层数量
    框架梁 Θ 700×300 mm(主梁1) 1~10 2700 12(X向)/17(Y向)
    400×300 mm(主梁2) 1~10 1100 12(X向)/5(Y向)
    11 2(X/Y向)
    400×250 mm(次梁) 1~10 800 11(X向)
    框架柱 Θ 550×550 mm (柱1) 1-5 2200 28
    450×450 mm (柱1) 6~10 1500 28
    450×450 mm (柱2) 1~11 4
    填充墙 Θ 轻钢龙骨石膏板,到顶,上、下端固定 1~10 m2 220 185(X/Y向)
    隔墙饰面 Θ 石膏板+墙纸,到顶,上、下端固定 1~10 m2 130 185(X/Y向)
    吊顶 PFA 面积:25 m2~95 m2,仅垂直支撑 1~10 m2 225 670
    悬挂式灯具 PFA 非抗震设计 1~10 200 20
    冷水管 PFA 管径>80 mm;仅垂直支撑 1~10 m 120 70
    热水管 PFA 管径<80 mm; 仅垂直支撑,管道破坏 1~10 m 60 45
    管径>80 mm; 仅垂直支撑,管道破坏 1~10 m 60 50
    污水管 PFA 铸铁管,插接,仅垂直支撑,支撑破坏 1~10 m 260 70
    暖通空调风管 PFA 镀锌钢管,截面大于0.6 m2,水平支撑 1~10 m 40 70
    消防喷淋水管 PFA 水平支管,无支撑 1~10 m 165 90
    喷头立管 PFA 嵌入无支撑柔性可拆卸吊顶,长度不超过2 m 1~10 68 80
    支管及风口 PFA 位于吊顶内,无独立安装绳 1~10 150 15
    楼梯 Θ 非单片式预制混凝土楼梯构件,非抗震节点 1~10 8000 1
    空调系统风机 PFA 无隔振、无锚固 1~10 14819 1
    VAV 箱带卷盘 PFA 水平或垂直支撑 1~10 800 4
    电梯 PFA 曳引电梯 1 200000 1
    冷水机组 PFA 容量:100 t~350 t,无锚固,无隔振 10 125000 1
    冷却塔 PFA 容量:100 t~350 t,无锚固,无隔振 10 55000 1
    空气处理机组 PFA 容量:2.35 m3/s~4.7 m3/s,无锚固、无隔振 10 43632 1
    电机控制箱 PFA 无锚固、无隔振 10 5432 1
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    表  5  建筑构件信息(其中非结构构件为性能较好类别)
    Table  5.  Building component information (non-structural components are high performance category)
    构件名称 工程需求参数类别 具体类别 分布楼层 单位 单价/元 每层数量
    框架梁 Θ 700×300 mm(主梁1) 1~10 2700 12(X向)/17(Y向)
    400×300 mm(主梁2) 1~10 1100 12(X向)/5(Y向)
    11 2(X/Y向)
    400×250 mm(次梁) 1~10 800 11(X向)
    框架柱 Θ 550×550 mm (柱1) 1~5 2200 28
    450×450 mm (柱1) 6~10 1500 28
    450×450 mm (柱2) 1~11 4
    填充墙 Θ 轻钢龙骨石膏板,不到顶,下端固定,上端侧向支撑 1~10 m2 220 185(X/Y向)
    隔墙饰面 Θ 石膏板+墙纸,不到顶,下端固定,上端侧向支撑 1~10 m2 130 185(X/Y向)
    吊顶 PFA 面积:25 m2~95 m2,垂直支撑与侧向支撑 1~10 m2 225 670
    悬挂式灯具 PFA 抗震设计 1~10 200 20
    冷水管 PFA 管径>80 mm;垂直与侧向支撑、管道破坏 1~10 m 120 70
    热水管 PFA 管径<80 mm;垂直与侧向支撑,管道破坏 1~10 m 60 45
    管径>80 mm;垂直与侧向支撑,管道破坏 1~10 m 60 50
    污水管 PFA 铸铁管,插接,仅垂直支撑,支撑破坏 1~10 m 260 70
    暖通空调风管 PFA 镀锌钢管,截面大于0.6 m2,水平支撑 1~10 m 40 70
    消防喷淋水管 PFA 水平支管,有支撑 1~10 m 165 90
    喷头立管 PFA 嵌入有支撑柔性可拆卸吊顶,长度不超过2 m 1~10 68 80
    支管及风口 PFA 位于吊顶内,无独立安装绳 1~10 150 15
    楼梯 Θ 非单片式预制混凝土楼梯构件,非抗震节点 1~10 8000 1
    空调系统风机 PFA 隔振、无限位措施 1~10 14819 1
    VAV 箱带卷盘 PFA 水平或垂直支撑 1~10 800 4
    电梯 PFA 曳引电梯 1 200000 1
    冷水机组 PFA 容量:100 t~350 t,有锚固或隔振 10 125000 1
    冷却塔 PFA 容量:100 t~350 t,有锚固或隔振 10 55000 1
    空气处理机组 PFA 容量:2.35 m3/s~4.7 m3/s,有锚固 10 43632 1
    电机控制箱 PFA 有锚固或隔振 10 5432 1
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    标准非结构构件为工程需求参数较小的类别,代表了建筑内部非结构构件未考虑抗震设计,称抗震性能普通的情况,对经抗震设计的非结构构件,选型为工程需求参数相对较大的类别,对应抗震性能较好的情况。类别有变化的非结构构件包括填充墙、吊顶、各类管线、冷却机组、冷却塔、空调处理机组和空调系统风机(在表5中加粗表示)。吊顶、管线的常规选型与较好选型的区别为有无水平支撑;大型设备的常规选型与较好选型的区别为有无锚固或隔振措施,相对来说措施简单,仅增加了部分支撑和锚固,这些措施在既有建筑中可以很容易的实现以快速提高非结构构件的抗震韧性。

    电梯作为高层建筑必要的竖向运输设备,因其高维修费用及长维修时间成为高层建筑中的关键非结构构件。分析发现电梯损伤对修复时间影响很大,因此根据《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》[22]中轨道支撑点加密类型的容许值,将其工程需求参数从0.39 g提升至0.5 g,分析了其变化对建筑韧性评价的影响。

    在弹塑性时程分析结果中,提取楼层最大层间位移角(IDR)和楼层峰值加速度(PFA),分别生成m×n的需求矩阵,其中m为选取的地震波数量,m=11,n为楼层数量,n=11。

    弹塑性时程分析后,结果被组装成原始工程需求参数矩阵,矩阵中的每行代表一次时程分析得到的响应,每列代表从分析中得到的特定需求参数的峰值。采用蒙特卡洛模拟方法对原始工程需求参数矩阵进行扩充,模拟次数取1000次,工程需求参数矩阵的行数由m=11扩充为m=1000,模拟结构进行1000次给定地震水准下的弹塑性时程分析。扩充后的工程需求参数矩阵与时程分析得到的原始工程需求参数矩阵,应具有相同的均值和协方差。

    考虑四个影响因素,建立了13个模型,编号分别是K01-K13。对所有情况下的样本进行7度设防烈度地震和罕遇地震水平下的抗震韧性等级评价,结果见表6表7。首先判定该建筑在设防烈度地震下是否满足一星级要求,如果不满足一星级要求则评价结束。在满足一星级要求的基础上,再进行罕遇地震下二星和三星级的评定,如罕遇地震下未能达到二星级要求则定级为一星级。

    表  6  抗震韧性评价结果(设防地震)
    Table  6.  Seismic resilience assessment results (fortification earthquake)
    序号 阻尼比/(%) 非结构构件 结构构件 修复费用/(%) 等级 修复时间/天 等级 受伤率/(%) 死亡率/(%) 等级 总评级
    K01 5 普通性能 普通性能 4.92 23.24 1.12×10−3 0
    K02 8 3.91 20.24 6.20×10−4 0
    K03 10 1.92 11.26 3.70×10−4 0
    K04 5 较好性能 4.40 23.21 1.12×10−3 0
    K05 8 3.71 19.98 6.20×10−4 0
    K06 10 1.79 6.38 2.50×10−4 0
    K07 5 普通性能 较好性能 4.39 20.28 2.50×10−4 0
    K08 8 3.55 18.29 1.20×10−4 0
    K09 10 1.62 5.34 0 0
    K10 5 较好性能 3.95 20.21 3.70×10−4 0
    K11 8 3.33 18.26 1.20×10−4 0
    K12 10 1.41 4.94 0 0
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    表  7  抗震韧性评价结果(罕遇地震)
    Table  7.  Seismic resilience assessment results (rare earthquake)
    序号 阻尼比/(%) 非结构构件 结构构件 修复费用/(%) 等级 修复时间/天 等级 受伤率/(%) 死亡率/(%) 等级 总评级
    K01 5 普通性能 普通性能 15.15 44.25 1.50×10−1 2.55×10−2
    K02 8 12.25 42.18 7.70×10−2 1.28×10−2
    K03 10 9.97 ☆☆ 40.01 6.30×10−3 3.70×10−4 ☆☆☆
    K04 5 较好性能 11.63 44.21 1.46×10−1 2.54×10−2
    K05 8 9.24 ☆☆ 41.72 7.64×10−2 1.27×10−2
    K06 10 8.23 ☆☆ 39.73 6.00×10−3 3.70×10−4 ☆☆☆
    K07 5 普通性能 较好性能 13.95 39.11 6.80×10−3 5.00×10−4 ☆☆☆
    K08 8 10.88 35.26 4.10×10−3 1.20×10−4 ☆☆☆
    K09 10 8.83 ☆☆ 32.51 3.24×10−3 0 ☆☆☆
    K10 5 较好性能 9.69 ☆☆ 38.22 6.10×10−3 3.70×10−4 ☆☆☆
    K11 8 7.95 ☆☆ 34.30 4.00×10−3 1.20×10−4 ☆☆☆
    K12 10 6.89 ☆☆ 29.98 ☆☆ 3.11×10−3 0 ☆☆☆ ☆☆
    K13 10 较好性能* 较好性能 4.97 ☆☆☆ 18.18 ☆☆ 3.10×10−3 0 ☆☆☆ ☆☆
    注:*代表电梯工程需求参数中位值提升至0.5 g
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    对于按照现行《抗规》设计的RC框架K01,其韧性评级仅能获得一星级;K03为进行消能减震技术加固后阻尼比提升到10%的情况,K05为8%阻尼比下非结构构件采用较好性能的情况,其修复费用指标都达到了二星级要求;K12模型为分别经过消能减震技术加固和结构、非结构构件性能提升后的情况,其修复费用指标和修复时间指标都达到二星级要求,总评级为二星级。K13模型是在K12模型基础上提升电梯的抗震性能,修复费用及修复时间均大幅缩减,修复费用指标达到三星级要求。

    图12图13为不同方案下的修复费用与修复时间的变化。考察图12中非结构构件修复费用占比情况,发现对于原结构或消能减震技术加固后的RC框架结构建筑,非结构构件在修复费用指标中的占比要高于结构构件。比较图13中不同方案对应第一阶段修复时间占比情况,发现结构构件对修复时间指标的影响要显著高于非结构构件。经历罕遇地震后第二阶段的修复时间始终保持13.1 d不变,这是因为曳引电梯一旦损坏,《标准》中建议就要花费13.1 d进行修复,成为建筑总修复时间难以大幅降低的关键阻碍。因此,补充了模型K13考虑电梯工程需求参数提升的例子,可以看出电梯是否损坏对于非结构构件修复时间与修复费用影响显著。以模型K12为基准,模型K13的修复费用降低27.9%,修复时间降低39.4%。

    图  12  不同工况下修复费用对比
    Figure  12.  Repair costs under different operating conditions
    图  13  不同工况下修复时间变化
    Figure  13.  Repair time under different operating conditions

    以K01为基准,分别比较设防烈度地震与罕遇地震下提升阻尼比对建筑韧性评价指标的提升效果,结果见表8。相对7度设防烈度地震5%阻尼比的模型K01,8%阻尼比和10%阻尼比模型的修复费用分别降低了20.5%与61.0%,修复时间分别降低了12.9%与51.5%,设防烈度地震下10%阻尼比模型的修复费用与修复时间均有大幅降低是因为电梯没有损坏。相对7度罕遇地震5%阻尼比模型K01,8%阻尼比和10%阻尼比模型的修复费用分别降低了19.1%与34.2%,修复时间分别降低了4.7%与9.6%,人员受伤率分别降低了48.6%与95.8%,对三大指标降低均有显著效果。

    表  8  阻尼比对建筑韧性评价指标的影响
    Table  8.  Influence of damping ratio on the resilience index
    地震水平 序号 阻尼比/
    (%)
    修复费用
    变化/(%)
    修复时间
    变化/(%)
    人员受伤率
    变化/(%)
    设防地震 K01 5 0 0 0
    K02 8 −20.5 −12.9 −44.6
    K03 10 −61.0 −51.5 −67.0
    罕遇地震 K01 5 0 0 0
    K02 8 −19.1 −4.7 −48.6
    K03 10 −34.2 −9.6 −95.8
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    以K01为基准,比较设防烈度地震与罕遇地震下提升非结构构件的抗震性能和结构构件的工程需求参数对建筑韧性评价指标的提升效果,结果见表9。设防烈度地震下提升非结构构件的抗震性能分别让修复费用、修复时间降低了10.6%与0.1%;罕遇地震下分别让修复费用、修复时间与人员受伤率对应降低了23.2%、0.1%和2.5%。可以看出在罕遇地震下提升非结构构件的抗震性能选型对修复费用的降低有显著影响,但对修复时间和人员伤亡率的影响很小。假设结构构件工程需求参数提高30%后,对应设防烈度地震与罕遇地震,修复费用、修复时间与人员受伤率分别降低了10.8%、12.7%与77.7%和7.9%、9.4%与95.5%,罕遇地震下提升结构构件的工程需求参数对修复时间和人员伤亡的降低有显著影响,但对修复费用的影响相对较小。

    表  9  结构与非结构构件性能对韧性指标的影响
    Table  9.  Influence of structural and non-structural elements on the resilience index
    地震水平 序号 修复费用
    变化/(%)
    修复时间
    变化/(%)
    人员受伤率
    变化/(%)
    设防地震 K01 0.0 0.0 0.0
    K07 −10.8 −12.7 −77.7
    K04 −10.6 −0.1 0.0
    罕遇地震 K01 0.0 0.0 0.0
    K07 −7.9 −9.4 −95.5
    K04 −23.2 −0.1 −2.5
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    《标准》中,电梯设备损坏就将使修复时间远超三星级(7 d)要求,而8度设计罕遇地震下减震建筑的最大楼层加速度很难小于0.4 g,导致电梯大概率损坏而无法达到三星级要求。单个设备对韧性评级的影响过大,是《标准》值得改进的地方。此外《标准》中的修复原则为层间全部并行修复,对于一般建筑较为适用,但对于超高层建筑,全部并行修复对工人总量需求过高,建议对楼内总工人数量进行上限限制,如采用REDi建议的260人[23]

    本文基于《建筑抗震韧性评价标准》对一栋采用高强混凝土的高层RC框架结构办公建筑进行了抗震韧性评价,对其修复费用、修复时间和人员伤亡进行了计算评级,依此确定了其抗震韧性等级,并研究了其结构阻尼比增加(模拟消能加固)、提升结构构件工程需求参数(采用高性能结构构件)、建筑非结构构件选型(采用抗震性能较好非结构构件)以及电梯性能改善(采用高性能电梯)对其韧性指标的影响程度,主要结论如下:

    (1)对建筑进行消能减震加固,提升结构的阻尼比对建筑韧性的提升有显著作用。算例中RC框架结构阻尼比从5%提升至10%,使罕遇地震下建筑修复费用、修复时间以及受伤率分别降低34.2%、9.6%与95.8%。

    (2)在设防烈度和罕遇地震作用下,结构构件对修复时间和人员伤亡的影响显著高于非结构构件。算例RC框架结构构件工程需求参数提高30%能使罕遇地震下建筑修复时间和受伤率分别下降9.4%和95.5%,但对修复费用影响较小,如需降低修复时间应从提高结构构件韧性入手。

    (3)非结构构件对修复费用的影响显著高于结构构件,算例中RC框架结构通过管线设置水平支撑、大型设备加强地脚锚固等措施提升部分非结构构件的抗震性能,能使罕遇地震下建筑修复费用下降23.2%,是大幅降低修复费用的可靠方法,但对修复时间和人员伤亡指标影响较小,如需降低修复费用应从提高非结构构件韧性入手。

    (4)电梯作为关键非结构构件其损坏与否对修复费用和修复时间有显著影响,7度罕遇地震84%保证率下曳引电梯损坏概率极大,提升其抗震性能十分必要。

    (5)《标准》中部分内容值得改进,《标准》中的层间全部并行修复策略对于超高层建筑适用性低,且电梯单个设备对韧性评级的影响程度过高。

  • 图  1   框架结构示意  /mm

    Figure  1.   Schematic diagram of frame structure

    图  2   梁柱截面配筋图  /mm

    Figure  2.   Beam and column reinforcement diagram

    图  3   梁柱截面纤维划分  /mm

    Figure  3.   Beam and column section fiber division

    图  4   材料本构模型

    Figure  4.   Material constitutive model

    图  5   模拟结果与试验结果对比

    Figure  5.   Comparison of numerical and experimental results

    图  6   加速度反应谱

    Figure  6.   Acceleration response spectra

    图  7   7度设防烈度地震下5%阻尼比结构响应

    Figure  7.   Structural response with 5% damping ratio under 7-degree fortification design earthquake level

    图  8   7度设防烈度地震下不同阻尼比结构响应平均值对比

    Figure  8.   Comparison of mean values of structural response for different damping ratios under 7-degree fortification design earthquake level

    图  9   7度罕遇地震5%阻尼比结构响应

    Figure  9.   Structural response with 5% damping ratio under 7-degree rare earthquake level

    图  10   7度罕遇地震不同阻尼比结构响应平均值对比

    Figure  10.   Comparison of mean values of structural response for different damping ratios under 7-degree rare earthquake level

    图  11   建筑抗震韧性评级流程

    Figure  11.   Building seismic resilience assessment proceeding

    图  12   不同工况下修复费用对比

    Figure  12.   Repair costs under different operating conditions

    图  13   不同工况下修复时间变化

    Figure  13.   Repair time under different operating conditions

    表  1   模态分析结果

    Table  1   Modal analysis results

    软 件 结构质量/t 振型周期/s
    1st(Y向)
    2nd(X向) 3rd(扭转)
    Tpk99571.8891.7651.575
    Tos101531.9051.7811.587
    误差/(%)1.970.850.910.76
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    表  2   7度设防烈度地震作用下结构最大响应

    Table  2   Maximum structural response under 7-degree fortification design earthquake level

    阻尼比/(%) 最大层间位移角/(%) 最大楼面加速度/(m·s−2)
    X Y X Y
    5 0.28 0.24 1.526 1.563
    8 0.23 0.20 1.237 1.277
    10 0.20 0.18 1.115 1.145
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    表  3   7度罕遇地震作用下结构最大响应

    Table  3   Maximum structural response under 7-degree rare earthquake level

    阻尼比/(%) 最大层间位移角/(%) 最大楼面加速度/(m·s−2)
    X Y X Y
    5 0.67 0.61 3.102 3.051
    8 0.56 0.52 2.466 2.661
    10 0.50 0.47 2.208 2.436
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    表  4   建筑构件信息(其中非结构构件为标准类别)

    Table  4   Building component information (non-structural components are standard category)

    构件名称 工程需求参数类别 具体类别 分布楼层 单位 单价/元 每层数量
    框架梁 Θ 700×300 mm(主梁1) 1~10 2700 12(X向)/17(Y向)
    400×300 mm(主梁2) 1~10 1100 12(X向)/5(Y向)
    11 2(X/Y向)
    400×250 mm(次梁) 1~10 800 11(X向)
    框架柱 Θ 550×550 mm (柱1) 1-5 2200 28
    450×450 mm (柱1) 6~10 1500 28
    450×450 mm (柱2) 1~11 4
    填充墙 Θ 轻钢龙骨石膏板,到顶,上、下端固定 1~10 m2 220 185(X/Y向)
    隔墙饰面 Θ 石膏板+墙纸,到顶,上、下端固定 1~10 m2 130 185(X/Y向)
    吊顶 PFA 面积:25 m2~95 m2,仅垂直支撑 1~10 m2 225 670
    悬挂式灯具 PFA 非抗震设计 1~10 200 20
    冷水管 PFA 管径>80 mm;仅垂直支撑 1~10 m 120 70
    热水管 PFA 管径<80 mm; 仅垂直支撑,管道破坏 1~10 m 60 45
    管径>80 mm; 仅垂直支撑,管道破坏 1~10 m 60 50
    污水管 PFA 铸铁管,插接,仅垂直支撑,支撑破坏 1~10 m 260 70
    暖通空调风管 PFA 镀锌钢管,截面大于0.6 m2,水平支撑 1~10 m 40 70
    消防喷淋水管 PFA 水平支管,无支撑 1~10 m 165 90
    喷头立管 PFA 嵌入无支撑柔性可拆卸吊顶,长度不超过2 m 1~10 68 80
    支管及风口 PFA 位于吊顶内,无独立安装绳 1~10 150 15
    楼梯 Θ 非单片式预制混凝土楼梯构件,非抗震节点 1~10 8000 1
    空调系统风机 PFA 无隔振、无锚固 1~10 14819 1
    VAV 箱带卷盘 PFA 水平或垂直支撑 1~10 800 4
    电梯 PFA 曳引电梯 1 200000 1
    冷水机组 PFA 容量:100 t~350 t,无锚固,无隔振 10 125000 1
    冷却塔 PFA 容量:100 t~350 t,无锚固,无隔振 10 55000 1
    空气处理机组 PFA 容量:2.35 m3/s~4.7 m3/s,无锚固、无隔振 10 43632 1
    电机控制箱 PFA 无锚固、无隔振 10 5432 1
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    表  5   建筑构件信息(其中非结构构件为性能较好类别)

    Table  5   Building component information (non-structural components are high performance category)

    构件名称 工程需求参数类别 具体类别 分布楼层 单位 单价/元 每层数量
    框架梁 Θ 700×300 mm(主梁1) 1~10 2700 12(X向)/17(Y向)
    400×300 mm(主梁2) 1~10 1100 12(X向)/5(Y向)
    11 2(X/Y向)
    400×250 mm(次梁) 1~10 800 11(X向)
    框架柱 Θ 550×550 mm (柱1) 1~5 2200 28
    450×450 mm (柱1) 6~10 1500 28
    450×450 mm (柱2) 1~11 4
    填充墙 Θ 轻钢龙骨石膏板,不到顶,下端固定,上端侧向支撑 1~10 m2 220 185(X/Y向)
    隔墙饰面 Θ 石膏板+墙纸,不到顶,下端固定,上端侧向支撑 1~10 m2 130 185(X/Y向)
    吊顶 PFA 面积:25 m2~95 m2,垂直支撑与侧向支撑 1~10 m2 225 670
    悬挂式灯具 PFA 抗震设计 1~10 200 20
    冷水管 PFA 管径>80 mm;垂直与侧向支撑、管道破坏 1~10 m 120 70
    热水管 PFA 管径<80 mm;垂直与侧向支撑,管道破坏 1~10 m 60 45
    管径>80 mm;垂直与侧向支撑,管道破坏 1~10 m 60 50
    污水管 PFA 铸铁管,插接,仅垂直支撑,支撑破坏 1~10 m 260 70
    暖通空调风管 PFA 镀锌钢管,截面大于0.6 m2,水平支撑 1~10 m 40 70
    消防喷淋水管 PFA 水平支管,有支撑 1~10 m 165 90
    喷头立管 PFA 嵌入有支撑柔性可拆卸吊顶,长度不超过2 m 1~10 68 80
    支管及风口 PFA 位于吊顶内,无独立安装绳 1~10 150 15
    楼梯 Θ 非单片式预制混凝土楼梯构件,非抗震节点 1~10 8000 1
    空调系统风机 PFA 隔振、无限位措施 1~10 14819 1
    VAV 箱带卷盘 PFA 水平或垂直支撑 1~10 800 4
    电梯 PFA 曳引电梯 1 200000 1
    冷水机组 PFA 容量:100 t~350 t,有锚固或隔振 10 125000 1
    冷却塔 PFA 容量:100 t~350 t,有锚固或隔振 10 55000 1
    空气处理机组 PFA 容量:2.35 m3/s~4.7 m3/s,有锚固 10 43632 1
    电机控制箱 PFA 有锚固或隔振 10 5432 1
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    表  6   抗震韧性评价结果(设防地震)

    Table  6   Seismic resilience assessment results (fortification earthquake)

    序号 阻尼比/(%) 非结构构件 结构构件 修复费用/(%) 等级 修复时间/天 等级 受伤率/(%) 死亡率/(%) 等级 总评级
    K01 5 普通性能 普通性能 4.92 23.24 1.12×10−3 0
    K02 8 3.91 20.24 6.20×10−4 0
    K03 10 1.92 11.26 3.70×10−4 0
    K04 5 较好性能 4.40 23.21 1.12×10−3 0
    K05 8 3.71 19.98 6.20×10−4 0
    K06 10 1.79 6.38 2.50×10−4 0
    K07 5 普通性能 较好性能 4.39 20.28 2.50×10−4 0
    K08 8 3.55 18.29 1.20×10−4 0
    K09 10 1.62 5.34 0 0
    K10 5 较好性能 3.95 20.21 3.70×10−4 0
    K11 8 3.33 18.26 1.20×10−4 0
    K12 10 1.41 4.94 0 0
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    表  7   抗震韧性评价结果(罕遇地震)

    Table  7   Seismic resilience assessment results (rare earthquake)

    序号 阻尼比/(%) 非结构构件 结构构件 修复费用/(%) 等级 修复时间/天 等级 受伤率/(%) 死亡率/(%) 等级 总评级
    K01 5 普通性能 普通性能 15.15 44.25 1.50×10−1 2.55×10−2
    K02 8 12.25 42.18 7.70×10−2 1.28×10−2
    K03 10 9.97 ☆☆ 40.01 6.30×10−3 3.70×10−4 ☆☆☆
    K04 5 较好性能 11.63 44.21 1.46×10−1 2.54×10−2
    K05 8 9.24 ☆☆ 41.72 7.64×10−2 1.27×10−2
    K06 10 8.23 ☆☆ 39.73 6.00×10−3 3.70×10−4 ☆☆☆
    K07 5 普通性能 较好性能 13.95 39.11 6.80×10−3 5.00×10−4 ☆☆☆
    K08 8 10.88 35.26 4.10×10−3 1.20×10−4 ☆☆☆
    K09 10 8.83 ☆☆ 32.51 3.24×10−3 0 ☆☆☆
    K10 5 较好性能 9.69 ☆☆ 38.22 6.10×10−3 3.70×10−4 ☆☆☆
    K11 8 7.95 ☆☆ 34.30 4.00×10−3 1.20×10−4 ☆☆☆
    K12 10 6.89 ☆☆ 29.98 ☆☆ 3.11×10−3 0 ☆☆☆ ☆☆
    K13 10 较好性能* 较好性能 4.97 ☆☆☆ 18.18 ☆☆ 3.10×10−3 0 ☆☆☆ ☆☆
    注:*代表电梯工程需求参数中位值提升至0.5 g
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    表  8   阻尼比对建筑韧性评价指标的影响

    Table  8   Influence of damping ratio on the resilience index

    地震水平 序号 阻尼比/
    (%)
    修复费用
    变化/(%)
    修复时间
    变化/(%)
    人员受伤率
    变化/(%)
    设防地震 K01 5 0 0 0
    K02 8 −20.5 −12.9 −44.6
    K03 10 −61.0 −51.5 −67.0
    罕遇地震 K01 5 0 0 0
    K02 8 −19.1 −4.7 −48.6
    K03 10 −34.2 −9.6 −95.8
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    表  9   结构与非结构构件性能对韧性指标的影响

    Table  9   Influence of structural and non-structural elements on the resilience index

    地震水平 序号 修复费用
    变化/(%)
    修复时间
    变化/(%)
    人员受伤率
    变化/(%)
    设防地震 K01 0.0 0.0 0.0
    K07 −10.8 −12.7 −77.7
    K04 −10.6 −0.1 0.0
    罕遇地震 K01 0.0 0.0 0.0
    K07 −7.9 −9.4 −95.5
    K04 −23.2 −0.1 −2.5
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  • [1]

    EERI. Securing society against catastrophic earthquake losses: A research and outreach plan in earthquake engineering [R]. Oakland: EERI, 2003.

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图(13)  /  表(9)
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-07
  • 修回日期:  2024-05-16
  • 网络出版日期:  2024-11-06

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