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钢筋锈蚀与余震对RC框架结构地震损伤与易损性的影响分析

周洲, 于晓辉, 吕大刚, 韩淼

周洲, 于晓辉, 吕大刚, 韩淼. 钢筋锈蚀与余震对RC框架结构地震损伤与易损性的影响分析[J]. 工程力学, 2023, 40(9): 203-213, 256. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.09.0813
引用本文: 周洲, 于晓辉, 吕大刚, 韩淼. 钢筋锈蚀与余震对RC框架结构地震损伤与易损性的影响分析[J]. 工程力学, 2023, 40(9): 203-213, 256. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.09.0813
ZHOU Zhou, YU Xiao-hui, LYU Da-gang, HAN Miao. EFFECTS OF CORROSION AND AFTERSHOCK ON STRUCTURAL DAMAGE AND FRAGILITY OF REINFORCED CONCRETE FRAME STRUCTURES[J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(9): 203-213, 256. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.09.0813
Citation: ZHOU Zhou, YU Xiao-hui, LYU Da-gang, HAN Miao. EFFECTS OF CORROSION AND AFTERSHOCK ON STRUCTURAL DAMAGE AND FRAGILITY OF REINFORCED CONCRETE FRAME STRUCTURES[J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(9): 203-213, 256. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2022.09.0813

钢筋锈蚀与余震对RC框架结构地震损伤与易损性的影响分析

基金项目: 北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室开放研究专项基金项目(2021MFSTL04);中国博士后科学基金面上项目(2022M710333);国家自然科学面上基金项目(52078176)
详细信息
    作者简介:

    周 洲(1991−),男,河北人,博士,主要从事主余震易损性、风险分析和韧性评估的研究(E-mail: zzhouhit@163.com)

    吕大刚(1970−),男,黑龙江人,教授,博士,博导,主要从事地震工程与结构可靠度研究(E-mail: ludagang@hit.edu.cn)

    韩 淼(1969−),男,山东人,教授,博士,博导,主要从事工程结构抗震、减隔震和防灾减灾研究(E-mail: hanmiao@bucea.edu.cn)

    通讯作者:

    于晓辉(1982−),男,辽宁人,教授,博士,博导,主要从事地震易损性与风险分析的研究(E-mail: yxhhit@126.com)

  • 中图分类号: TU375.4

EFFECTS OF CORROSION AND AFTERSHOCK ON STRUCTURAL DAMAGE AND FRAGILITY OF REINFORCED CONCRETE FRAME STRUCTURES

  • 摘要: 为量化钢筋锈蚀与余震对钢筋混凝土结构抗震性能的影响,选取两栋按我国现行规范设计的中国东南沿海地区钢筋混凝土框架结构为研究对象,考虑未锈蚀和由低到高三种不同锈蚀率(5%、10%和15%)的四种工况,采用真实主余震序列作为输入,选取Park-Ang损伤指数作为结构损伤指标,开展了主余震序列作用下的未锈蚀与锈蚀钢筋混凝土框架结构的地震损伤评估与易损性分析。计算结果表明:锈蚀率的提高加剧了主余震序列作用下的结构累积损伤,其增长率最大可超过50%。由钢筋锈蚀单一因素引起的结构损伤在主余震累积损伤中的占比最高可超过30%。此外,钢筋锈蚀因素会导致结构的主余震易损性曲线发生显著提升。当锈蚀率较大时,钢筋锈蚀对结构易损性的影响与余震对结构易损性的影响相接近。钢筋锈蚀和余震两个因素的耦合作用会使结构的易损性水平发生更为显著的提升。因此,十分有必要在既有钢筋混凝土结构抗主余震性能评估中考虑钢筋锈蚀因素的影响。
    Abstract: To evaluate the effects of corrosion and aftershock on structural seismic resistance. Two seismic designed reinforced-concrete frame buildings located in a coastal city were selected for study. Four corrosion conditions were considered, i.e., uncorroded and corrosion ratios of 5%, 10% and 15%. A set of 662 mainshock-aftershock sequences were taken as the inputs for time history analysis. Then the damage analysis and fragility assessment were conducted to the corroded and uncorroded buildings subjected to mainshock-aftershock sequences. Results show that the increment of corrosion ratio exacerbates structural cumulative damage under mainshock-aftershock sequences. The increment ratio of the structural cumulative damage is even over 30%. The corrosion effect can lead to an increase in fragility curves, and the influence of the corrosion effect on mainshock fragility curves under heavy corrosion condition is close to that under aftershocks. The coupling effect of corrosion and aftershock can cause a significant elevating in mainshock fragility curve. Therefore, it is necessary to consider the effect of corrosion in seismic performance assessment subjected to mainshock-aftershock sequences.
  • 钢筋混凝土(RC)结构的耐久性问题已越来越受到学者们的关注,其中,钢筋锈蚀是影响RC结构耐久性的一个关键因素。钢筋锈蚀会导致钢筋横截面面积减小、钢筋强度和延性衰减以及外包混凝土开裂等一系列材料性能退化行为,从而降低结构的抗震性能[1]。汶川地震表明:老旧RC结构的抗震能力显著低于新建结构[2]。因此,考虑钢筋锈蚀的影响,评估既有RC结构的抗震性能一直是地震工程领域研究的热点话题。

    作为新一代基于性能地震工程的重要一环,地震易损性表征了工程结构在不同强度地震作用下发生不同极限状态破坏的概率[3-6]。近年来,研究人员针对锈蚀RC结构的地震易损性开展了一系列的研究[7-10]。研究结果表明:钢筋锈蚀会造成结构周期延长并可显著增加结构最大层间位移反应。随着锈蚀率或结构龄期的提高,锈蚀结构在不同极限状态下的失效概率随之提高。YU等[11]分析了不同锈蚀损伤模型对RC框架结构倒塌易损性的影响。结果表明:当锈蚀率较大时,不同锈蚀损伤模型造成的倒塌易损性差异最高可达8.4%。YALCINER等[12]以一栋服役时间达到50年的锈蚀RC框架结构作为研究对象,采用等效单自由度模型对其倒塌易损性进行了分析。结果表明:忽略钢筋锈蚀的影响会低估锈蚀结构的地震易损性水平。

    历史地震事件表明:一次强震后通常伴有多次余震的发生。由于主震和继发余震之间的间隔时间较短,主震损伤结构通常无法得到及时的维修便需面临余震的二次冲击作用,余震对结构造成的损伤累积效应十分显著[13]。针对这一问题,国内外研究人员近年来对主余震序列作用下RC结构的抗震性能与地震易损性开展了一系列的研究。刘平等[14]、韩建平和李军[15]基于重复法构造的人工主余震序列,分别对高强RC框架和低延性RC框架进行了主余震易损性分析。徐龙河等[16]研究了附加预压碟簧自复位耗能支撑的RC框架结构在主余震序列作用下的抗震性能。周洲等[17-19]分析了RC结构在主震和主余震序列作用下的结构损伤及易损性的变化规律。DI TRAPANI等[20]基于双IDA方法对带填充墙的框架结构进行了主余震易损性分析。YU等[21]基于全概率定理,提出了一种可以考虑倒塌工况的向量式主余震易损性分析方法。ABDELNABY[22]对比了结构在主震和主余震序列作用下的易损性曲线。上述研究表明:余震作用会显著提高RC结构的地震易损性水平。因此,在结构抗震性能评估中应考虑余震的影响。

    鉴于钢筋锈蚀对RC结构抗震性能的折减以及余震对结构带来的附加损伤,锈蚀RC结构在主余震序列作用下极易发生更为严重的破坏。然而,现阶段研究人员对主余震序列作用下锈蚀RC结构的抗震性能关注不足,导致人们难以厘清钢筋锈蚀和余震作用对结构抗震性能的影响,无法准确评估锈蚀结构在真实地震事件中的安全性。针对这一问题,本文选取一组按照我国现行规范设计的RC框架结构作为研究对象,考虑未锈蚀以及5%、10%和15%三种钢筋锈蚀率,采用真实主余震序列作为地震输入,开展锈蚀RC框架结构的主余震损伤与易损性分析,探讨余震和钢筋锈蚀对RC框架结构地震损伤与易损性的影响。

    钢筋锈蚀多发生在氯离子浓度较高的沿海地区。为此,本文以我国大陆东南沿海地区的RC框架结构为研究对象,选用文献[23]中两栋典型未锈蚀结构作为初始结构,分别为7度0.1 g设防和8度0.2 g设防的6层3跨RC框架结构。为表述方便,将7度0.1 g设防和8度0.2 g设防结构分别编号为F-1和F-2。结构设计使用年限为50年,所采用的混凝土等级为C30,钢筋等级为HRB400。结构总高为20.4 m,首层层高为3.9 m,2层~6层层高为3.3 m。采用OpenSees有限元分析平台对算例结构进行有限元建模。结构的主要设计参数如表1所示。图1给出了算例结构的平面、立面布置。图2图3分别给出了结构F-1和F-2的典型梁、柱截面配筋图。基于结构的设计方案,本文仅以结构的中框架为例进行分析,对于边框架不再做进一步地研究。

    表  1  结构的主要设计参数
    Table  1.  Basic design parameters of the case frames
    设计参数 参数数值 设计参数 参数数值
    设防烈度/度 7、8 基本风压/(kN·m−2) 0.75
    设计地震分组 I 基本雪压/(kN·m−2) 0.50
    场地特征周期/s 0.35 屋面恒载/(kN·m−2) 4.00
    基本加速度/g 0.1、0.2 标准层活载/(kN·m−2) 2.00
    场地类别 II 标准层恒载/(kN·m−2) 2.00
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    图  1  结构平面、立面图 /m
    Figure  1.  Elevation and plan view of the building
    图  2  结构F-1配筋图 /mm
    Figure  2.  Size and reinforcement details of F-1 building
    图  3  结构F-2配筋图 /mm
    Figure  3.  Size and reinforcement details of F-2 building

    钢筋的锈蚀不仅与时间呈正相关,且温度、湿度等其他环境因素均会对钢筋锈蚀产生重要的影响[24-25]。因此难以将锈蚀率与结构的服役时间进行简单的对应。鉴于此,本文直接对钢筋的锈蚀程度进行假定,直接从锈蚀结果的角度考虑钢筋锈蚀对结构损伤和易损性的影响。假定钢筋为均匀锈蚀,不考虑锈蚀产物在钢筋表面的非均匀分布特性。采用锈蚀率ηs=5%、10%、15%分别代表轻度、中度和重度锈蚀工况。考虑钢筋锈蚀引起的材料性能四方面的退化,包括:钢筋截面面积退化、钢筋屈服和极限强度退化、钢筋延性退化和外包混凝土强度退化。对应的锈蚀退化模型如下所示。

    1)锈蚀引起的钢筋截面面积退化,按式(1)进行考虑[26]

    As=πD24(1ηs) (1)

    式中: As为锈蚀后钢筋截面面积;D为未锈蚀钢筋直径。

    2)锈蚀引起的钢筋强度退化,按式(2)和式(3)进行考虑[27]

    fy=(10.5×ηs)fy (2)
    fu=(10.5×ηs)fu (3)

    式中:fyfu分别为未锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度; fyfu分别为锈蚀钢筋的屈服强度和极限强度。

    3)锈蚀引起的钢筋延性退化,按式(4)进行考虑[28]

    εu=(13×ηs)εu (4)

    式中, εuεu分别为未锈蚀和锈蚀钢筋的极限伸长率。

    4)锈蚀引起的外包混凝土抗压强度退化,按式(5)~式(8)进行考虑[29]

    fc=fc1+Kε1/εc0 (5)
    ε1=bfb0b0 (6)
    bfb0=nc×ωcr (7)
    ωcr=2π(νrs1)X (8)

    式中:fcfc分别为未开裂和锈蚀引起开裂后的外包混凝土的抗压强度;K为与钢筋粗糙度和直径相关的系数,本文取K=0.1[30]εc0为混凝土保护层峰值压应变;ε1为开裂混凝土的平均拉应变;b0bf分别为开裂前后混凝土保护层的横截面宽度;nc为受压区钢筋数目;ωcr为混凝土裂缝宽度;νrs为腐蚀产物的体积膨胀率;X为腐蚀等效的钢筋半径减小量。

    基于上述锈蚀退化模型,通过对未锈蚀RC框架结构的材料本构参数按相应锈蚀率进行折减,即可建立锈蚀RC框架结构的有限元模型。本文基于OpenSees平台对锈蚀RC框架结构进行建模,结构的梁和柱均采用集中塑性单元进行模拟。将梁和柱的截面划分为钢筋区域、核心混凝土区域和外包混凝土区域,采用纤维截面模型进行模拟。分别采用Hysteretic模型和Concrete01模型模拟钢筋和混凝土的本构关系。基于式(1)~式(8),对未考虑锈蚀影响的Hysteretic模型和Concrete01模型中的关键参数进行折减,获得不同锈蚀率条件下材料的本构关系和建模参数。

    选取文献[21]中662条真实主余震序列作为地震输入。由于地震动具有极强的随机性,因此难以对主震和余震最大加速度振幅强度比率进行选取和限制。对于某一主震,仅挑选其余震序列中的震级最大余震用于构造主余震序列。此外,同一条主余震序列中的主震和余震记录需来自同一台站,地震序列的详细信息请参见文献[21]。主余震震级和断层距分布情况和反应谱中位值的比较如图4所示。由图4可见,主震震级要高于余震震级,且主震反应谱中位值同样高于余震反应谱中位值。将主震和余震记录之间加入60 s时间间隔,以确保结构在主震后,经过自由振动到达新的平衡位置,如图5所示。

    图  4  所挑选主、余震记录的地震参数与反应谱
    Figure  4.  Earthquake parameters and response spectra of the selected mainshock and aftershock ground motions
    图  5  主余震序列的构造
    Figure  5.  Formation of a mainshock-aftershock sequence

    YU等[21]和JEON等[31]指出,最大层间位移角等位移型结构损伤参数无法描述主余震序列作用下的结构损伤累积过程。具体而言,当余震强度较低时,结构在余震作用下的最大层间位移角极有可能小于结构在主震阶段的最大层间位移角。此外,位移型结构损伤参数还易受余震极性的影响[18]。鉴于此,本文选取一种能量型结构损伤参数,即:Park-Ang损伤指数[32-33],来量化锈蚀RC框架结构的主余震累积损伤。

    Park-Ang损伤指数可同时计算结构的构件损伤(式(9))和整体损伤(式(10))。结构的整体损伤由结构的构件损伤通过能量项的加权求和而求得。本文从结构整体损伤的角度来量化钢筋锈蚀对结构的影响。

    Dk=umax (9)
    \text{D}\text{I }= \sum\limits_k {\frac{{{E_{{\rm{H}},k}}}}{{\displaystyle\sum {{E_{{\rm{H}},k}}} }}{D_{\rm{k}}}} (10)

    式中:Dk和DI分别为构件和结构整体的损伤指数;k为构件编号;umaxuyuu分别为构件的最大位移、屈服位移和极限位移; Fy为构件的屈服强度;β为耗能因子,根据文献[32]取β=0.15;EH为构件的滞回耗能,基于构件在地震作用下的运动轨迹得到水平直角坐标系下的力-位移曲线,计算曲线中每个滞回环的面积并进行求和,即可获得构件的滞回耗能。

    由于地震作用和锈蚀作用会对结构损伤产生交互影响,采用复相关系数描述锈蚀结构的主震损伤(DIMS,C)、余震增量损伤(DIAS,C)和主余震累积损伤(DIMA,C)与锈蚀率、主余震强度之间的相关关系。复相关系数如式(11)所示:

    R = \frac{{{{\rm{cov}}} \left( {y,\hat y} \right)}}{{{\sigma _{\rm{y}}}{\sigma _{\hat {\rm{y}}}}}} (11)

    式中,y \hat y 分别为因变量的实际值和预测值,本文取DIMS,C、DIAS,C和DIMA,Cy,对应的 \hat y 分别为 {\widehat{{\text{D}\text{I}}}}_{\text{M}\text{S,}\text{C}} {\widehat{{\text{D}\text{I}}}}_{\text{AS,}\text{C}} {\widehat{{\text{D}\text{I}}}}_{\text{MA}\text{,}\text{C}}

    DIMS,C、DIAS,C和DIMA,C与锈蚀率、主余震强度之间的复相关系数如表2所示。由表2可以看出,地震作用和锈蚀作用的交互影响与结构损伤之间呈现出明显的正相关性。

    表  2  三种损伤与其因变量之间的复相关系数
    Table  2.  Multiple correlation coefficients of the three damage values with their corresponding input variables
    结构编号 损伤工况 复相关系数R
    F-1 DIMS,C 0.76
    DIAS,C 0.66
    DIMA,C 0.80
    F-2 DIMS,C 0.74
    DIAS,C 0.69
    DIMA,C 0.82
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    采用Park-Ang损伤指数作为结构损伤参数,可将结构的主余震累积损伤拆分为主震损伤和余震增量损伤两部分。将锈蚀结构与未锈蚀结构的损伤值之差定义为由单一锈蚀因素引起的结构损伤增量,以此来定量描述钢筋锈蚀对结构损伤造成的影响。为表述方便,下文统一称为“锈蚀损伤”。γMγAγMA分别为钢筋锈蚀对结构主震损伤、余震增量损伤和主余震累积损伤的锈蚀影响系数,用以表征钢筋锈蚀对三类结构损伤造成的增长率,其表达式为:

    {\gamma _{\text{M}}} = \frac{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MS}},{\rm{C}}}} - \text{D}{\text{I}_{{\text{MS}}}}}}{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MS}}}}}} = \frac{{\text{D}{\text{I}_{{\text{Cor}}}}}}{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MS}}}}}} (12)
    {\gamma _{\text{A}}} = \frac{{\text{D}{\text{I}_{{\text{AS}},{\rm{C}}}} - \text{D}{\text{I}_{{\text{AS}}}}}}{{\text{D}{\text{I}_{{\text{AS}}}}}} = \frac{{\text{D}{\text{I}_{{\text{Cor}}}}}}{{\text{D}{\text{I}_{{\text{AS}}}}}} (13)
    {\gamma _{{\text{MA}}}} = \frac{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MA}},{\rm{C}}}} - \text{D}{\text{I}_{{\text{MA}}}}}}{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MA}}}}}} = \frac{{\text{D}{\text{I}_{{\text{Cor}}}}}}{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MA}}}}}} (14)

    式中:DICor为锈蚀损伤; DIMS、DIAS和DIMA分别为未锈蚀结构的主震损伤、余震增量损伤和主余震累积损伤。

    表3给出了结构F-1和F-2在不同锈蚀率下的锈蚀影响系数。由表3可见,随着设防烈度的提高,钢筋锈蚀对余震增量损伤和主余震累积损伤的影响逐渐减弱。其原因主要为采用更高等级的设防烈度进行抗震设计可使结构的抗震能力更高,与之相对应的主震损伤值更低,余震增量损伤更小,受钢筋锈蚀的影响也更弱。对比结构F-1和F-2的γMγAγMA结果可知,随着锈蚀率的提高,由钢筋锈蚀造成的主震损伤、余震增量损伤和主余震累积损伤的增长率随之提高。当ηs=15%时,由钢筋锈蚀导致的三类损伤的锈蚀影响系数最高可达0.433、0.616和0.54,说明锈蚀损伤已达未锈蚀结构损伤值的43.3%、61.6%和54%,且钢筋锈蚀对余震增量损伤的影响最大。

    表  3  γM、γAγMA的计算结果
    Table  3.  Results of γM, γA and γMA
    各类损伤增长率γ 锈蚀率ηs/(%) 损伤占比/(%)
    F-1 F-2
    γM 5 0.134 0.132
    10 0.268 0.273
    15 0.433 0.430
    γA 5 0.200↑ 0.130
    10 0.427↑ 0.273
    15 0.616↑ 0.389
    γMA 5 0.160 0.130
    10 0.360 0.260
    15 0.540 0.420
    注:文中加粗代表同类中的数值较大项,箭头表示增长。
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    此外,结构F-1的γA数值一直保持最大,说明钢筋锈蚀对低设防水平结构的余震增量损伤影响更大。其原因同样是低设防水平结构的抗震能力储备较低。由此可以看出,设防水平不会改变γ的变化规律,但8度设防水平下结构的抗震储备更高,会降低钢筋锈蚀对余震增量损伤和主余震累积损伤的影响。

    为评估锈蚀损伤在总损伤中所占的比例,采用式(15)~式(17)所示的占比系数来定量描述锈蚀损伤、主震损伤和增量损伤在锈蚀RC框架结构主余震累积损伤中所占的比例:

    {\alpha _{\rm{c}}} = \frac{{\text{D}{\text{I}_{{\text{Cor}}}}}}{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MA}},{\rm{C}}}}}} \times 100\text{%} (15)
    {\alpha _{\rm{m}}} = \frac{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MS}}}}}}{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MA}},{\rm{C}}}}}} \times 100{\text{% }} (16)
    {\alpha _{\rm{a}}} = \frac{{\text{D}{\text{I}_{{\text{AS}}}}}}{{\text{D}{\text{I}_{{\text{MA}},{\rm{C}}}}}} \times 100{\text{% }} (17)

    式中,αcαmαa分别为锈蚀损伤、主震损伤和余震增量损伤在锈蚀RC框架结构主余震累积损伤中的占比系数。

    锈蚀损伤、主震损伤和余震增量损伤的三者的各自占比系数如表4所示。由表4可以看出,三种损伤占比由高到低的顺序为:αa>αm>αc,说明余震对结构的影响最大,锈蚀作用对结构的影响最小。随着锈蚀率的提高,锈蚀损伤在三类损伤中的占比不断提高,ηs为5%、10%和15%时,锈蚀损伤在总损伤中的占比分别为10%、20.5%和30%,与锈蚀率近似成线性关系。主余震序列作用下,当ηs=15%时,锈蚀损伤占比已接近主震损伤占比,钢筋锈蚀对结构的影响接近主震对结构的影响,三种损伤的占比近似呈现出各占1/3的分布形势,钢筋锈蚀对结构的影响不容忽视。

    表  4  不同设防水平下三类损伤的占比
    Table  4.  Percentage of three damages under different fortification levels
    锈蚀率ηs/(%) 占比系数 损伤占比/(%)
    F-1 F-2
    5 αm 43 44
    αa 47 46
    αc 10 10
    10 αm 38 38
    αa 42 41
    αc 20 21
    15 αm 34 33
    αa 37 36
    αc 29 31
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    根据文献[17],地震易损性可表示为:

    P(\text{LS}|\text{IM}) = 1 - \varPhi \left( {\frac{{{\lambda _{\rm{C}}} - {\lambda _{\rm{D}}}}}{{\sqrt {\beta _{\rm{C}}^2 + \beta _{\rm{D}}^2 + \beta _{\rm{M}}^2} }}} \right) (18)

    式中:LS为结构的极限状态;IM为地震动的强度;P(LS|IM)为在强度为IM的地震作用下,结构发生超越某一极限状态的概率;λCλD分别为抗震能力C和地震需求D的对数平均值;βCβDβM分别为抗震能力模型、地震需求模型和易损性分析模型的模型不确定性参数。

    当地震动输入为主余震序列时,仍可采用式(18)进行结构的地震易损性分析。与传统主震易损性分析不同的是,λD为结构的主余震需求模型,βD为主余震需求模型的对数标准差。采用易损性分析中常用的云图法来获得结构在主余震序列作用下的需求云图,进而基于主余震序列强度IMMA得到主余震需求模型λD。由于云图法是将大量的地震动数据进行非线性时程分析,因此得到的地震动强度与结构损伤之间的概率模型及模型形式具有不确定性。因此,本文采用双线性形式构造主余震需求模型,传统的单线性模型可视为双线性模型的特殊工况。双线性需求模型如式(19)所示[13, 34]

    \ln \left( {{m_{{\rm{D}}|}}_{{\text{MA}}}} \right) = \left\{ \begin{aligned} & {{\theta _0} + {\theta _1}\ln \left( {\text{I}{\text{M}_{{\text{MA}}}}} \right)},&{\ln \text{IM} < {\theta _{\text{IM}}}} \\ & {\theta _0} + {\theta _1}{\theta _{\text{IM}}} + \\&\quad {\theta _2}\left[ {\ln \left( {\text{I}{\text{M}_{{\text{MA}}}}} \right) - {\theta _{\text{IM}}}} \right], &{\ln \text{IM} \geqslant {\theta _{\text{IM}}}} \end{aligned} \right. (19)

    式中:IMMA为将主余震序列等效为单次地震作用而求得的序列地震动强度;ln(mD|MA)为主余震需求模型中位值,且λD=ln(EDPMA);θIM为双线性模型分界点;θ0θ1θ2为模型参数;主余震需求模型的模型误差βD可按式(20)进行求解:

    {\beta _{\rm{D}}} = \sqrt {\frac{{\displaystyle\sum {{{\left( {\ln {\text{DI}_{{\text{MA}}}} - {\lambda _{\rm{D}}}} \right)}^2}} }}{{N - 2}}} (20)

    式中:DIMA为结构在主余震序列作用下的地震需求;N为主余震序列数目。

    将式(19)和式(20)代入式(18)中,即可完成基于双线性概率需求模型的主余震易损性曲线的求解。

    根据文献[21],当选用Park-Ang损伤指数作为损伤指标时,采用地震动峰值速度(PGV)可得到拟合效果较好的需求模型。图6展示了结构F-1的未锈蚀工况和ηs=5%工况下的主震和主余震需求模型,可以看出,采用双线性需求模型可以较好地描述结构地震需求的变化,且与已有的研究成果[13, 34]相吻合。其他工况下的需求模型形式与图6相同,均呈现出明显的双线性,相应的模型参数如表5表6所示。

    进行主余震序列作用下的地震易损性分析时,结构的抗震能力C仅与结构自身因素有关,采用Park-Ang损伤指数时,轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌四个极限状态对应的结构抗震能力如表7所示[33]

    图  6  结构F-1的部分主震和主余震需求模型
    Figure  6.  Demand models of the F-1 building under mainshock and mainshock-aftershock sequences
    表  5  主震需求模型参数
    Table  5.  Parameters of mainshock demand models
    结构
    编号
    锈蚀率
    ηs/(%)
    需求模型
    参数θ0
    需求模型
    参数θ1
    需求模型
    参数θ2
    需求模型
    参数θIM
    需求模型
    参数βD|M
    F-1 10 −2.08 0.44 1.34 −2.91 0.46
    15 −1.93 0.44 1.32 −2.92 0.47
    F-2 0 −2.58 0.42 1.20 −2.89 0.52
    5 −2.48 0.42 1.27 −2.79 0.50
    10 −2.30 0.43 1.35 −2.67 0.50
    15 −2.30 0.39 1.32 −2.80 0.48
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    表  6  主余震需求模型参数
    Table  6.  Parameters of mainshock-aftershock demand models
    结构
    编号
    锈蚀率
    ηs/(%)
    需求模型
    参数θ0
    需求模型
    参数θ1
    需求模型
    参数θ2
    需求模型
    参数θIM
    需求模型
    参数βD|MA
    F-1 0 −1.27 0.36 1.15 −2.50 0.54
    5 −1.12 0.37 1.15 −2.49 0.56
    10 −1.02 0.38 1.14 −2.57 0.56
    15 −0.82 0.40 1.09 −2.64 0.57
    F-2 0 −1.48 0.47 1.05 −2.71 0.53
    5 −1.32 0.47 1.09 −2.61 0.60
    10 −1.22 0.46 1.15 −2.51 0.65
    15 −1.05 0.46 1.11 −2.56 0.66
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    表  7  四个极限状态对应的DI
    Table  7.  DI values of four limit states (LSs)
    极限状态 轻微破坏
    LS1
    中等破坏
    LS2
    严重破坏
    LS3
    倒塌
    LS4
    DI 0.1 0.2 0.5 1.0
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    将结构在主震和主余震序列作用下的需求模型代入式(20)并结合表7中不同极限状态对应的Park-Ang损伤指数阈值,即可得到不同锈蚀率条件下的主震易损性曲线和主余震易损性曲线,如图7图8所示。由图7图8可见,钢筋锈蚀导致了易损性曲线出现了明显的提升现象,随着锈蚀率的提高,易损性曲线提升幅度随之提高。

    图  7  结构F-1的易损性曲线
    Figure  7.  Fragility curves of F-1
    图  8  结构F-2的易损性曲线
    Figure  8.  Fragility curves of F-2

    采用易损性曲线差值[11]来量化不同因素对易损性结果的影响。单一影响因素(式(21)、式(22))和耦合影响因素(式(23))造成的易损性曲线差值最大值如下式所示:

    \Delta {P_{\rm{C}}}{\text{ = max}}\left| {{P_{\rm{C}}}\left( {\text{LS}|\text{IM}} \right) - {P_{{\rm{UnC}}}}\left( {\text{LS}|\text{IM}} \right)} \right| (21)
    \Delta {P_{{\rm{AS}}}}{\text{ = max}}\left| {{P_{{\rm{MA}}}}\left( {\text{LS}|\text{IM}} \right) - {P_{{\rm{MS}}}}\left( {\text{LS}|\text{IM}} \right)} \right| (22)
    \Delta {P_{{\rm{AS,C}}}}{\text{ = max}}\left| {{P_{{\rm{MA,C}}}}\left( {\text{LS|IM}} \right) - {P_{{\rm{MS}}}}\left( {\text{LS|IM}} \right)} \right| (23)

    式中:ΔPC、ΔPAS和ΔPAS,C分别为锈蚀因素、余震因素和锈蚀余震耦合因素造成的易损性差值最大值;PC(LS|IM)和PUnC(LS|IM)分别为锈蚀结构和未锈蚀结构的易损性结果;PMA(LS|IM)和PMS(LS|IM)分别为未锈蚀结构在主震和主余震序列作用下的易损性结果;PMA,C(LS|IM)为锈蚀结构在主余震序列作用下的易损性结果。

    图9给出了主震作用下的ΔPC。由图9可知,随着锈蚀率的提高,ΔPC逐渐提高,其数值最高可达0.42。同时,随着极限状态的提高,ΔPC逐渐提高,说明随着结构损伤程度的加深,钢筋锈蚀对结构的损伤的影响逐渐提高。

    图  9  主震作用下的锈蚀易损性影响系数ΔPC
    Figure  9.  Fragility influence factor of corrosion (ΔPC) under mainshock

    图10给出了未锈蚀结构的ΔPAS。由图10可知,随着极限状态的提高,ΔPAS逐渐降低,其原因是随着极限状态提高,所对应的主震强度随之提高,主震对结构的影响在主余震易损性结果中逐渐占据主导地位,从而导致余震的贡献率随之降低,这一结论与已有的研究成果相符[21]。随着设防水平的提高,结构的抗震性能逐渐提高,从而导致相同极限状态下的ΔPAS逐渐降低,在7度0.1 g设防、轻微破坏条件下,ΔPAS为0.48,已接近0.5;而在8度0.2 g设防、轻微破坏条件下,ΔPAS则未超过0.4。对比图9图10可以看出,余震对结构易损性结果的影响略高于锈蚀作用。

    图  10  结构的余震易损性影响系数ΔPAS
    Figure  10.  Fragility influence factor of aftershock (ΔPAS) for uncorroded buildings

    图11给出了锈蚀和余震耦合因素对易损性曲线的影响,对比图11图9图10可以看出,锈蚀和余震耦合影响下的易损性差值最大值明显高于单一因素影响下的易损性差值最大值,但并不等于单一因素的易损性差值最大值之和。在锈蚀和余震耦合影响下,ΔPAS,C最高可达0.7。

    图  11  余震与锈蚀对易损性的耦合影响系数ΔPAS,C
    Figure  11.  Fragility influence factor of corrosion and aftershock (ΔPAS,C) for different buildings

    本文以我国东南沿海地区作为研究区域,对不同锈蚀率条件下的两栋不同设防水平RC框架结构进行了主余震非线性时程分析,得到了结构损伤和地震易损性水平的变化规律。主要结论如下:

    (1) 对比分析由钢筋锈蚀导致的主震损伤、余震增量损伤和主余震累积损伤增长率可以看出,三者之中,钢筋锈蚀对余震增量损伤的影响最大,当锈蚀率为15%时,余震增量损伤的锈蚀影响系数可超过0.5。且随着锈蚀率的提高,锈蚀损伤在锈蚀结构的主余震累积损伤中的占比不断提高,当锈蚀率为15%时,锈蚀损伤的占比可超过30%,已接近主震损伤的占比值。

    (2) 随着锈蚀率的提高,结构的主余震易损性水平逐渐提高,钢筋锈蚀造成的结构易损性变化差值最高可达0.42。余震所造成的结构易损性变化差值接近0.5。钢筋锈蚀和余震两个因素耦合作用所引起的结构易损性差值可超过0.7,高于其中任一单因素的影响。

    (3) 设防水平不会改变钢筋锈蚀对结构损伤的影响规律,但随着设防水平的提高,结构的抗震储备随之提高,钢筋锈蚀对结构损伤的影响随之降低。

  • 图  1   结构平面、立面图 /m

    Figure  1.   Elevation and plan view of the building

    图  2   结构F-1配筋图 /mm

    Figure  2.   Size and reinforcement details of F-1 building

    图  3   结构F-2配筋图 /mm

    Figure  3.   Size and reinforcement details of F-2 building

    图  4   所挑选主、余震记录的地震参数与反应谱

    Figure  4.   Earthquake parameters and response spectra of the selected mainshock and aftershock ground motions

    图  5   主余震序列的构造

    Figure  5.   Formation of a mainshock-aftershock sequence

    图  6   结构F-1的部分主震和主余震需求模型

    Figure  6.   Demand models of the F-1 building under mainshock and mainshock-aftershock sequences

    图  7   结构F-1的易损性曲线

    Figure  7.   Fragility curves of F-1

    图  8   结构F-2的易损性曲线

    Figure  8.   Fragility curves of F-2

    图  9   主震作用下的锈蚀易损性影响系数ΔPC

    Figure  9.   Fragility influence factor of corrosion (ΔPC) under mainshock

    图  10   结构的余震易损性影响系数ΔPAS

    Figure  10.   Fragility influence factor of aftershock (ΔPAS) for uncorroded buildings

    图  11   余震与锈蚀对易损性的耦合影响系数ΔPAS,C

    Figure  11.   Fragility influence factor of corrosion and aftershock (ΔPAS,C) for different buildings

    表  1   结构的主要设计参数

    Table  1   Basic design parameters of the case frames

    设计参数 参数数值 设计参数 参数数值
    设防烈度/度 7、8 基本风压/(kN·m−2) 0.75
    设计地震分组 I 基本雪压/(kN·m−2) 0.50
    场地特征周期/s 0.35 屋面恒载/(kN·m−2) 4.00
    基本加速度/g 0.1、0.2 标准层活载/(kN·m−2) 2.00
    场地类别 II 标准层恒载/(kN·m−2) 2.00
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    表  2   三种损伤与其因变量之间的复相关系数

    Table  2   Multiple correlation coefficients of the three damage values with their corresponding input variables

    结构编号 损伤工况 复相关系数R
    F-1 DIMS,C 0.76
    DIAS,C 0.66
    DIMA,C 0.80
    F-2 DIMS,C 0.74
    DIAS,C 0.69
    DIMA,C 0.82
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    表  3   γM、γAγMA的计算结果

    Table  3   Results of γM, γA and γMA

    各类损伤增长率γ 锈蚀率ηs/(%) 损伤占比/(%)
    F-1 F-2
    γM 5 0.134 0.132
    10 0.268 0.273
    15 0.433 0.430
    γA 5 0.200↑ 0.130
    10 0.427↑ 0.273
    15 0.616↑ 0.389
    γMA 5 0.160 0.130
    10 0.360 0.260
    15 0.540 0.420
    注:文中加粗代表同类中的数值较大项,箭头表示增长。
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    表  4   不同设防水平下三类损伤的占比

    Table  4   Percentage of three damages under different fortification levels

    锈蚀率ηs/(%) 占比系数 损伤占比/(%)
    F-1 F-2
    5 αm 43 44
    αa 47 46
    αc 10 10
    10 αm 38 38
    αa 42 41
    αc 20 21
    15 αm 34 33
    αa 37 36
    αc 29 31
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    表  5   主震需求模型参数

    Table  5   Parameters of mainshock demand models

    结构
    编号
    锈蚀率
    ηs/(%)
    需求模型
    参数θ0
    需求模型
    参数θ1
    需求模型
    参数θ2
    需求模型
    参数θIM
    需求模型
    参数βD|M
    F-1 10 −2.08 0.44 1.34 −2.91 0.46
    15 −1.93 0.44 1.32 −2.92 0.47
    F-2 0 −2.58 0.42 1.20 −2.89 0.52
    5 −2.48 0.42 1.27 −2.79 0.50
    10 −2.30 0.43 1.35 −2.67 0.50
    15 −2.30 0.39 1.32 −2.80 0.48
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    表  6   主余震需求模型参数

    Table  6   Parameters of mainshock-aftershock demand models

    结构
    编号
    锈蚀率
    ηs/(%)
    需求模型
    参数θ0
    需求模型
    参数θ1
    需求模型
    参数θ2
    需求模型
    参数θIM
    需求模型
    参数βD|MA
    F-1 0 −1.27 0.36 1.15 −2.50 0.54
    5 −1.12 0.37 1.15 −2.49 0.56
    10 −1.02 0.38 1.14 −2.57 0.56
    15 −0.82 0.40 1.09 −2.64 0.57
    F-2 0 −1.48 0.47 1.05 −2.71 0.53
    5 −1.32 0.47 1.09 −2.61 0.60
    10 −1.22 0.46 1.15 −2.51 0.65
    15 −1.05 0.46 1.11 −2.56 0.66
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    表  7   四个极限状态对应的DI

    Table  7   DI values of four limit states (LSs)

    极限状态 轻微破坏
    LS1
    中等破坏
    LS2
    严重破坏
    LS3
    倒塌
    LS4
    DI 0.1 0.2 0.5 1.0
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-18
  • 修回日期:  2023-01-06
  • 网络出版日期:  2023-07-14
  • 刊出日期:  2023-09-05

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