结构抗震韧性的应用研究进展

随着韧性城市建设的需求,结构抗震韧性研究成为热点话题之一.本文主要论述城市抗震韧性的应用研究进展,指出由单一建筑到群体建筑的抗震韧性研究趋势;阐述医疗建筑结构抗震韧性研究进展,生命线式的医疗建筑应考虑减震、隔震等技术的迫切需求;在抗震韧性评价中量化抗震韧性评价指标,以损伤恢复指标、恢复曲线积分指标、其他指标为主,确定损伤构件对结构的影响是研究趋势;针对不同抗震韧性评估方法对结构抗震韧性评价进行对比,构建综合评价指标,以满足评价需求.在抗震减灾形式下,依据震损结构的研究基础,对于新建建筑和既有建筑加固、改造等提高结构韧性性能提出了更高的要求,为抗震韧性的研究提供了参考,也是当今低碳建筑的发展需求.

大跨度上承式钢管混凝土拱桥抗震韧性评估

为评估大跨度上承式钢管混凝土(Concrete-filled Steel Tube,CFST)拱桥在不同地震动强度下的抗震韧性,以一座320 m上承式CFST拱桥为研究对象,利用Midas/Civil软件建立结构有限元模型并进行非线性结构响应分析,定义了拱桥的易损性组和性能组,开展地震易损性分析,分别评估在不同地震动强度作用下拱桥结构的维修费用和维修时间等抗震韧性指标,给出拱桥的抗震韧性评级方法和依据。结果表明:该结构最终抗震韧性评级为一星,其中维修时间是影响拱桥结构综合抗震韧性等级的关键指标,结构构件对拱桥结构的抗震韧性有较大的影响。

考虑填充墙力学贡献的规范RC框架办公楼抗震韧性评价

提升建筑结构的抗震韧性是当前工程界抗震减灾的核心任务,根据现代规范设计的钢筋混凝土框架尽管具有较高的抗倒塌安全储备,但其韧性能力并不明确。既有研究在量化结构抗震韧性时,均仅采用结构构件的地震响应作为输入,忽略了非结构构件对整体结构地震响应的影响。针对上述问题,该文根据规范最低要求,设计一栋六层钢筋混凝土框架办公楼,并对其抗震韧性进行评价,明确了该办公楼的抗震韧性与《建筑抗震韧性评价标准》中建议的韧性目标的差距,揭示各类构件对结构韧性的影响。对比研究了填充墙力学贡献对办公楼抗震韧性的影响。研究结果表明:该六层框架办公楼的修复费用主要来源于填充墙和暖通类设备的修复工作,而修复时间主要由结构构件和填充墙的修复时间组成。填充墙的力学贡献会提高该办公楼的抗震韧性,减少结构构件和位移型非结构构件的修复费用和时间约50%,但对加速度型非结构构件的影响较小。

附设黏滞阻尼器的RC框架结构抗震韧性评估

为研究黏滞阻尼器对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构抗震韧性影响,基于增量动力时程分析方法,对附设黏滞阻尼器的RC框架结构开展抗震韧性能力评估。结合FEMA P-58以及我国抗震韧性评价标准,将主要受损构件的修复费用、修复时间曲线以及易损性信息按实际情况进行相应修正,并对无控结构和有控结构的修复费用、修复时间和人员伤亡等主要抗震韧性指标进行对比分析,明确了黏滞阻尼器对RC框架结构抗震韧性的影响。研究表明,在RC框架结构中适当设置黏滞阻尼器不仅能够减小结构地震响应、降低结构破坏概率,还能有效提升结构抗震韧性。

基于组合性能指标的立面差异化锈蚀桥墩时变抗震韧性研究

为了研究立面差异化锈蚀桥墩在全寿命周期内的震后可恢复性能,该文基于结构震中响应和震后状态提出了一种“先判定损伤等级后评估可修复程度”的桥墩抗震韧性概率评价方法。以地震易损性分析为基础,基于最大位移角-残余位移角组合指标构建桥墩震后可恢复性曲线,给出桥墩各级破坏状态下多级可修复程度的概率计算方法。根据海洋环境的腐蚀特点,建立了立面差异化锈蚀桥墩的有限元模型,通过Pushover分析研究了全服役期内桥墩抗震性能的退化规律。采用增量动力分析(IDA)方法对不同服役年限的桥墩进行地震易损性分析,根据墩顶最大位移角定义桥墩破坏状态、以峰值加速度(PGA)表征地震动强度,从而建立起桥墩时变地震易损性曲线。以残余位移角为参考指标,对桥墩不同服役时间的各级破坏状态进行震后可修复程度的分类与统计,通过构建可恢复性曲线实现桥墩不同破坏状态下各级修复难度的概率评估。研究结果表明,随着服役时间的增长,钢筋锈蚀会导致桥墩抗震性能的不断退化。相比未锈蚀情况,桥墩服役100年后,承载力下降约20.22%,而侧向变形能力降幅可达75.30%。同时,随着服役时间的增长,桥墩各级破坏状态的地震失效概率逐渐增大,且震后修复难度也随之提高。当PGA为0.6 g时,桥墩从未锈蚀到服役100年,发生严重破坏的超越概率由16.92%上升到了35.66%,而震后需要简单修复的概率由14.17%上升至26.49%,并出现了较难修复和难以修复的情况。

考虑水质因素的供水管网抗震韧性评估

城市基础设施系统抗震韧性分析模型是评估城市防震减灾能力并指导震后恢复工作的重要依据。提出了耦合水力与水质模拟的供水管网抗震韧性评估模型。根据管道地震易损性模型和Monte Carlo模拟生成管网地震破坏场景,并采用动态重要度方法模拟管网震后修复过程。通过管网中余氯浓度的降低表示地震破坏对管网水质的负面影响,震后管网余氯浓度的变化取决于管道破坏引起的供水路径和水量的变化。采用震后余氯浓度未下降的用户节点供水量,作为管网系统水质性能评估指标。所提出的模型应用于2个不同布局的Benchmark案例管网。研究结果表明:管道破损处的水量漏失导致其上游管道的水流量增加、余氯浓度增大,下游管道的供水路径延长、余氯浓度减小。管网的水质韧性值往往低于水力韧性值,水力和水质韧性相对差异程度受到管网布局和运行规则的影响,文中案例管网水质和水力指标计算的抗震韧性损失指标的相对差异在17%~286%之间;运行规则复杂且含有调节水箱的管网,其水力和水质韧性的差异较大。

城市结构抗震韧性评估研究新进展

城市结构是城市抵御地震灾害的关键载体,其抗震韧性要求在地震作用下具有快速恢复结构使用功能的能力。通过抗震韧性评估定量反映结构地震损伤及恢复程度,可为制定城市结构韧性提升策略提供依据。本文系统地梳理了城市结构抗震韧性评估研究现状。首先,介绍了结构抗震韧性的基本理念,从韧性指标、韧性模型、韧性水平及韧性评估四个方面总结了国内外关于城市结构抗震韧性评估的研究成果;其次,探讨了城市结构抗震韧性评估的发展趋势。已有研究表明:结构抗震韧性评估的研究在评估方法高效化和韧性模型精细化方面取得了较大进展,但仍然面临功能恢复模型不完善和韧性评估工程实践案例较少等诸多挑战;最后,对未来研究方向进行了展望,可为后续城市结构抗震韧性评估研究提供参考。

多塔大底盘RC框架隔震建筑抗震韧性设计研究

以位于Ⅷ度区(0.3 g)的某多塔钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)框架建筑为研究对象,对其进行了大底盘隔震设计,研究了在设防、罕遇地震作用下3个塔楼的动力响应,并基于韧性评价标准对该隔震方案展开了2个地震水准下的抗震韧性评价。结果表明:隔震后结构基本周期延长至原来的3倍,降低了地震作用,有效控制了上部结构的地震响应。楼面绝对加速度的显著控制基本消除了加速度敏感型非结构构件的损伤。结构构件以及位移敏感型非结构构件的修复费用主导了建筑的修复费用。建筑的修复时间由阶段Ⅰ中结构构件的修复时间控制,此隔震方案下建筑的抗震韧性等级达到了三星。

特高压换流站抗震韧性及震后修复策略快速评估方法

地震作用下特高压换流站中设备极易损坏,然而由于资源条件限制使得震后抢修效率较低,从而导致了大量经济损失。为寻求高效的震后修复策略,该文搭建一套基于功能状态模型的抗震韧性快速评估框架。从结构和电气两方面建立换流站系统的二维功能网络模型,并利用贝叶斯网络进行功能状态快速评估。为提高系统震后修复效率,提出一种生物启发式多目标优化算法,利用震后迭代模拟得到系统阶梯型功能时变函数。通过对一典型±800 kV特高压换流站进行抗震韧性分析,得到换流站系统的关键抢修设备及最优修复策略,证明了最优修复策略的有效性和必要性。该框架量化了特高压换流站的震后修复过程及抗震韧性水平,可为换流站系统的震后应急抢修提供参考。

基于混合减震技术的既有建筑抗震韧性提升

建筑抗震韧性评价是地震工程领域的研究重点,在指导设计人员提高结构抗震设计水准和引导管理人员增强结构防灾意识两个方面具有重要意义。以位于8度区(0.30g)的某既有框架结构为研究对象,基于GB/T 38591-2020《建筑抗震韧性评价标准》从修复费用、修复时间和人员伤亡3个角度对结构加固前后的抗震韧性进行评价,并结合加固收益率对减震加固方案的经济效益进行分析。结果表明,采用黏滞阻尼器和屈曲约束支撑的加固技术可有效控制结构的动力响应,层间位移角和加速度均值的最大下降幅度分别为76.9%和29.8%。在罕遇地震作用下决定该结构韧性等级的主要影响因素为修复时间和人员损失。虽然加固前后该结构抗震韧性评级均为一星,但是所采用的减震方案有效提升了结构的抗震韧性,研究成果可为既有建筑的韧性评价与提升提供参考。

油库抗震韧性动态评估模型

为解决油库面临地震时的安全管理问题,首先,将抗震韧性定义为油库为保持储存功能表现出的抵御地震破坏、减轻地震次生灾害、适应震后环境和震后快速恢复的能力,并量化油库抗震韧性表现出的4种能力,建立油库抗震韧性评估模型;其次,考虑到抵御阶段和减轻阶段的不确定性,基于动态蒙特卡罗法,定量评估油库抗震韧性,并获得油库的抗震韧性值;最后,以某地震区域油库为例,验证模型的有效性。结果表明:油库韧性能力的不确定性导致韧性值出现大幅波动;多米诺效应对油库韧性的影响较大,不可忽略;震源距离越远、断层滑移率越小,抗震韧性越高;远离活动断层、预测地震危害、减少应急响应时间等措施可提高抗震韧性。

输电线路抗震韧性评估方法研究

输电线路抗震韧性研究有助于确定震后输电线路功能损失和恢复时间,为震后电力系统恢复提供重要参考。基于2008年汶川8.0级地震后成都、绵阳、德阳、广元和阿坝5个地区的输电线路震害资料,分析了输电线路功能失效、恢复情况,建立了功能失效、恢复时间与破坏情况的对应关系函数,结合韧性定义给出输电线路功能损失累积函数,划分了韧性水平等级,形成了以电压等级、长度、地形地貌为参数的输电线路抗震韧性计算方法。使用该方法对我国某地区输电线路进行试算,计算结果与以往对输电线路震害情况的定性判断基本相符,能够揭示出该地区输电线路在低烈度时损失较轻、在高烈度时损失较重的基本规律。

工程场地抗震韧性评价指标体系

阐述了工程场地抗震韧性的概念;围绕稳定性和恢复力两个韧性特征,分析了场地条件及特征参数、地震危险性、地震地质灾害、工程对场地的功能要求、地震危险性分析能力、资源保障能力、应急管理能力等因素对工程场地抗震韧性的影响;在此基础上构建了工程场地抗震韧性评价指标体系。利用该评价指标体系,并借助合理的评价方法,可实现工程场地抗震韧性的定量评价。

多塔大底盘层间隔震与基础隔震高层建筑抗震韧性对比

建设层间隔震地铁上盖建筑已成为高烈度地区实现以公共交通为导向建设集约紧凑型城市的重要手段,同时面对韧性城市的建设需求,提升该类建筑的抗震韧性已成为土木领域研究热点。该类建筑中大底盘对隔震结构地震响应和抗震韧性的影响,塔楼与大底盘抗震韧性的差异性、两者对建筑整体抗震韧性的影响等关键问题有待研究。屈重比作为隔震结构设计关键指标,其对多塔大底盘层间隔震建筑的抗震韧性的影响规律有待明确。该文以5个屈重比取值分别设计了多塔大底盘层间隔震案例和基础隔震案例,开展了弹塑性时程分析和抗震韧性评价。结果表明:大底盘对层间隔震建筑的地震响应存在放大效应,进而导致层间隔震建筑韧性等级低于基础隔震建筑。塔楼和大底盘的修复费用和时间构成存在差异,塔楼的修复费用和时间由加速度敏感型非结构构件引起,而大底盘的修复费用和时间由结构构件和加速度敏感型非结构构件共同引起。多塔大底盘层间隔震建筑的整体韧性等级随屈重比降低而提升,但屈重比对塔楼和大底盘的抗震韧性影响规律存在差异,塔楼的修复时间和费用随屈重比的降低逐渐减小,而大底盘的修复时间和费用随屈重比的降低无明显变化。

单体建筑无筋砌体加固体系的抗震韧性研究

单体建筑无筋砌体结构的抗震韧性较差,在地震中容易发生严重破坏和倒塌。为此,以抗震韧性为参数指标,对单体无筋砌体结构进行加固并分析,研究其在地震作用下的抗震能力。以某实际工程作为研究对象,运用ANSYS软件建立单体建筑无筋砌体加固有限元模型,选取中国汶川地震波、日本阪神大地震波、美国克恩县地震波、中国台湾集集地震波及人工地震波作为地震动输入,利用韧性指数法和韧性等级法,从无筋砌体加固体系在震后的修复费用、修复时间及人员伤亡等方面进行分析,得到抗震韧性评估结果。研究表明:(1)在罕遇地震、设防地震和多遇地震的情况下,单体建筑无筋砌体结构的层间位移、层间剪应力、破坏程度均大于单体建筑无筋砌体加固体系;(2)在受到地震强弱因素影响下,无筋砌体结构的抗震韧性指数最高为0.877,而其加固体系的抗震韧性指数最低为0.908;(3)在经历不同地震波后,无筋砌体结构受到较大损害等级占比较高,人员伤亡较重,需要花费较长的时间和较多的费用完成灾后重建;而经过加固后的无筋砌体结构,加固体系受到较小损害等级占比较高,人员伤亡较轻,且能够用较短的时间和较少的费用完成灾后重建。

远近场地震动对隔震建筑抗震韧性影响分析

不同类型的地震动对隔震结构的地震响应和抗震韧性影响不同,为进一步探究其影响的差异,本文以北京地区某7层RC框架-剪力墙隔震结构为例,分别选取近场脉冲地震动、近场无脉冲地震动和远场地震动各11条进行设防地震和罕遇地震下的弹塑性分析计算及抗震韧性评价。分析结果表明:在地震作用下,远场地震动与近场无脉冲地震动响应相近;近场脉冲地震动对层间位移角、楼层加速度的影响远大于其他两类地震动,隔震层位移均值接近规定限值;近场脉冲地震动因其极大的地震响应导致抗震韧性评价各项指标远不如其他两类地震动,设防地震下远近场地震动均满足抗震韧性一星水准,罕遇地震下近场无脉冲地震动和远场地震动均满足韧性三星,而近场脉冲地震动只能达到韧性二星水准。研究结果可为地震灾害防范和隔震结构韧性设计提供参考。

城市道路交通系统抗震韧性研究进展

城市的抗震韧性建设已成为国际社会关注的重要议题。作为城市中最关键的基础设施系统之一,道路交通系统在历次大地震中均遭受严重的损坏甚至丧失功能,极大地阻碍震后应急救援和恢复重建工作的开展,造成巨额的间接损失和深远的社会影响。为此,如何有效评估潜在地震威胁下道路交通系统的抗震韧性水平,并提出科学合理的改进建议,对韧性城市的建设以及人类文明的可持续发展具有重要的理论意义和实用价值。本文首先介绍韧性城市理念的发展历程,以道路交通系统为主要研究对象,阐述抗震韧性的定义和内涵;然后,分别从道路交通系统的震后功能评估方法、抗震韧性评价指标、震后恢复策略和震前加固策略4个方面,系统性地总结现有研究的主要方法与成果,并指出当前研究的局限性;最后,对未来的研究趋势进行展望。

高地震烈度寒区钢-混凝土组合梁桥抗震韧性评价

综合考虑桥梁系统灾变全过程,提出了一种适用于高地震烈度寒区的钢-混凝土组合梁桥抗震韧性评价方法。基于现有统计数据,综合考虑桩基沉降损伤、疲劳损伤以及冻融损伤,建立了高地震烈度寒区钢-混凝土组合梁桥震前功能损失函数;将地震易损性分析与桥梁抗震韧性评价相结合,建立了桥梁系统震后恢复函数;提出了震前临界维修加固年限和临时保通状态。结果表明:在高地震烈度冻土区的钢-混凝土组合梁桥系统的临界维修加固年限随地震动峰值加速度的增大而减小,当地震动峰值加速度分别为0.10g、0.15g、0.20g、0.30g时,桥梁系统的临界维修加固年限预计分别为27年、24年、19年、8年;当桥位在Ⅸ度及以上设防区时,必须在桥梁方案设计中考虑增设减隔震装置;桥梁系统的恢复时间随地震动峰值加速度的增大而增大,韧性指标随地震动峰值加速度的增大而减小;桥梁在运营20年后发生地震作用时,地震动峰值加速度为0.10g和0.15g的地震动预计不会影响桥梁通行,地震动峰值加速度为0.20g~0.40g的地震动需要进行维修加固实现临时保通,预计恢复时间为1~42天,韧性指标为0.647~0.578,恢复至临时保通状态的韧性指标最大值为0.650。

考虑氯离子侵蚀与冲刷作用的桥梁抗震韧性分析

为分析氯离子侵蚀与冲刷作用下的桥梁抗震韧性,根据氯离子侵蚀机理,得到了氯离子侵蚀下的材料性能退化规律,构建了桥墩冲刷深度的计算模型,基于地震易损性理论提出了桥梁抗震韧性分析方法。以国内某跨河梁桥为工程实例,分别分析了该桥在氯离子侵蚀下、冲刷作用下及氯离子侵蚀与冲刷共同作用下的桥墩地震易损性与抗震韧性,研究表明:随着服役年限的增加,桥墩冲刷深度不断增加,氯离子侵蚀桥墩程度不断加重,桥墩在各损伤状态下的超越概率也不断增加;冲刷作用较氯离子侵蚀作用对桥墩地震易损性的影响更严重,考虑氯离子与冲刷共同作用下的桥墩超越概率要略小于仅考虑冲刷作用的桥墩超越概率;随着地震强度(PGA)的增大,桥墩的抗震韧性不断减小,并且当PGA较小时,抗震韧性下降较快,PGA较大时,抗震韧性趋于平缓,减速为先快后慢,表明大震作用下,桥墩抗震韧性已达到极限;随着桥梁服役时间的增加,仅考虑冲刷作用、仅氯离子侵蚀及两者共同作用下的桥墩抗震韧性均有不同程度下降,其中冲刷作用较氯离子侵蚀作用对桥墩抗震韧性影响更为明显,两者共同作用下的桥墩抗震韧性小于仅考虑冲刷作用或仅考虑氯离子侵蚀作用下的抗震韧性。

消能减震技术提升既有建筑抗震韧性研究

既有建筑的抗震韧性水平会显著影响城市遭遇地震等自然灾害时的安全性、功能性和恢复性。因此提高既有建筑的抗震韧性对促进城市可持续发展具有重要的实际意义。文章对既有建筑抗震韧性改造理念、建筑抗震韧性评价进行了分析,对提高既有建筑抗震韧性的方法进行了研究,重点介绍了消能减震加固技术,并对消能减震加固技术在既有建筑中的应用进行了论述。