新论文：城市抗震弹塑性分析中如何确定高层建筑的损伤程度？

适用于区域震害模拟的混凝土高层结构损伤预测方法

自然灾害学报, 2016, 25(6): 69-78

研究背景

城市抗震弹塑性分析通过将真实或模拟的地震动逐个输入不同的建筑物，可以得到建筑群地震动力响应的全过程。看着整个城市高高低低的建筑物在那里“群魔乱舞”（图1），确实让人感到非常有趣。

图1 城市抗震弹塑性分析得到建筑群在地震作用下的振动模拟

但是，从科学研究和防震减灾的角度上说，仅仅这样一个晃动过程模拟其实还很不够。因为我们需要知道这样的晃动会引起建筑物多大程度的破坏，进而才能有针对性的提出相应的防震减灾对策。

这个问题对于多层建筑来说其实稍微简单一些，因为多层建筑主要是剪切型变形，因此根据层间位移角，基本就可以对多层建筑的震害程度做出一个比较清晰的判断，具体实现方法可以参考我们之前的论文：

但是，对于高层建筑，这个事情就变得非常复杂了。因为高层建筑同时存在剪切变形和弯曲变形，如果仍然采用层间位移角作为损伤判别标准，就会导致计算得到的建筑物损伤都是顶部大，底部小（图2），和真实震害差距显著。

图2 9.20墨西哥地震下典型超高层建筑的层间位移角分布

所以，在国家标准《建筑抗震设计规范GB50011-2010》以及行业标准《高层建筑混凝土结构技术规范JGJ3-2010》都指出：在性能化设计时，有必要考虑总层间位移角和有害层间位移角的区别。但是具体如何考虑，这个是一个研究了很多年，但是仍然没有得到很好解决的问题。但是，城市抗震弹塑性分析又迫切需要解决高层建筑损伤判别的难题，所以必须找到一个相对可以接受的解决途径。所以，这篇论文的基本思路就是：我们不能说这个方法是一个非常好的方法，只是现阶段在没有更好的方法的情况下，对于城市抗震弹塑性分析相对可行的方法（地无朱砂，红土为贵）。里面很多具体数值的确定，更是需要进一步做大量的研究和讨论。

基本思路

首先，城市抗震弹塑性分析对于高层建筑采用的是多自由度弯剪耦合模型，所以这个损伤判断准则也是专门针对多自由度弯剪耦合模型的。

图3 区域高层结构损伤预测流程图

图3所示为整个损伤预测流程的框架。多自由度弯剪耦合模型主要适用于在我国用量最大的高层钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。里面的构件主要包括三大类：剪力墙肢、连梁和框架构件。所以，我们可以参考《建筑抗震设计规范》中对不同性能等级的文字描述，将其与RC框架-剪力墙结构的不同构件损伤建立起相互关系，如表1所示。

表1 本文建议的RC高层结构损伤描述

进而我们可以对剪力墙肢、连梁和框架构件，分别定义他们的损伤判别准则。其中框架和连梁相对比较简单，而剪力墙肢的损伤判别准则是最复杂的，也是本文主要的研究焦点。

剪力墙肢的损伤判别我们首先做了大量文献调研，发现已有的方法分成两大类：

一大类是基于宏观变形的损伤判别标准，特别是基于转角的判别标准相对更为合理，但是不同轴压比、墙肢长度、配筋率的剪力墙构件，其损伤限值差异能达到10倍。

一大类是基于微观变形（应变）的损伤判别标准，例如我们在《建筑结构抗倒塌规范CECS392:2014》里面建议的损伤准则（表2），这个准则在采用精细化有限元模型时（比如分层壳剪力墙模型）也比较好用。

表2 《建筑结构抗倒塌规范CECS392:2014》建议的基于应变的损伤判别标准

但是城市抗震弹塑性分析采用的是宏观的多自由度弯剪耦合模型，所以必须采用第一大类基于宏观变形的损伤判别标准，但是如何提出合理的损伤限值将是一大难题。

所以我们首先参考了《建筑结构抗倒塌规范CECS392:2014》里面建议的钢筋混凝土压弯构件的典型弯矩-转角关系，进而建立表3所示的损伤等级和变形之间的对应关系。

图4 《建筑结构抗倒塌规范CECS392:2014》里面建议的钢筋混凝土压弯构件的典型弯矩-转角关系

表3 本文建议的剪力墙肢损伤等级和变形之间的对应关系

那剩下的问题就是如何确定几个关键的损伤限值：屈服转角Sy, 峰值转角Sp和极限转角Su了。

屈服转角Sy, 峰值转角Sp基本上沿用了我们之前的论文新论文：城市区域高层建筑的地震响应模拟方法中建议的方法，只不过本文中我们进一步收集了17栋高层建筑推覆分析结果，对参数做了一定的调整。极限转角Su我们收集了国内39片墙片的实验结果，得到剪力墙的极限层间转角均值为Su = 3.89Sp。

效果验证

上面说了那么多，到底效果怎么样呢？我们选取了5栋不同的高层建筑，同时建立其精细有限元模型和多自由度弯剪耦合模型，看看他们在不同强度El-Centro地震动上损伤判别的结论是否一致。其中精细有限元模型采用的是《建筑结构抗倒塌规范CECS392:2014》里面建议的损伤判别方法。

首先我们对比一栋27层高层建筑，不同方法得到的框架、连梁和墙肢损伤沿高度的分布情况对比如图5所示，可以看到其结果基本合理。

图 5 一栋27层高层建筑不同强度地震动输入下损伤沿高度的分布对比

然后我们又对比了其他高层建筑，其结果如图6所示。

(a) 15层高层建筑

(b) 45层高层建筑

(c) 42层高层建筑

(d) 12层高层建筑

图6 不同高度高层建筑墙肢损伤判别结果对比

从图5、图6可以看出，本文建议的方法，其损伤判别结论和精细有限元模型的结果基本一致。需要指出的是，采用多自由度弯剪耦合模型，其计算效率比精细有限元模型提升3万倍以上。

采用该方法，我们就可以得到典型城市高层建筑群在不同地震作用下的损伤和破坏情况，为震害预测和防震减灾决策提供依据。

图7 高层建筑群在地震作用下的振动和损伤情况

结论

本文提出的适用于区域震害模拟的混凝土高层结构损伤预测方法，基本可以满足城市抗震弹塑性分析的需要。需要说明的是，该方法是在没有更好的其他解决途径下，现阶段地无朱砂，红土为贵的解决途径。我们真诚期望国内外对本研究有兴趣的各位同仁，提出更好更准确的解决方法。

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