地震工程从抗震减隔震到可恢复性(2)
1.2 地震可恢复功能的定义
图1为地震可恢复功能性概念示意图。假设对象为某结构,地震发生前该结构功能为 100%,地震发生后该结构丧失部分使用功能,经过震后修复,该结构的使用功能逐步恢复。图1中阴影区面积可表征该结构的可恢复功能能力,阴影区面积越小,则该结构的功能可恢复性越强。对于传统结构A,由于结构构件和非结构构件的损伤其功能下降显著,震后修复难度大,功能中断时间长,由此导致的间接损失严重,且最终无法恢复到原有性能水平。与传统结构不同,可恢复功能结构在保证生命安全前提下,将震后结构功能的恢复纳入到结构设计中,以这种思想设计的结构B在震后依然保持一定的功能用来维持正常生产运转,通过快速修复即可完全恢复原有功能水平。如果修复方法能够克服原有结构部分缺陷,则修复后的结构将具备更高的功能水平(图1中结构C)。从图中可以看出,提高一个结构的震后可恢复性包含两个方面:一是提高该结构的抗震能力和鲁棒性,减小地震损伤及由此造成的功能损失;二是提高该结构功能恢复的快速性,减小损伤修复及功能恢复时间。上述震后可恢复功能性概念除用于结构外,同样适用于系统、城市乃至整个社会。
图1 地震可恢复功能性概念Fig.1 Concept of earthquake resilience
如前所述,可恢复功能思想并非仅局限于单体结构,灾害作用也非仅针对地震灾害。图2为结构、系统、城市三个层次体系在不同灾种作用下的可恢复功能目标,输入灾害包括地震和其他次生灾害等,以及长期环境作用(如疲劳作用、腐蚀、冻融)。设计目标的可恢复功能性可以通过提高体系的鲁棒性(robustness)、冗余度(redundancy)、资源调配灵活性(resourcefulness)和增加体系恢复的快速性(rapidity)实现[14]。本文以下主要针对建筑结构探讨其在地震作用下的可恢复功能性,因此为地震可恢复功能结构。
图2 可恢复功能层次示意Fig.2 Schematic of different levels of resilience
2 地震可恢复功能结构
2.1 地震可恢复功能结构设防目标
我国当前抗震设计规范基于三水准设防目标,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”,其核心目的是防止结构发生倒塌。由于可恢复功能结构具有比传统结构更高的抗震性能,因此其抗震设计理念亟需从传统抗倒塌设防目标转向震后可恢复功能目标。为体现出可恢复功能结构相比传统结构的优越性,作者突破现有规范三水准设防目标,同时紧密结合第五代《中国地震动区划图》[15],提出地震可恢复功能结构“小震及中震不坏,大震可修复、可更换,巨震不倒塌”的四水准抗震设防目标[16]。本文采用的“四水准地震动”与第五代地震动参数区划图保持一致,即第一水准(多遇地震)对应于设计基准期50年超越概率63%的地震动,第二水准(设防地震)对应于设计基准期50年超越概率10%的地震动,第三水准(罕遇地震)对应于设计基准期50年超越概率 2%的地震动,第四水准(极罕遇地震)对应于设计基准期50年超越概率0.01%的地震动。在此四水准地震动作用下采用时程分析时的最大加速度取值见表1。
表1 四水准地震动时程分析最大加速度值 /(cm/s2)Table 1 Maximum acceleration value for time history analysis under four-level ground motions地震水准 6度 7度 8度 9度第一水准 18 35(55)70(110)140第二水准 49 98(147)196(294)392第三水准 125 220(310)400(510)620第四水准 147 294(441)588(882)1176
为实现“小震及中震不坏,大震可修复、可更换,巨震不倒塌”这一更高的抗震设防目标,文献[16]对各地震水准下的结构抗震性能目标重新进行了定义,如表2所示,并对与四水准抗震设防目标对应的性能水准进行了描述,见表3。从表 2、表3中可以看出,与传统结构相比,地震可恢复功能结构的抗震性能目标有较大幅度提升。
2.2 地震可恢复功能结构体系
2.2.1 现有关于可恢复功能结构的设计文件
目前国际上与可恢复功能结构相关的设计文件主要包括:美国混凝土协会ACI T1.2-03规范[17](用于设计后张拉预制混凝土混合框架结构)、ACI ITG-5.1规范[18](基于试验验证的无黏结后张拉预制剪力墙接受准则)、ACI ITG-5.2规范[19](无黏结后张拉预制剪力墙设计方法)、新西兰混凝土协会PRESSS设计手册[20]、新西兰混凝土结构设计规范(NZS 3101)[21]以及美国预制/预应力混凝土协会PCI设计手册[22]等。目前,我国相关领域的科研和设计人员也正在加紧起草编写《罕遇地震后可恢复功能建筑结构设计规程》。
文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0722/491.html
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