2024 年 03 月 01 日
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科研亮点:结构抗震倒塌能力评估效率显著提高,工力所团队提出新方法
发布时间:2024/02/08
      传统结构抗震倒塌能力评估方法需要对结构建立复杂的有限元模型并进行大量非线性时程分析。因此,传统方法计算量较大,评估效率较低,在工程实践尤其在城市尺度群体结构评估中实用性不强,且不易被工程人员掌握。将复杂多自由度结构简化等效为单自由度体系可以极大地提高抗倒塌能力评估效率,其中关键技术在于如何确定恢复力模型中骨架曲线及滞回参数。以往简化方法一般仅考虑恢复力模型中骨架曲线控制参数,忽略了滞回参数的影响,然而现有研究表明,结构滞回特性(如刚度、强度退化以及捏缩效应等)对结构动力响应影响较大,不能忽视。因此,针对上述问题,中国地震局工程力学研究所公茂盛研究员团队的研究生邹晓霖、公茂盛研究员、左占宣副研究员等,提出了一种基于等效单自由度体系同时考虑骨架曲线及滞回特性的结构抗震倒塌能力高效评估方法。
      提出了一种结构抗倒塌能力高效评估方法(图1)。该方法主要包括以下四个步骤:首先对多自由度结构建立有限元模型进行静力往复推覆分析并得到其等效单自由度体系;其次采用优化算法校准单自由度体系骨架曲线和滞回特征参数;然后对等效单自由度体系进行增量动力分析;最后得到结构倒塌易损性曲线并评估结构抗倒塌能力。分别对RC纯框架结构、钢框架结构和RC填充墙框架结构进行抗倒塌能力评估,并与传统抗倒塌能力评估方法计算结果对比,验证和表明了本文所提方法的有效性和高效性。
      本文主要内容及结论包括以下三点:
      (1)所提方法采用的ARO优化算法在识别单自由度模型参数上具有较高的精度,且对于不同类型结构的目标滞回曲线均可取得较好效果(图2),理论上方法可以应用于不同类型结构。采用ARO优化算法识别414个框架柱试验中骨架曲线和滞回参数,结果表明相较于现有其他优化算法,本文所提优化算法在实现结果同等精度前提下,优化计算效率可提升17.45%。
      (2)采用所提评估方法对2层RC纯框架结构(图3)、3层钢框架结构(图4)和3层RC填充墙框架结构(图5)进行抗倒塌能力评估,得到的倒塌易损性曲线与采用多自由度有限元模型的计算结果差异较小,表明本文方法用于倒塌能力评估具有较高的有效性和准确性。
      (3)相较于传统直接采用多自由度有限元模型抗倒塌能力评估方法,采用本文所提等效单自由度方法进行抗倒塌能力评估,所需计算时间仅为传统方法的2%(图6),大幅度提升了评估计算效率。另外,本文所提方法不仅适用于单体结构,也可以推广至城市尺度的群体结构抗倒塌能力评估。

      该成果发表在国际权威期刊《Engineering Structures》(Xiaolin Zou, Maosheng Gong*, Zhanxuan Zuo*, Qifang Liu, An efficient framework for structural seismic collapse capacity assessment based on an equivalent SDOF system, Engineering Structures, Volume 300, 2024, 117213, ISSN 0141-0296, https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.117213.)(IF:5.5,*通讯作者)。

图1 结构抗震倒塌能力高效评估方法流程

图2 单自由度体系参数识别效果

图3 RC纯框架结构(a)IDA曲线对比和(b)倒塌易损性曲线对比


图4 钢框架结构(a)IDA曲线对比和(b)倒塌易损性曲线对比

图5 RC填充墙框架结构(a)IDA曲线对比和(b)倒塌易损性曲线对比

图6 提出的评估框架和传统倒塌能力评估方法的计算时间对比