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钢筋混凝土结构加固后的抗震性能
摘要：由于不符合现行设计规范，现有建筑可能面临更大的地震风险，可能需要进行结构改造以提高建筑性能。建筑物的性能是根据直接损坏造成的直接后果来衡量的，但在抗震加固评估中不考虑与恢复有关的持续影响。本文介绍了一种基于常规减震方法加固缺陷建筑抗震性能的加固选择框架。通过建立非线性数值模型和建筑性能模型，考虑了基于装配的抗震性能评估方法。从承载力曲线发展出崩塌脆弱性，并确定由此产生的社会、经济和环境后果。建筑物的抗震能力是通过开发一种停工评估方法来评估的，该方法包括修复顺序、阻碍因素和公用设施可用性。在给定的时间间隔内，对建筑物的功能性发展了五种功能状态，并确定了每种改造的功能性曲线。结论是，地震恢复力可作为评估危险持续影响的性能指标，用于改造选择。
关键词：回弹；钢筋混凝土；基于性能的；抗震加固；非延性
1 简介
地震灾害是一种低概率高后果事件，直到1961年，统一建筑规范（UBC）的抗震规定将其视为建筑物上的单一侧向荷载，相当于建筑物重量的7.5%（土壤条件较差时为10%）。直到1960年，抗震设计规定才成为美国采用UBC规范的社区的强制性规定。1964年阿拉斯加和1971年圣费尔南多发生的两次大地震表明，建筑物的结构性能较差，这导致开发了新的抗震设计程序（Beavers，2002年）。改进抗震设计规范是一个持续的过程，直到最近，抗震设计规范才在低地震活动性地区得到实施（Mwafy和Elkholy，2017）。因此，在这些建筑的设计和施工过程中，结构细节不充分和抗震设计规定效率低下，世界各地的现有建筑基础设施在地震事件中有性能不佳的风险（Gautam和Chaulagain，2016）。地震损失对于现有建筑的不足是非常重要的，特别是在抗震规范尚未采用的低到中等地震活动的地区。这突出了改善现有缺陷结构性能的重要性，以减少地震后果并提高恢复力。
维修、修复和翻新用于改善现有建筑的性能。最近，考虑到全球用于修复和修复现有结构的资金高于新建结构，它已成为一项重要的建筑活动（Ma等人，2017年）。改造技术包括增加抗侧力系统或升级现有构件以提高结构性能（Zheng等人，2019）。现有构件的升级可通过降低抗侧力要求或通过修改强度、刚度、延性特性或通过任何这些组合提高承载力来实现（Thermou和Elnashai，2006）。延性取决于结构构件的细节；因此，对其进行改造需要改进梁柱接头和钢筋加固，这可能会造成破坏，而且成本高昂。因此，这种类型的改造很少用于中低地震活动区（Calvi，2013）。延性相关改造的更理想方法是通过修改或更换抗侧力构件来降低对结构的要求。本研究涉及通过使用钢筋混凝土套（RCJ）、钢套（SJ）和纤维增强聚合物包裹柱来提高现有抗侧力构件的强度和刚度，这是一种常用的方法（Billah和Alam，2014）。
基于性能的评估用于现有建筑物的抗震升级。性能表示为离散性能水平，定义为即时占用、生命安全和防倒塌。绩效水平与社会、经济和停机损失相关，但这些相关性本质上是基于观察或经验的，并且是特定于站点的（Whitman 等人，1997）。这种降低风险的方法需要阈值极限状态值，而对于各种类型的建筑，这些值无法精确确定，因为它们取决于多种因素，如结构配置、设计标准、重要性因素、详细程度等（Qian和Dong，2020）。建筑物的恢复时间是抗震能力评估的一个关键输入，它也与建筑物的性能水平有关，这些性能水平大多以粗略的术语表示（例如，最广泛使用的HAZUS风险评估平台假设建筑物在一年内实现全部功能，而不考虑损坏量和危险场景）。许多研究采用了基于性能的地震评估方法进行风险和恢复力评估（Dong and Frangopol，2015；Zheng等人，2018；Li等人，2020a；Kilanitis and Sextos，2019；Giouvanidis and Dong，2020；Li等人，2020b），也与地震可持续性有关（Rodriguez-Nikl，2015；Bocchini 等人，2013；Dong等人，2014年）。许多研究人员也研究了将地震损失、可持续性和恢复力相结合的成分级方法（Dong和Frangopol，2016；Hashemi等人，2019；Anwar等人，2020；Asadi等人 2019）。Tirca等人（2016年）通过对办公楼构件进行局部改造，研究了抗震能力的提高。增量动力分析（IDA）用于确定损伤易损性，Cimellaro等人（2010）开发的功能曲线用于评估地震恢复力。Guo等人（2017）研究了带摩擦装置的自定心墙加固框架建筑的抗震性能。通过工程需求参数（EDPs）对建筑物的性能进行了比较，但没有考虑地震恢复力的量化框架。类似的研究可以在考虑抗震改造的抗震恢复力改进文献中找到（Pekcan等人，2014；Vona等人，2018；Khanmohammadi等人，2018；Rousakis，2018；Anelli等人，2019），但没有一个采用基于性能的量化框架进行恢复力评估。Molina Hutt等人（2016）提出了一种利用IDA提高高层建筑抗震能力的地震损失和停工评估方法，该方法采用了一系列时程分析，且强度测量水平不断提高，计算成本可能很高，特别是对于复杂结构模型，高层建筑，以及需要对建筑进行多次分析的情况。据作者所知，采用传统减震方法加固的缺陷钢筋混凝土建筑的地震恢复力评估尚未研究，特别是通过基于装配的停工时间量化。此外，风险评估指标仅考虑结构的稳健性，而弹性指标也考虑建筑物的恢复。本文研究了基于地震恢复力指标的加固方案选择。
本文提出了一种基于性能的抗震恢复力评估框架，并将其应用于某钢筋混凝土结构抗震恢复力评估中。通过应用三种常用于建筑物结构改造的传统结构减震方法，研究了地震恢复力的提高。该方法考虑了组件级方法，需要在构建性能模型时组合脆弱性和后果函数。提出的基于装配的组件级方法考虑了由静力弹塑性分析方法确定的崩溃脆弱性，因此绕过了计算昂贵的时程分析。社会、经济和环境后果是根据人员伤亡、金钱损失和等效碳排放量来评估的。通过开发包含维修顺序、阻碍因素和公用设施可用性的停机时间评估方法，评估改造方案的抗震能力。本文的主要贡献包括利用计算有效的静力弹塑性分析方法开发传统改造方案的倒塌脆弱性，开发考虑改造方案的社会、经济和环境后果评估框架，以及基于地震的改造选择考虑到建筑物的坚固性和恢复力。基于性能的地震恢复力评估方法见第2节，示例见第3节。最后一部分是本文的结论。
2 方法
该框架首先选择用于调查和提高抗震能力的建筑物和改造方法。第一步是建立参考未改造建筑和改造建筑的非线性模型。非线性模型应该能够有效地捕捉钢筋屈服、混凝土压碎、强度和刚度退化。然后，可以从非线性静力分析程序中得出表示给定侧向位移的基底剪力的承载力曲线，并用于估计抗侧力系统中的缺陷。通过施加一系列逐渐增大的横向荷载并记录横向位移，得出了承载力曲线。在每次迭代中增加横向荷载最终将导致构件开始屈服，并且由于结构构件的每次屈服，将发生荷载的重新分布（Su等人，2019）。在每次迭代中，通过调整构件的屈服、强度和刚度退化，对模型进行修正，直至确定整个结构的屈服模式和强度和刚度退化。确定了最大基底剪力和侧向位移，并与设计荷载进行了比较，确定了强度系数。如果强度系数大于1或在规范要求的范围内，则认为结构是安全的；否则需要进行结构改造。采用相同的程序（即静力弹塑性分析）绘制改装模型的承载力曲线。如果强度系数不理想，则修改改装技术并重复该过程以获得理想的初步性能。该方法如图1所示的流程图所示。
图1
2.1 因静力弹塑性而形成坍塌脆弱性
如果加固技术满足初始强度和刚度要求，下一步就是建立倒塌易损性和建筑性能模型。Vamvatsikos和Allin Cornell（2006）通过增量动力学分析研究了一系列具有广泛时间周期的单自由度系统。由此产生的磁滞回线被转换成从简单双线性到四线性的主干曲线，包括弹性、硬化、软化和以零强度结束的残余平台段。将IDA曲线特征段之间的关系与许多系统的主干曲线联系起来，说明非线性静力分析方法（静力弹塑性分析）可以用来估计非线性动力响应。本文利用静力弹塑性分析到增量动态分析（SPO2IDA）工具对非线性IDA结果进行静力弹塑性分析。FEMA（2012）建议，该工具可用于确定由基本振动模式主导的低层建筑的倒塌脆弱性。这种方法可以绕过计算昂贵的一部分，并能迅速产生崩溃的脆弱性。以下是使用SPO2IDA工具开发塌陷脆弱性的步骤：
1.建立一个适合于静力弹塑性分析的结构非线性数学模型。
2.执行非线性静态分析程序，以在主建筑方向绘制容量曲线。
3.通过识别四个控制点将容量曲线近似为四次线性曲线，每个控制点指示四个已定义段的端点和起点。
4.执行SPO2IDA工具，输入控制点及相关信息（如建筑重量、建筑高度、基本时段等），提取中间倒塌能力。
5.利用离散度为0.6的对数正态累积分布函数构造崩塌脆性。
2.2后果评估
倒塌脆弱性分析提供了给定强度度量的倒塌概率信息。决策者更感兴趣的是获得更有意义的信息（例如，以美元计的经济损失、以数字计的伤亡人数、当量碳排放量等）。在后果评估中，倒塌脆弱性和建筑物构件损坏的概率被转换为社会、经济和环境后果（Dong等人，2016；Wang等人，2018）。为此，构建了一个建筑性能模型，包括易损结构和非结构构件的易损性函数和后果函数。易损性函数决定了每个可损伤部件超过给定损伤状态的概率。后果函数使用部件处于不同损坏状态的概率，并确定社会、经济或环境后果。以下步骤可确定给定危险情景下的经济和环境后果：
1.定义要确定后果的危险情景。
2.根据所建立的非线性数学模型计算EDPs。
3.确定所有可损坏部件超过不同损坏状态的概率。
4.利用所有可损伤构件超过不同损伤状态的概率和倒塌易损性，利用全概率定理确定后果。
社会后果（即伤害、死亡）可确定为
式中，Sm | IM是地震可持续性的社会度量；empty;C是伤亡函数，取决于施工类型，可以使用过去地震的历史伤亡人数来确定；Trand是一天中随机生成的时间和一周中某一特定实现的日期；f（ p| Trand）是时间相关的人口模型；pT是建筑物的总人口；pC | IM是给定IM的建筑物倒塌概率；pR是取决于建筑物失效模式的风险人口。
经济和环境后果可确定为
式中，CLT|IM 是给定IM的总后果；CLC|C是给定坍塌概率的后果；PC|IM CLR|DS 是给定损伤状态下构件后果损失函数的随机值；pDS|EDP 是给定EDP的损伤状态概率；fEDP|IM是给定IM的EDP的概率密度函数。
2.3地震恢复力评估
抗震恢复力是指结构在不发生倒塌的情况下吸收损伤并有效地从地震灾害中恢复的能力。具有更大抗震能力的建筑在地震发生后立即受到的破坏更小，恢复更快。建筑物在地震后的功能及其恢复可作为评估抗震能力的性能指标。功能性曲线提供了给定调查时间间隔的功能性状态，以及危险事件后其恢复到完全功能性的情况。地震恢复力可通过积分随时间变化的功能曲线进行数学评估，如式（3）所示
式中，R是恢复力度量，Q(t)是功能性，TR是地震后调查的时间间隔。
在本文中，根据结构和非结构损伤以及效用可用性，发展了五种功能状态。在图2所示的流程图中示出了功能状态的映射和到全部功能的恢复。五种功能状态用指定的加权因子表示。全功能（FF）的加权系数为1，限制进入（RE）的加权系数为0.2。剩余的功能状态分配了0.2到1之间的权重因子，增量为0.2。地震发生后，这一过程首先由专业的建筑检查员对建筑物进行检查。本文利用易损性函数计算结构和非结构损伤，量化建筑物的损伤程度。根据损坏程度和有关公用设施可用性的信息，可以确定建筑物的初始功能状态。例如，如果建筑物经历了中等到大范围的结构损坏，建筑物将被标记为限制进入（重新）功能状态（即，在进行必要的维修之前，不允许居住者进入房屋）。下一步将设计合理的修复顺序，使建筑功能处于危险前状态。在建筑维修之前，由于融资、工程审查、许可、承包商进场以及有时较长的交付周期，将发生额外的延误，称为阻碍性延误。
如果建筑物遭受中度到广泛的结构损坏，则将其标记为限制进入（RE），如果建筑物仅遭受非结构损坏，则建筑物处于限制使用（RU）功能状态。经过阻碍性延误、必要的非结构性维修和所有公用设施的可用性后，该建筑将恢复到全部功能。如果观察到轻微或无损坏，则根据公用设施的可用性，将建筑物指定为其余三种功能状态之一。如果没有可用的公用设施，则建筑物处于重新占用（RO）功能状态（即，建筑物空间可用于遮蔽目的，但不能用于其预期目的）。如果只有关键公用设施可用（即电和水），则建筑物为基线功能（BF），且在所有公用设施可用后，建筑物将实现全部功能（FF）。
修复每个受损结构和非结构部件所需的修复时间可根据式（2）确定。每个功能状态的停机时间可通过考虑维修计划（即，根据所有损坏部件的维修时间确定的维修顺序）、妨碍延误（即，融资、工程审查和许可、承包商进场和长交付周期）和公用设施可用性来确定。本文通过
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