给建筑装上隔震支座,相当于在地面与房屋之间增加一个可以水平变形的缓冲层。工程师还想进一步知道:面对越来越强的地震,建筑进入不同损伤状态的可能性有多大?这就需要把一次计算,扩展成一张随地震强度变化的风险图。

房屋和支座,各有自己的任务

上部房屋希望尽量保持完整,隔震支座则通过较大的水平变形来减少向上传递的作用。研究因此同时观察两类指标:楼层之间相对变形的大小,以及隔震支座需要移动多远。

材料性能、支座参数和地震动都存在变化。要把这些变化逐一组合起来,开展大量精细计算,耗时会很长。论文采用响应面方法,先用一组有代表性的计算建立输入参数与结构响应之间的近似关系,再用这个关系开展概率分析。

“易损性”回答的是带有条件的概率问题:如果地震动达到某种强度,建筑超过指定性能界限的概率是多少。它把许多可能的材料参数和地震记录组合在一起,得到一条随强度变化的曲线。研究区分上部框架与隔震层,是因为它们对应的需求不同:框架层间变形增大会影响梁柱与连接,支座位移增大则直接关系到装置运动能力和周边空间。

基础隔震框架的平面和支座布置。不同位置的支座共同承担竖向荷载,并允许建筑底部发生水平运动。
图 1|基础隔震框架的平面和支座布置。不同位置的支座共同承担竖向荷载,并允许建筑底部发生水平运动。 来源:原论文图。

给复杂计算找一个轻便的替身

响应面可以理解成一张经过样本校准的快速查询图:知道结构和地震的参数,就能较快估计关心的响应。研究通过与蒙特卡洛分析对照,检验这种替代方式的准确性与效率,并进一步考虑隔震层和上部结构共同组成的系统。

得到的易损性曲线,横轴是地震强度,纵轴是超过某一损伤或性能界限的概率。对同一种状态,在相同地震强度下曲线越低,意味着进入该状态的概率越小。原图把隔震与非隔震结构放在一起,直观呈现了隔震带来的风险变化。

建立响应面前,需要先找出影响较大的参数,并在合理范围内选择计算样本。精细模型负责提供这些样本的响应,近似关系负责把样本之间的变化补充出来。这样,计算资源集中在校准与验证上,大量随机组合则交给快速模型处理。论文同时考察响应的平均水平和离散性,使曲线既能体现典型响应,也能反映不同输入与参数组合带来的波动。

隔震与非隔震结构的易损性曲线。阅读时应在同一损伤状态、同一地震强度下比较超越概率,观察隔震怎样改变风险。
图 2|隔震与非隔震结构的易损性曲线。阅读时应在同一损伤状态、同一地震强度下比较超越概率,观察隔震怎样改变风险。 来源:原论文图。

把“减轻震动”转化成可比较的风险

算例中,隔震措施显著降低了上部结构的损伤概率;随着地震增强,支座自身的位移需求成为系统评估的重要部分。这体现了隔震体系的分工:上部结构少变形,底部装置承担更多运动。

这套方法让设计人员能比较不同参数组合和性能目标,而不必为每个随机样本都重新进行完整的非线性分析。隔震效果由此可以用一组概率曲线来描述,为方案选择和风险评估提供更直接的依据。

把框架与隔震层合起来看,还有一个系统层面的含义:即便上部结构保持较好状态,隔震装置的需求也必须得到满足。研究利用两部分的性能关系构建系统评估,让方案比较覆盖整个结构体系。设计人员因此可以沿着同一条分析路径,观察改变支座参数后,上部损伤概率与底部位移需求分别向哪个方向变化,再寻找符合目标的配置。