1 绪论
1.1 研究背景与意义
地震是目前世界上面临的一种严重自然灾害。通常破坏性地震使人类生命遭受伤害、财产遭受损失，对社会造成深远的影响。我国处于世界上相对活跃的两个地震带之间，东临环太平洋地震带，西部和西南部地区经过欧亚地震带，是世界上地震分布广泛的国家之一，也成为世界上地震灾害最严重的国家，地震造成的人员伤亡及经济损失居世界首位[1]。由于地震具有突发性和不确定性的特点，对建筑物未来遭受的破坏程度往往难以估计，在工程界对建筑物进行有效的抗震设计是减轻地震灾害的有效方法之一。通过对我国历年震害资料分析表 1.1 给出了近 10 年来我国发生严重震害造成的人员伤亡和经济损失情况[2]。
在工程界，地震造成各类建筑物破坏是造成人员伤亡和经济损失的主要原因。建筑物破坏可分为主体结构承载能力不足导致结构破坏或倒塌和非承重构件如幕墙、室内围护结构、装饰构件及设备等的破坏。随着现代城市建筑的功能日益复杂化，地震灾害所引起的经济损失、结构功能丧失等对社会的影响程度变得尤为严重。因此，在进行建筑物抗震设计时需要综合考虑地震造成的各种损失，依据建筑物的重要程度及投资规模，灵活制定设防目标，全方位考虑建筑功能性、经济性和安全可靠性等多方面要求，体现“投资-效益”的准则，使建筑物成为综合考虑这些因素的最优方案[3～7]。
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1.2 建筑输液管道国内外研究现状
建筑输液管道作为保障建筑功能的基础性非结构构件，承担着消防和水资源等输送的功能。历次震害表明管道系统的破坏将极大的削弱建筑物的功能性。比如在一次地震中，某一建筑的结构部分基本完好，承载力并未受太大影响，但是大量内部供电和供水管道系统等重要的非结构构件损坏，导致无法提供水电，运营中断，那么在建筑结构未受损伤的情况下，其使用功能儿乎已经完全丧失，以此带来的损失往往让业主难以承受，输液管道系统对建筑功能影响可简化为图 1.5 的模型。与单点支撑非结构相比，管道系统支撑于多层楼板存在多点激励的问题，此类非结构的地震反应与主体结构各楼层动力反应及二者的相互作用息息相关[25,26]。
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2 建筑输液管系统力学模型的建立
2.1 建筑输液管道系统震害
建筑输液管道系统是医院及其他建筑维持功能运营及防止火灾蔓延等的重要非结构构件，在历次地震灾害中破坏严重。目前，虽然已经有了一些关于管道系统的抗震设计规范，但仍然不能避免管道系统在地震中的破坏。地震中管道破坏的主要原因有：（1）管道之间的接头不合理连接，导致接头处成为管道破坏的薄弱位置在地震作用下容易发生开裂破坏。（2）管道系统在建筑内的布置通常需要与楼板、隔墙和吊顶系统等连接，因此，在地震作用下容易与其他结构及非结构构件发生碰撞而破坏。（3）管道系统作为位移与加速度混合敏感型非结构构件附属在主体结构，其地震反应必然与主体结构的层间位移和楼层加速度有关。地震作用下管道受到主体结构的破坏的影响而破坏，国内外学者通过研究层间位移角限值以楼层加速度谱来确定管道的破坏限值以及各楼层对管道的地震作用，管道震害如图 2.1。
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2.2 建筑输液管道系统地震反应计算方法分析
2.2.1 基本假定
建筑内的输液管网系统主要包括与楼层连接的立管和水平支管，其中立管是将水源沿垂直方向输送至各个楼层、各不同标高处的管道。支管也称为配水管，是将水从立管输送至各个房间的管段。 关于水平支管抗震设计，在 2015 年住房城乡建设部发布实施的国家标准 GB50981-2014《建筑机电工程抗震设计规范》[53]中规定设置抗震支架的构造措施。本文在竖向管道地震反应分析时未考虑各楼层水平支管的反应及破坏。
地震作用下建筑内输液管道中的液体与管道存在流固耦合作用，通过查阅大量关于建筑内输液管道流固耦合的研究，发现管内液体的密度与流速是影响流固耦合引起管道内力变化的主要因素，赵光宇[54]、梁军[55]等学者分析了直径为 0.6m 的钢管在不同流速下流固耦合作用对管道内力的影响，其中最大内力变化约在 1MPa 之内，与本文建筑输液管道为屈服强度为 235MPa 钢管相比较小，因此，本文关于建筑输液管道的抗震研究不考虑流固耦合的影响。
模拟中梁、柱等杆系构件常用的模型有纤维模型和塑性铰模型。其中基于塑性铰模型一般是预先设置好塑性铰的位置，定义好相应的滞回曲线，并在此基础上建立弹塑性单元的刚度矩阵。但是这种办法有很大的缺点，它忽略了弯矩以外的截面内力变化对结构破坏的影响，也不能考虑两个方向上弯曲变形的影响，同时塑性铰长度取值也由于规范不同而导致结果的差异，而纤维单元是将杆件离散成纤维，然后根据截面曲率和应变计算个纤维的应变，再根据每种纤维材料的滞回性能计算相应的应力，以每一网格的中心为积分点在断面内进行积分来求得截面的内力。该单元采取了纤维模型，便于分割，适用于各种截面，同时它不仅可以考虑地震时轴力变化，也能考虑双轴弯曲变形的影响，因此本文主体钢筋混凝土结构采用梁纤维模型，纤维模型在确定截面的恢复力模型时需对截面按材料的组成和位置进行分割，划分成一系列纤维[57,58]，
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3 建筑-管道系统有限元分析....................................21
3.1 建筑-管道系统有限元模型...................................... 21
3.2 建筑管道系统弹塑性时程分析................................23
4 建筑管道系统地震易损性分析.............................. 40
4.1 地震易损性分析方法..................................40
4.2 地震易损性分析....................................40
5 结论与展望........................................ 53
5.1 结论.............................................53
5.2 展望.................................54
4 建筑管道系统地震易损性分析
4.1 地震易损性分析方法
地震易损性分析是指在可能遭遇的各种强度的地震作用下，一定区域的工程结构发生某种破坏程度的概率或可能性。其研究对象可以是城市系统、生命线工程或企业建筑等单体建筑或某个地区。通过地震易损性分析，可深入了解城市和地区的灾害分布规模和破坏情况，城市和地区的各类建筑、构筑物和生命线工程的抗震能力，薄弱环节以及其功能运营情况，为正确制定和提高城市和地区的综合抗震能力提供科学依据。建筑结构易损性分析是指结构在不同强度的地震作用下，发生不同破坏程度的可能性或者说结构达到某一极限状态的概率[64]。
地震作用下的经济损失和人员伤亡与建筑的破坏程度有着直接的联系，建筑结构易损性分析是损失评估以及确定抗震设防标准的基础性资料。因此，对建筑结构易损性分析是非常重要的。
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5 结论与展望
5.1 结论
本文分别建立建筑—管道整体耦合模型和管道多点激励模型对管道系统的地震反应进行分析，计算了建筑立管地震反应影响因素和管道抗震支架的地震作用，并对二者进行易损性分析，通过概率的方法描述其性能水平，主要研究结论如下：
（1）对建筑-管道整体耦合和多点激励两种模型下管道系统的地震反应进行弹塑性动力时程分析，结果发现整体耦合模型与多点激励模型管道节点最大相对位移别为107mm 和 113mm，误差为 5.8%，结果吻合较好，因此，可将管道从复杂建筑-管道系统中分离出来独立分析以提高计算效率。通过对管道的地震反应分析，发现管道由楼层运动产生的惯性力引起的管道反应与结构楼层反应相比可以忽略，可以认为管道相对地面的位移反应主要受主体结构各楼层影响。
（2）对一 8 度设防七层框架结构进行弹塑性时程分析，得到了各楼层的加速度时程曲线，计算地震作用下主体结构楼层加速度放大系数，结果发现，结构楼层加速度放大效果与层高和地震动强度有关，总体上随着楼层增加加速度峰值不断增加，放大系数在 1-6 范围内变化，在小震作用下由于主体结构还处于弹性阶段，此时的楼层放大系数较大，在中震和大震作用下由于主体结构已处于弹塑性阶段，具有一定的耗能能力使得楼层加速度放大系数减小。选取了 7 条地震波，建立了楼层反应谱，分别采用等效侧力法和振型分解反应谱法计算管道抗震支架的地震作用，两种方法对比发现，等效侧力法计算的支架地震作用值小于楼层反应谱法计算值，由于振型分解反应谱法是通过构件的各阶振型周期来确定其在楼层地震反应的最大值，计算结果相比等效侧力法更准确，因此，采用楼层反应谱法对抗震支架进行抗震设计偏于安全。
（3）分析了主体结构类型、管径以及柔性连接对立管的地震反应影响，结果发现侧向刚度较大的框架-剪力墙结构中的管道 Mises 应力值较框架结构管道 Mises 应力值偏小；分析框架结构中不同管径管道的计算结果，发现管道 Mises 应力随着管径的增大而明显增大；设置柔性支座后的管道 Mises 应力大幅度减小，在管道与结构连接处设置柔性支座时，支座刚度在 2×106N/m—2×107N/m 范围内时，对管道应力减小作用具有更好的效果。
参考文献（略）