第 1 章 绪论
1.1 研究背景
近年来，地震韧性逐渐成为了地震工程领域的研究难点和热点[1-4]。而区域建筑地震韧性是城市区域建筑在遭受地震时维持或迅速恢复其震前功能的能力，如何提升区域甚至城市的韧性能力是地震韧性研究的重要主题之一。其中，提升医疗建筑韧性性能对于城市韧性性能评价具有重要的意义，当发生破坏性地震时，医疗建筑在震后能否快速恢复使用是城市防灾救灾的关键环节。同时，《城乡建设抗震防灾“十三五”规划》[5]重点指出“提高学校、医院等公共建筑避难和保障能力。推动人员密集公共建筑抗震能力普查和加固改造”，并大力推进减隔震技术在医疗建筑性能提升中的应用。而隔震技术被认为是建设韧性建筑的有效手段，该技术可有效控制结构层间位移角和楼面绝对加速度，降低上部结构构件、非结构构件和重要内含设备的损伤[6-11]。
值得注意的是，隔震建筑的隔震层除隔震支座和各类阻尼器外，还具有一类重要关键元件——管道。以医疗建筑为例，为保障建筑的医疗功能，需设置自地表向上的医疗气体和液体输送管道，震后管道能否正常工作对于建筑功能和建筑安全均存在重要影响。而隔震建筑的隔震层存在大变形需求，这对管道的变形能力提出了高要求。震害结果和已有研究表明[12-14]，传统刚性连接无法满足隔震层大变形需求，需采用柔性连接，即柔性管道。该类管道具有较强的变形能力，可适应隔震层的大变形特征，在震后可维持功能。文献调研表明目前国内对医疗建筑柔性管道的地震损伤机理的研究相对较少。同时，目前国内的韧性评价体系主要考虑了建筑基本属性其中包括结构构件、非结构构件，传统地震响应其中包括层间位移角和楼面绝对加速度，忽略了对隔震层中柔性管道易损性的考虑。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 柔性管道抗震性能研究现状
Nitta[24]、Kato[25]等对不同类型的管道连接接头展开了振动台试验研究，验证 U 型、W 型等柔性管道所采用的大变形伸缩头等的变形能力；Sorace[26]通过对隔震结构进行试验研究和数值仿真研究，验证了采用柔性连接接头可有效保证供水和供气管道的正常使用。尚庆学[27]等对具有不同密封构造和连接方式的 5 根金属柔性管道进行了抗震性能试验研究，初步提出了相应的简化分析模型和易损性模型。总的来说，目前对于柔性管道抗震性能的研究还相对较少。
2017 年底，国家行业标准《建筑隔震柔性管道》JG/T 541-2017 [28]（下文简称为“规范”）发布，对典型柔性管道的分类方法、连接方式、关键尺寸和性能试验方法做出了相关规定。柔性管道从安装形式上分为两大类，一类竖向安装，另一类水平安装，竖向安装的地震破坏风险相对更大。竖向安装的柔性管道大多采用金属柔性管道（下文简称“金属软管”），主要适用于给水管、消防管和医疗气体管道等。关于金属软管的工程应用和抗震性能研究，目前主要存在以下两点问题：
（1）在工程应用方面：金属软管一般未按照规范要求进行设计，大多未设置对大变形能力至关重要的弯曲段（如图 1-1 所示），其抗震性能尤其是大变形能力还有待验证。
（2）在抗震性能研究方面：已有研究[27]试件样本少，且试件设计和试验边界条件等与实际工程还存在一定差别（如试件水平搁置展开试验），对于柔性管道的破坏模式、变形能力和承载能力还缺乏较为系统的研究。
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第 2 章 隔震结构柔性管道抗震性能试验研究
2.1 试验概况
2.1.1 试件设计与制作
多层隔震结构最为普遍，该类结构大震隔震层最大位移基本不超过 400mm[42-48]，因此本章选取规范中最大允许位移为 400mm 的竖向金属软管展开试验研究。匹配不同管道公称内径，规范建议了管道的安装长度和管道设计长度（如图 2-1 所示），通过控制管道设计长度大于安装长度形成一弯曲段，保证金属软管的大变形能力。
本试验考虑不同管道公称内径影响，选择公称内径为 40mm、50mm 和 65mm 的三种金属软管，其安装长度取规范建议值，每种公称内径管道考虑三种管道设计长度，共设计了 9 组试验，试验分组编号分别为 FP1 ~ FP9。其中 FP3、FP6、FP9 采用规范[28]建议的管道设计长度，相应试件下文简称为“规范管”。为考虑试件的离散性，每组均制作了 3 个试件，共 27 个试件。通过试验研究影响金属软管受力变形特征和损伤破坏模式的关键因素，具体而言：
（1）FP1、FP4 和 FP7：目前大多隔震工程在安装金属软管时均未设置弯曲段（如图 2-1(a)所示），即管道设计长度取为安装长度。考虑到该方案为既有工程常用方案，且与规范要求存在较大差别，在预期的 400mm 变形下可能存在破坏风险，因此本章对其展开研究。
（2）FP2、FP5 和 FP8：《波纹金属软管通用技术条件》[49]规定金属软管加工时长度允许误差为 0~45mm，因此实际工程中金属软管可能因为加工冗余存在最大长度为45mm 的弯曲段（如图 2-1(b)所示）。通过该组试验检验既有工程中金属软管的安全上限。
（3）FP3、FP6 和 FP9：如上文所述，该组试件管道安装长度和管道设计长度采用规范值（如图 2-1(c)所示），通过该组试验明确规范管能否满足预期变形需求。 金属软管的构造示意图如图 2-2 所示。金属软管主要由外金属套网和内波纹管组成，其中外金属套网具有承压作用，内波纹管具有伸缩变形作用。管道主体两端需设置卡箍段。管道设计长度 L 即为两端法兰盘内侧之间的长度。考虑到加工精度存在一定误差，管道实际长度 L0 与预期的管道设计长度 L 会存在一定差异，本研究对各试件实际长度进行测量和记录。表 2-1 汇总了各组试件的公称内径、安装长度、管道设计长度和管道实际长度。各试件工作压强均为规范[28]推荐的 1.6MPa，该压强均通过注水加压实现。
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2.2 试验现象与变形能力分析
本研究以公称内径分组，以管道设计长度为变量，首先分析管道设计长度对公称内径为 40mm 试件变形能力的影响规律，然后对管道设计长度对其余公称内径试件变形能力的影响规律展开分析，同时对比公称内径对变形能力的影响规律。试验中所有试件端部圆钢管测得的应变峰值为 0.000686，远小于屈服应变，表明钢管处于弹性状态，满足预期设计目标，本章不再予以赘述。
2.2.1 FP1~FP3
FP1、FP2 和 FP3 组的 3 个试件损伤演化模式基本一致，其试验所得曲线如图 2-6至图 2-8 所示。
发生破坏的金属软管（FP1 和 FP2 组）损伤演化包含两个关键状态：（1）状态 I：金属软管外金属套网（下文简称为“外套网”）完全绷直，软管受力从基本为 0 开始随位移增大显著上升。（2）状态 II：金属软管端部外套网单侧完全拔出破坏，管道压强和承载力骤降为 0，试件呈现出较明显的脆性破坏特征。当进入状态 II 后，试件发生外套网完全拔出破坏，软管整体丧失承受恒定压强的能力，导致内波纹管持续变形，但由于波纹管变形能力较强，构件未发生破坏漏水。
需要说明的是，由于疏漏，试件 FP1-2 在试验前未在外套网上标注红线（试验过程中进行补充），但仍可从细部照片看出该构件符合上述损伤演化模式。
规范组金属软管（FP3 组）则表现良好，在预期的 400mm 位移下循环 30 圈仍未见明显损伤。具体而言，软管未绷直且端部未出现外套网拔出现象，外荷载显著小于 FP1组和 FP2 组。
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第 3 章 隔震结构柔性管道易损性研究 ...................... 25
3.1 易损性分析方法介绍 ......................................... 25
3.2 建筑管道系统易损性研究现状 ................................. 28
第 4 章 RC 隔震医疗建筑高效模拟方法 ........................ 33
4.1 HSS 模型精度评价 ................................. 33
4.1.1 基本案例 ..................................... 33
4.1.2 HSS 模型体系 .................................. 34
第 5 章 考虑柔性管道易损性的隔震韧性高效评估方法 ............................... 50
5.1 基于简化模型的既有 RC 框架隔震加固结构地震韧性 ........................... 50
5.1.1 建筑性能模型参数介绍 ............................... 50
5.1.2 基于 HST 模型的地震韧性评价分析 .......................... 51
第 5 章 考虑柔性管道易损性的隔震韧性高效评估方法
5.1 基于简化模型的既有 RC 框架隔震加固结构地震韧性
本节首先对既有 RC 框架结构 HST 模型进行地震韧性评价，得到该结构的初步韧性评价结果。同时对相应的精细隔震模型和 HSS 模型进行韧性评价，从韧性评价水准的角度明确 HST 模型应用于该类结构隔震提升设计和评估可行性和可靠性[71]。
5.1.1 建筑性能模型参数介绍
建筑性能模型是地震韧性评价的基础模型，涵盖建筑基础信息，建筑功能，结构构件及非结构构件易损性，结构响应等信息。其中建筑基础信息包括建筑尺寸、重置费用等，结构响应包括楼面绝对加速度、层间位移角等。在此，本章节中 HST 模型、精细模型和 HSS 模型的建筑基础信息、功能用途、构件易损性等信息保持一致，如表 5-1、表5-2 所示，结构响应将分别采用相应模型的预测值。
FEMA P-58 [51-52]中，主要采用建筑在震后的修复时间、经济损失、人员伤亡和危险警示等指标表示建筑的损伤等级。本文采用 FEMA P-58[51-52]所推荐的 PACT（Performance Assessment Calculation Tool）软件进行韧性评价。需要说明的是，为贴合我国实际情况，本文在此主要根据韧性规范[40]确定各类构件易损性（如表 5-2 所示），通过对比三类模型预测的建筑震后修复费用、修复时间和人员伤亡率三大指标明确简化模型预测韧性评价水准的精度。
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结论与展望
本文以 RC 框架医疗建筑为研究对象，研究其隔震韧性高效评估方法。首先对隔震层中关键元件金属柔性管道进行抗震性能试验研究，明确其地震损伤机理和破坏特征，并构建其易损性模型和损失后果函数，完善了隔震建筑地震韧性评价的模型体系。提出了适用于该类结构隔震韧性提升的简化模型，在金属柔性管道易损性模型和简化模型的基础上，对典型 RC 框架医疗建筑进行隔震韧性提升和评估，形成了考虑柔性管道易损性的隔震医疗建筑韧性高效评估方法。
1. 本文主要研究工作及成果
（1）金属柔性管道抗震性能试验研究
综合考虑公称内径、管道安装长度和管道设计长度的影响，对 9 组试验 27 个金属柔性管道试件开展了抗震性能试验研究，试验结果表明：
金属柔性管道损伤演化包含两个关键状态：1）状态 I：金属柔性管道外金属套网完全绷直，管道受力从基本为 0 开始随位移增大显著上升。2）状态 II：金属柔性管道端部外套网单侧完全拔出破坏，管道压强和承载力骤降为 0。随后继续加载，试件外金属套网完全拔出破坏。
400mm 位移作用下：1）既有工程常用的不设置弯曲段的金属柔性管道均发生外金属套网拔出破坏，本文建议震后立即更换以满足建筑应急救灾功能需求。2）既有工程考虑最大加工冗余的金属柔性管道方案，小公称内径 40mm 的管道发生外金属套网拔出破坏，震后需立即更换；大公称内径 50mm、65mm 的管道未发生破坏，最大拔出 4mm，存在安全隐患，但不影响应急救灾。3）规范建议的方案，不同公称内径的金属柔性管道表现优异，在 400mm 位移变形下均无损伤，可保障建筑震后应急救灾和后续日常使用。
金属柔性管道的破坏位移即水平变形能力主要取决于管道安装长度和管道实际长度，随着两者的增大，破坏位移显著增大。金属柔性管道水平极限荷载主要取决于管道受拉竖向荷载分量即端部外金属套网连接的竖向抗拔能力，公称内径与竖向抗拔能力近似成正比关系。公称内径和安装长度相同时，随着管道实际长度的增大，管道破坏位移增大，破坏时的水平极限荷载逐渐增大。
参考文献（略）