Parameter Analysis of Prefabricated Double Column Piers with Embedded Flange Connection
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摘要: 本文基于实际工程对内嵌式法兰连接预制拼装双柱墩参数进行了分析，将法兰设置在塑性铰区以外，设计1∶3缩尺模型，通过分析不同法兰强度等级、混凝土强度等级、轴压比和配筋率的内嵌式法兰连接预制拼装双柱墩模型，得到不同情况下推覆曲线和损伤破坏状态，分析各参数的影响。研究结果表明，法兰强度等级对结构的影响较小，配筋率对结构承载力和延性的影响较大，结构最终失效主要表现在塑性铰区域，法兰存在一定程度的翘起。Abstract: The embedded flange connection for prefabricated double piers was proposed in this paper based on actual engineering. The flange was set outside the plastic hinge region and a dimension 1∶3 scaled-down model has been designed.The pushover curve and damage state was derived through different analyze of flange strength, concrete strength, axial compression ratio, and it was applied to analyze and explain the influence of each parameter on the structure from the aspect of stress and strain state. The results show that flange strength has little effect on the structure while reinforcement ratio has great influence on the bearing capacity and ductility of the structure. The final failure of the structure is mainly in the area of flange joints.
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引言
地震小区划是对特定区域范围内可能遭遇到的地震影响进行划分，包括设计地震动参数小区划和地震地质灾害小区划。相比地震区划，地震小区划工作更重视局部场地条件的影响，更为详细地考虑周围的地震地质环境，其成果可为抗震设计、土地利用规划、震害防御等提供更精确的资料(胡聿贤，1999)。
地震小区划工作内容涉及地震活动性评价、地震构造评价、场地地震动分析等，工作量大，获取的数据也很丰富。传统地震小区划成果通常以文字报告、专题图件的形式提交，类型较单一，展示度较差，难以满足目前公共服务的需要。管理现有数据并充分利用数据推出更多服务型产品是目前包括地震小区划工作在内的地震工作信息化和现代化迫切需要。
随着GIS技术的发展，国内很多研究者逐步将GIS技术引入地震小区划研究工作中(张苏平等，2003；王庆满等，2011；李程程等，2014)，建立有关数据库和数据管理系统(田勤虎等，2011；龚磊等，2015)。但已建系统多以数据查询、展示为主，缺少分析功能和实际产出服务。本文以嘉兴科技城地震小区划工作为基础，将基础数据与地理信息系统(GIS)相结合，形成集查询、分析于一体的地震小区划成果数字化系统，可为不同用户提供不同数据服务。
1. 研究区概况
研究区位于嘉兴科技城，行政区划属于嘉兴市南湖区，面积约30km2，是浙江省四大科技平台之一。现聚集了包括浙江清华长三角研究院、浙江中科院应用技术研究院在内的一批高端院所，还建有多个国际技术合作平台、工程中心和产学研基地，是嘉兴市乃至浙江省重要的创业创新平台。
查询《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2015)可知，嘉兴市大部分地区由原来的Ⅵ度设防提升为Ⅶ度设防，设防水准的提高将对区内建设工程抗震设防、国土利用规划、社会经济发展等提出更高的要求。嘉兴科技城现处于Ⅶ度设防区内，加之人才产业聚集、产值高，地震灾害风险大。在该区进行地震小区划工作，可为该区提供更精确的抗震设防和土地规划资料，有效降低地震灾害风险。
2. 基础数据
根据相关规范要求，地震小区划工作内容包括地震地质及地震活动性资料的收集、场地钻探、场地土层反应分析等，涉及地质、地震、地球物理、工程勘察等多方面的数据，根据系统建设的需要归纳如下：
(1) 地震地质及地震活动性数据
研究区内地震地质及地震活动性专题图包括区域地震分布图、场地地震分布图、历史地震等震线分布图、区域构造图、区域断层分布图、近场构造图等，均为Mapinfo格式的矢量文件。
(2) 场地地震工程地质条件勘察数据
区划范围内布设60个钻孔，其中标准钻孔1个(孔深232.8m)，地震钻孔29个(深度不小于105m)，勘察孔30个(深度小于30m)，钻探总进尺4204m，浅层人工地震探测测线共21534m。系统建设收集的数据包括60幅钻孔柱状图、18条工程地质剖面、5幅浅层人工地震探测解译图，其中钻孔资料均以柱状图的形式提供，格式为AUTO CAD矢量文件，钻孔的其他信息以Excel表格的形式提供；工程地质剖面图和地震探测测线数据为PDF文档和栅格图片；勘察报告以PDF文档的形式提供。
场地内60个钻孔均进行了波速测试，钻孔代表性土层动三轴土样80件，收集的波速数据和动三轴数据以Excel表格的形式提供。
(3) 地震动分析与参数区划数据
根据土层地震动分析的需要，建立29个场地钻孔模型，数据格式为TXT文本。收集全球范围内天然地震记录1692条，人工合成地震波522条(每个钻孔3个超越概率各6条)，以TXT文本的形式提供。
地震小区划成果图件主要为地震动参数区化图，以Mapinfo矢量文件的形式提供。另外，还包括小区划报告的文本，以PDF文档的形式提供。
3. 系统设计
3.1 面向对象实现
地震小区划涉及钻孔、场地、强震记录、地震灾害等概念，其对象层次清晰，易于以面向对象的方式实现，形成地震小区划数字化系统。根据需求分析，首先将地震小区划数字化涉及的问题抽象成类，并建立类之间的消息机制及类之间的关系，即进行地震小区划数字化概念设计。
根据概念模型抽象出类，相应的类关系如图 1所示，地震小区划数字化主要类有CSolid(工程地质三维实体类)、CDrillHoles(钻孔集合类)、CSoilLayers(土层集合类)、CGroundMotion(强震动观测记录类)、CEarthQuake(场地地震动类)等。CDrillHoles类由CDrillHole类组合形成，并通过CreateTIN方法实现CTins类，由CTins类实现CSolid类，利用CGroundMotion类中SelectEarthQuake方法筛选出符合地质条件的历史强震记录，导入CSolid类，进行地震动分析，计算场地地震动参数峰值加速度、特征周期，并绘制峰值加速度等值线图和特征周期等值线图，由此生成场地地震小区划成果。
3.2 数据库设计
系统采用Access小型数据库实现场地基础地理信息数据、地震动数据、地震震陷数据、地震液化数据等的建库，结合GIS技术实现空间数据与属性数据的整合、矢量数据与栅格数据的整合、信息数据与分析数据的整合。数据库共包含9张数据表，分类如表 1所示。
表 1 数据库汇总Table 1. Database summary序号 表名 功能说明 1 ZkInfo 钻孔基本信息 2 ZkLayer 钻孔土层信息 3 StLayer 标准层序土层信息 4 ZkLique 钻孔砂土液化信息 5 ZkClay 钻孔软土震陷信息 6 ZkWave 钻孔土层剪切波速信息 7 ZkBG 钻孔土层标贯信息 8 ZkMx 钻孔动力分析模型信息 9 ZkSeis 钻孔动参数区划信息表 数据库逻辑设计如图 2所示。
3.3 系统物理设计
系统采用MapX作为GIS开发组件，数据库采用Access，在VB环境下完成开发，可运行于多个版本的windows操作系统中。
4. 系统功能实现
系统功能分为资料查询、成果应用、专题研究三大模块，其中专题研究整合了资料查询、成果应用模块的所有功能，详细的功能设计如图 3所示，系统主界面(专题研究模块)如图 4所示，主要对资料查询、成果应用模块进行介绍。
4.1 资料查询模块
该模块主要对地震小区划工作的基础资料及成果数据进行可视化展示，内容包括地震活动性、地震构造、场地勘察、地震区划等。由于部分功能展示的形式类似，对其中的部分功能进行介绍。
(1) 地震活动性查询：可查询区域地震、场地地震、历史地震影响烈度及场地地震综合评价。按地震震级自动统计地震活动性情况，通过地点地图及数据表的方式查询当前地震发生日期、经度、纬度、震级、震源深度等相关信息，成果展示如图 5所示。
(2) 地震区划：对区内潜在震源区的划分情况及地震小区划成果进行查询，成果以可视化的形式展示，包括区划的范围、相关的地震动参数及标定的反应谱，成果展示如图 6所示。
(3) 钻孔快捷查询：可对区内所有勘察钻孔进行集中展示，包括钻孔柱状图、钻孔土层剪切波速、抗震类别判定、砂土液化和软土震陷情况判断等所有信息，成果展示如图 7所示。
4.2 成果应用
该模块基于现有基础资料，通过建立分析模型对数据进行数字化分析，生成相应的成果数据。该模块主要包括虚拟勘察、场地分析及国土规划3个子模块，其中虚拟勘察模块包括虚拟钻孔、工程地质剖面、地层等值线等，场地分析模块包括砂土液化、软土震陷分析及场地抗震类别判定，国土规划模块包括断层分布及地震小区划。
(1) 虚拟钻孔：采用delaunay三角网上的线性内插算法，根据坐标输入或地图点选获得示范区内任意位置钻孔(虚拟)的相关资料，包括钻孔柱状图、场地抗震类别判定、砂土液化和软土震陷分析、历史地震、地震动参数等。虚拟钻孔的柱状图以栅格图片或CAD矢量文件的形式导出，所有虚拟钻孔信息还可以Word文档的形式导出，内容包括场地土层信息、场地地震动参数、场地类别等，涵盖了地震工程大部分基础资料，可供相关单位参考使用，如图 8所示。
(2) 工程地质剖面：根据连续的坐标输入或在底图上绘制剖面线生成研究区内相应的工程地质剖面图(见图 9)，可将剖面图以栅格图片或CAD矢量文件的形式导出。
(3) 地震地质灾害：包括场地内的砂土液化和软土震陷。根据部分钻孔试验参数，采用建规中的判别方法对场地内钻孔进行判定，给出其液化程度和震陷情况。
(4) 地震动分析：根据点选的坐标位置，选择距离最近的地震钻孔数据，输入筛选要素，从天然地震时程库中选取符合要求的天然地震时程；根据人工合成的基岩地震动计算得到各超越概率下的场地地表地震动参数，成果展示如图 10所示。
5. 结论与建议
通过对地震小区划数据的整理，基于GIS软件开发地震小区划成果数字化系统。在实现项目成果数据查询与可视化展示的同时，还可导出数字化分析成果。相比传统的地震小区划工作，该系统的成果更丰富，形式更多样，为地震工作服务能力的提升进行了尝试。同时，需指出的是，此次建立的系统仅为单机版，与实现公共服务仍存在一定差距，后续还需进行更多的研究，补充和完善相关功能，以期建立高效便捷的在线服务系统。
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图 11 不同法兰强度等级结构推覆曲线
Figure 11. Pushover curves for structures with different flange strength grades
图 12 峰值承载力下不同强度等级法兰应力状态
Figure 12. Stress states of flanges under different flange strength classes at peak bearing capacity
图 13 不同混凝土强度等级构件推覆曲线
Figure 13. Pushover curves for structures with different concrete strength
图 14 峰值承载力下不同混凝土强度等级混凝土受拉破坏状态
Figure 14. Tensile damage state of concrete under different concrete strength grades at peak bearing capacity
图 15 极限承载力下不同强度等级构件混凝土受压破坏状态
Figure 15. Compressive damage state of concrete under different concrete strength grades at ultimate bearing capacity
图 17 峰值承载力下不同轴压比构件混凝土受拉破坏状态
Figure 17. Tensile damage state of concrete under different axial compression ratios at peak bearing capacity
图 18 极限承载力下不同轴压比构件混凝土受压破坏状态
Figure 18. Compressive damage state of concrete under different axial compression ratio at ultimate bearing capacity
图 19 不同配筋率结构推覆曲线
Figure 19. Pushover curve for structures with different reinforcement ratio
图 20 峰值承载力下不同配筋率混凝土受压破坏状态
Figure 20. Concrete compression damage under different reinforcement ratio at peak bearing capacity
图 21 峰值承载力下不同配筋率构件钢筋应力状态
Figure 21. Stress state of reinforcing bars under different reinforcement rates at peak bearing capacity
图 22 极限承载力下不同配筋率构件法兰端板位移
Figure 22. Concrete compression damage under different reinforcement ratio at ultimate bearing capacity
表 1 参数工况
Table 1. Parameter cases
组别 编号 法兰强度等级 混凝土强度等级 轴压比 配筋率/% 主筋类型 A A1 Q235 C70 0.05 3 HRB400 X Q345 C70 0.05 3 HRB400 A3 Q390 C70 0.05 3 HRB400 A4 Q420 C70 0.05 3 HRB400 A5 Q460 C70 0.05 3 HRB400 B B1 Q345 C40 0.05 3 HRB400 B2 Q345 C50 0.05 3 HRB400 B3 Q345 C60 0.05 3 HRB400 X Q345 C70 0.05 3 HRB400 B5 Q345 C80 0.05 3 HRB400 C C1 Q345 C70 0.05 3 HRB400 C2 Q345 C70 0.10 3 HRB400 C3 Q345 C70 0.15 3 HRB400 X Q345 C70 0.20 3 HRB400 C5 Q345 C70 0.25 3 HRB400 D D1 Q345 C70 0.05 1 HRB400 D2 Q345 C70 0.05 1.5 HRB400 D3 Q345 C70 0.05 2 HRB400 D4 Q345 C70 0.05 2.5 HRB400 X Q345 C70 0.05 3 HRB400 E X Q345 C70 0.05 3 HRB400 E2 Q345 C70 0.05 3 PSB830 
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表 2 不同轴压比构件延性系数
Table 2. Ductility coefficients of structures with different axial compression ratios
轴压比 峰值承载力/kN 峰值位移/mm 极限承载力/kN 极限位移/mm 屈服承载力/kN 屈服位移/mm 延性系数 0.05 619.25 18.7 526.36 55.13 464.44 7.16 7.7 0.10 656.51 16.8 558.03 43.49 492.38 6.85 6.3 0.15 685.99 15.9 583.09 38.24 514.49 6.43 5.9 0.20 718.69 14.9 610.89 34.55 539.02 6.17 5.5 0.25 744.58 13.1 632.89 30.71 558.44 5.78 5.3
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