Analysis of Influence of Transverse Wall on Dynamic Response of Frame Structures
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摘要: 填充墙具有显著的刚度和承载力贡献。建筑结构震害调查发现，不开洞横墙的破坏程度远小于开洞纵墙的破坏程度，从宏观现象可判断大部分多层建筑的破坏主要由结构纵向运动造成。为研究横墙在地震作用下的性能及其对结构整体动力响应的影响，以经受2021年5月21日云南漾濞6.4级地震震害的花椒园小学教学楼为研究对象，按当地抗震计算参数进行弹塑性时程分析。采用等效斜压杆模拟横向填充墙，设置无填充墙框架结构、带黏土砖墙的框架结构、带空心砖墙的框架结构和带加气混凝土砌块填充墙的框架结构模型，选取10组地震波横向输入。研究结果表明，4种结构自振周期均处于具有统计学意义的平台段，平均加速度响应较接近，质量和刚度变化不会使结构加速度产生规律的变化；受结构自重影响，无填充墙的框架结构底部剪力小于带填充墙的框架结构，带填充墙的框架结构位移远小于无填充墙的框架结构；带有多道不开洞横墙的多层框架结构的破坏主要是由结构纵向破坏引起的。Abstract: The infilled wall has significant contribution to the stiffness and bearing capacity. The seismic damage survey of buildings shows that the damage of the transverse wall without opening holes is much less than that of the longitudinal wall with opening holes. It can be inferred from the phenomenon that most of the damage of the multi-story building is caused by the longitudinal movement of the structure. To study the performance of building transverse wall under the earthquake and its influence on the dynamic response of the whole structure, the teaching building of Huajiaoyuan Elementary School in the site of M6.4 Yangbi earthquake on May 21, 2021 is taken as the research object. The elasto-plastic time history analysis was carried out by using the local seismic calculation parameters. The equivalent inclined support was used to simulate the transverse infilled wall, and four research models were set up, namely pure frame, clay brick infilled wall, hollow brick infilled wall and aerated concrete block infilled wall. Ten groups of lateral input of seismic waves were selected. The results show that the natural periods of the four structures are all in the platform segment with statistical significance, and the average acceleration response is relatively close. The change of mass and stiffness will not have a regular change on the structural acceleration. Due to the weight of the structures, the base shear force of the pure frame structure is smaller than that of the structures with infilled walls. The displacement of the structures with infilled wall is much smaller than that of the pure frame structure. That the longitudinal failure is dominant in the multi-story frame structure with some transverse walls without opening holes.
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引言
天津地震台网由测震台网观测台站和地球物理台网观测站共200多个无人值守台站组成。台站原有UPS供电系统仅有交流输出功能, 且无法远程监控。因此传统的维护方式中台站维护人员无法通过远程系统准确判断台站故障类型, 需亲临台站现场进行检修, 但如果有完善的远程管理系统, 可远程修复部分故障, 减少不必要的人力和财力浪费。依托“十二五”地震台站观测环境改造项目, 结合天津市无人值守台站的实际情况, 设计智能直流不间断电源及管理系统。
1. 电源及系统设计
为解决无人值守台站直流供电设备多、智能化管理水平低的运行现状, 设计开发了直流不间断电源及管理系统。在电源设备端通过硬件实现直流供电和监测控制功能, 在管理系统端通过软件实现对电源设备各硬件模块的远程监控。最终电源设备可为地震台站观测设备单独提供直流供电, 管理系统可对台站交流供电、直流输出、电池电压、网络状态等信息进行远程监控, 同时管理系统可远程控制交流供电和太阳能供电之间的切换、电池充放电、直流输出端口开关状态(王建国等, 2010；穆慧敏等, 2018)。
1.1 智能直流电源设计
为解决台站设备直流供电、电池充电、交流电状态监测、交流电中断后太阳能供电接入、电池状态监测和控制、与管理系统通讯、设备功能扩展、系统升级配置、短信远程控制等功能, 设计了智能直流电源, 其硬件构成如图 1所示。电源模块将220V交流电转换为13.6V直流电, 为设备供电和电池充电；220V监测模块实现对交流电的断电检测；充电管理模块支持对24V@36AH—100AH铅酸电池进行充放电管理；电压监测模块可检测蓄电池电压, 防止蓄电池过冲过放；太阳能接入模块支持1路24V太阳能输入, 配合太阳能控制器, 实现光伏电源管理；CPU模块为智能电源核心模块, 支持AC220V接口和24V太阳能供电输入接口并行, 为设备提供供电输入支撑, 支持对直流输出端口开关状态进行远程控制, 支持通过web界面远程访问控制等功能；以太网口模块用于直流电源与监控平台的通讯；RS232串口模块用于系统升级及配置；RS485串口模块可外接温湿度模块, 用于检测台站温湿度, 同时支持多路其他物理量测量模块扩展；4路12V输出端口、1路5V输出端口和1路15V输出端口的直流稳压输出供台站设备使用；SMS短信模块可通过SMS短信对直流输出端口开关状态进行远程控制。
1.2 监控平台设计
智能直流不间断电源监控平台针对智能直流电源在地震台站进行订制化应用设计, 采用模块化管理, 通过地图、电池监控、统计报表、维修管理和设备管理等模块的设计与实现, 提供高效的地震台站用电设备及相关信息管理平台, 实现实时监控台站电源状态, 显示台站智能电源设备充放电工作模式、电池电压、交流电输入状态等信息, 对台站端智能供电设备进行远程控制, 对供电端口远程断电、电池放电等进行控制。智能直流不间断电源监控平台各模块功能设计如表 1所示。
表 1 各模块功能设计Table 1. Functional design of each module功能模块 功能设计 用户管理 分为超级用户和设备维护用户, 具备不同权限, 超级用户负责整个系统的控制、管理及其他用户分配和权限设置等 监控主界面 监控界面支持本地地图, 电子地图上显示监控台站分布 台站运行状态监控以报警形式告知用户, 供电告警及通讯告警 台站监控设备列表 设备实时运行状态查询 台站远程控制 台站参数信息配置及台站添加与删除等 告警历史事件与统计数据查询 台站供电输入中断时长等统计数据 光纤链路及各网络设备中断时长统计数据 各台站查询时间段内的分类中断时长与中断次数统计报表输出等 台站维修日志查询与输出 按通讯与供电故障两类查询与输出维修日志功能等 1.3 数据库设计
智能直流不间断电源管理系统数据库主要用于存储无人值守台站、设备供电信息和状态、统计报表、系统告警、维修日志等信息。系统数据库选用MySQL数据库, MySQL数据库是目前运行速度最快的数据库, 具有支持跨平台、安全性高和存储容量大的特点(王建国等, 2013；孙路强等, 2016)。系统应用inUPS数据库, 涉及11张表, 具体表名和功能如表 2所示。
表 2 inUPS数据库结构Table 2. Database structure of inUPS表名 说明 Device Agent 设备信息 Device ConnectState 设备连接状态 DeviceReport Data 统计报表 Groups 设备分类 Repair Log 维修日志 System Alert 系统告警 System Log 系统日志 System Property 系统配置 Users 用户管理 Web Module 模块管理 Web Privilege 权限管理 1.4 系统功能流程
本系统主要包括前置数据接收处理、数据存储和web管理三大功能模块。前置数据接收处理模块主要负责收集由台站端通讯路由器和智能电源自动上传的通讯、供电状态信息, 并进行有线传输链路通断和各设备供电线路状态判断, 发布通讯链路或设备运行异常和故障消息给特定值班员, 同时将消息按设定形式自动显示于监控web界面。系统管理员收到通讯链路和设备故障报警信息后, 可通过web控制页面发出指令, 系统自动将其转发至远端设备, 同时汇集远端设备响应数据, 并将其反馈给管理员。
数据存储模块主要负责存储前置服务器接收的设备运行状况数据及系统操作动作细节等信息, 系统自动分类、编号, 然后将其写入数据库中, 以备后续查询及统计使用。web管理模块提供web界面, 方便管理员进行远端设备运行状态监控、参数设置及远程管理。该模块具备报警提醒功能, 当前置服务器检测到远端设备故障时, 前置模块通知web管理模块, web管理模块通过web监控主页面提供声音报警, 并通过短信向预先设置的接收人员告警。该模块提供用户权限管理, 通过分配不同角色用户限制访问者对资源的操作权限。同时提供系统各类数据按年、月、日统计报表输出功能。具体功能流程如图 2所示。
2. 系统应用
天津无人值守台站已大规模安装智能直流不间断电源, 并接入监控平台。值班人员每天定时登陆智能直流不间断电源管理系统监控平台, 通过主界面(见图 3)的地图界面查看电源设备在线状态(孙路强等, 2015), 当监测到台站智能直流电源离线, 电子地图上的台站图标由绿色变为红色。
通过电池监控界面查看电源设备运行状态并进行设备控制管理, 查看系统报表, 记录维修日志, 电池监控界面如图 4所示。
通过系统管理对设备、用户进行管理。值班人员通过智能直流不间断电源管理系统发现故障, 及时通知运维人员, 运维人员第一时间采取措施, 避免台站观测数据中断。
3. 实用效果
通过安装和部署地震台站智能直流不间断电源及管理系统, 无人值守台站智能化管理水平明显提高。在实际运行过程中, 多次监测到台站交流供电中断, 运维人员将交流供电切换为太阳能供电, 保证了观测系统的正常运行, 并及时与看护人员进行沟通, 远程解决了大部分供电问题。偶尔有专业设备或通用设备死机的情况, 通过监控平台单独控制相应的直流输出端口开关状态, 对设备进行远程重启, 解决了设备死机问题。运维人员定期对蓄电池进行远程充放电操作, 延长了蓄电池的使用寿命。同时运维人员将每次维修情况录入管理系统, 既形成了完整的维修档案, 又方便查询。针对管理系统的数据统计, 有针对性地对部分台站进行升级改造, 提高了台站监测数据的连续率。
4. 结语
地震台站智能直流不间断电源管理系统的应用大大提高了无人值守台站智能化管理水平, 显著提高了运维人员工作效率, 节约了运维成本, 对台站观测设备连续稳定运行起到了关键作用。利用电源设备扩展接口远程控制台站智能电表、安防设备和利用手机端软件监控不间断电源等功能有待进一步开发。
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图 1 花椒园小学教学楼震害
Figure 1. Seismic damages of school building of Huajiaoyuan elementary school
图 2 花椒园小学教学楼首层结构布置
Figure 2. Structural layout of first floor of Huajiaoyuan teaching building
表 1 拟静力试验材料参数（单位：兆帕）
Table 1. Material parameters of quasi-static test （Unit: MPa）
墙体类型 混凝土立方体
抗压强度fcu梁钢筋屈服
强度fy梁钢筋极限
强度fu梁钢筋弹性
模量Es柱钢筋屈服
强度fy柱钢筋极限
强度fu柱钢筋弹性
模量Es砌体抗压
强度fu砌体弹性
模量Em黏土砖墙 34.5 346 529 206 000 348 467 201 000 5.40 4 622 空心砖墙 2.30 5 270 加气砌块墙 2.52 3 102 
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表 2 地震动记录
Table 2. Ground motion records
工况名称 事件时间 台站编码 PGA/Gal 记录持时/s 截波后持时/s M1 2011-03-11 AKTH16 30.970 300 47 M2 2001-12-02 AOMH06 21.865 296 21 M3 2005-10-22 FKS017 21.470 114 17 M4 2003-09-29 HKD098 22.652 143 49 M5 2016-11-22 IBR011 41.281 300 49 M6 2008-06-14 IWT010 287.288 238 27 M7 2008-07-24 IWT020 222.161 213 19 M8 2016-04-14 KMM004 36.749 138 36 M9 2004-10-27 NIG018 80.682 119 36 M10 2004-10-23 NIGH17 25.821 263 34
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表 3 结构特性
Table 3. Characteristics of structures
结构类型 自振周期/s y向自振周期差异率/% 结构自重/kN 自重差异率/% x向平动 y向平动 z向扭转 无填充墙的框架结构 0.268 1 0.286 8 0.258 4 — 3 719.1 — 带黏土砖墙的框架结构 0.268 1 0.154 8 0.152 7 46.0 4 340.3 16.7 带空心砖墙的框架结构 0.268 1 0.148 2 0.146 7 48.3 4 057.3 9.1 带加气砌块墙的框架结构 0.268 1 0.170 8 0.167 1 40.4 3 908.9 5.1
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表 4 结构绝对加速度最大值
Table 4. Maximum values of absolute acceleration
结构类型 绝对加速度最大值/g M1工况 M2工况 M3工况 M4工况 M5工况 M6工况 M7工况 M8工况 M9工况 M10工况 平均值 无填充墙的框架结构 0.468 0.506 0.387 0.450 0.424 0.457 0.491 0.473 0.458 0.518 0.463 2 带黏土砖墙的框架结构 0.567 0.508 0.539 0.441 0.501 0.577 0.479 0.565 0.494 0.517 0.518 8 带空心砖墙的框架结构 0.561 0.474 0.462 0.444 0.476 0.559 0.507 0.579 0.450 0.514 0.502 6 带加气砌块墙的框架结构 0.476 0.552 0.545 0.496 0.443 0.616 0.584 0.580 0.503 0.571 0.536 6
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表 5 结构底部剪力最大值
Table 5. Maximum values of base shear force
结构类型 剪力最大值/kN M1工况 M2工况 M3工况 M4工况 M5工况 M6工况 M7工况 M8工况 M9工况 M10工况 平均值 无填充墙的框架结构 1 190.1 1 286.6 1 152.6 1 279.1 1 241.7 1 233.7 1 391.0 1 266.5 1 379.1 1 370.5 1 279.1 带黏土砖墙的框架结构 2 200.7 1 857.9 1 956.4 2 197.0 2 046.7 2 645.5 1 955.1 2 433.5 2 574.0 2 155.9 2 202.3 带空心砖墙的框架结构 2 036.8 1 738.6 1 742.5 1 989.5 1 877.3 2 261.7 1 946.6 2 161.7 2 251.1 1 937.4 1 994.3 带加气砌块墙的框架结构 2 022.7 1 996.7 2 447.0 2 227.5 1 928.0 2 421.7 2 224.4 2 382.9 2 220.3 2 140.6 2 201.2
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表 6 相对位移最大值
Table 6. Maximum values of relative displacement
结构类型 相对位移最大值/mm M1工况 M2工况 M3工况 M4工况 M5工况 M6工况 M7工况 M8工况 M9工况 M10工况 平均值 无填充墙的框架结构 12.7 16.6 10.2 13.9 13.1 11.5 16.8 14.5 18.9 14.9 14.31 带黏土砖墙的框架结构 4.7 3.5 3.6 3.9 4.3 5.0 3.9 4.4 5.8 3.8 4.29 带空心砖墙的框架结构 4.4 3.1 3.1 3.9 3.8 5.3 4.1 4.7 6.4 3.5 4.23 带加气砌块墙的框架结构 4.9 4.8 6.5 5.1 4.7 6.1 5.0 6.9 5.9 5.4 5.53
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