基于抗震韌性的高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架研究

王 崢 李 萍 譚小蓉 徐靜偉

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院（710600）

0 引言

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提升，近年來全球地震頻發(fā)，其活動(dòng)的影響范圍、造成的震后損失與修復(fù)成本越來越高，嚴(yán)重降低了工程建筑的使用壽命，同時(shí)對(duì)建筑物內(nèi)人與財(cái)產(chǎn)安全影響顯著。 而當(dāng)前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念僅要求建筑在巨型地震作用下不發(fā)生倒塌破壞，為考慮震中的財(cái)產(chǎn)損失與震后修復(fù)費(fèi)用?；诖耍瑢?duì)建筑物抵抗地震作用，以及震后的修復(fù)應(yīng)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系，將高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)和底屈服點(diǎn)的偏心支撐框架結(jié)構(gòu)耗能梁段優(yōu)良的非彈性耗能特性相結(jié)合，適用于可能發(fā)生強(qiáng)烈地震的區(qū)域[1-3]，一般的抗震設(shè)計(jì)方法成果已經(jīng)較為成熟，當(dāng)基于可恢復(fù)的韌性的設(shè)計(jì)方法，目前尚未見到。因此，研究基于韌性的高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能，具有明顯的實(shí)際工程應(yīng)用與理論分析價(jià)值[4-7]。

1 韌性設(shè)計(jì)

韌性設(shè)計(jì)的思想， 首先出現(xiàn)在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，后被引入工程建筑領(lǐng)域。工程建筑的抗震韌性是指建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下， 快速恢復(fù)其功能的能力，只要結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的控制參數(shù)保持一定水平，不超過其限值，結(jié)構(gòu)自身的功能震后能夠快速恢復(fù)到震前水平[8]。最簡(jiǎn)單的韌性設(shè)計(jì)就是結(jié)構(gòu)在地震作用下保持彈性變形， 不產(chǎn)生損傷破壞， 結(jié)構(gòu)抗震性能未降低，不需修復(fù)。 但該設(shè)計(jì)理念，會(huì)造成巨大的材料浪費(fèi)，壓縮建筑使用空間，非理想設(shè)計(jì)方法。 若允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下發(fā)生塑性變形，耗散地震能量，雖然可以保證結(jié)構(gòu)在地震用下的安全， 但塑性變形已經(jīng)對(duì)構(gòu)件造成損傷，降低了結(jié)構(gòu)的抗震性能，需要在震后進(jìn)行修復(fù)，以保證結(jié)構(gòu)后續(xù)使用安全。通過設(shè)置易于更換的耗能構(gòu)件， 使其先于其他構(gòu)件進(jìn)行塑性變形狀態(tài)，從而保證主要構(gòu)件不發(fā)生塑性變形，震后僅需要更換耗能構(gòu)件， 即可使得結(jié)構(gòu)的抗震性能恢復(fù)到震前狀態(tài)。

抗震韌性設(shè)計(jì)的必由之路是建筑工業(yè)化， 即裝配式建造，在工廠預(yù)制好構(gòu)件，運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)將不同構(gòu)件連接起來，既有利于減低建筑能耗，又可使得結(jié)構(gòu)構(gòu)架有更換的可能性，從而滿足結(jié)構(gòu)抗震韌性設(shè)計(jì)。目前裝配式發(fā)展最好的結(jié)構(gòu)類型是鋼結(jié)構(gòu)， 鋼構(gòu)件之間通過焊接或螺栓連接，即可完成結(jié)構(gòu)建造。

高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系正是基于韌性抗震理念，對(duì)主要梁柱構(gòu)件，采用高強(qiáng)度鋼材，對(duì)于耗能支撐或者耗能梁端， 采用屈服點(diǎn)較低的鋼材，無需對(duì)截面進(jìn)行削弱處理，使得耗能支撐或耗能梁段先于梁柱發(fā)生塑性變形，耗散地震能量，保證主體結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)，不同強(qiáng)度構(gòu)件之間的連接，可采用螺栓連接，即可實(shí)現(xiàn)耗能支撐或者耗能梁段的可更換，滿足高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系的抗震韌性設(shè)計(jì)。

常見的高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系形式如圖1 所示。 其中，D 形高強(qiáng)鋼組合偏心支撐的抗側(cè)剛度與承載能力最大，Y 形偏心支撐的抗側(cè)剛度與承載能力最小，但是D 形高強(qiáng)鋼組合偏心支撐的延性最低， 而Y 形偏心支撐鋼框架的延性最優(yōu)。 現(xiàn)行規(guī)范均采用基于位移的設(shè)計(jì)方法，通過控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的目的， 但其無法考慮地震作用下結(jié)構(gòu)能量的耗散，亦無法考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞模式與震后修復(fù)。

因此， 當(dāng)采用基于韌性的抗震設(shè)計(jì)理念時(shí)，首先必須明確結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與結(jié)構(gòu)抗震的方式， 如梁柱保證結(jié)構(gòu)主體安全，支撐或者耗能梁段吸收地震能量。 基于此，高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系的抗震評(píng)價(jià)指標(biāo)，不能僅僅考慮結(jié)構(gòu)樓層間的位移角，應(yīng)引入可以考慮構(gòu)架耗能的評(píng)價(jià)體系，能夠準(zhǔn)確表達(dá)耗能構(gòu)件在地震作用下的耗能值，以及耗能構(gòu)件自身的耗能能力，如此即可設(shè)計(jì)耗能構(gòu)件的材料強(qiáng)度與預(yù)期耗能指標(biāo)，達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)。 同時(shí)， 需要保證耗能構(gòu)件先于梁柱構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，保證重要構(gòu)件在地震作用下不發(fā)生或發(fā)生輕微損傷，震后無需要或易于修復(fù)。

圖1 偏心支撐的結(jié)構(gòu)形式

建立適用于高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)分析的有限元數(shù)值分析模型；通過對(duì)有限元模型的靜力推覆分析和非線性時(shí)程動(dòng)力分析研究，對(duì)比四種不同支撐形式的高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，選擇其中一種支撐形式的高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)與普通鋼偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)，采用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，計(jì)算高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)與普通鋼偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)震后修復(fù)費(fèi)用，驗(yàn)證高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系基于韌性的抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

2 結(jié)論

1）高強(qiáng)鋼組合偏心支撐體系既吸取了偏心支撐鋼框架體系優(yōu)異的抗震耗能特性，又有效地將高強(qiáng)鋼材應(yīng)用到多高層建筑結(jié)構(gòu)中，從而節(jié)約鋼材，有良好的經(jīng)濟(jì)性能。

2）提出高強(qiáng)鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震韌性設(shè)計(jì)方法與合理設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3）主體結(jié)構(gòu)在地震中保持彈性，確保結(jié)構(gòu)的安全性，結(jié)構(gòu)損傷與塑性變形集中于耗能支撐或耗能梁段，便于實(shí)現(xiàn)震后可僅更換耗能梁段即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后快速修復(fù)，使結(jié)構(gòu)快速恢復(fù)正常使用功能。