中心支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能和設(shè)計(jì)方法綜述

張文元，李鴻維，曾立靜，趙增陽(yáng)

(1.結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090；2.土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱150090)

對(duì)于中心支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)(以下稱CBF)，水平荷載作用下梁、柱、支撐等均以承受軸力為主，不考慮抗彎框架的剛度貢獻(xiàn)。因此，梁柱節(jié)點(diǎn)可采用鉸接，也可采用剛接，僅對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力提出要求，而不對(duì)其抗彎能力進(jìn)行驗(yàn)算，本質(zhì)上屬于單重抗側(cè)力體系結(jié)構(gòu)。這種單重體系的CBF在國(guó)內(nèi)外多高層工業(yè)與民用建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。圖1給出了單重體系的裝配式CBF的相關(guān)做法。

圖1 裝配式CBF示意Fig.1 Diagram of fabricated steel concentrically braced frames

然而，GB 50011—2010[1]和JGJ 99—2015[2]都傾向于推薦使用鋼框架-中心支撐雙重體系結(jié)構(gòu)，未對(duì)這種單重體系結(jié)構(gòu)給出明確規(guī)定，僅在CECS 160[3]中，依據(jù)抗震設(shè)計(jì)類別給出了CBF的高度和高寬比的限值。鋼框架-中心支撐雙重體系需要對(duì)支撐、梁、柱及其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的抗震計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)，才能形成支撐和鋼框架的雙重抗震防線，顯然存在施工難度高、經(jīng)濟(jì)性差的弊端。

可喜的是，新修訂的GB 50017—2017[4]終于將支撐結(jié)構(gòu)納入到常用多高層結(jié)構(gòu)體系，但在構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)及整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能、低周疲勞壽命、大震抗倒塌能力、抗震設(shè)計(jì)方法及推廣應(yīng)用等方面仍有大量亟待進(jìn)行的研究工作。

1 不同延性的CBF

1.1 不同延性的CBF的抗震性能差別

CBF通過(guò)支撐的軸向剛度來(lái)抵抗側(cè)向力，支撐的屈服和屈曲是彈塑性層間變形的主要來(lái)源。同層支撐或其節(jié)點(diǎn)斷裂失效的數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)的承載力喪失越快，越容易產(chǎn)生薄弱樓層和倒塌機(jī)制。可以通過(guò)兩種途徑確保結(jié)構(gòu)的大震不倒，一是增加單重體系中支撐系統(tǒng)的承載力來(lái)抵抗罕遇地震力；二是允許通過(guò)支撐的大量屈曲和屈服發(fā)展塑性，在往復(fù)彈塑性層間變形作用下，支撐及其節(jié)點(diǎn)不發(fā)生斷裂而退出工作，結(jié)構(gòu)維持大震不倒。依據(jù)上述兩種抗震思想，形成了所謂低延性-高承載力的結(jié)構(gòu)和高延性-適度承載力的結(jié)構(gòu)，這正對(duì)應(yīng)于AISC 341—16[5]中所謂的普通中心支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)(OCBF)和特殊中心支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)(SCBF)、EC8[6]中的中等延性中心支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)(DCM)和高延性中心支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)(DCH)。

1.2 不同延性的CBF的構(gòu)造要求

CBF單重體系的延性主要取決于支撐及其節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。支撐及其連接經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)低周疲勞壽命不足的情況，如：未對(duì)抗震設(shè)防做出嚴(yán)格的構(gòu)造要求，其結(jié)果是大震情況下某些樓層的支撐及其連接可能發(fā)生劣化、甚至出現(xiàn)斷裂[7]。若對(duì)CBF單重體系的支撐及其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的抗震設(shè)計(jì)，確保構(gòu)件具有足夠的延性、節(jié)點(diǎn)具有足夠的承載力或變形能力，結(jié)構(gòu)體系將具有良好延性和抗震耗能能力。

各國(guó)規(guī)范中有關(guān)H形截面的支撐構(gòu)件構(gòu)造要求[1,4-6]見(jiàn)表1。盡管各國(guó)規(guī)范對(duì)支撐的長(zhǎng)細(xì)比要求不盡相同，但對(duì)高延性結(jié)構(gòu)中支撐構(gòu)件的高厚比和寬厚比的要求相對(duì)于非抗震要求更為嚴(yán)格。通過(guò)對(duì)比歐美規(guī)范[5-6]和中國(guó)規(guī)范[1,4]中的規(guī)定，可以發(fā)現(xiàn)：滿足GB 50017—2017[1]抗震性能化設(shè)計(jì)中BS1和BS2等級(jí)(或者GB 50011—2010[1]的一級(jí)和二級(jí))構(gòu)造要求的支撐為延性支撐構(gòu)件，滿足BS3等級(jí)(或者抗震規(guī)范的三級(jí)和四級(jí))而不滿足前兩個(gè)等級(jí)的為低延性的構(gòu)件(比歐美規(guī)范構(gòu)造要求更為嚴(yán)格)。雖然中國(guó)規(guī)范通過(guò)構(gòu)造要求提高了中心支撐的延性，卻沒(méi)有配套其他部分的高延性設(shè)計(jì)要求，例如：AISC 341—16[5]中對(duì)高延性的中心支撐結(jié)構(gòu)體系依據(jù)彈塑性階段的能力設(shè)計(jì)法，給出了更嚴(yán)格的梁、柱及相關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求；支撐跨的柱子和梁需要設(shè)計(jì)成高延性構(gòu)件，梁柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力不得小于0.025 rad等?？梢?jiàn)，對(duì)于高延性CBF，不但需要滿足支撐為高延性構(gòu)件，還需結(jié)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)震作用下的彈塑性反應(yīng)，對(duì)梁、柱構(gòu)件及相關(guān)節(jié)點(diǎn)提出更嚴(yán)格的構(gòu)造及承載力要求，對(duì)于不滿足這些要求的CBF可認(rèn)定為低延性CBF。

表1 各國(guó)規(guī)范人字形支撐構(gòu)件(H型截面)的構(gòu)造要求Tab.1 Construction requirements of inverted chevron braces (H-shaped) in different codes

1.3 不同延性的CBF的優(yōu)缺點(diǎn)

低延性CBF在地震中預(yù)期發(fā)生的非彈性變形很小，設(shè)計(jì)時(shí)需使用更高的地震力水平，形成更大的截面尺寸，使支撐系統(tǒng)更少的發(fā)展塑性。雖然結(jié)構(gòu)延性較差，但不期望支撐構(gòu)件充分發(fā)展塑性，也同時(shí)降低了對(duì)構(gòu)件及連接節(jié)點(diǎn)的抗震構(gòu)造要求，便于設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制。因此，低延性中心支撐結(jié)構(gòu)體系更適用于中低烈度區(qū)的多層及高層建筑物和構(gòu)筑物。其抗震耗能及變形能力遠(yuǎn)不如高延性的結(jié)構(gòu)體系，如果實(shí)際地震強(qiáng)度高于預(yù)期地震，構(gòu)件及連接可能會(huì)破壞。

高延性CBF體系有許多細(xì)節(jié)的抗震構(gòu)造要求，以確保更高的延性，更適合于在中高烈度地區(qū)使用，能夠更好地依靠塑性變形進(jìn)行滯回耗能。但其對(duì)設(shè)計(jì)工程師、鋼結(jié)構(gòu)加工廠以及施工隊(duì)伍也提出了更高的要求。鋼結(jié)構(gòu)建筑在中國(guó)過(guò)去幾十年的高速發(fā)展中得到了廣泛應(yīng)用，使得現(xiàn)在高延性鋼結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)、加工、施工各方面嚴(yán)格的要求也可以得到滿足。

2 高延性CBF的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)展

美國(guó)北嶺地震和日本阪神大地震后，工程師們開(kāi)始關(guān)注支撐體系的延性和耗能能力，通過(guò)提高對(duì)支撐體系延性(特別是往復(fù)荷載作用下的塑性變形能力)的要求，來(lái)降低對(duì)承載力的要求，從而建立更經(jīng)濟(jì)合理、抗震效果更好的支撐體系，這類支撐體系可視為高延性CBF體系[8]。對(duì)于高延性CBF體系而言，在罕遇地震作用下，支撐將反復(fù)受壓屈曲和受拉屈服，如何保證支撐斜桿和連接節(jié)點(diǎn)在經(jīng)歷強(qiáng)震下較大的塑性變形而不過(guò)早破壞，是高延性CBF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.1 支撐及其連接的低周疲勞壽命是CBF倒塌的控制因素

大量試驗(yàn)及震后調(diào)研表明，CBF經(jīng)歷強(qiáng)震后的破壞主要是支撐及節(jié)點(diǎn)的低周疲勞斷裂，鋼柱、鋼梁端板也會(huì)產(chǎn)生一定變形，見(jiàn)圖2。因此，需要嚴(yán)格限制高延性CBF的構(gòu)造要求，使其節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件具有較高的低周疲勞壽命，國(guó)內(nèi)已進(jìn)行的試驗(yàn)都驗(yàn)證了高延性CBF體系在多層鋼結(jié)構(gòu)電廠廠房中的抗震可靠性[9-10]，為確保大震發(fā)生時(shí)支撐及其連接具有足夠的低周疲勞壽命，不因發(fā)生斷裂而退出工作，應(yīng)至少?gòu)囊韵聨讉€(gè)方面入手：

圖2 CBF構(gòu)件及連接屈曲或破壞形態(tài)Fig.2 Buckling or failure modes of members or connections of steel concentrically braced frames

1)提高支撐自身的低周疲勞壽命，包括使用寬厚比較小的緊湊截面、適當(dāng)放寬支撐的長(zhǎng)細(xì)比、簡(jiǎn)化支撐兩端的約束條件等[11]，很多學(xué)者進(jìn)行的支撐滯回性能試驗(yàn)[12-13]和理論分析[14-15]均驗(yàn)證了這些內(nèi)容。

2)使節(jié)點(diǎn)連接具有高于支撐的低周疲勞壽命，包括使支撐節(jié)點(diǎn)連接具有高于考慮超強(qiáng)系數(shù)后的支撐全截面受拉屈服承載力，支撐節(jié)點(diǎn)在支撐往復(fù)受壓失穩(wěn)過(guò)程中具有良好的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力等。例如使用支撐板式節(jié)點(diǎn)時(shí)，要求支撐端板的節(jié)點(diǎn)板上具有2t凈距(t為節(jié)點(diǎn)板厚度)或橢圓凈距的要求[16-18]，2t凈距可保證節(jié)點(diǎn)板面外有良好的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，同時(shí)塑性損傷發(fā)展集中在2t板帶范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)板與梁柱連接邊不會(huì)過(guò)早撕裂使節(jié)點(diǎn)板提前退出工作。

3)強(qiáng)化人字形支撐橫梁的設(shè)計(jì)，使其在能夠承受自身豎向荷載的同時(shí)，還能承受人字形支撐拉、壓桿件屈服和屈曲后引起的豎向不平衡力[19]，這是從結(jié)構(gòu)整體剛度和承載力不至于過(guò)早劣化的角度上保證中心支撐具有充分滯回耗能能力的關(guān)鍵。GB 50017—2017則考慮了上下層支撐引起梁的軸力，要求對(duì)梁按照壓彎構(gòu)件計(jì)算。AISC 341—16還規(guī)定，在與人字形支撐相交處的橫梁上應(yīng)設(shè)置側(cè)向支承點(diǎn)，來(lái)防止橫梁的整體扭轉(zhuǎn)。

4)強(qiáng)化支撐體系中鋼柱的設(shè)計(jì)，不僅要使其在彈性設(shè)計(jì)階段具有足夠的承載力，也要使其在各層支撐均進(jìn)入受拉屈服和受壓屈曲的最不利塑性發(fā)展機(jī)制下具有充足的穩(wěn)定性[5]。各國(guó)規(guī)范對(duì)CBF中鋼柱的設(shè)計(jì)均采用了能力設(shè)計(jì)的方法，AISC 341—16要求柱能夠抵抗結(jié)構(gòu)充分發(fā)展塑性對(duì)應(yīng)的力(即所有受拉支撐均屈服且所有受壓支撐均屈曲)，而EC8和GB 50017—2017則對(duì)鋼柱的設(shè)計(jì)采用了地震內(nèi)力乘以超強(qiáng)系數(shù)的能力設(shè)計(jì)方法。

5)保證梁柱節(jié)點(diǎn)有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，不至過(guò)早破壞[5]。

2.2 高延性CBF抗震計(jì)算方法

2.2.1 基于承載力的抗震設(shè)計(jì)

如圖3所示，強(qiáng)震下延性結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性，基底剪力明顯小于單質(zhì)點(diǎn)彈性體系，地震力折減系數(shù)R[5,20-24](又稱結(jié)構(gòu)影響系數(shù))是基本烈度下按彈性計(jì)算的最大基底剪力與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基底剪力的比值：

圖3 結(jié)構(gòu)的性能曲線Fig.3 Performance curve of structure

(1)

式中：Ve為結(jié)構(gòu)按彈性計(jì)算的最大基底剪力，Vy為結(jié)構(gòu)明顯屈服時(shí)基底剪力，Vd為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基底剪力，Rμ為結(jié)構(gòu)延性折減系數(shù)，RΩ為結(jié)構(gòu)的超強(qiáng)折減系數(shù)。

結(jié)構(gòu)的延性是地震力折減的關(guān)鍵因素，而GB 50011—2010[1]對(duì)高延性結(jié)構(gòu)與低延性結(jié)構(gòu)采用了相同的地震力折減系數(shù)(結(jié)構(gòu)影響系數(shù))，制約了中國(guó)高延性結(jié)構(gòu)的發(fā)展，這也引發(fā)了國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)地震力折減系數(shù)的大討論[20-24]，并推動(dòng)中國(guó)新修訂的GB 50017—2017[4]中引入了鋼結(jié)構(gòu)體系抗震性能設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者用等效靜力Pushover分析法和增量動(dòng)力時(shí)程分析法(IDA)，對(duì)CBF的影響系數(shù)進(jìn)行了研究，這使得結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的取值更加科學(xué)合理，而不再是最初的概念性的粗放取值。例如：Salem等[25]通過(guò)Pushover方法分析了應(yīng)用于工業(yè)建筑中普通的CBF，以塑性鉸法考慮梁柱的塑性發(fā)展，并考慮了支撐屈曲剛度和承載力的退化，結(jié)果認(rèn)為美國(guó)規(guī)范中的建議取值偏??；張文元等[26]通過(guò)推覆實(shí)驗(yàn)，得到了板式連接的SCBF的影響系數(shù)在9左右；Hsiao等[27]通過(guò)彈簧單元模擬支撐節(jié)點(diǎn)板、引入支撐斷裂模型，較為精確地分析了不同層數(shù)下特殊的中心支撐-鋼框架(SCBF)的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，也證實(shí)了建筑物層數(shù)(高度)將影響結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的取值；楊俊芬等[28]通過(guò)增量動(dòng)力時(shí)程分析法，得到了不同層數(shù)、跨度、高跨比的人字形CBF的影響系數(shù)普遍在3～4。

2.2.2 規(guī)范對(duì)延性結(jié)構(gòu)的倒塌判定的不合理因素

限于GB 50011—2010[1]對(duì)大震下的變形限制要求過(guò)于嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)學(xué)者計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)普遍要小于國(guó)外的值[25-28]，從某種程度上看，過(guò)于嚴(yán)格的變形要求也限制了高延性結(jié)構(gòu)對(duì)于其延性的利用。GB 50017—2017[4]中抗震性能化設(shè)計(jì)一章給出了不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最低延性等級(jí)，并規(guī)定了相應(yīng)延性等級(jí)的塑性耗能區(qū)的性能系數(shù)以及設(shè)防地震下構(gòu)件的驗(yàn)算方法，對(duì)于延性的CBF，塑性耗能區(qū)性能系數(shù)最小值為0.35，即使考慮到中美規(guī)范中的反應(yīng)譜和構(gòu)件設(shè)計(jì)方法的差別，也與AISC 341—16規(guī)定的R=6(相當(dāng)于性能系數(shù)為1/6≈0.167)有很大的差距，這可能與GB 50011—2010中要求的罕遇烈度下的位移限制為1/50，而AISC 341—16則要求2/3最大地震的設(shè)計(jì)地震下的層間位移角限值為1/50有關(guān)，EC8只對(duì)10年超越概率為10%的層間位移角做1/200～1/100的限值要求。

以位移作為大震不倒的控制因素從原理上更適用于延性較差的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和低延性的鋼結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下，當(dāng)位移超過(guò)某一極限數(shù)值可能會(huì)直接發(fā)生倒塌；而對(duì)于一些延性比較好的結(jié)構(gòu)，在經(jīng)歷數(shù)次強(qiáng)震甚至經(jīng)歷遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期強(qiáng)度的地震作用時(shí)，即使最大位移超過(guò)GB 50011—2010中的限值，也并不會(huì)發(fā)生倒塌，如麥浩[29]對(duì)按照8度設(shè)計(jì)的高延性CBF進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷多次8度小震及中震地震作用后，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)均保持完好，僅在最后幾次9度大震作用后，支撐產(chǎn)生了較大不可恢復(fù)的殘余變形(見(jiàn)圖4)，但從整體結(jié)構(gòu)層面看依然表現(xiàn)良好，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑性發(fā)展。

圖4 震后支撐的殘余變形Fig.4 Residual deformation of braces after earthquake

盡管用位移來(lái)判定結(jié)構(gòu)的極限倒塌狀態(tài)更加便于工程師使用，但對(duì)于高延性的結(jié)構(gòu)，大震作用下位移很難達(dá)到其極限倒塌位移。而在經(jīng)歷數(shù)次地震作用后，結(jié)構(gòu)損傷不斷累積，可能發(fā)生構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的低周疲勞破壞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。因此，位移可能并不是判定延性結(jié)構(gòu)倒塌最好的方法。

有些學(xué)者提倡使用損傷指數(shù)(結(jié)構(gòu)參數(shù)化損傷程度與損傷極限的比值)來(lái)判定結(jié)構(gòu)的倒塌狀態(tài)，例如，歐進(jìn)萍等[30]根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度，結(jié)合三水準(zhǔn)設(shè)防的概念提出了損傷的性能目標(biāo)(見(jiàn)表2)。對(duì)于高延性的CBF，相應(yīng)的損傷程度和損傷性能目標(biāo)尚待驗(yàn)證及完善。

表2 三水準(zhǔn)抗震設(shè)防與損傷指標(biāo)Tab.2 Damage indexes and three-level seismic fortification

2.2.3 基于損傷和能量的設(shè)計(jì)方法

基于承載力的設(shè)計(jì)方法并未考慮地震持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)造成的累積損傷效應(yīng)，有些學(xué)者提出了基于損傷和能量的抗震設(shè)計(jì)方法，通過(guò)建立不同滯回模型單質(zhì)點(diǎn)體系的能量譜以及耗能構(gòu)件的累積滯回耗能比譜，得到耗能構(gòu)件的累積滯回耗能情況，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)[31-34]。而通過(guò)耗能構(gòu)件的累積滯回耗能和其極限耗能能力又可以得到其損傷狀態(tài)。即

EH=E1×αE

(2)

D=EH/EU

(3)

式中：EH為耗能構(gòu)件的累積滯回耗能，E1為結(jié)構(gòu)的總輸入能量，由能量譜得到，αE為耗能構(gòu)件的累積滯回耗能占結(jié)構(gòu)總輸入能量的比例系數(shù)，由累積滯回耗能比譜得到，EU為耗能構(gòu)件的極限滯回耗能能力，D為耗能構(gòu)件的損傷因子。

在日本，能量設(shè)計(jì)法被稱為“一般化特別驗(yàn)算法”，通過(guò)將地震時(shí)輸入的能量與結(jié)構(gòu)自身能夠消耗的能量進(jìn)行比較，來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全[35]，這種方法比較適用于能夠明確定義結(jié)構(gòu)各部分的累積塑性變形能力的鋼結(jié)構(gòu)以及消能減震結(jié)構(gòu)。

McCabe等[36]從低周疲勞角度，提出了如下?lián)p傷模型：

(4)

式中：E+為結(jié)構(gòu)正向總滯回耗能，E-為結(jié)構(gòu)負(fù)向總滯回耗能。

CBF單重體系的受力簡(jiǎn)單，耗能原理明確，非常適用于采用能量法進(jìn)行設(shè)計(jì)。但顯然，若想對(duì)CBF進(jìn)行一般化設(shè)計(jì)，則需要利用支撐的長(zhǎng)細(xì)比、寬厚比等對(duì)上述公式進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)修正，還需要結(jié)合特有的滯回模型開(kāi)發(fā)針對(duì)CBF單重體系的能量譜。

對(duì)于CBF單重體系，嚴(yán)格限制構(gòu)造要求的中心支撐為主要耗能構(gòu)件，可以利用地震力折減的方法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)并利用能量法結(jié)合其在大震的作用下的損傷狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算[37]，而對(duì)于梁、柱構(gòu)件，則可采用能力設(shè)計(jì)的方法保證CBF體系具有良好的延性性能。

2.3 小 結(jié)

對(duì)于高延性CBF，有必要研究其大震屈服機(jī)制和倒塌機(jī)理，提出構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造要求，建立支撐節(jié)點(diǎn)與支撐構(gòu)件之間的低周疲勞壽命匹配準(zhǔn)則，提出基于支撐和節(jié)點(diǎn)低周疲勞壽命的構(gòu)造要求。

由于梁、柱及節(jié)點(diǎn)采用了能力設(shè)計(jì)，高延性CBF罕遇地震破壞本質(zhì)是中心支撐的低周疲勞破壞，但各國(guó)規(guī)范及學(xué)者對(duì)其地震力折減系數(shù)R的取值更多的是根據(jù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的彈塑性承載力得到的，控制結(jié)構(gòu)反應(yīng)的因素多采用層間位移，支撐低周疲勞損傷對(duì)R的取值的影響沒(méi)有被重視。事實(shí)上，R的取值越大，支撐構(gòu)件的疲勞損傷會(huì)越大，若對(duì)結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)行規(guī)范或?qū)W者得到的R值進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)歷大震后，其損傷是否接近結(jié)構(gòu)的損傷極限還有待商榷。

有必要從保證生命安全出發(fā)，建立基于可靠度的“大震不倒”控制指標(biāo)，結(jié)合結(jié)構(gòu)的損傷程度確定高延性CBF結(jié)構(gòu)的位移限值和損傷限值，同時(shí)確定與之相配套的同時(shí)考慮承載力和耗能的構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)方法。

3 低延性CBF抗倒塌儲(chǔ)備能力

3.1 低延性CBF的儲(chǔ)備能力

低延性CBF結(jié)構(gòu)，大震作用下某些支撐破壞后，整體并非一觸即潰，結(jié)構(gòu)仍然具有一定的抗倒塌儲(chǔ)備能力。例如1994年美國(guó)Northridge地震中發(fā)現(xiàn)了大量鋼框架在梁柱節(jié)點(diǎn)和支撐節(jié)點(diǎn)處的開(kāi)裂破壞，但沒(méi)有一棟這樣的鋼結(jié)構(gòu)建筑物發(fā)生倒塌。用今天的眼光看這些鋼結(jié)構(gòu)建筑并未嚴(yán)格滿足抗震構(gòu)造要求，但這些鋼結(jié)構(gòu)建筑仍然具有很強(qiáng)的抗倒塌能力。支撐破壞后，潛在的剩余抗倒塌儲(chǔ)備能力如果能夠得到適當(dāng)利用，將極大提高結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性，這也促進(jìn)了ASCE 7—10[38]的更新與進(jìn)步，增加了OCBF可在低烈度區(qū)酌情使用的建議。

3.2 儲(chǔ)備能力的來(lái)源

如果把CBF視為理想鉸接桁架，則當(dāng)支撐或其節(jié)點(diǎn)破壞后，結(jié)構(gòu)變?yōu)榱藱C(jī)構(gòu)，會(huì)馬上倒塌。但實(shí)際的情況是，即使支撐破壞，剩余的結(jié)構(gòu)仍具有一定的抗倒塌儲(chǔ)備能力，包括剛度、承載力和延性等，具有一定的繼續(xù)維持結(jié)構(gòu)大震不倒的能力。這種剩余的抗倒塌儲(chǔ)備能力來(lái)源于：

1)梁截面較大時(shí)，梁與柱的連接端板或連接角鋼上的高強(qiáng)螺栓群的半剛性抗彎能力[39]；2)梁柱節(jié)點(diǎn)處有支撐節(jié)點(diǎn)板時(shí)，節(jié)點(diǎn)板使節(jié)點(diǎn)抗彎能力的進(jìn)一步增強(qiáng)作用[40]，能夠達(dá)到半剛接、甚至剛接；3)樓板與鋼梁形成組合作用時(shí)，在梁端能夠形成分別抵抗正負(fù)彎矩的能力[41]；4)柱子通常是豎向連續(xù)構(gòu)件，即使某一層的支撐退出工作，柱子的豎向連續(xù)性仍使結(jié)構(gòu)在這一層上存在冗余度，能夠類似于抗彎鋼框架一樣工作[42]；5)支撐或其連接在受拉開(kāi)裂時(shí)失去剛度，但受壓時(shí)裂縫恢復(fù)接觸而又重新產(chǎn)生一定的受壓剛度[43]；6)柱腳配置的錨栓數(shù)量較多時(shí)，形成具有一定抗彎剛度的半剛接或剛接柱腳，從而形成了排架柱的抗彎能力[43-44]；等等。

3.3 儲(chǔ)備能力的有效利用

對(duì)于低延性CBF，大震情況下某些樓層的支撐及其連接可能發(fā)生劣化、甚至出現(xiàn)斷裂，此時(shí)低延性CBF的抗倒塌儲(chǔ)備能力將可能發(fā)揮重要作用，能夠在一定程度上繼續(xù)維持結(jié)構(gòu)的大震不倒[42]，這種能力將對(duì)確保生命安全具有重要意義。

例如，張文元等[40]的數(shù)值模擬分析證實(shí)了支撐節(jié)點(diǎn)板會(huì)使正常使用狀態(tài)下的梁端次彎矩(在發(fā)生層間變形時(shí)，因支撐節(jié)點(diǎn)板對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的增強(qiáng)作用而引起的附加彎矩)達(dá)到梁塑性鉸彎矩的10%以上，而彈塑性層間側(cè)移角達(dá)到1/50時(shí)的次彎矩甚至?xí)_(dá)到梁端塑性鉸彎矩；Stoakes等[45-46]通過(guò)試驗(yàn)和理論分析，證實(shí)了支撐節(jié)點(diǎn)板能夠提高角鋼連接的梁柱節(jié)點(diǎn)抵抗正負(fù)彎矩的能力，可以達(dá)到梁全截面塑性彎矩的30%～99%，而最大彈塑性層間側(cè)移角普遍都可以達(dá)到0.015～0.04 rad；Liu等[47-48]通過(guò)試驗(yàn)證明了典型的梁柱端板連接的抗彎能力只能達(dá)到梁端塑性鉸彎矩的20%，如果考慮失去組合前的樓板的貢獻(xiàn)時(shí)節(jié)點(diǎn)抗彎能力將達(dá)到梁端塑性鉸彎矩的50%，如果再同時(shí)使用角鋼加強(qiáng)梁下翼緣與柱的連接，則梁柱抗彎能力可以達(dá)到梁端塑性鉸彎矩的80%；Judd等[49]指出一棟建筑物中承重框架端板連接的半剛性節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，盡管每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剛度和承載有限，僅為完全剛性節(jié)點(diǎn)的10%～30%，但其總量是驚人的，是結(jié)構(gòu)剩余抗倒塌儲(chǔ)備能力的重要來(lái)源；Flores等[50]則在大量不同結(jié)構(gòu)算例分析的基礎(chǔ)上得出承重框架柱子的連續(xù)性和梁柱半剛性連接對(duì)結(jié)構(gòu)剩余抗倒塌儲(chǔ)備能力具有重要貢獻(xiàn)，連續(xù)的柱子可以使結(jié)構(gòu)第一階振型更加均勻，避免出現(xiàn)薄弱樓層破壞機(jī)制。

FEMA P695[51]定義了倒塌儲(chǔ)備系數(shù)RCM作為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)：

RCM=I50%/IMCE

(5)

式中：I50%為倒塌概率達(dá)到50%時(shí)對(duì)應(yīng)的地震強(qiáng)度，IMCE為美國(guó)規(guī)范考慮的最大地震強(qiáng)度，其值為設(shè)計(jì)地震強(qiáng)度的1.5倍。

對(duì)于極限狀態(tài)(倒塌點(diǎn))的判定，有DM準(zhǔn)則和IM準(zhǔn)則。DM準(zhǔn)則是以損傷指標(biāo)的閾值來(lái)定義結(jié)構(gòu)的倒塌點(diǎn)，而IM準(zhǔn)則是以強(qiáng)度參數(shù)的閾值來(lái)定義結(jié)構(gòu)的倒塌點(diǎn)。王偉等[52]結(jié)合FEMA相關(guān)規(guī)范，綜合考慮了DM準(zhǔn)則和IM準(zhǔn)則，對(duì)極限狀態(tài)的判定給出了定義，見(jiàn)表3。對(duì)于CBF，是否可采用低周疲勞損傷相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行倒塌點(diǎn)的判定，值得進(jìn)行深入的研究。

表3 極限狀態(tài)定義Tab.3 Definition for limit states

雖然一些學(xué)者認(rèn)識(shí)到了結(jié)構(gòu)的剩余抗倒塌能力，但基礎(chǔ)研究工作剛剛起步，在結(jié)構(gòu)倒塌之前能否充分激活剩余抗倒塌能力的基本物理概念尚待驗(yàn)證，剩余抗倒塌儲(chǔ)備能力尤其是梁柱節(jié)點(diǎn)半剛接、柱子的豎向連續(xù)性以及柱腳螺栓群的半剛接的潛能尚待開(kāi)發(fā)。有必要從模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬到理論分析等方面展開(kāi)全方位的工作，包括評(píng)估低延性CBF的易損性和極限狀態(tài)、量化抗倒塌儲(chǔ)備能力的潛在來(lái)源、確定抗倒塌儲(chǔ)備能力對(duì)地震響應(yīng)的影響、開(kāi)發(fā)考慮抗倒塌儲(chǔ)備能力的設(shè)計(jì)方法等。

4 結(jié) 論

本文介紹了不同延性的CBF的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用，有必要從以下方面對(duì)CBF體系進(jìn)行研究：

1)節(jié)點(diǎn)及支撐低周疲勞壽命是CBF倒塌的控制因素，有必要針對(duì)構(gòu)件的幾何參數(shù)、連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式等關(guān)鍵影響因素，提出高延性CBF的節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。

2)對(duì)設(shè)計(jì)地震作用進(jìn)行折減是充分發(fā)揮高延性CBF良好變形能力的關(guān)鍵方法，有必要結(jié)合IDA及推覆分析等方法，研究高延性CBF的能力曲線、損傷機(jī)制及倒塌機(jī)理，總結(jié)出地震力折減水平和耗能構(gòu)件(支撐)的低周疲勞累積滯回耗能需求規(guī)律，提出承載力和能量設(shè)計(jì)相結(jié)合的抗震設(shè)計(jì)方法。

3)梁柱節(jié)點(diǎn)半剛接、柱子的豎向連續(xù)性以及柱腳螺栓群的半剛接等因素對(duì)低延性CBF的抗倒塌儲(chǔ)備能力的貢獻(xiàn)不可忽視，有必要進(jìn)行深入的研究，提出利用抗倒塌儲(chǔ)備能力的設(shè)計(jì)方法，擴(kuò)展低延性CBF的使用范圍。