建筑結(jié)構(gòu)抗震“體系能力設(shè)計(jì)法”綜述

葉列平，金鑫磊，田 源，陸新征，繆志偉，曲 哲，林旭川，盧 嘯

(1. 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)土木工程系，北京 100084；2. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189；3. 中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080；4. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 體系能力設(shè)計(jì)法的提出背景

隨著抗震工程的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法漸趨成熟，抗震設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)從保證結(jié)構(gòu)的地震安全逐步發(fā)展到控制地震損失和保障功能可恢復(fù)性[1-2]。無論針對(duì)何種目標(biāo)，從系統(tǒng)層次明確結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷機(jī)制與破壞模式，對(duì)實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的抗震性態(tài)目標(biāo)具有重要的科學(xué)意義與工程價(jià)值。因此，如何提出一套理論可靠且實(shí)際操作性強(qiáng)的抗震設(shè)計(jì)方法，使建筑結(jié)構(gòu)能夠具有“穩(wěn)定、有序、漸進(jìn)、可控”的損傷機(jī)制與破壞模式，成為抗震工程領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)難題，引發(fā)了行業(yè)學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-4]。

實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性態(tài)目標(biāo)需要控制結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)的離散性。但是，經(jīng)杰[5]的研究表明，一般建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的非彈性響應(yīng)基本無規(guī)律可循。這主要體現(xiàn)在：1) 不同的地震作用可能在建筑不同樓層產(chǎn)生很大的非彈性地震響應(yīng)；2) 對(duì)于同樣的地震作用和結(jié)構(gòu)體系，如果結(jié)構(gòu)的周期不同，也可能在不同樓層產(chǎn)生很大的非彈性地震響應(yīng)。因此，常規(guī)設(shè)計(jì)方法多停留在對(duì)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的被動(dòng)檢驗(yàn)，難以從系統(tǒng)層次主動(dòng)地控制建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

經(jīng)杰[5]、馬千里等[6]、周靖[7]、Christopoulos等[8]的一系列研究表明：在結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，如果結(jié)構(gòu)整體的屈服后剛度過小，會(huì)出現(xiàn)“薄弱層”并引起損傷和變形的集中，進(jìn)而增大結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的離散性。相比之下，具有明確損傷機(jī)制和整體屈服后剛度的結(jié)構(gòu)，其地震響應(yīng)的離散性通常較小[9]。所以，提高結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度、預(yù)先設(shè)計(jì)明確的損傷機(jī)制，對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震性能的穩(wěn)定和震后殘余位移的控制具有重要影響，上述觀點(diǎn)為建筑結(jié)構(gòu)的性態(tài)控制提供了新的發(fā)展方向。

通常而言，單一結(jié)構(gòu)體系難以具有足夠高的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度[10]。因此，各國(guó)學(xué)者[11-13]嘗試以不同結(jié)構(gòu)體系的先后屈服來滿足上述需求，并相繼提出了主－次結(jié)構(gòu)、剛－柔結(jié)構(gòu)等概念。

以主－次結(jié)構(gòu)為例，它是指將結(jié)構(gòu)在體系上區(qū)分為主體結(jié)構(gòu)(主結(jié)構(gòu))和次要結(jié)構(gòu)(次結(jié)構(gòu))。在荷載分配上，主結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)豎向荷載和部分水平荷載，次結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)水平荷載。次結(jié)構(gòu)先于主結(jié)構(gòu)屈服，起到耗能和保護(hù)主結(jié)構(gòu)的作用[10]。這種設(shè)計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)較高的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度(由主結(jié)構(gòu)提供)，又設(shè)定了明確的損傷機(jī)制(次結(jié)構(gòu)先屈服耗能，主結(jié)構(gòu)保持完好或低損傷)，對(duì)控制結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，葉列平[14]將構(gòu)件層次的能力設(shè)計(jì)法擴(kuò)展到體系層次，提出了“體系能力設(shè)計(jì)法”。

2 體系能力設(shè)計(jì)法的基本理念

“體系能力設(shè)計(jì)法”的理念來源于能力設(shè)計(jì)法(capacity design method)[15]。能力設(shè)計(jì)法的主要思想是，通過控制不同構(gòu)件之間或同一構(gòu)件的不同受力狀態(tài)之間的承載力級(jí)差，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不合理的損傷機(jī)制，使結(jié)構(gòu)具有足夠的塑性變形能力和耗能能力，防止結(jié)構(gòu)倒塌。目前流行的 “強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)連接(節(jié)點(diǎn))弱構(gòu)件” 就是該設(shè)計(jì)思想的具體體現(xiàn)。能力設(shè)計(jì)法的關(guān)鍵在于將控制的概念引入結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，有目的地引導(dǎo)結(jié)構(gòu)損傷向合理的預(yù)期模式發(fā)展，是一種主動(dòng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想。

體系能力設(shè)計(jì)法將能力設(shè)計(jì)法的基本理念從構(gòu)件層次提升到結(jié)構(gòu)體系層次，通過對(duì)整體結(jié)構(gòu)的不同部分設(shè)定能力級(jí)差，采用不同的抗震能力要求，保證主結(jié)構(gòu)在大震下能夠提供足夠的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度(通過保持彈性或損傷程度很低)，并明確預(yù)期損傷部位(次結(jié)構(gòu))，使結(jié)構(gòu)的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)受控于抗震能力較高的主結(jié)構(gòu)，避免變形和能量集中。

為方便定量表達(dá)，葉列平[14]定義了兩個(gè)參數(shù)：1) 能力系數(shù)，指各構(gòu)件的實(shí)際承載力與抗震承載力需求之比；2) 能力比，指不同構(gòu)件的能力系數(shù)之比。對(duì)于主－次結(jié)構(gòu)體系，可使主結(jié)構(gòu)中的水平抗側(cè)力構(gòu)件具有較大的能力系數(shù)，而使次結(jié)構(gòu)具有較小的能力系數(shù)，并通過能力比控制主、次結(jié)構(gòu)在不同水平地震作用下的性態(tài)差異和損傷程度。

體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)主結(jié)構(gòu)的特殊性能要求主要體現(xiàn)在：

1) 具有高承載力，且能提供足夠的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度。由于次結(jié)構(gòu)率先進(jìn)入塑性階段并耗能，因此在強(qiáng)震作用下，結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度主要由主結(jié)構(gòu)提供。為明確結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度需求，眾多研究學(xué)者對(duì)屈服后剛度系數(shù)η (即結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度與初始彈性剛度的比值)開展了研究。

針對(duì)框架結(jié)構(gòu)，Nakashima 等[11]提出，為使框架結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)變形和能量集中，應(yīng)滿足η ≥0.75。Connor 等[12]以桿系模型為研究對(duì)象，指出應(yīng)滿足η ≥ 0.33。經(jīng)杰[5]和程光煜[10]的研究表明，當(dāng)η ≥ 0.5 時(shí)，可以避免變形和累積滯回耗能集中于某一樓層，且η 越大，結(jié)構(gòu)地震損傷的分布越均勻。馬千里等[6]發(fā)現(xiàn)η ＞ 0.2 時(shí)，結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性(響應(yīng)的離散性隨地震動(dòng)強(qiáng)度變化的穩(wěn)定程度)；若η ＞ 0.4，則結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的彈塑性響應(yīng)不僅具有較好的穩(wěn)定性，還具有較小的離散性。

雖然研究者對(duì)于結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度的定量需求尚未達(dá)成共識(shí)，但一致認(rèn)為主結(jié)構(gòu)需在強(qiáng)震下基本保持彈性或損傷程度較低，以滿足結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度需求。

2) 具有高彈性變形能力。目前絕大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要發(fā)生較大的變形才能充分耗散地震能量，因此，為使次結(jié)構(gòu)能夠充分耗能，主結(jié)構(gòu)必須在維持基本彈性的同時(shí)具有足夠的變形能力[16]。

3) 殘余變形小。地震后結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)能力和結(jié)構(gòu)的殘余變形關(guān)系密切。過大的殘余變形會(huì)使得結(jié)構(gòu)難以修復(fù)而不得不拆除。由于次結(jié)構(gòu)屈服，結(jié)構(gòu)的復(fù)位能力將主要由主結(jié)構(gòu)提供。因此，即使主結(jié)構(gòu)不能保持彈性，也應(yīng)盡量減小其殘余變形。

與此同時(shí)，體系能力設(shè)計(jì)法要求次結(jié)構(gòu)具有：① 適當(dāng)?shù)某休d力，即次結(jié)構(gòu)需要率先進(jìn)入彈塑性并開始耗能，吸收地震能量；② 高耗能能力，即地震能量將主要依靠次結(jié)構(gòu)耗散。

體系能力設(shè)計(jì)法的先進(jìn)性主要在于，它不僅預(yù)先設(shè)定了不同構(gòu)件的損傷次序，還對(duì)主結(jié)構(gòu)在大震下的具體性能指標(biāo)(如結(jié)構(gòu)整體剛度退化水平、殘余變形大小等)提出了明確的要求，從而使結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)可控。同時(shí)，體系能力設(shè)計(jì)法明確了主、次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能要求，從而可以指導(dǎo)主、次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研發(fā)：一方面，主結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)構(gòu)件，應(yīng)提供盡可能高的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度，同時(shí)具有高承載力、高彈性變形能力和較小的殘余變形，這是單純通過增大傳統(tǒng)低強(qiáng)材料構(gòu)件的截面所難以達(dá)到的；另一方面，次結(jié)構(gòu)采用耗能構(gòu)件，應(yīng)通過合適的承載力設(shè)定與構(gòu)造設(shè)計(jì)，形成合理的失效路徑，盡量吸收、消耗地震能量。

3 體系能力設(shè)計(jì)法中的關(guān)鍵科學(xué)問題

3.1 主、次結(jié)構(gòu)的確定

在體系能力設(shè)計(jì)法中，應(yīng)首先將結(jié)構(gòu)體系明確劃分為主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)。根據(jù)體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)主—次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，主結(jié)構(gòu)承擔(dān)部分水平荷載的同時(shí)，還需要提供足夠的側(cè)向剛度或能夠控制結(jié)構(gòu)的變形模式，以保證結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度要求。由于主結(jié)構(gòu)始終保持彈性或低損傷狀態(tài)，通常可以同時(shí)用于承擔(dān)豎向荷載。次結(jié)構(gòu)在損傷前主要用于抵抗水平荷載，次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置形式一般應(yīng)對(duì)側(cè)向變形比較敏感，且失效后對(duì)結(jié)構(gòu)豎向荷載的傳遞影響不大。所以，次結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)體系整體抵抗豎向荷載的重要性較低。但并非對(duì)于抵抗豎向荷載重要性低的構(gòu)件都要用于次結(jié)構(gòu)，這些構(gòu)件也可用于構(gòu)成主結(jié)構(gòu)以保證其側(cè)向剛度或控制結(jié)構(gòu)的變形模式。基于上述主、次結(jié)構(gòu)的特征，一般可以通過識(shí)別結(jié)構(gòu)體系中各構(gòu)件、子結(jié)構(gòu)在不同荷載形式下的重要性，來確定其是否適合于作為主結(jié)構(gòu)或次結(jié)構(gòu)的一部分。

需要說明的是，某一構(gòu)件是作為主結(jié)構(gòu)還是作為次結(jié)構(gòu)，并非完全取決于其構(gòu)件類型，而應(yīng)根據(jù)體系能力設(shè)計(jì)法的基本概念和實(shí)際的構(gòu)造形式與需求，靈活地選擇與設(shè)定。只要不違背體系能力設(shè)計(jì)法的基本概念，同類型的兩個(gè)構(gòu)件，可以分別屬于主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)，并根據(jù)主、次結(jié)構(gòu)的實(shí)際需求分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，關(guān)于不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)各類荷載形式的重要性已經(jīng)積累了初步的定性經(jīng)驗(yàn)：① 在抵抗重力荷載時(shí)，柱一般比梁重要(“強(qiáng)柱弱梁”)，下層柱通常比上層柱重要；② 在抵抗水平荷載時(shí)，邊柱一般比中柱重要，核心筒和剪力墻通常比框架重要；③ 無論何種荷載形式，連接比與其相連的構(gòu)件重要(“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”)。

這些工程經(jīng)驗(yàn)為主、次結(jié)構(gòu)的選取與分配提供了重要參考。主—次結(jié)構(gòu)體系一般有以下兩種類型：

1) 主結(jié)構(gòu)對(duì)抵抗水平、豎向荷載都重要，次結(jié)構(gòu)僅對(duì)抵抗水平荷載重要。一個(gè)典型的例子是鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)(如圖1 所示)，其中，剪力墻作為主結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)抵抗地震水平荷載和重力豎向荷載都至關(guān)重要；連梁作為次結(jié)構(gòu)，主要抵抗水平荷載，但失效后對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向荷載傳遞影響不大。

圖1 鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體中的主、次結(jié)構(gòu)Fig. 1 Primary and secondary structures in a reinforced concrete shear wall structure

2) 部分主結(jié)構(gòu)只承擔(dān)水平荷載，不承擔(dān)豎向荷載，但是對(duì)控制側(cè)向變形意義重大；另外一部分主結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)豎向荷載；而次結(jié)構(gòu)僅對(duì)抵抗水平荷載重要。典型的例子是搖擺墻－框架結(jié)構(gòu)(如圖2 所示)，其主結(jié)構(gòu)為搖擺墻和框架柱，次結(jié)構(gòu)為框架梁。地震作用下，搖擺墻雖然不承擔(dān)豎向荷載，但承擔(dān)水平荷載，對(duì)控制結(jié)構(gòu)整體變形模式至關(guān)重要；框架柱對(duì)豎向荷載傳遞重要，并承擔(dān)部分水平荷載；各層的框架梁通過在梁端形成塑性鉸以耗散地震能量。

圖2 搖擺墻－框架結(jié)構(gòu)中的主、次結(jié)構(gòu)Fig. 2 Primary and secondary structures in a rocking wall-frame structure

盡管以往的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)劃分主、次結(jié)構(gòu)具有一定的指導(dǎo)意義，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于缺乏對(duì)構(gòu)件重要性的定量評(píng)價(jià)，會(huì)導(dǎo)致主、次結(jié)構(gòu)的確定過分地依賴工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)水平，并且會(huì)限制體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)不同類型結(jié)構(gòu)(尤其是新型結(jié)構(gòu)體系)的適用性。目前已有一些研究提出了與荷載形式相關(guān)的構(gòu)件重要性定量評(píng)價(jià)方法[17-18]。林旭川、葉列平等[19-21]提出了基于結(jié)構(gòu)廣義剛度的構(gòu)件、子結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)的重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)，如下式所示：

式中：I為重要性指標(biāo)；Kstru,0和U0分別為完好結(jié)構(gòu)的廣義剛度和彈性變形能；Kstru,f和Uf分別為某一構(gòu)件失效后的廣義剛度和變形能。構(gòu)件重要性指標(biāo)的均方差較大的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通常具有更加明確的主、次結(jié)構(gòu)層次。

以一個(gè)4 層3 跨框架結(jié)構(gòu)(層高3.6 m、跨度5 m)為例，其梁、柱截面尺寸分別為0.25 m × 0.5 m 和0.4 m × 0.4 m。按式(1)計(jì)算結(jié)構(gòu)在重力和水平荷載作用下各構(gòu)件的重要性指標(biāo)，如圖3 所示。

圖3 典型框架結(jié)構(gòu)在不同荷載形式下的構(gòu)件重要性指標(biāo)Fig. 3 Member importance index of a typical frame structure under different load patterns

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，在重力荷載作用下，柱的重要性指標(biāo)明顯高于梁，下層柱重要性高于上層柱，符合工程經(jīng)驗(yàn)；在水平荷載下，雖然柱在整體上比梁更加重要，但是下部樓層中的梁的重要性可能高于上部樓層中的柱，頂層的中柱比邊柱重要，但下部樓層的邊柱卻比中柱重要。該方法可以直觀、明確地識(shí)別結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件在不同荷載形式下的重要性。

3.2 主、次結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案

3.2.1 主結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)第2 節(jié)總結(jié)的體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)主結(jié)構(gòu)的要求，主結(jié)構(gòu)中通常需要使用柱、墻等構(gòu)件。在具體實(shí)施操作時(shí)，可參考以下兩種方式：

1) 采用高承載力、高變形能力和低殘余位移的豎向構(gòu)件。

土木工程結(jié)構(gòu)中新型高強(qiáng)材料(如高強(qiáng)鋼材、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等)的迅速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)高承載力構(gòu)件提供了保障。通過使用新型高強(qiáng)材料、優(yōu)化截面形式，研究人員提出了多種新型高強(qiáng)、高變形能力的柱構(gòu)件，可以高效地滿足主結(jié)構(gòu)大震彈性的需求[22-25]。

但是對(duì)于剪力墻、核心筒等關(guān)鍵構(gòu)件，由于其幾何形式的限制，簡(jiǎn)單地采用高強(qiáng)材料并不能從本質(zhì)上大幅提升其彈性變形能力，而通常需要提出新的構(gòu)造形式。例如，曾勇[26]提出一種新型雙功能帶縫剪力墻，在中、小地震作用下帶縫墻具有較大的剛度和承載力，在大震作用下連接鍵退出工作，帶縫墻在維持一定的抗側(cè)剛度的同時(shí)還能保證優(yōu)越的變形能力(如圖4 所示)。張磊[27]以鋼混組合柱、鋼梁組成主結(jié)構(gòu)，以耗能支撐作為次結(jié)構(gòu)構(gòu)件，形成框架-支撐筒，以替代普通的鋼筋混凝土核心筒，大幅提高了筒體的彈性變形能力(如圖5 所示)。

圖4 鋼筋混凝土雙功能帶縫剪力墻Fig. 4 Reinforced concrete dual function slitted shear wall

圖5 框架-支撐筒體系Fig. 5 Frame-braced tube structural system

2) 改造關(guān)鍵構(gòu)件外部受力形式

剪力墻、核心筒等關(guān)鍵構(gòu)件之所以難以具有較大的彈性變形能力，主要是因?yàn)檫@些構(gòu)件較大的平面尺寸導(dǎo)致在邊緣處產(chǎn)生的大應(yīng)變與混凝土材料有限的峰值壓應(yīng)變之間存在矛盾。為此，通過弱化這些關(guān)鍵構(gòu)件與基礎(chǔ)或其他構(gòu)件之間的約束[28-30]，使它們?cè)诘卣鹱饔孟掳l(fā)生搖擺，可以同時(shí)保證高承載力和高變形能力，進(jìn)而控制整體結(jié)構(gòu)的變形模式。其中的典型代表是搖擺墻－框架結(jié)構(gòu)體系(如圖6 所示)，該體系由傳統(tǒng)的延性框架和具有很大剛度和承載力、且能夠繞墻底轉(zhuǎn)動(dòng)的搖擺墻組成，并通過有效的水平連接措施保證框架與搖擺墻在地震作用下協(xié)同工作。此外，可以利用框架結(jié)構(gòu)與搖擺墻連接界面上較大的相對(duì)位移設(shè)置耗能構(gòu)件，作為結(jié)構(gòu)體系中的預(yù)期損傷部位，不僅使整體結(jié)構(gòu)具有更明確的損傷機(jī)制，還有助于減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[31-32]。

圖6 搖擺墻－框架結(jié)構(gòu)及其整體破壞機(jī)制Fig. 6 Rocking wall-frame structure and its overall failure mechanism

3.2.2 次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案

體系能力設(shè)計(jì)法要求次結(jié)構(gòu)先于主結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段并耗能，因此次結(jié)構(gòu)通?？梢赃x擇各類新型耗能構(gòu)件和裝置等，如屈曲約束支撐、高性能耗能連梁、耗能伸臂桁架、耗能梁柱節(jié)點(diǎn)等[25,33-50]。

需要注意的是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的幾何構(gòu)形、剛度分布、變形能力、承載力和耗能能力的綜合設(shè)計(jì)。應(yīng)將建筑結(jié)構(gòu)視作一個(gè)系統(tǒng)來研究其設(shè)計(jì)理論和方法，以有效實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計(jì)目標(biāo)。在體系能力設(shè)計(jì)法中，次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)的匹配、以及次結(jié)構(gòu)的損傷次序，主要包括：

1) 與主結(jié)構(gòu)的變形能力相匹配

次結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)盡量布置在對(duì)側(cè)向變形敏感的部位，并能夠在主結(jié)構(gòu)彈性變形極限內(nèi)盡早進(jìn)入塑性耗能階段，以通過充分耗能來保護(hù)主結(jié)構(gòu)。典型的代表是在鋼支撐框架中采用低屈服點(diǎn)屈曲約束支撐作為次結(jié)構(gòu)。一方面，支撐本身對(duì)側(cè)向變形非常敏感；另一方面，使用低屈服點(diǎn)鋼材進(jìn)一步降低了鋼支撐的屈服變形，有效保證了鋼支撐先于主體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服耗能階段[51]。

2) 與主結(jié)構(gòu)的承載力相匹配

次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還應(yīng)與主結(jié)構(gòu)的承載力相匹配。地震作用下，如果次結(jié)構(gòu)的承載力過低，會(huì)削弱次結(jié)構(gòu)耗散地震能量的能力，在大震作用下可能會(huì)由于次結(jié)構(gòu)耗能不足而導(dǎo)致主結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷；反之，如果次結(jié)構(gòu)承載力過高，可能導(dǎo)致主結(jié)構(gòu)構(gòu)件率先屈服和損傷。例如，楊青順[52]在研究端部帶軟鋼阻尼器的伸臂桁架時(shí)，發(fā)現(xiàn)軟鋼阻尼器的承載力和剛度相互耦合，導(dǎo)致難以同時(shí)滿足伸臂桁架的承載力設(shè)計(jì)目標(biāo)和剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3) 如何主動(dòng)吸引能量

為使次結(jié)構(gòu)能夠主動(dòng)吸引地震能量，一方面，可降低次結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度，達(dá)到先于主結(jié)構(gòu)屈服的目的。其中，Lin 等[25]提出在高強(qiáng)鋼框架的梁柱連接焊縫附近設(shè)置保險(xiǎn)絲連接板，通過控制保險(xiǎn)絲連接板的強(qiáng)度閾值，將構(gòu)件的損傷和耗能轉(zhuǎn)移至可更換、耗能能力較強(qiáng)的保險(xiǎn)絲元件上。

另一方面，當(dāng)次結(jié)構(gòu)屈服后，可通過引入負(fù)剛度機(jī)制，主動(dòng)降低次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服后強(qiáng)度，防止次結(jié)構(gòu)屈服后承載力繼續(xù)強(qiáng)化，限制損傷向主結(jié)構(gòu)傳遞，最終達(dá)到保護(hù)主結(jié)構(gòu)并通過次結(jié)構(gòu)吸收耗散能量的目的。例如，朱亞寧[53]研發(fā)了一種新型的犧牲耗能支撐用于伸臂桁架的腹桿，在大震作用下通過“犧牲裝置”主動(dòng)降低屈服后承載力，充當(dāng)了“周邊框架－伸臂桁架－核心筒”串聯(lián)體系中的“結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)絲”，充分發(fā)揮其耗能能力以有效降低主結(jié)構(gòu)的損傷。此外，還可將負(fù)剛度裝置與黏滯型被動(dòng)阻尼器配合使用，這種方式既能抑制由于弱化結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的位移增大效應(yīng)，也可耗散地震能量[54-61]。

4) 次結(jié)構(gòu)的損傷次序

如前所述，次結(jié)構(gòu)需要率先進(jìn)入耗能模式，但是為了保證結(jié)構(gòu)整體特征的延性行為，充分發(fā)揮多道抗震防線作用，次結(jié)構(gòu)的損傷次序應(yīng)當(dāng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)的損傷能夠“漸進(jìn)、有序”地進(jìn)行。次結(jié)構(gòu)的損傷次序需要同時(shí)考慮不同構(gòu)件類型和不同構(gòu)件位置。

眾多學(xué)者[62-65]通過研究不同結(jié)構(gòu)體系(框架－核心筒、斜交網(wǎng)格筒－核心筒、巨型型鋼混凝土框架－核心筒、巨型支撐－框架－核心筒等)的構(gòu)件失效順序及內(nèi)力重分配過程發(fā)現(xiàn)，主、次結(jié)構(gòu)各構(gòu)件功能屬性的明顯區(qū)分、復(fù)雜的構(gòu)件種類及獨(dú)特的傳力機(jī)制，共同影響了各個(gè)構(gòu)件在塑性內(nèi)力重分配過程中的屈服順序和失效機(jī)理[66]。

在體系能力設(shè)計(jì)法中，次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能力系數(shù)越小，構(gòu)件屈服越早。因此，可以通過控制次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能力系數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件的逐級(jí)屈服。

林旭川[19]提出“重要構(gòu)件承載力儲(chǔ)備高”的結(jié)構(gòu)失效控制思路，通過針對(duì)框架結(jié)構(gòu)的算例研究，指出最長(zhǎng)路徑失效模式(重要性指標(biāo)小的構(gòu)件先屈服)是在結(jié)構(gòu)失效前可能屈服構(gòu)件的數(shù)量上限，相比最短路徑失效模式，能夠充分利用構(gòu)件的承載力和變形能力，是最大限度提高框架結(jié)構(gòu)整體承載力儲(chǔ)備和避免底部軟弱層的有效途徑。

3.3 體系設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法在初始設(shè)計(jì)后，通常需要經(jīng)過驗(yàn)算、設(shè)計(jì)修改與優(yōu)化的反復(fù)迭代過程以滿足結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)，是一種間接的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)體系能力設(shè)計(jì)法的基本概念和主－次結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，采用主結(jié)構(gòu)低損傷、次結(jié)構(gòu)先耗能的機(jī)制，可以更加主動(dòng)、直接地控制結(jié)構(gòu)體系在地震下的性態(tài)，離散性更小。

基于體系能力設(shè)計(jì)法的概念，曲哲[67]在框架結(jié)構(gòu)中引入搖擺墻作為主結(jié)構(gòu)以控制結(jié)構(gòu)體系的變形和損傷模式，并將損傷耗能部位限定在框架梁端。在初步設(shè)計(jì)階段，以框架結(jié)構(gòu)按一階模態(tài)振動(dòng)時(shí)的層間位移集中程度作為變形模式控制指標(biāo)，確定搖擺墻的剛度需求；完成多遇地震線彈性設(shè)計(jì)后，采用等代結(jié)構(gòu)法，確定罕遇地震階段預(yù)期損傷的框架梁端的變形能力需求和非預(yù)期損傷的框架柱和搖擺墻的承載力需求?？拐鹦阅茉u(píng)估結(jié)果表明，搖擺墻—框架結(jié)構(gòu)框架的絕大多數(shù)塑性鉸可以按照預(yù)期目標(biāo)出現(xiàn)在框架梁端，且框架梁端的塑性變形程度沿樓層分布趨于均勻。與普通框架結(jié)構(gòu)相比，該體系能夠更直接、容易地實(shí)現(xiàn)預(yù)期損傷機(jī)制。

程光煜[10]、繆志偉[68]等多位學(xué)者也分別針對(duì)鋼支撐框架、鋼筋混凝土框架—剪力墻等多種結(jié)構(gòu)體系開展了相關(guān)研究，但其研究結(jié)果均顯示，對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)體系，如果采用體系能力設(shè)計(jì)法的基本思想，那么主結(jié)構(gòu)通常需要具有很高的承載力才能保證性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這在實(shí)際工程中往往難以推廣。而高層與超高層結(jié)構(gòu)體系則在這方面具有先天的優(yōu)勢(shì)。按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的高層和超高層建筑具有多道防線，且多個(gè)高層建筑工程的實(shí)際抗震分析結(jié)果均表明，高層建筑的主結(jié)構(gòu)承載力非常高，自然滿足了體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)主結(jié)構(gòu)的要求。因此，將體系能力設(shè)計(jì)法應(yīng)用于高層與超高層結(jié)構(gòu)，對(duì)于控制這類結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)變響應(yīng)具有重要的工程價(jià)值。

解琳琳[69]基于體系能力設(shè)計(jì)法的理念，提出了一種針對(duì)巨柱—核心筒—伸臂超高層結(jié)構(gòu)體系的大震功能可恢復(fù)設(shè)計(jì)方法。該方法選取高性能關(guān)鍵豎向承重構(gòu)件—剪力墻(核心筒)和巨柱組成主結(jié)構(gòu)，保證其在地震下無損傷或只產(chǎn)生輕微損傷；采用高性能可更換耗能連梁和伸臂桁架作為次結(jié)構(gòu)，并將耗能連梁作為“第一道耗能防線”，在中震下開始屈服參與耗能，將伸臂桁架作為“第二道耗能防線”，在大震下開始屈服并參與耗能。

具體地，首先根據(jù)大震功能可恢復(fù)的彈性層間位移角限值確定結(jié)構(gòu)的宏觀設(shè)計(jì)參數(shù)；進(jìn)一步基于宏觀設(shè)計(jì)參數(shù)和各類關(guān)鍵構(gòu)件剛度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，確定各類關(guān)鍵構(gòu)件滿足性能目標(biāo)要求的合理剛度；然后采用基于能量的耗能設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)各類耗能構(gòu)件，控制結(jié)構(gòu)的大震最大彈塑性層間側(cè)移角。

解琳琳[69]采用上述方法完成了一棟7 度設(shè)防的525 m 超高層結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)。整套設(shè)計(jì)流程幾乎不需迭代，耗時(shí)僅約1 h，而且相比現(xiàn)行規(guī)范“小震設(shè)計(jì)，精細(xì)建模，大震驗(yàn)算，反復(fù)迭代”的設(shè)計(jì)流程，在同樣滿足大震功能可恢復(fù)目標(biāo)下，能減少約12%的材料用量，為實(shí)現(xiàn)巨柱－核心筒－伸臂超高層結(jié)構(gòu)的震后功能可恢復(fù)提供了直接、高效、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。

除本文作者團(tuán)隊(duì)外，很多專家學(xué)者在結(jié)構(gòu)體系的理論研究和設(shè)計(jì)方法方面也開展了很好的工作[66, 70 - 76]。

3.4 體系性能檢驗(yàn)方法

通過上述分析可見，體系能力設(shè)計(jì)法在高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中具有很大的潛力。為保證設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要有合適的檢驗(yàn)手段?？紤]到高層建筑試驗(yàn)的難度較大，一般可通過數(shù)值模擬分析進(jìn)行性能檢驗(yàn)。高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的檢驗(yàn)一般有以下3 方面需求：① 罕遇地震下設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)算；② 極端地震下安全性檢驗(yàn)；③ 初始設(shè)計(jì)階段的簡(jiǎn)化分析。

目前，罕遇地震下設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)算通過設(shè)計(jì)軟件或常規(guī)有限元分析軟件即可完成。例如，Poon、Jiang、Fan 等[77-80]分別對(duì)上海中心大廈(632 m)、北京財(cái)富中心二期(264 m)、臺(tái)北101 大廈(508 m)等復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)開展了抗震性能的數(shù)值分析與檢驗(yàn)。

在檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在極端地震下的安全性時(shí)，通常需要考慮高層建筑的倒塌大變形行為，傳統(tǒng)的模型和算法面臨挑戰(zhàn)。盧嘯等[81]提出了基于纖維梁和分層殼模型的高層和超高層建筑有限元建模方法，以及“材料—截面—構(gòu)件三尺度關(guān)聯(lián)失效準(zhǔn)則”，實(shí)現(xiàn)了北京中國(guó)尊(528 m)和上海中心大廈(632 m)等高層和超高層建筑的地震倒塌全過程模擬[65,82]，為高層和超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)檢驗(yàn)提供了關(guān)鍵性技術(shù)支撐。盧嘯等[83]進(jìn)而基于該方法，比較了北京中國(guó)尊不同方案的抗地震倒塌性能，提出了基于倒塌模式優(yōu)化的地震災(zāi)變體系能力控制理論。Lin 等[84]基于纖維模型架構(gòu)，進(jìn)一步考慮各類鋼構(gòu)件與組合構(gòu)件在地震往復(fù)作用下的局部屈曲與斷裂效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高層鋼結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)地震損傷機(jī)制分析與極限倒塌安全儲(chǔ)備量化評(píng)估。此外，還有很多專家學(xué)者針對(duì)高層結(jié)構(gòu)在極端地震下安全性檢驗(yàn)也開展了很好的工作[85-88]。

由于高層結(jié)構(gòu)精細(xì)模型建模工作量大，建模和計(jì)算周期無法滿足方案設(shè)計(jì)階段的反復(fù)方案調(diào)整的效率要求。盧嘯等[89-90]針對(duì)各類關(guān)鍵構(gòu)件的主要受力特點(diǎn)，提出了簡(jiǎn)化方法，構(gòu)建了上海中心(巨柱—核心筒—伸臂桁架體系)超高層建筑的高效魚骨模型?；谠摲椒?，陸新征等[91]建立了北京中國(guó)尊(巨型支撐—框架—核心筒體系)的高效魚骨模型并分析地震耗能分布，開展了北京中國(guó)尊不同方案的比選。

4 體系能力設(shè)計(jì)法的指導(dǎo)意義與未來發(fā)展方向

體系能力設(shè)計(jì)法的理論優(yōu)勢(shì)在于：

(1)將能力設(shè)計(jì)法的核心理念從構(gòu)件層次提升到體系層次，能夠幫助梳理性能目標(biāo)，在強(qiáng)震作用下主動(dòng)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)損傷依照預(yù)期機(jī)制發(fā)展，同時(shí)通過使主結(jié)構(gòu)保持彈性或低損傷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度，降低結(jié)構(gòu)彈塑性響應(yīng)的離散性，提升抗震性能的穩(wěn)定性；

(2)通過明確各類次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能力系數(shù)，實(shí)現(xiàn)次結(jié)構(gòu)逐級(jí)屈服，保證次結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展的有序性；

(3)通過調(diào)節(jié)主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的能力級(jí)差，使次結(jié)構(gòu)先于主結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服耗能，并通過延長(zhǎng)失效路徑，提升整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的多層次性，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)損傷過程的漸進(jìn)性；

(4)相較于傳統(tǒng)的間接設(shè)計(jì)方法，通過驗(yàn)算、設(shè)計(jì)修改與優(yōu)化的反復(fù)迭代過程被動(dòng)地滿足結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)，能夠更加主動(dòng)、直接地控制設(shè)計(jì)方案在地震下的性態(tài)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷破壞的可控性。因此，體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷機(jī)制與破壞模式的“穩(wěn)定、有序、漸進(jìn)、可控”具有重要的指導(dǎo)意義。

將體系能力設(shè)計(jì)法應(yīng)用于實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)，尤其是高層和超高層建筑中，仍存在一些問題需要在未來開展深入研究，包括：

(1)如何保證主結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，即如何保證主結(jié)構(gòu)提供足夠的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度，且具有高承載力、高變形能力，在地震中無損傷或低損傷；

(2)如何確定和優(yōu)化次結(jié)構(gòu)的形式以及具體布置；

(3)如何確定主、次結(jié)構(gòu)的能力系數(shù)和能力比，需要考慮的因素包括與不同抗震設(shè)防目標(biāo)的關(guān)系，整體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)彈塑性位移模式的控制目標(biāo)，在實(shí)際工程中的可操作性等；

(4)如何確定局部變形與結(jié)構(gòu)整體變形模式的關(guān)系；

(5)如何確定結(jié)構(gòu)耗能和損傷分布規(guī)律與變形模式之間的關(guān)系；

(6)如何確定結(jié)構(gòu)性能控制與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、重要設(shè)備性能需求的關(guān)系；

(7)新型結(jié)構(gòu)體系的提出和體系能力設(shè)計(jì)法的實(shí)際應(yīng)用。