自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析

孫振超，蘭文改

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

抗震工程技術(shù)分為3 個(gè)發(fā)展階段，即抗震、減震、隔震?？拐鹗峭ㄟ^(guò)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)本身來(lái)提高抗震能力，減震是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置減震裝置來(lái)消耗地震作用，隔震是將地震作用與建筑物通過(guò)隔震層隔離開(kāi)來(lái)[1]。近年來(lái)，中國(guó)抗震工程技術(shù)研究發(fā)展趨勢(shì)已從抗震、減震、隔震走向了可恢復(fù)功能。

呂西林等[2]在2011 年首次定義了“可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)”的概念，可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)是指在地震發(fā)生后，結(jié)構(gòu)不需修復(fù)或者稍加修復(fù)即可恢復(fù)使用功能?？苫謴?fù)性不僅適用于建筑結(jié)構(gòu)，也適用于其他工程設(shè)施甚至是城市?？苫謴?fù)功能結(jié)構(gòu)體系是未來(lái)抗震工程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)

1.1 搖擺結(jié)構(gòu)

搖擺結(jié)構(gòu)體系是通過(guò)放松構(gòu)件間或結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間的約束使結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生搖擺行為，將變形集中在搖擺部位，同時(shí)在這些部位設(shè)置消能減震裝置，以達(dá)到對(duì)地震力的消耗[2]。早在1963 年，HOUSNER[3]就對(duì)智利大地震中幸存的高位水槽進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于基礎(chǔ)約束弱化導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生搖擺行為，降低了自身的延性需求及所受地震力，從而使其在地震中免遭破壞。研究人員在隨后的地震觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，一些在地震中發(fā)生結(jié)構(gòu)搖擺或基礎(chǔ)抬升的建筑，在地震發(fā)生后并未受到嚴(yán)重破壞。因此，在抗震工程領(lǐng)域?qū)u擺結(jié)構(gòu)體系的研究逐漸增多。

1.2 自復(fù)位結(jié)構(gòu)

自復(fù)位結(jié)構(gòu)是以性能化設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)體系，可以減小結(jié)構(gòu)在地震中的損傷及地震后的殘余變形，其應(yīng)力特征就是在外力消失后，結(jié)構(gòu)的頂部橫向位移能夠逐漸恢復(fù)到零[4]。

1.3 可更換結(jié)構(gòu)

可更換結(jié)構(gòu)可以使結(jié)構(gòu)損傷集中在可更換構(gòu)件中，通過(guò)更換構(gòu)件恢復(fù)結(jié)構(gòu)的抗震性能。在土木工程領(lǐng)域可更換構(gòu)件方面的研究，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工難度大等原因，國(guó)內(nèi)外的研究成果和相關(guān)應(yīng)用還比較少，而且多集中在鋼結(jié)構(gòu)、裝配式結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等方面。

2 鋼框架結(jié)構(gòu)中搖擺結(jié)構(gòu)與自復(fù)位支撐聯(lián)合應(yīng)用

目前，對(duì)于可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)的研究大多集中于單一的結(jié)構(gòu)形式，很少有研究搖擺結(jié)構(gòu)、自復(fù)位結(jié)構(gòu)及可替換結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)用等新型可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)。自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)體系具有剛度大、自恢復(fù)力好、低損傷等特性，同時(shí)能夠平衡構(gòu)件之間的變形，實(shí)現(xiàn)地震發(fā)生后結(jié)構(gòu)整體迅速恢復(fù)的效果，而利用自復(fù)位支撐實(shí)現(xiàn)自復(fù)位特性，現(xiàn)場(chǎng)則僅需較少的預(yù)應(yīng)力工序，降低了施工復(fù)雜性，且結(jié)構(gòu)損傷集中在自復(fù)位支撐部分，便于修復(fù)與更換。

本文采用有限元分析軟件SAP2000 驗(yàn)證自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，通過(guò)建立普通鋼框架結(jié)構(gòu)模型和自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。

3 研究對(duì)象與振動(dòng)模型

3.1 算例模型

該算例模型為鋼框架結(jié)構(gòu)，共7 榀3 跨6 層，模型參數(shù)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[5]，如圖1 所示。第1 層高度為5 m，第2—6 層高度為4 m，梁柱為剛接。抗震設(shè)防烈度8 度，地震分組為第一組，Ⅲ類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期為0.45 s?？蚣芰褐捎肣345 鋼材，梁截面尺寸為H450 mm×250 mm×12 mm×18mm，柱截面采用400 mm×400 mm×20 mm 的方鋼管。

圖1 結(jié)構(gòu)布置（單位：mm）

3.2 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件SAP2000 建立結(jié)構(gòu)模型，其由梁柱單元等組成的有限元分析模型如圖2 所示，自復(fù)位支撐采用人字形布置，如圖3 所示。

圖2 普通鋼框架結(jié)構(gòu)

圖3 自復(fù)位支撐設(shè)置示意圖

自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)的柱腳和基底連接處，在豎直方向上使用非線性彈簧相連，定義為只能受壓不能受拉；在水平方向和轉(zhuǎn)角方向上使用和固定支座相同的約束，限制水平位移和平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。由于SAP2000 中的單元庫(kù)中并沒(méi)有現(xiàn)成的適用于模擬自復(fù)位支撐的連接單元，本文采用SAP2000 中的線性連接單元、多段線彈性連接單元、多段線塑性連接單元的組合模擬自復(fù)位支撐。具體的模擬方法是將1 個(gè)多段線彈性連接單元和1 個(gè)多段線塑性連接單元并聯(lián)，然后再與1 個(gè)線性連接單元串聯(lián)，如圖4 所示。

圖4 自復(fù)位支撐SAP2000 模型示意圖

4 模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析的近似方法，它是線性結(jié)構(gòu)的抗震分析中最簡(jiǎn)單有效的方法。當(dāng)采用SAP2000 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，可以快速得出結(jié)構(gòu)性能的基本參數(shù)、每一階振型的周期和自振頻率，以及每一階頻率的參與質(zhì)量系數(shù)等，這些是其他動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。通過(guò)模態(tài)分析得到的2 個(gè)結(jié)構(gòu)的前12 階周期和頻率，如表1 所示。

表1 周期頻率

5 時(shí)程分析

5.1 地震波的選取

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，進(jìn)行時(shí)程分析運(yùn)算時(shí)，需要分別選擇實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的地震波，其中需要不少于總數(shù)2/3 的實(shí)際強(qiáng)震記錄。本文選擇2 條天然地震波和1 條人工地震波，分別為EL-centro 波、CPC 波和人工波。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，地震波分析得到的結(jié)構(gòu)基底剪力應(yīng)大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，3 條地震波分析得到的結(jié)構(gòu)基底剪力平均值應(yīng)大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，基底剪力分析結(jié)果如表2 所示。

表2 基底剪力

5.2 時(shí)程分析結(jié)論

在3 條地震波作用下，采用直接積分法對(duì)2 個(gè)模型進(jìn)行非線性時(shí)程分析，分別從層間位移和殘余位移這2 方面進(jìn)行討論，對(duì)比2 個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。

在多遇地震作用下，自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)和普通鋼框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移如圖5 所示。從圖中可以看出，自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)和普通鋼框架結(jié)構(gòu)在3 條地震波作用下層間位移分布相似，但是自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移遠(yuǎn)小于普通鋼框架結(jié)構(gòu)，且橫向變形更加均勻，這說(shuō)明了自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

圖5 層間位移

3 條地震波的殘余位移如圖6 所示。從圖中可以看出，在多遇地震的作用下，普通鋼框架結(jié)構(gòu)的殘余變形遠(yuǎn)大于自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)的殘余變形，說(shuō)明了自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)變形控制方面具有較大優(yōu)勢(shì)，可以保證在地震發(fā)生后繼續(xù)投入使用而無(wú)需修復(fù)或僅需簡(jiǎn)單修復(fù)。

圖6 殘余位移

6 結(jié)語(yǔ)

介紹了采用有限元分析軟件SAP2000 建立自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)的建模方法，尤其是自復(fù)位支撐的建模方法。自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力和塑性變形能力，減少了層間位移，改善了普通框架結(jié)構(gòu)層間位移不均的情況，從結(jié)構(gòu)整體上發(fā)揮了抗震和耗能能力；自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)的殘余變形相對(duì)于普通結(jié)構(gòu)大大降低，且震后損傷集中在自復(fù)位支撐部分，易于快速修復(fù)或更換，使結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生后迅速恢復(fù)使用功能，僅需簡(jiǎn)單修復(fù)或無(wú)需修復(fù)。

抗震工程技術(shù)發(fā)展到今天，自復(fù)位支撐-搖擺框架結(jié)構(gòu)體系等由多種結(jié)構(gòu)形式組合而成的可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)將受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。