王 崢 李 萍 譚小蓉 徐靜偉

西安鐵路職業(yè)技術學院（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)，其活動的影響范圍、造成的震后損失與修復成本越來越高，嚴重降低了工程建筑的使用壽命，同時對建筑物內(nèi)人與財產(chǎn)安全影響顯著。 而當前的結(jié)構(gòu)設計理念僅要求建筑在巨型地震作用下不發(fā)生倒塌破壞，為考慮震中的財產(chǎn)損失與震后修復費用。基于此，對建筑物抵抗地震作用，以及震后的修復應成為當前研究熱點。

高強鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系，將高強鋼強度高的優(yōu)點和底屈服點的偏心支撐框架結(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)生強烈地震的區(qū)域[1-3]，一般的抗震設計方法成果已經(jīng)較為成熟，當基于可恢復的韌性的設計方法，目前尚未見到。因此，研究基于韌性的高強鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能，具有明顯的實際工程應用與理論分析價值[4-7]。

1 韌性設計

韌性設計的思想， 首先出現(xiàn)在生態(tài)學領域，后被引入工程建筑領域。工程建筑的抗震韌性是指建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下， 快速恢復其功能的能力，只要結(jié)構(gòu)抗震設計的控制參數(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到震前水平[8]。最簡單的韌性設計就是結(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。 但該設計理念，會造成巨大的材料浪費，壓縮建筑使用空間，非理想設計方法。 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，需要在震后進行修復，以保證結(jié)構(gòu)后續(xù)使用安全。通過設置易于更換的耗能構(gòu)件， 使其先于其他構(gòu)件進行塑性變形狀態(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)的抗震性能恢復到震前狀態(tài)。

抗震韌性設計的必由之路是建筑工業(yè)化， 即裝配式建造，在工廠預制好構(gòu)件，運送到現(xiàn)場將不同構(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)抗震韌性設計。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，對主要梁柱構(gòu)件，采用高強度鋼材，對于耗能支撐或者耗能梁端， 采用屈服點較低的鋼材，無需對截面進行削弱處理，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，不同強度構(gòu)件之間的連接，可采用螺栓連接，即可實現(xiàn)耗能支撐或者耗能梁段的可更換，滿足高強鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系的抗震韌性設計。

常見的高強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計方法，通過控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，達到結(jié)構(gòu)抗震設計的目的， 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。

因此， 當采用基于韌性的抗震設計理念時，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，高強鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系的抗震評價指標，不能僅僅考慮結(jié)構(gòu)樓層間的位移角，應引入可以考慮構(gòu)架耗能的評價體系，能夠準確表達耗能構(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，如此即可設計耗能構(gòu)件的材料強度與預期耗能指標，達到結(jié)構(gòu)設計目標。 同時， 需要保證耗能構(gòu)件先于梁柱構(gòu)件進入塑性狀態(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。

圖1 偏心支撐的結(jié)構(gòu)形式

建立適用于高強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；通過對有限元模型的靜力推覆分析和非線性時程動力分析研究，對比四種不同支撐形式的高強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)的抗震性能進行對比，同時，采用經(jīng)濟指標，計算高強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)震后修復費用，驗證高強鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系基于韌性的抗震設計的優(yōu)越性。

2 結(jié)論

1）高強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，又有效地將高強鋼材應用到多高層建筑結(jié)構(gòu)中，從而節(jié)約鋼材，有良好的經(jīng)濟性能。

2）提出高強鋼組合偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震韌性設計方法與合理設計指標。

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，便于實現(xiàn)震后可僅更換耗能梁段即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后快速修復，使結(jié)構(gòu)快速恢復正常使用功能。