易偉建，李文靜

(1 湖南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410012；2 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

20世紀(jì)70年代，美國(guó)工程師認(rèn)為延性設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)施工復(fù)雜、成本增加，因此開(kāi)始有意識(shí)地減少框架結(jié)構(gòu)中間區(qū)域用于抵抗地震作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，把抵抗地震作用的構(gòu)件設(shè)置在框架周邊，周邊加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。周邊加強(qiáng)框架適用于中高地震風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，由周邊框架和承重框架組成，如圖1所示。周邊框架一般為中等抗彎框架、特殊抗彎框架或帶支撐、少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)，用于抵抗全部的地震作用；承重框架一般為截面尺寸較小的梁柱結(jié)構(gòu)，僅承擔(dān)重力荷載。

圖1 周邊加強(qiáng)框架示意圖

周邊加強(qiáng)框架將抗震框架和承重框架分離，設(shè)計(jì)師可根據(jù)建筑的需要自主地分配抗側(cè)力構(gòu)件和耗能構(gòu)件，抗震設(shè)計(jì)方法更加靈活方便?？紤]到樓板對(duì)周邊加強(qiáng)框架整體性的提高作用，可將周邊加強(qiáng)框架假想為一根豎直放置、截面形狀為箱形的懸臂梁，加強(qiáng)的周邊框架相當(dāng)于懸臂梁的翼緣和腹板，提高了周邊加強(qiáng)框架的抗彎承載力?？拐鹂蚣懿贾迷诮Y(jié)構(gòu)四周，承重框架布置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這是較好的結(jié)構(gòu)抗扭布置方式。與常規(guī)的抗震框架相比，承重框架的構(gòu)件截面尺寸和配筋率可以適當(dāng)減小，結(jié)構(gòu)造價(jià)有所降低。將構(gòu)件截面尺寸較大的抗震框架布置在結(jié)構(gòu)周邊，可以減輕對(duì)室內(nèi)規(guī)劃的干擾，使得空間布置更加靈活。周邊加強(qiáng)框架亦可與建筑的立面設(shè)計(jì)完美結(jié)合，例如惠靈頓辦公樓[1]，如圖2所示。雖然周邊加強(qiáng)框架的梁截面高度較大，但樓層內(nèi)部?jī)舾咻^大，避免了框架梁對(duì)維修管道安裝造成的不便。此外，對(duì)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，可以采用抗震框架現(xiàn)澆、承重框架預(yù)制裝配的結(jié)構(gòu)方案，得到一種新的裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)。

圖2 惠靈頓辦公樓

1994年北嶺地震，周邊加強(qiáng)框架發(fā)生不同程度損傷，主要原因在于承重框架的變形能力小于抗震框架的變形能力[2]。為避免遭遇地震時(shí)承重框架先于抗震框架發(fā)生破壞，美國(guó)規(guī)范Buildingcoderequirementsforstructuralconcrete(ACI 318-14)[3](簡(jiǎn)稱ACI規(guī)范)要求僅承受重力荷載的承重框架須滿足一定的延性要求。除此之外，承重框架的設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)考慮細(xì)長(zhǎng)柱的P-Δ效應(yīng)。對(duì)于抗震框架，由于地震作用集中在少數(shù)關(guān)鍵構(gòu)件上，整個(gè)周邊加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的冗余度較低，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意避免結(jié)構(gòu)在某些構(gòu)件失效后成為可變結(jié)構(gòu)。

與ACI 規(guī)范的做法類似，歐洲規(guī)范Eurocode8:designofstructureforearthquakeresistance-part1:generalrules,seismicactionsandrulesforbuildings(EC 8-2004)[4](簡(jiǎn)稱EC 8-2004規(guī)范)根據(jù)框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件在抵抗地震作用時(shí)所起的不同作用，將構(gòu)件分為主要抗震構(gòu)件和次要抗震構(gòu)件。次要抗震構(gòu)件不作為抗側(cè)力體系的一部分，不考慮構(gòu)件剛度和強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的影響，也不進(jìn)行構(gòu)件相關(guān)的抗震設(shè)計(jì)；但次要抗震構(gòu)件及其節(jié)點(diǎn)須滿足在最大位移下能繼續(xù)承擔(dān)重力荷載的要求。

周邊加強(qiáng)框架作為應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)體系，歐美學(xué)術(shù)界已取得很多有價(jià)值的研究成果。由于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)置靈活多樣，地震區(qū)鋼結(jié)構(gòu)常采用周邊加強(qiáng)框架。Gupta等[5]從不同地震風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、不同結(jié)構(gòu)高度研究周邊加強(qiáng)框架的抗震性能。Liu等[6]指出由于梁柱節(jié)點(diǎn)連接不當(dāng)，承重框架會(huì)承擔(dān)一定的地震作用，并且承重框架的P-Δ效應(yīng)可能會(huì)使周邊加強(qiáng)框架產(chǎn)生額外的傾覆力矩。Khandelwal等[7]發(fā)現(xiàn)在高等地震風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)設(shè)計(jì)的周邊加強(qiáng)框架比在中等地震風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)設(shè)計(jì)的周邊加強(qiáng)框架具有更好的抗倒塌能力。Flores等[8]分別研究承重框架梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度、強(qiáng)度、鉸接位置以及承重框架柱的變形能力對(duì)周邊加強(qiáng)框架抗震性能和倒塌概率的影響。

周邊加強(qiáng)框架的研究更側(cè)重于結(jié)構(gòu)抗震性能和倒塌概率的分析評(píng)價(jià)。Browning等[2]采用不同的計(jì)算模型，研究在北嶺地震中嚴(yán)重受損的7層周邊加強(qiáng)框架的抗震性能。Kim等[9]將基于概率和可靠度的抗震性能評(píng)估方法應(yīng)用于周邊加強(qiáng)框架。Haselton等[10]從普通框架和周邊加強(qiáng)框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇、構(gòu)件尺寸和跨度的設(shè)計(jì)優(yōu)化、ACI規(guī)范的條文演變這三個(gè)方面研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的倒塌概率和經(jīng)濟(jì)損失，Haselton等[11]還對(duì)比研究了普通框架和周邊加強(qiáng)框架在不同地震動(dòng)下的倒塌概率。Cagurangan[12]研究發(fā)現(xiàn)周邊加強(qiáng)框架的倒塌概率隨柱端彎矩增大系數(shù)的增加而減小。

周邊加強(qiáng)框架在國(guó)內(nèi)的研究較少。郭雙清[13]、楊卓興[14]、蔣薇[15]等對(duì)比研究了按我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[16](簡(jiǎn)稱抗規(guī))設(shè)計(jì)的普通框架和按照ACI規(guī)范設(shè)計(jì)的普通框架、周邊加強(qiáng)框架的抗震性能，研究主要集中于針對(duì)框架結(jié)構(gòu)的中美抗震設(shè)計(jì)思路和方法的對(duì)比，分析模型以平面框架為主，未考慮三維周邊加強(qiáng)框架的抗震性能。

從已有的震害實(shí)例來(lái)看，周邊加強(qiáng)框架的主要弱點(diǎn)是承重框架可能出現(xiàn)延性不足。按照我國(guó)抗規(guī)，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足小震不壞、中震可修、大震不倒的基本要求，這也是周邊加強(qiáng)框架設(shè)計(jì)的基本原則。在操作層面，抗規(guī)主要以抗震等級(jí)調(diào)整框架結(jié)構(gòu)在大震下的性能，對(duì)于周邊加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)，這方面的研究還不是很充分。本文設(shè)計(jì)了普通框架和周邊加強(qiáng)框架兩個(gè)結(jié)構(gòu)示例，以經(jīng)校驗(yàn)的有限元軟件為計(jì)算工具，分析普通框架和周邊加強(qiáng)框架的抗震性能，探討在我國(guó)抗規(guī)背景下周邊加強(qiáng)框架設(shè)計(jì)思想的應(yīng)用前景。

1 模型驗(yàn)證

采用通用軟件SAP2000進(jìn)行有限元模擬。建模時(shí)構(gòu)件均采用桿系單元，樓板和次梁上的荷載以等效荷載的方式作用在主梁上?？紤]樓板作為翼緣對(duì)梁的強(qiáng)度和剛度的影響，中梁采用T形截面，邊梁采用Γ形截面，翼緣寬度取6倍的板厚。混凝土的滯回模型采用Takeda模型，鋼筋的滯回模型采用Kinematic模型，梁柱均采用纖維截面的塑性鉸[17]。

為證明SAP2000建模分析的準(zhǔn)確性，選擇ELSA實(shí)驗(yàn)室鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的擬動(dòng)力試驗(yàn)為驗(yàn)證依據(jù)[18-19]。試驗(yàn)采用四層三跨的足尺框架，模擬20世紀(jì)50年代歐洲國(guó)家的典型設(shè)計(jì)和實(shí)際施工。試驗(yàn)的構(gòu)件尺寸、截面配筋、材料特性和加載方式等詳見(jiàn)文獻(xiàn)[18] 。限于篇幅，本文僅選用地震波峰值加速度為0.22g的Acc475工況。該工況下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生輕微損壞，局部出現(xiàn)塑性鉸，經(jīng)修復(fù)后可繼續(xù)使用，整體尚未倒塌。

采用SAP2000軟件對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析和時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)初始周期的實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比見(jiàn)表1，Acc475工況下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線擬合對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線擬合對(duì)比

對(duì)比有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，模型結(jié)構(gòu)的周期和頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線都與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，說(shuō)明可以基于本文建立的有限元模型采用SAP2000軟件對(duì)框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行進(jìn)一步研究。

周期實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比/s 表1

2 算例

2.1 普通框架設(shè)計(jì)

某6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓，層高均為4m，建筑總高度為24m?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖4。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，縱筋和箍筋均采用HRB400級(jí)鋼筋。樓面板恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.0kN/m2(不計(jì)樓面板自重)，樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.5kN/m2。屋面板恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.0kN/m2(不計(jì)屋面板自重)，屋面板活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.5kN/m2。結(jié)構(gòu)四周填充墻的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為6.0kN/m，內(nèi)部填充墻的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.0kN/m。該結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，周期折減系數(shù)為0.6，地面粗糙度類別為B類，場(chǎng)地特征周期為0.35s。

圖4 結(jié)構(gòu)平面布置圖

根據(jù)我國(guó)抗規(guī)對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)劃分，該結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)為二級(jí)。為了反映結(jié)構(gòu)最不利的抗震狀態(tài)，嚴(yán)格控制梁柱構(gòu)件截面尺寸，使得框架在多遇地震作用下的層間位移角盡可能接近規(guī)范限值1/550，并且保證柱的最大軸壓比滿足二級(jí)抗震等級(jí)的要求。采用PKPM軟件計(jì)算配筋，避免人為增大構(gòu)件的實(shí)際配筋面積，各層柱取柱上下端較大計(jì)算配筋面積按對(duì)稱配筋拉通布置。次梁的截面尺寸為200mm×400mm，現(xiàn)澆板的厚度為100mm。普通框架配筋圖見(jiàn)圖5。

圖5 普通框架配筋圖

2.2 周邊加強(qiáng)框架設(shè)計(jì)

周邊加強(qiáng)框架由承擔(dān)全部地震作用的抗震框架和只承擔(dān)重力荷載的承重框架組成。對(duì)于鋼框架，其周邊框架梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛接連接，承重框架梁柱節(jié)點(diǎn)可設(shè)置為鉸接連接。但現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)均為剛接連接。為使承重框架柱承擔(dān)較小彎矩，本文以柱端彎矩增大系數(shù)ηc為參數(shù)，要求抗震框架ηc大于承重框架ηc。多遇地震作用下，周邊加強(qiáng)框架處于彈性狀態(tài)，周邊加強(qiáng)框架和承重框架按各自的剛度分配地震作用，承重框架僅需承擔(dān)較小的地震作用；罕遇地震作用下，周邊加強(qiáng)框架處于彈塑性狀態(tài)，承重框架可在柱端形成塑性鉸(抗剪不屈服)，但仍可承擔(dān)重力荷載，由周邊加強(qiáng)框架抵抗地震作用。

我國(guó)通過(guò)抗震等級(jí)調(diào)整結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和抗震構(gòu)造措施，涉及強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、最小配箍率等方面。由于抗震框架和承重框架主要抵抗的荷載類型不同，抗震框架的抗震等級(jí)應(yīng)高于普通框架的抗震等級(jí)，承重框架的抗震等級(jí)可低于普通框架的抗震等級(jí)。無(wú)論是抗震框架還是承重框架，都須滿足強(qiáng)剪弱彎的原則。對(duì)于抗震框架，嚴(yán)格地執(zhí)行強(qiáng)柱弱梁、最小配箍率等抗震要求，保證抗震框架的抗震性能。本文探討周邊加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)抗震性能，目前沒(méi)有國(guó)內(nèi)規(guī)范可作為直接的依據(jù)，因此參考ACI 規(guī)范與EC 8-2004規(guī)范的做法，對(duì)于承重框架，適當(dāng)放寬了強(qiáng)柱弱梁要求，在一定程度上接受承重框架柱端出現(xiàn)塑性鉸。同時(shí)適當(dāng)?shù)卦龃笈涔柯蔥20]，保證承重框架足夠的變形能力并能繼續(xù)承擔(dān)重力荷載，不會(huì)發(fā)生先于抗震框架的破壞。

周邊加強(qiáng)框架建筑平面的長(zhǎng)寬比為3∶1，設(shè)計(jì)不考慮剪力墻的布置。若僅將抗震框架限制在四周，兩端橫向框架的梁柱截面尺寸過(guò)大，罕遇地震作用下抗震框架難以承受全部的地震荷載，因此在框架對(duì)稱的⑦，⑩軸處均布置抗震框架(圖4加粗部分)，使抗震框架具有足夠的抗側(cè)剛度來(lái)抵抗地震作用。

根據(jù)我國(guó)抗規(guī)附錄M性能水準(zhǔn)4的要求，按照結(jié)構(gòu)在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震作用下的抗震承載能力指標(biāo)和耗能變形能力指標(biāo)，參考兩階段抗震設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)周邊加強(qiáng)框架。

第一階段設(shè)計(jì)，即承載力設(shè)計(jì)。其中抗震框架抗震等級(jí)為一級(jí)、承重框架抗震等級(jí)為四級(jí)，得到抗震框架柱的截面尺寸為800mm×800mm(橫)、600mm×600mm(縱)，承重框架柱的截面尺寸為400mm×400mm。經(jīng)計(jì)算，抗震框架柱的最大軸壓比為0.30，滿足一級(jí)抗震的要求限值0.65，承重框架柱的最大軸壓比為0.75，滿足四級(jí)抗震的要求限值0.9。按照梁跨度估算承重框架梁的截面尺寸為300mm×600mm，抗震框架梁的截面尺寸為300mm×700mm。采用PKPM軟件計(jì)算各種荷載組合下周邊加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的彈性層間位移角應(yīng)小于規(guī)范限值1/550。若結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角大于1/550，則重新調(diào)整抗震框架和承重框架的截面尺寸，直至彈性層間位移角滿足要求。

第二階段設(shè)計(jì)，即延性設(shè)計(jì)。根據(jù)強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、最小配筋率等抗震要求進(jìn)行內(nèi)力組合和配筋計(jì)算，抗震框架和承重框架分別滿足一級(jí)抗震和四級(jí)抗震的抗震措施要求。采用時(shí)程分析法驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角，應(yīng)小于規(guī)范限值1/50。若結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角大于1/50，則重新調(diào)整各構(gòu)件截面尺寸，直至彈塑性層間位移角滿足要求。各柱配箍率也要滿足變形要求。在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的破壞應(yīng)符合預(yù)期的破壞模式來(lái)確保結(jié)構(gòu)的抗震能力。對(duì)于周邊加強(qiáng)框架，抗震框架作為主要抗震結(jié)構(gòu)，破壞模式應(yīng)符合強(qiáng)柱弱梁的屈服機(jī)制，保證結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能；承重框架作為次要抗震結(jié)構(gòu)，本文適當(dāng)放寬承重框架的抗震要求，使得承重框架柱端出現(xiàn)塑性鉸，但是保證承重框架有足夠的變形能力，使得承重框架不會(huì)先于抗震框架發(fā)生破壞。此外，承重框架的邊柱，即為X向加強(qiáng)的抗震框架柱，采用抗震等級(jí)一級(jí)，通過(guò)一級(jí)強(qiáng)柱弱梁等抗震構(gòu)造措施，避免承重框架邊柱出現(xiàn)塑性鉸，這樣承重框架就不會(huì)發(fā)生連續(xù)性倒塌破壞，而失去繼續(xù)承擔(dān)重力荷載的能力。若結(jié)構(gòu)的震害不符合預(yù)期的破壞模式，則針對(duì)具體情況重新調(diào)整梁柱的配筋面積，直至結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的破壞模式。周邊加強(qiáng)框架配筋圖見(jiàn)圖6。計(jì)算周邊加強(qiáng)框架和普通框架的配筋率，周邊加強(qiáng)框架柱的配筋率比普通框架柱的配筋率大12%，周邊加強(qiáng)框架梁的配筋率比普通框架梁的配筋率小27%。由此可見(jiàn)，周邊加強(qiáng)框架可以一定程度地節(jié)省結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)。

圖6 周邊加強(qiáng)框架配筋圖

3 時(shí)程分析

3.1 地震波的選擇

選擇合適的地震波輸入對(duì)時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。選取適用于Ⅱ類場(chǎng)地的2條天然波(Coyote，Landers)，此外，采用SIMQKE_GR程序生成一條與規(guī)范反應(yīng)譜相適應(yīng)的人工波。雙向輸入地震波，Y向和X向的加速度峰值比為1∶0.85，將加速度峰值調(diào)整到不同地震動(dòng)水準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的加速度峰值。地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的對(duì)比見(jiàn)圖7，所選的地震波平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。經(jīng)驗(yàn)算，彈性時(shí)程分析時(shí)，3條地震波所得的基底剪力與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的基底剪力之間的差值滿足我國(guó)抗規(guī)要求。

圖7 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比

3.2 多遇地震

經(jīng)模態(tài)分析計(jì)算，普通框架前三階的周期分別為0.900，0.868，0.827s，周邊加強(qiáng)框架前三階的周期分別為0.882，0.839，0.748s。普通框架和周邊加強(qiáng)框架的前兩階振型均為平動(dòng)振型，第三階振型均為扭轉(zhuǎn)振型。周邊加強(qiáng)框架的自振周期小于普通框架的自振周期，抗震框架與承重框架的剛度比為3∶1，表明抗震框架將承擔(dān)更多的地震作用。

將地震動(dòng)峰值調(diào)至70cm/s2，采用彈性時(shí)程分析法研究普通框架和周邊加強(qiáng)框架在多遇地震作用下的抗震性能。表2為兩框架在多遇地震作用下的Y向最大頂點(diǎn)位移。普通框架在不同地震動(dòng)作用下的最大頂點(diǎn)位移略大于周邊加強(qiáng)框架的最大頂點(diǎn)位移。圖8為兩框架在人工波作用下的Y向頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線。由圖可知，普通框架和周邊加強(qiáng)框架均處在彈性工作階段，頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線基本重合。

圖8 兩框架在人工波作用下的Y向頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線

兩框架在多遇地震作用下的Y向最大頂點(diǎn)位移/mm 表2

表3為兩框架在多遇地震作用下的Y向最大層間位移角。普通框架和周邊加強(qiáng)框架的最大層間位移角均小于彈性位移限值1/550，普通框架在不同地震波下的最大層間位移角同樣略大于周邊加強(qiáng)框架的最大層間位移角，兩者相差4%。圖9為兩框架在多遇地震作用下的Y向?qū)娱g位移曲線。由圖可知，普通框架和周邊加強(qiáng)框架在不同地震波下的層間位移分布趨勢(shì)基本相同，結(jié)構(gòu)的整體變形均為剪切型，薄弱層的位置都在第2層。

兩框架在多遇地震作用下的Y向最大層間位移角 表3

圖9 兩框架在多遇地震作用下的Y向?qū)娱g位移曲線

3.3 罕遇地震

將地震動(dòng)峰值調(diào)至400cm/s2，采用彈塑性時(shí)程分析法研究普通框架和周邊加強(qiáng)框架在罕遇地震作用下的抗震性能。表4為兩框架在罕遇地震作用下的Y向最大頂點(diǎn)位移。普通框架在不同地震波下的最大頂點(diǎn)位移略大于周邊加強(qiáng)框架的最大頂點(diǎn)位移。圖10為兩框架在人工波作用下的Y向頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線。普通框架和周邊加強(qiáng)框架處在彈塑性工作階段，頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線稍有差別，表明兩框架在同一地震波下的損傷程度不同。

兩框架在罕遇地震作用下的Y向最大頂點(diǎn)位移/mm 表4

表5為兩框架在罕遇地震作用下的Y向最大層間位移角。普通框架和周邊加強(qiáng)框架的最大層間位移角均小于彈塑性位移限值1/50，普通框架在不同地震波作用下的最大層間位移角也略大于周邊加強(qiáng)框架的最大層間位移角，兩者相差6%。圖11為兩框架在罕遇地震作用下的Y向?qū)娱g位移曲線。普通框架和周邊加強(qiáng)框架在不同地震波下的層間位移分布趨勢(shì)略有區(qū)別，最大層間位移出現(xiàn)在第2層和第4層。

兩框架在罕遇地震作用下的Y向最大層間位移角 表5

圖11 兩框架在罕遇地震作用下Y向?qū)娱g位移曲線

研究塑性鉸的位置分布和轉(zhuǎn)動(dòng)能力是判斷結(jié)構(gòu)破壞模式重要的方法之一。SAP2000軟件以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)為基礎(chǔ)，將塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力劃分為屈服狀態(tài)(B)、暫時(shí)使用(IO)、生命安全(LS)和防止倒塌(CP)等階段。圖12為普通框架在罕遇地震作用下的塑性鉸分布。普通框架的破壞模式為梁柱混合鉸機(jī)制破壞。大部分中柱柱端均出現(xiàn)塑性鉸，有的柱還先于梁端出鉸，與預(yù)期的強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制不相符合，這可能是由于中柱高軸壓比和樓板參與作用的影響。多榀框架柱的上下端同時(shí)出現(xiàn)塑性鉸，呈現(xiàn)層間屈服機(jī)制，嚴(yán)重削弱普通框架的承載能力和變形耗能。

圖12 普通框架在罕遇地震作用下的塑性鉸分布

圖13為周邊加強(qiáng)框架在罕遇地震作用下的塑性鉸分布。抗震框架的破壞模式為梁鉸機(jī)制破壞，梁端通過(guò)塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)消耗地震能量，符合期望的強(qiáng)柱弱梁屈服機(jī)制，表現(xiàn)出良好的抗震性能。承重框架的破壞模式為梁柱混合鉸機(jī)制破壞，承重框架柱柱端出現(xiàn)塑性鉸，由于承重框架具有足夠的變形能力，并未發(fā)生先于抗震框架的破壞。通過(guò)塑性鉸來(lái)耗散能量，形成的鉸接節(jié)點(diǎn)使承重框架將承受的地震作用轉(zhuǎn)移到抗震框架，由加強(qiáng)的抗震框架繼續(xù)參與變形耗能?？拐鹂蚣艹惺苋康卣鹱饔?，承重框架僅承受重力荷載，符合預(yù)期設(shè)想的破壞模式。承重框架邊柱柱端基本不出現(xiàn)塑性鉸，保證了周邊加強(qiáng)框架的整體穩(wěn)定。根據(jù)周邊加強(qiáng)框架的塑性鉸分布，除在Coyote波下有兩根承重框架柱處于暫時(shí)使用狀態(tài)，其余均處于屈服狀態(tài)，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于中等破壞階段，在可接受的性能目標(biāo)內(nèi)。

圖13 周邊加強(qiáng)框架在罕遇地震作用下的塑性鉸分布

4 結(jié)論與建議

(1)本文采用SAP2000軟件建立有限元模型，以多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的擬動(dòng)力試驗(yàn)為驗(yàn)證依據(jù)，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說(shuō)明本文采用時(shí)程分析法研究框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。

(2)引進(jìn)周邊加強(qiáng)框架的設(shè)計(jì)思想，按我國(guó)抗規(guī)設(shè)計(jì)了周邊加強(qiáng)框架和普通框架，采用時(shí)程分析法對(duì)比研究?jī)煽蚣茉陔p向地震作用下的抗震性能。結(jié)果表明：周邊加強(qiáng)框架的抗震性能可以滿足我國(guó)抗規(guī)的抗震要求。周邊加強(qiáng)框架的層間位移角在多遇地震和罕遇地震作用下分別比普通框架的層間位移角小4%和6%，周邊加強(qiáng)框架的抗震性能優(yōu)于普通框架的抗震性能。

(3)經(jīng)計(jì)算，周邊加強(qiáng)框架可以一定程度地節(jié)省結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)。

(4)本文算例中主要采用加大抗震框架的截面尺寸來(lái)加強(qiáng)框架的抗震性能，工程實(shí)踐中可在周邊布置少量剪力墻、壁式框架或帶支撐框架來(lái)增加抗震框架的側(cè)向剛度，進(jìn)而提高周邊加強(qiáng)框架的抗震能力，后續(xù)將深入研究影響周邊加強(qiáng)框架抗震性能的因素。