徐龍河，劉媛媛，謝行思

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

自復(fù)位耗能(self-centering energy dissipation，SCED)支撐因兼具良好的耗能和復(fù)位能力，成為近年來(lái)結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在地震發(fā)生時(shí)，SCED 支撐可為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全、減小殘余變形，從而降低整體震后修復(fù)成本及修復(fù)難度，快速恢復(fù)結(jié)構(gòu)使用功能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SCED 支撐結(jié)構(gòu)的抗震性能已開(kāi)展了大量研究。ZHANG 和ZHU[1]將由形狀記憶合金提供自復(fù)位能力的SCED 支撐應(yīng)用于3 層鋼框架結(jié)構(gòu)，研究了形狀記憶合金的初始預(yù)張力對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。結(jié)果表明，無(wú)預(yù)張力的支撐具有更好的自復(fù)位能力，能更有效地控制結(jié)構(gòu)的殘余變形；有預(yù)張力的支撐耗能能力更強(qiáng)，對(duì)控制結(jié)構(gòu)的層間變形和加速度響應(yīng)更有效。劉璐等[2-3]給出了防屈曲SCED 支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的三線性恢復(fù)力模型，并對(duì)比了該結(jié)構(gòu)和防屈曲支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。結(jié)果表明，防屈曲SCED 支撐鋼框架結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的抗震性能，其最大層間位移和殘余變形均更小。徐龍河等[4-7]提出了多種由組合碟簧提供復(fù)位力、通過(guò)摩擦或阻尼裝置耗能的新型SCED 支撐，往復(fù)荷載試驗(yàn)表明，支撐具有穩(wěn)定的旗形滯回響應(yīng)，能有效減小框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)及殘余位移。徐龍河等[8]還提出了預(yù)壓碟簧自復(fù)位耗能(pre-pressed spring self-centering energy dissipation, PS-SCED)支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)的等效阻尼比公式，該公式能夠用于PS-SCED 支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)。

然而，現(xiàn)有的SCED 支撐結(jié)構(gòu)通常為低層和多層結(jié)構(gòu)，且主要基于傳統(tǒng)的僅考慮單一災(zāi)害影響的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而多災(zāi)害耦合作用下的結(jié)構(gòu)性能還有待深入研究。作為最為常見(jiàn)且通常對(duì)結(jié)構(gòu)性能起到控制作用的兩類荷載，地震與風(fēng)災(zāi)害一旦同時(shí)發(fā)生，其耦合作用會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能提出更高的要求。劉楊等[9]對(duì)鋼管混凝土框架-防屈曲支撐結(jié)構(gòu)在地震-風(fēng)耦合作用下的易損性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著風(fēng)荷載強(qiáng)度的增大，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)和易損性均有增大趨勢(shì)。ZHENG 等[10]考慮不同強(qiáng)度地震動(dòng)和不同強(qiáng)度風(fēng)荷載的隨機(jī)組合，提出了高層建筑在地震-風(fēng)耦合作用下的破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架，并將其應(yīng)用于位于大理的某42 層鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)分析評(píng)估中。結(jié)果表明，地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)的損傷概率通常大于地震和風(fēng)荷載單獨(dú)作用下的結(jié)果。

可見(jiàn)，地震與風(fēng)災(zāi)害是結(jié)構(gòu)服役期間面臨的主要威脅，尤其對(duì)于風(fēng)荷載敏感的高層結(jié)構(gòu)，地震-風(fēng)耦合作用對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響不容忽視。本文基于線性濾波法的自回歸(auto-regressive，AR)模型分別模擬1 年、10 年和50 年重現(xiàn)期(分別記為R1、R10 和R50)下不同高度處的風(fēng)荷載記錄，對(duì)一50 層鋼框架-PS-SCED 支撐筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性響應(yīng)模擬，揭示不同強(qiáng)度的地震和風(fēng)耦合作用對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在多災(zāi)害下的性能。

1 鋼框架-PS-SCED 支撐筒結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)信息

50 層鋼框架-PS-SCED 支撐筒結(jié)構(gòu)位于北京的Ⅱ類場(chǎng)地，首層層高為4.2 m，其余層高均為3.8 m，總高為190.4 m，結(jié)構(gòu)平面布置如圖1 所示。

該結(jié)構(gòu)基于中國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)[11]進(jìn)行設(shè)計(jì)，屬丙類建筑，抗震等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，特征周期Tg為0.35 s。50 年基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2，地面粗糙度為C 類。梁、柱構(gòu)件均采用Q345 號(hào)鋼材，截面信息列于表1 和表2。

表1 梁截面信息Table 1 Cross-sectional information of beams

表2 柱截面信息Table 2 Cross-sectional information of columns

表3 為該結(jié)構(gòu)中PS-SCED 支撐設(shè)計(jì)參數(shù)。圖2為PS-SCED 支撐構(gòu)造及滯回曲線[4]。圖中，P0為碟簧預(yù)壓力，F(xiàn)0為摩擦裝置提供的摩擦力。支撐在受拉或受壓過(guò)程中，其力學(xué)性能可根據(jù)剛度變化分為4 個(gè)階段：第1 階段支撐內(nèi)外管未發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)支撐剛度由內(nèi)外管及碟簧共同提供，稱為第一剛度K1；第2 階段內(nèi)外管開(kāi)始發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)并逐漸達(dá)到支撐最大位移，此時(shí)支撐剛度主要由碟簧提供，稱為支撐第二剛度K2；第3 階段支撐開(kāi)始卸載，此時(shí)內(nèi)外管無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，支撐剛度為K1；第4 階段內(nèi)外管再次發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，支撐逐漸恢復(fù)至初始位置，支撐剛度為K2。

表3 PS-SCED 支撐設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of PS-SCED braces

該結(jié)構(gòu)中，PS-SCED 支撐筒抗側(cè)剛度大，承擔(dān)大部分水平荷載，外框架延性性能好，承擔(dān)大部分豎向荷載，兩者協(xié)同工作，提高結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)減輕整體結(jié)構(gòu)損傷，降低震后殘余變形。

1.2 數(shù)值模型

在通用有限元分析軟件LS-DYNA 中對(duì)上述鋼框架-支撐筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，數(shù)值模型如圖3 所示。

梁柱構(gòu)件利用梁?jiǎn)卧碗p線性等向強(qiáng)化模型進(jìn)行模擬，梁柱間剛接；樓板利用殼單元和線彈性模型進(jìn)行模擬；PS-SCED 支撐采用桿單元和能夠準(zhǔn)確描述該支撐旗形滯回特性的二次開(kāi)發(fā)子程序[5]進(jìn)行模擬，支撐與框架之間鉸接。

2 風(fēng)荷載及地震動(dòng)記錄模擬

2.1 風(fēng)荷載模擬

風(fēng)速時(shí)程的數(shù)值模擬方法主要分為諧波合成法和線性濾波法，其中線性濾波法的AR 模型因其計(jì)算量小、計(jì)算效率高等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。本文基于AR 模型進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)速的模擬[12-13]。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[14]的規(guī)定，結(jié)構(gòu)所在北京地區(qū)R1、R10 和R50 的基本風(fēng)壓分別為0.1 kN/m2、0.3 kN/m2和0.45 kN/m2。根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系：

式中：ω0為基本風(fēng)壓； ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3；v0為10 m 高度處的基本風(fēng)速。因此，計(jì)算可得R1、R10 和R50 的基本風(fēng)速分別為12.91 m/s、22.36 m/s 和27.39 m/s。

風(fēng)速由平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速組成，平均風(fēng)速根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[14]的規(guī)定沿高度變化采用指數(shù)函數(shù)表示：

式中：z為任意一點(diǎn)高度；vˉ為平均風(fēng)速函數(shù)；vˉ0為10 m 高度處平均風(fēng)速； α為地面粗糙度指數(shù)，地面粗糙度C 類對(duì)應(yīng) α為0.22。

脈動(dòng)風(fēng)速采用Kaimal 風(fēng)速譜進(jìn)行模擬[9]：

本文分析的鋼框架-支撐筒結(jié)構(gòu)共50 層，每?jī)蓪涌蓜澐譃橐粋€(gè)區(qū)域，取各區(qū)域兩層交界處為模擬風(fēng)荷載作用位置，共得到25 個(gè)作用點(diǎn)，風(fēng)荷載沿x方向作用。基于AR 模型對(duì)時(shí)長(zhǎng)為100 s 的脈動(dòng)風(fēng)速進(jìn)行了模擬，模擬時(shí)間間隔取0.02 s。圖4為第10 和第20 作用點(diǎn)在R10 下的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程v(t)，圖5 為兩作用點(diǎn)處模擬脈動(dòng)風(fēng)速譜與目標(biāo)Kaimal 譜的對(duì)比，由圖可知，模擬譜與目標(biāo)譜吻合較好。

根據(jù)平均風(fēng)速函數(shù)和模擬所得的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，可計(jì)算得出風(fēng)荷載Fi時(shí)程[9]：

2.2 地震動(dòng)記錄模擬

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度、建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組，生成地震反應(yīng)譜，據(jù)此在美國(guó)太平洋地震工程研究中心地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取7 條地震動(dòng)記錄，其詳細(xì)信息列于表4，所選地震動(dòng)記錄的平均加速度反應(yīng)譜與規(guī)范譜的對(duì)比如圖6 所示，可見(jiàn)兩者吻合較好。經(jīng)驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)基底剪力在所選地震動(dòng)作用下滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]的要求。結(jié)構(gòu)底層柱底與地面固結(jié)，地震動(dòng)記錄沿x方向輸入。

表4 地震動(dòng)記錄信息Table 4 Information of the earthquake records

3 地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)性能

為研究鋼框架-PS-SCED 支撐筒結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震動(dòng)和風(fēng)荷載耦合作用下的性能，將7 條地震動(dòng)記錄的峰值地面加速度(peak ground acceleration，PGA)對(duì)應(yīng)小震、中震、大震和巨震4 種強(qiáng)度分別調(diào)至0.7 m/s2、1.96 m/s2、4 m/s2和5.88 m/s2，每種強(qiáng)度的地震動(dòng)記錄分別與R1、R10 和R50 的風(fēng)荷載進(jìn)行組合，分析地震-風(fēng)耦合作用、地震單獨(dú)作用和風(fēng)荷載單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)及支撐工作狀態(tài)。模擬總時(shí)長(zhǎng)為150 s，其中風(fēng)荷載自0 s 起持續(xù)加載至100 s，地震荷載從30 s起開(kāi)始加載，100 s～150 s 為空白波，結(jié)構(gòu)發(fā)生自由振動(dòng)以測(cè)算其殘余變形大小。前5 s 的風(fēng)荷載需乘以時(shí)間t的形函數(shù)N(t)=t/5，以減小由于其突然作用導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[9]。

本文中結(jié)構(gòu)層間位移角、層間變形集中系數(shù)、結(jié)構(gòu)耗能、殘余變形角、基底剪力、PSSCED 支撐筒剪力占比與加速度放大系數(shù)均取7 條地震動(dòng)單獨(dú)作用或耦合風(fēng)荷載作用下的平均值。

3.1 結(jié)構(gòu)層間位移與支撐滯回特性

圖7 為地震單獨(dú)作用及耦合風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角均值。在相同地震動(dòng)強(qiáng)度下，隨著風(fēng)荷載強(qiáng)度的增大，結(jié)構(gòu)最大層間位移角逐漸增大，但增量較小。地震分別耦合R1、R10和R50 風(fēng)荷載作用下，當(dāng)PGA 為0.7 m/s2時(shí)，結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為0.26%、0.32%和0.37%，風(fēng)荷載從R1 增至R10 及從R10 增至R50 時(shí)結(jié)構(gòu)最大層間位移角的增量分別為0.06%和0.05%；PGA為1.96 m/s2時(shí)，結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為0.65%、0.71%和0.75%，增量分別為0.06%和0.04%；PGA為4 m/s2時(shí)，結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1.05%、1.12%和1.16%，增量分別為0.07%和0.04%；PGA為5.88 m/s2時(shí)，結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1.43%、1.48%和1.52%，增量分別為0.05%和0.04%?？梢?jiàn)，風(fēng)荷載強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角的影響并不顯著，在相同地震動(dòng)強(qiáng)度下，風(fēng)荷載從R1 增至R10 及從R10 增至R50，結(jié)構(gòu)最大層間位移角的增量均不超過(guò)0.1%。

在相同風(fēng)荷載強(qiáng)度下，隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，結(jié)構(gòu)最大層間位移角明顯增大。在R1 風(fēng)荷載作用下，地震動(dòng)PGA 從0.7 m/s2增至1.96 m/s2、從1.96 m/s2增至4 m/s2以及從4 m/s2增至5.88 m/s2，結(jié)構(gòu)最大層間位移角的增量分別為0.39%、0.40%和0.38%；在R10 風(fēng)荷載作用下，增量分別為0.39%、0.41%和0.36%；在R50 風(fēng)荷載作用下，增量分別為0.38%、0.41%和0.36%。相較風(fēng)荷載強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)最大層間位移角隨地震動(dòng)強(qiáng)度變化更顯著，故其主要受地震動(dòng)強(qiáng)度控制。

表5 為地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)層間變形集中系數(shù)(drift concentration factor，DCF)均值，DCF定義為：

表5 結(jié)構(gòu)層間變形集中系數(shù)均值Table 5 Average values of structural interstorey drift concentration factor

式中： θmax為結(jié)構(gòu)各層層間位移角的最大值；ur為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移；H為結(jié)構(gòu)總高度。DCF 越大，表示結(jié)構(gòu)層間變形越集中。

在小震、中震、大震和巨震單獨(dú)作用下，結(jié)構(gòu)DCF 分別為2.62、2.56、2.38 和2.43。由表5 可知，地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)層間變形集中程度較相同地震動(dòng)強(qiáng)度單獨(dú)作用下更小，且風(fēng)荷載強(qiáng)度越大，結(jié)構(gòu)層間變形集中程度越小。

為研究PS-SCED 支撐在結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的控制作用，提取了PGA 為4 m/s2和5.88 m/s2的GM2 地震動(dòng)分別耦合R1 和R50 風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移所在樓層的PS-SCED 支撐滯回曲線，如圖8 所示，其中，支撐1 主要承擔(dān)拉力，支撐2主要承擔(dān)壓力，支撐1 和支撐2 在結(jié)構(gòu)中的位置示于圖1。可見(jiàn)，PS-SCED 支撐滯回性能穩(wěn)定，在發(fā)生較大變形的樓層均被成功激活并充分發(fā)揮了其耗能和復(fù)位能力，在受壓和受拉時(shí)均展現(xiàn)出良好的滯回性能。

相比大震耦合風(fēng)荷載作用，PS-SCED 支撐在巨震耦合風(fēng)荷載作用下的耗能能力明顯提升，支撐滯回曲線更加飽滿，且風(fēng)荷載強(qiáng)度越大，支撐耗能越多，故支撐的耗能能力隨著地震動(dòng)強(qiáng)度和風(fēng)荷載強(qiáng)度的增大而增強(qiáng)，并且以支撐1、支撐2為代表的對(duì)稱布置于結(jié)構(gòu)中的各組支撐協(xié)同工作，靈活提供抗壓或抗拉能力，耗散從各個(gè)方向輸入結(jié)構(gòu)的能量。

3.2 結(jié)構(gòu)耗能分配與殘余變形

中震、大震和巨震在單獨(dú)作用及耦合風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的耗能分配及PS-SCED 支撐耗能占結(jié)構(gòu)總耗能的比例如圖9 所示。可以看出，地震-風(fēng)耦合作用下輸入結(jié)構(gòu)的總能量隨著地震動(dòng)強(qiáng)度和風(fēng)荷載強(qiáng)度的增大而增多，地震耦合R1 風(fēng)荷載作用下支撐的耗能占比小于地震單獨(dú)作用下的結(jié)果，當(dāng)風(fēng)荷載增強(qiáng)到R10 和R50，支撐的耗能能力也隨之增強(qiáng)，地震-風(fēng)耦合作用下支撐的耗能占比隨之增大并超過(guò)地震單獨(dú)作用下的結(jié)果。

PGA 為1.96 m/s2時(shí)，地震單獨(dú)作用下僅部分支撐被激活，其耗能占比較小，為40.94%；地震耦合R1 和R10 風(fēng)荷載作用時(shí)，支撐耗能占比分別為37.65%和49.84%，此時(shí)，梁柱仍為主要耗能構(gòu)件；當(dāng)風(fēng)荷載進(jìn)一步增大到R50，地震-風(fēng)耦合作用下支撐耗能占比為58.66%，成為主要耗能構(gòu)件。

PGA 為4 m/s2和5.88 m/s2時(shí)，地震單獨(dú)作用和地震-風(fēng)耦合作用下支撐耗能占比均超過(guò)80%，支撐消耗了絕大部分輸入結(jié)構(gòu)的能量。

PS-SCED 支撐在地震-風(fēng)耦合作用下充分發(fā)揮了耗能能力，隨著輸入結(jié)構(gòu)的能量增多，支撐逐漸成為主要耗能構(gòu)件，有效保證了主體結(jié)構(gòu)的安全。

殘余變形反映了結(jié)構(gòu)在災(zāi)后的損傷程度，是衡量結(jié)構(gòu)災(zāi)后修復(fù)能力的重要指標(biāo)，由圖8 可見(jiàn)，即使在加載過(guò)程中存在較大變形，PS-SCED 支撐最終仍能基本復(fù)位至初始位置，具有良好的復(fù)位能力。

該結(jié)構(gòu)在小震單獨(dú)作用及小震-風(fēng)耦合作用下無(wú)殘余變形。中震、大震和巨震單獨(dú)作用及耦合風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)各層最大殘余變形角均值如圖10所示。地震單獨(dú)作用及耦合R1、R10 和R50 風(fēng)荷載作用下，PGA 為1.96 m/s2時(shí)，結(jié)構(gòu)最大殘余變形角分別為0.008%、0.004%、0.006%和0.007%，地震單獨(dú)作用時(shí)結(jié)構(gòu)最大殘余變形角最大；PGA為4 m/s2時(shí)，結(jié)構(gòu)最大殘余變形角分別為0.013%、0.012%、0.020%和0.028%，地震耦合R10、R50風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)最大殘余變形角均大于地震單獨(dú)作用下的結(jié)果；PGA 為5.88 m/s2時(shí)，結(jié)構(gòu)最大殘余變形角分別為0.040%、0.045%、0.059%和0.072%，地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)最大殘余變形角大于地震單獨(dú)作用下的結(jié)果，且隨著風(fēng)荷載強(qiáng)度的增大而增大。風(fēng)荷載為R50，PGA 為1.96 m/s2、4 m/s2和5.88 m/s2時(shí)，地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)最大殘余變形角相較地震單獨(dú)作用下的增量分別為-0.001%、0.015%和0.032%?？梢?jiàn)，風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)殘余變形的影響隨著PGA 的增大而越發(fā)顯著。

參考類似自復(fù)位結(jié)構(gòu)在四水準(zhǔn)下的性能指標(biāo)[15]，鋼框架-PS-SCED 支撐筒結(jié)構(gòu)在第二和第三水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的地震單獨(dú)作用及地震-風(fēng)耦合作用下的殘余變形角小于0.2%和0.5%，均滿足限值要求，可見(jiàn)，PS-SCED 支撐憑借其良好的復(fù)位能力，有效減小了結(jié)構(gòu)在地震-風(fēng)耦合作用下的殘余變形，降低了結(jié)構(gòu)的災(zāi)后損傷。

3.3 結(jié)構(gòu)剪力分布與加速度放大系數(shù)

表6 為地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)的最大基底剪力均值。在相同地震動(dòng)強(qiáng)度下，結(jié)構(gòu)最大基底剪力隨風(fēng)荷載強(qiáng)度的增大而增大；在相同風(fēng)荷載強(qiáng)度下，結(jié)構(gòu)最大基底剪力隨地震動(dòng)強(qiáng)度的增大而增大。在小震、中震、大震和巨震單獨(dú)作用下，結(jié)構(gòu)最大基底剪力分別為10 416.2 kN、23 184.5 kN、30 563.0 kN、38 843.5 kN；在R1、R10 和R50 的風(fēng)荷載單獨(dú)作用下，結(jié)構(gòu)最大基底剪力分別為1684.1 kN、5147.0 kN、7637.4 kN。除巨震耦合R1 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)最大基底剪力小于地震單獨(dú)作用下的結(jié)果之外，其余地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)最大基底剪力均大于地震和風(fēng)荷載單獨(dú)作用下的結(jié)果，但小于二者之和。

表6 結(jié)構(gòu)最大基底剪力均值 /kNTable 6 Average values of structural maximum base shear force

風(fēng)荷載為R50，PGA 為0.7 m/s2、1.96 m/s2、4 m/s2和5.88 m/s2時(shí)，地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)最大基底剪力相較地震單獨(dú)作用下的增幅分別為54.7%、11.6%、12.8%和6.1%。可見(jiàn)，地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)最大基底剪力相較地震單獨(dú)作用下的增幅隨PGA 的增大呈減小趨勢(shì)，PGA 越小，風(fēng)荷載作用對(duì)結(jié)構(gòu)基底剪力影響越顯著。

圖11 為小震、中震和大震單獨(dú)作用及耦合風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)各層PS-SCED 支撐筒所承擔(dān)剪力占各層總剪力的比例。PGA 為0.7 m/s2和1.96 m/s2時(shí)，結(jié)構(gòu)除頂層外其余各層支撐筒均承擔(dān)大部分剪力，結(jié)構(gòu)下部支撐筒剪力占比較上部支撐筒剪力占比更大；地震-風(fēng)耦合作用減小了支撐筒剪力占比，且風(fēng)荷載強(qiáng)度越大，支撐筒承擔(dān)剪力占比越小。PGA 為4 m/s2時(shí)，結(jié)構(gòu)下部支撐筒剪力占比減小，上部支撐筒剪力占比增大，風(fēng)荷載作用對(duì)結(jié)構(gòu)頂層之外其余各層支撐筒剪力占比影響較小。

高層建筑對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，且樓層越高，加速度響應(yīng)通常越大，人員容易出現(xiàn)不適，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件更易損壞。圖12 為小震、中震和大震單獨(dú)作用及耦合風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)均值，其中加速度放大系數(shù)即結(jié)構(gòu)各層最大樓面加速度與PGA 之比?？梢?jiàn)，PGA 為0.7 m/s2時(shí)，地震耦合R1 風(fēng)荷載及耦合R10 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)曲線與地震單獨(dú)作用下的曲線基本吻合，地震耦合R50 風(fēng)荷載作用下僅部分樓層的加速度放大系數(shù)略有增大。PGA 為1.96 m/s2和4 m/s2時(shí)，地震-風(fēng)耦合作用與地震單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)各層加速度放大系數(shù)差異顯著，整體曲線形狀呈較大改變。

4 結(jié)論

本文對(duì)小震、中震、大震和巨震分別耦合R1、R10 和R50 風(fēng)荷載作用下的鋼框架-PS-SCED支撐筒結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

(1) 基于線性濾波法的AR 模型和Kaimal 功率譜能較好地模擬不同高度處的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程。

(2) 在地震-風(fēng)耦合作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角受風(fēng)荷載強(qiáng)度影響不顯著，主要受地震動(dòng)強(qiáng)度控制。地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)層間變形集中程度較地震單獨(dú)作用更小。在大震-風(fēng)耦合作用和巨震-風(fēng)耦合作用下，PS-SCED 支撐在結(jié)構(gòu)薄弱層均被激活并充分發(fā)揮了其耗能和復(fù)位能力，在受壓和受拉時(shí)展現(xiàn)出良好的滯回性能。

(3) PS-SCED 支撐在地震-風(fēng)耦合作用下隨著輸入結(jié)構(gòu)的能量增多逐漸成為結(jié)構(gòu)主要耗能構(gòu)件，大震-風(fēng)耦合作用和巨震-風(fēng)耦合作用下支撐的耗能占比均達(dá)80%。

結(jié)構(gòu)在小震單獨(dú)作用及小震-風(fēng)耦合作用下無(wú)殘余變形。PGA 為1.96 m/s2時(shí)，地震單獨(dú)作用下結(jié)構(gòu)最大殘余變形角最大，為0.008%；PGA 為4 m/s2時(shí)，地震耦合R50 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)最大殘余變形角最大，為0.028%，滿足類似自復(fù)位結(jié)構(gòu)在四水準(zhǔn)下的限值要求。

(4) 地震動(dòng)強(qiáng)度越小，風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)基底剪力影響越顯著，PGA 為0.7 m/s2、風(fēng)荷載為R50 時(shí)，地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)最大基底剪力較地震單獨(dú)作用增加了54.7%，增幅明顯。結(jié)構(gòu)中PS-SCED支撐筒承擔(dān)大部分剪力，地震動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，風(fēng)荷載作用減小了各層支撐筒剪力占比。

地震動(dòng)強(qiáng)度越大，地震-風(fēng)耦合作用下結(jié)構(gòu)各層加速度放大系數(shù)與地震單獨(dú)作用下的結(jié)果差異越顯著。