基于不同軟件的消能子結(jié)構(gòu)損傷判別方法探討

傅友東

(福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室 福建福州 350108)

0 引言

消能減震技術(shù)，通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能減震構(gòu)件，達到有效減少地震作用的目的[1-3]。為確保消能減震構(gòu)件在大震下充分發(fā)揮作用，子結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要。

消能子結(jié)構(gòu)是指與消能部件直接連接的主體結(jié)構(gòu)單元[4-5]。在阻尼器發(fā)揮作用的過程，消能子結(jié)構(gòu)發(fā)揮不可替代的重要作用。因此，消能子結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要。為確保消能子結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮作用，《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》和《建筑消能減震應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中對子結(jié)構(gòu)的設(shè)計均提出一定的要求：消能子結(jié)構(gòu)中梁、柱和墻構(gòu)件宜按重要構(gòu)件設(shè)計，并應(yīng)考慮罕遇地震作用效應(yīng)和其他荷載作用標準值的效應(yīng)，其值應(yīng)小于構(gòu)件極限承載力[4-5]。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》附錄M的計算方法可知，構(gòu)件的極限強度是按材料的最小極限強度值計算的承載力[6]。而設(shè)計時，軟件中材料的強度一般為設(shè)計值，大震彈塑性分析以后如何判斷子結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否滿足規(guī)范，也給設(shè)計師帶來一定的困擾。另外，不同軟件中構(gòu)件損傷的評判方法也不一致，例如：CSI系列軟件(ETABS、SAP2000和P3D等)是參考歐洲規(guī)范，構(gòu)件損傷是基于塑性鉸(FEAM準則IO、LS、CP)；MIDAS/GEN也是基于塑性鉸，但不是按照FEAM準則，而是基于延性比；佳構(gòu)和SSG主要是基于纖維單元，通過纖維單元的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進行損傷判斷。由于這兩款軟件為國內(nèi)自主開發(fā)的軟件，其計算結(jié)果與規(guī)范較為符合，可以直接輸出與規(guī)范相應(yīng)的損傷判別，如輕微損壞、輕度損壞、中度損壞以及嚴重損壞。

本文基于不同軟件中構(gòu)件損傷判別方法，提出了幾種子結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，擬為后續(xù)設(shè)計師進行子結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的借鑒。

1 基于承載力的設(shè)計方法

潘文教授[7]提出了基于構(gòu)件承載力的設(shè)計方法，其主要思路是提取子結(jié)構(gòu)構(gòu)件在罕遇地震下的內(nèi)力，然后分別進行梁、柱承載力復核設(shè)計。梁按照對稱配筋進行受彎和受剪設(shè)計，柱設(shè)計方法是柱的Nu-Mu曲線包絡(luò)柱子的N-M時程曲線，并進行抗剪截面設(shè)計，如圖1所示。該方法思路簡潔，與規(guī)范要求一致，也是云南地區(qū)進行子結(jié)構(gòu)設(shè)計最常用的一種方法。其實，ETABS、SAP2000、P3D、MIDAS/GEN、佳構(gòu)和SSG等常用的彈塑性分析軟件均可實現(xiàn)。

而且，該方法也存在一定的不足：操作繁瑣。每根梁和柱都要進行分別提取數(shù)據(jù)并進行復核，當子結(jié)構(gòu)構(gòu)件較多時，工作量極大。常規(guī)設(shè)計中，設(shè)計師可能采用包絡(luò)設(shè)計的方法，但包絡(luò)設(shè)計并不完全適用于子結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于梁而言，不同阻尼器下不同位置梁的受力相差較大，若采用包絡(luò)設(shè)計，可能不滿足“強柱弱梁”的設(shè)計原則；對于柱，由于其配筋由軸力和彎矩兩個參數(shù)控制，很難判斷最不利的柱子。

圖1 柱Nu-Mu曲線

為了減少設(shè)計師的工程量，本文提出一種新的基于承載力的設(shè)計方法。圖2表示的是構(gòu)件承載力與變形曲線，也是CSI系列軟件中塑性鉸模型。由圖2可知，C點對應(yīng)的是構(gòu)件的最大承載力，若軟件中構(gòu)件的塑性鉸狀態(tài)超過C點，則認為構(gòu)件的地震效應(yīng)超過其極限承載力，即不滿足設(shè)計要求，否則反之。

圖2 承載力與變形曲線[8]

2 基于性能化的設(shè)計方法

參考文獻[1]和[2]中要求，即罕遇地震作用下按極限力對子結(jié)構(gòu)進行復核。該要求與表1中的性能2相對應(yīng)，應(yīng)滿足輕～中等破壞的要求。佳構(gòu)或SSG軟件可根據(jù)構(gòu)件內(nèi)力的結(jié)果，結(jié)合規(guī)范判別構(gòu)件的損傷程度。工程師可根據(jù)子結(jié)構(gòu)損傷程度是否超過中等破壞進行判定。若低于中等破壞，滿足規(guī)范要求，否則應(yīng)進行子結(jié)構(gòu)的加強。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件實現(xiàn)抗震性能要求的承載力參考指標示例[6]

3 基于延性比的設(shè)計方法

誠然，目前的彈塑性軟件中并非所有軟件都能輸出構(gòu)件的性能水準，但性能水準與構(gòu)件的延性比有一定的關(guān)聯(lián)，其對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。因此，MIDAS/GEN可以直接輸出構(gòu)件的延性比。具體損傷方法：按先前文所述方法確定子結(jié)構(gòu)(關(guān)鍵構(gòu)件)的性能目標，并對照圖確定其延性比的要求；然后，采用MIDAS/GEN進行彈塑性分析，并輸出子結(jié)構(gòu)的延性比，再將其與目標進行對比。若滿足設(shè)計要求則完成設(shè)計，否則對結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，直至滿足要求。

圖3 抗震性能目標、承載力與延性之間的關(guān)系[9]

4 子結(jié)構(gòu)設(shè)計案例

河北某項目為6層框架，設(shè)防烈度為8度，三類場地，設(shè)防地震分組為第二組。為優(yōu)化梁柱截面，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用BRB減震技術(shù)。子結(jié)構(gòu)設(shè)計思路如圖4～圖5所示。

圖4 子結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖

圖5 結(jié)構(gòu)模型

圖6 塑性鉸定義位置

阻尼器常見的布置形式如圖6所示。對于(a)、(c)、(d)3種布置形式的子結(jié)構(gòu)，當跨中出鉸時，結(jié)構(gòu)易形成“機構(gòu)”，因此宜在中間設(shè)鉸；子結(jié)構(gòu)判定時，宜重點關(guān)注跨中的出鉸情況。

分別采用ETABS(基于承載力的判別方法)、MIDAS/GEN(基于延性比的判別方法)、SSG(基于性能化的判別方法)和佳構(gòu)(基于性能化的判別方法)等軟件進行罕遇地震彈塑性分析。

圖7表示的是子結(jié)構(gòu)損傷情況。由圖7可知，罕遇地震作用下，子結(jié)構(gòu)梁出現(xiàn)不同程度的損傷，梁兩端損傷重于梁中，梁中為彈性，柱子損傷較小，近乎彈性。由圖6(a)可知，塑性鉸狀態(tài)為B，未超過C，說明子結(jié)構(gòu)的內(nèi)力未超過其極限承載力；由圖6(b)可知，最大的延性比為3.1，小于3.5；由圖6(c)可知，子結(jié)構(gòu)梁的損傷主要是輕微狀態(tài)；由圖6(d)可知，子結(jié)構(gòu)梁的損傷主要是輕微狀態(tài)。綜上，子結(jié)構(gòu)損傷較輕，在罕遇地震下能發(fā)揮較好的作用。

(a)ETABS(基于承載力的判別方法)

(b)MIDAS/GEN(基于延性比的判別方法)

(c)SSG(基于性能化的判別方法)

(d)佳構(gòu)(基于性能化的判別方法)圖7 子結(jié)構(gòu)損傷情況

5 結(jié)論

子結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計是確保阻尼器發(fā)揮重要作用的因素。不同結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件具有不同的功能特性。采用不同軟件進行減震設(shè)計和子結(jié)構(gòu)分析時，根據(jù)軟件特點，采用不同的子結(jié)構(gòu)損傷判別方法；CSI系列軟件可采用基于承載力的判別方法；MIDAS/GEN可采用基于延性比的判別方法；佳構(gòu)和SSG可采用基于性能化的判別方法。