基于性能的鋼結(jié)構(gòu)減震設(shè)計方法研究

王潤澤

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

0 引言

地震能摧毀地面建筑物、構(gòu)筑物及人們的日常生活設(shè)施，其具有強(qiáng)大的破壞能力。近百年來，學(xué)者們積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并總結(jié)出多種抗震分析的理論方法，從而在社會經(jīng)濟(jì)和建筑工程的不斷發(fā)展中滿足人們的生產(chǎn)生活需要和城市化進(jìn)程發(fā)展要求［1］。從最初的靜力理論，到后來得到國際普遍認(rèn)可的反應(yīng)譜理論，再到現(xiàn)在被很多專業(yè)學(xué)者認(rèn)可的“基于性能的抗震設(shè)計”理論，抗震設(shè)計的理論和方法逐漸趨于成熟和完善。

目前，我國采用的抗震設(shè)計要求實(shí)現(xiàn)“三水準(zhǔn)、兩階段”。“三水準(zhǔn)”即“小震不壞、中震可修、大震不倒”；“兩階段”即第一階段為結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算階段，第二階段為驗(yàn)算階段。這樣做是為了保證人們的生命安全，抗震設(shè)計是基于強(qiáng)度的設(shè)計方法［2］。

1 基于性能的抗震設(shè)計理論

1.1 地震設(shè)防水準(zhǔn)

地震設(shè)防水準(zhǔn)是指在考慮具體的社會經(jīng)濟(jì)條件下，根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已經(jīng)確定的設(shè)防目標(biāo)，來確定采用什么樣的設(shè)防參數(shù)，地震設(shè)防水準(zhǔn)能直觀地展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力。

1.2 結(jié)構(gòu)抗震的性能目標(biāo)

在進(jìn)行建筑物的性能抗震設(shè)計時，先要確定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。結(jié)構(gòu)抗震的性能目標(biāo)包括結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性和整體性等。目前，多數(shù)學(xué)者比較認(rèn)可的方法是“投資-效益”準(zhǔn)則。在以后的建筑抗震設(shè)計中，當(dāng)建筑物受到不同強(qiáng)度的地震時，建筑物的不同性能水平應(yīng)得到充分利用，并有效控制由地震造成的損傷，從而在該建筑的整個生命周期內(nèi)減少費(fèi)用的開支。

1.3 基于性能的抗震設(shè)計方法

目前，抗震設(shè)計的主要階段包括靜力理論階段、反應(yīng)譜理論階段、動力理論階段。基于性能的抗震設(shè)計理念和目標(biāo)，在建筑物抗震設(shè)計科研界也達(dá)成了共識，但還存在一些問題，就是如何把這種理念方便又合理地運(yùn)用到實(shí)際工程中。基于性能的抗震設(shè)計方法有承載力設(shè)計方法、直接基于位移的設(shè)計方法、能量譜法等，這些方法是被認(rèn)為有很大發(fā)展前景的、基于性能的抗震設(shè)計方法［3］。

2 工程概況

本研究的工程概況如下，建筑結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。建筑物地上8層，總建筑高度為37.2 m。建筑物的設(shè)計使用年限為50 a，抗震設(shè)防烈度為8度，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），建筑場地類別為2 類，設(shè)計基本地震加速度值為0.2 g。

圖1 建筑模型圖

3 模型分析

在圖1 模型的基礎(chǔ)上，增設(shè)普通鋼支撐和屈曲約束支撐[4]，用Etabs 有限元分析軟件分別對三種結(jié)構(gòu)建立減震模型，并提取各個結(jié)構(gòu)的固有頻率和周期。結(jié)構(gòu)的前3階振型周期和頻率詳見表1。

結(jié)構(gòu)的固有周期T與結(jié)構(gòu)的頻率f和剛度K成反比。即周期越大，該結(jié)構(gòu)的頻率就越小，剛度也越小。由表1 可知，在增設(shè)鋼支撐和屈曲約束支撐后，該結(jié)構(gòu)的自振周期出現(xiàn)明顯的減小。由此可知，增設(shè)兩種支撐后，該結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與原結(jié)構(gòu)相比，有了很大的提升。通過對比鋼支撐和屈曲約束支撐兩種模型的自振周期和頻率發(fā)現(xiàn)，屈曲約束支撐提高抗側(cè)剛度的效果更加明顯，該結(jié)構(gòu)也增強(qiáng)了抵抗地震作用的能力。

4 多遇地震下結(jié)構(gòu)的計算分析

本研究對原結(jié)構(gòu)模型（模型一）、鋼支撐模型（模型二）和屈曲約束支撐模型（模型三）進(jìn)行多遇地震下的時程分析。在進(jìn)行時程分析時，先在Etabs 有限元軟件來定義時程函數(shù)，再導(dǎo)入地震波。地震波要根據(jù)場地類別、地震烈度等實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

4.1 地震波的選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016 年）［5］中的相關(guān)要求，本研究選取兩條天然波和一條人工波，這三條波的選取均要符合設(shè)計要求。目前，選取的一條天然波為埃爾森特羅波。根據(jù)規(guī)范要求對選取的地震波分別輸入原結(jié)構(gòu)（模型一）、鋼支撐結(jié)構(gòu)（模型二）和屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)（模型三），得到這三種結(jié)構(gòu)的樓層響應(yīng)，包括最大樓層的位移和不同時間的頂點(diǎn)加速度［6］。

4.2 多遇地震作用下樓層位移

圖2、圖3 為多遇地震作用下X、Y向的最大樓層位移圖。在多遇地震的作用下，原結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大樓層位移隨樓層的增高而逐漸增大，原結(jié)構(gòu)的整體控制效果較差，且該結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較低。在增設(shè)鋼支撐和屈曲約束支撐后，可發(fā)現(xiàn)在X向和Y向的最大樓層位移會有明顯的減小。模型二是在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了鋼支撐，為結(jié)構(gòu)提供了抗側(cè)剛度，X向的最大樓層位移減少了50.1%，Y向的最大樓層位移減少57.2%。模型三是在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了屈曲約束支撐，不僅為樓房提供抗側(cè)剛度，還具有很好的節(jié)能效果。在地震發(fā)生時，該構(gòu)件的屈服耗能抵抗地震作用，從而使樓層位移減小。X向的最大樓層位移減少了66.5%，Y向的最大樓層位移減少了67.7%。由此可以看出，模型三的減震效果比模型二的減震效果要更好。

圖2 多遇地震作用下的X向最大樓層位移

圖3 多遇地震作用下的Y向最大樓層位移

4.3 多遇地震作用下的頂點(diǎn)加速度

圖4、圖5 為多遇地震作用下的X、Y向頂點(diǎn)加速度圖。在多遇地震作用下，對原結(jié)構(gòu)（模型一）、鋼支撐結(jié)構(gòu)（模型二）和屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)（模型三）進(jìn)行時程分析。在X方向，模型一的最大加速度峰值在5.4 s出現(xiàn)，為228.519 mm/s2。模型二的最大加速度峰值在5.82 s出現(xiàn)，為165.841 mm/s2。模型三的最大加速度峰值在1.88 s出現(xiàn)，為132.116 mm/s2。在Y方向，模型一的最大加速度峰值在3.34 s 出現(xiàn)，為1.073 mm/s2。模型二的最大加速度峰值在8.18 s 出現(xiàn)，為0.847 mm/s2。模型三的最大加速度峰值在2.92 s 出現(xiàn)，為0.169 mm/s2。通過對比不同模型結(jié)構(gòu)在該地震作用下的頂點(diǎn)加速度峰值可知，模型二和模型三的頂點(diǎn)加速度最大值均小于模型一，這說明模型二和模型三兩種支撐模型對頂點(diǎn)加速度有一定的抑制作用，能有效降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

圖4 多遇地震作用下的X向頂點(diǎn)加速度

圖5 多遇地震作用下的Y向頂點(diǎn)加速度

5 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的計算分析

5.1 罕遇地震作用下樓層位移

在罕遇地震作用下，對鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，得到不同模型在X、Y向不同樓層的位移，如圖6、圖7所示。通過對圖6、圖7 分析后可以發(fā)現(xiàn)，整體情況與多遇地震作用時相似，模型二為樓房提供抗側(cè)剛度，X向的最大樓層位移減少了49.2%，Y向的最大樓層位移減少了57.2%。模型三不僅能為樓房提供抗側(cè)剛度，還具有很好的節(jié)能效果。在罕遇地震作用時，模型三構(gòu)件的屈服耗能抵抗地震作用，從而使樓層的位移減小。X向的最大樓層位移減少了66.6%，Y向的最大樓層位移減少了65.8%。由此可以看出，模型二和模型三都能起到良好的減震效果。

圖6 罕遇地震作用下的X向最大樓層位移

圖7 罕遇地震作用下的Y向最大樓層位移

5.2 罕遇地震作用下的頂點(diǎn)加速度

在罕遇地震作用下，對模型一（原結(jié)構(gòu)）、模型二（鋼支撐結(jié)構(gòu)）和模型三（屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)）進(jìn)行時程分析，結(jié)果如圖8、圖9 所示。與多遇地震相比，在罕遇地震作用下，這三種模型的整體幅度均有所增大，其加速度的波動隨著時間的增加而逐漸減少，最終趨于穩(wěn)定。在X方向，模型一、模型二、模型三的頂點(diǎn)加速度峰值分別為1 311.74 mm/s2、863.12 mm/s2、758.37 mm/s2。在Y方向上，模型一、模型二、模型三的頂點(diǎn)加速度峰值分別為6.16 mm/s2、5.32 mm/s2、1.56 mm/s2。模型二、模型三在X向和Y向的頂點(diǎn)加速度峰值均小于模型一，這說明模型二、模型三對樓層的頂點(diǎn)加速度有一定的抑制作用，能降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。所以，在罕遇地震的作用下，鋼支撐和屈曲約束支撐對結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)加速度起到很好的抑制作用。

圖8 罕遇地震作用下的X向頂點(diǎn)加速度

圖9 罕遇地震作用下的Y向頂點(diǎn)加速度

6 結(jié)語

本研究通過介紹基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及特點(diǎn)，證明基于性能研究的必要性，并通過運(yùn)用有限元分析軟件Etabs建立了原結(jié)構(gòu)、鋼支撐結(jié)構(gòu)、屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型，并對這三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析和時程分析，通過對比三種模型的前三階動力特性、樓層位移、樓層頂點(diǎn)加速度，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求。研究結(jié)果表明，與原結(jié)構(gòu)相比，鋼支撐結(jié)構(gòu)、屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)具有很好的減震效果，添加鋼支撐和屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)能起到消能減震的作用，而屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)比鋼支撐結(jié)構(gòu)的減震效果更明顯，能滿足建筑物對性能的要求。