談帶水平加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)體系損傷過程控制

張 法 新

(天津?yàn)I海新區(qū)公共產(chǎn)業(yè)建設(shè)投資有限公司建設(shè)管理分公司，天津 300457)

談帶水平加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)體系損傷過程控制

張 法 新

(天津?yàn)I海新區(qū)公共產(chǎn)業(yè)建設(shè)投資有限公司建設(shè)管理分公司，天津 300457)

分析總結(jié)了帶水平加強(qiáng)層的混合結(jié)構(gòu)體系地震損傷過程控制的研究現(xiàn)狀，針對(duì)當(dāng)前該領(lǐng)域存在的主要問題進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的研究方向，對(duì)進(jìn)一步研究該問題具有重要意義。

高層混合結(jié)構(gòu)體系，地震損傷，問題

0 引言

近二十年來，我國高層建筑的建設(shè)成就舉世矚目，建設(shè)規(guī)模世界之最，已經(jīng)建成和正在建設(shè)一大批結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)和施工難度大、科技含量高的高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)。框架—核心筒—水平加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)體系是我國高層建筑結(jié)構(gòu)中最常采用的結(jié)構(gòu)體系，該類結(jié)構(gòu)采用鋼框架、混凝土核心筒、伸臂桁架以及斜撐等多種抗側(cè)力子體系共同抵抗水平力，各抗側(cè)力子體系抗震性能差異懸殊，強(qiáng)震作用下該類結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)抗震薄弱部位，地震災(zāi)害問題十分突出。

Barbacki首先提出了用水平加強(qiáng)層來提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力的概念，并于1962年首次應(yīng)用于加拿大蒙特利爾市的一棟47層高的建筑；1972年美國密爾沃基市建成的42層威士康星中心大樓，高183 m，也是采用了帶水平加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)體系。雖然以上兩棟高層建筑均為鋼結(jié)構(gòu)體系，但其受力機(jī)理均相同，可以將其引入至高層混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。此后，應(yīng)用帶水平加強(qiáng)層的高層混合結(jié)構(gòu)建筑越來越多。

現(xiàn)階段帶水平加強(qiáng)層的高層混合結(jié)構(gòu)的工程計(jì)算分析方法仍以線性或簡(jiǎn)化的非線性彈性、彈塑性方法為主，影響了鋼—混凝土結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。數(shù)值分析方法的滯后使得強(qiáng)地震作用下鋼—混凝土結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變的關(guān)鍵效應(yīng)及其影響缺乏深入研究和科學(xué)認(rèn)識(shí)，如三維強(qiáng)非線性效應(yīng)、結(jié)構(gòu)的損傷累積效應(yīng)、構(gòu)件的失效破壞效應(yīng)等。對(duì)強(qiáng)地震作用下鋼—混凝土結(jié)構(gòu)的損傷破壞機(jī)理缺乏有效的分析理論和方法，限制了鋼—混凝土結(jié)構(gòu)損傷過程控制理論的發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀

我國已建或在建的高層建筑中，有一半以上采用的是鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)抗震性能的研究一直得到國內(nèi)學(xué)者的重視。近30年來國內(nèi)學(xué)者對(duì)帶水平加強(qiáng)層的高層混合結(jié)構(gòu)體系從動(dòng)力特性、抗震性能、抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，在帶水平加強(qiáng)層的高層混合結(jié)構(gòu)抗震性能方面已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，即帶水平加強(qiáng)層的高層混合結(jié)構(gòu)體系能較好的協(xié)同工作，抗震性能和延性較好，地震作用下結(jié)構(gòu)首先在核心筒底部發(fā)生破壞，鋼框架一般處于彈性狀態(tài)，水平地震作用下鋼框架的剪力較小。

在地震力作用下，結(jié)構(gòu)最初在結(jié)構(gòu)較薄弱部位形成局部損傷，若該部位的變形、內(nèi)力和應(yīng)力等未及時(shí)分配到相鄰構(gòu)件，該損傷會(huì)在后續(xù)地震作用下在同一部位繼續(xù)發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致抗震性能的進(jìn)一步減小直至完全失效。當(dāng)受損傷的構(gòu)件是結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵受力構(gòu)件時(shí)，有可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌破壞；為有效避免損傷在一個(gè)部位的聚集，提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能、降低結(jié)構(gòu)整體造價(jià)，應(yīng)當(dāng)使得結(jié)構(gòu)中全部構(gòu)件的抗震性能相同或相近。由此，科研人員提出了結(jié)構(gòu)損傷過程控制的新概念。充分認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)地震損傷演化機(jī)理是進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷過程控制的基礎(chǔ)，由于帶水平加強(qiáng)層的混合結(jié)構(gòu)體系抗震性能和損傷演化機(jī)理等方面的研究還不夠深入，因此，當(dāng)前關(guān)于結(jié)構(gòu)損傷過程控制的研究非常少見，已有的研究主要是針對(duì)鋼框架、鋼筋混凝土框架等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)體系。Mohammadi和Kim等為使結(jié)構(gòu)的層間位移轉(zhuǎn)角近似相等，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但結(jié)構(gòu)各層具有相同或相近的層間位移角不能完全保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能相同或相近，從而無法保證結(jié)構(gòu)各層的抗震性能相同或相近。對(duì)此，Hajirasouliha等分別采用最小損傷和最輕質(zhì)量兩種設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，應(yīng)用Park-Ang損傷準(zhǔn)則，對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的過程控制進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，在此基礎(chǔ)上提出一種可以有效降低造價(jià)并提高結(jié)構(gòu)的抗震能力的多目標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法；李忠獻(xiàn)等采用損傷本構(gòu)模型和纖維單元模型，通過定義結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)層和結(jié)構(gòu)整體的損傷準(zhǔn)則，對(duì)一個(gè)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震作用下的損傷過程控制。

在結(jié)構(gòu)基于智能控制裝置的損傷控制方面，根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷控制的特點(diǎn)，必須考慮地震時(shí)間效應(yīng)和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)非線性特性(包括材料非線性及幾何非線性等)對(duì)受控制結(jié)構(gòu)的損傷過程進(jìn)行分析，并通過建立構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的損傷準(zhǔn)則的方法評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷控制效率。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)智能控制分析中，科研人員大多采用MATLAB進(jìn)行編程分析，但這一分析方法具有較大的局限性。一方面MATLAB程序在求解結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力方程組時(shí)的效率明顯低于通用有限元程序，另一方面在MATLAB編程過程中需要對(duì)結(jié)構(gòu)本身及其材料特性進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，從而忽略了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)受幾何非線性因素的影響。因此，基于智能控制裝置的結(jié)構(gòu)地震損傷控制的研究成果非常有限，李忠獻(xiàn)等在應(yīng)用磁流變阻尼器進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷控制的問題上做了一些嘗試性的工作，并開發(fā)了結(jié)構(gòu)基于磁流變阻尼器的半主動(dòng)損傷控制平臺(tái)，在通用有限元程序中提出了結(jié)構(gòu)半主動(dòng)損傷控制方法，方法的有效性通過一個(gè)九層的鋼框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 當(dāng)前研究中存在的問題

分析表明，當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)帶水平加強(qiáng)層的混合結(jié)構(gòu)體系的抗震性能展開了廣泛的研究，在結(jié)構(gòu)彈塑性分析模型、求解方法等方面取得了長足進(jìn)展，新近提出的基于損傷力學(xué)理論的結(jié)構(gòu)分析方法也取得一些成果，但現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷研究大多局限于簡(jiǎn)單的框架結(jié)構(gòu)體系，并且在提高結(jié)構(gòu)抗震性能的損傷控制方面還處于起步階段。關(guān)于結(jié)構(gòu)損傷過程的控制，已有研究大多局限在鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高層混合結(jié)構(gòu)體系地震損傷過程控制的研究還處于起步階段，采用智能控制裝置的結(jié)構(gòu)損傷控制研究尚屬空白，因此需要對(duì)帶水平加強(qiáng)層的混合結(jié)構(gòu)體系地震損傷控制方面的理論和方法進(jìn)行更加深入系統(tǒng)的研究。

3 展望

針對(duì)現(xiàn)階段研究中存在的相關(guān)問題，今后應(yīng)在以下兩個(gè)方面開展重點(diǎn)研究工作：

1)研究地震作用下帶水平加強(qiáng)層的高層混合結(jié)構(gòu)體系損傷過程控制理論與方法。

在帶水平加強(qiáng)層的混合結(jié)構(gòu)體系協(xié)同工作原理及損傷演化機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，研究影響結(jié)構(gòu)損傷演化的控制因素以及各控制因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過分析混合結(jié)構(gòu)各抗震子體系的抗震性能和破壞方式，建立各抗震子體系的最優(yōu)損傷分布模式和各抗震水準(zhǔn)下的損傷程度。在此基礎(chǔ)上，研究鋼框架柱和核心筒剪力墻尺寸、鋼筋混凝土核心筒嵌入型鋼柱、部分鋼筋混凝土剪力墻替換為鋼板剪力墻等的影響，建立快速高效的混合結(jié)構(gòu)失效模式控制方法。

2)研究地震作用下帶水平加強(qiáng)層的高層混合結(jié)構(gòu)體系半主動(dòng)損傷控制理論與方法。

研究適用于強(qiáng)非線性狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單高效半主動(dòng)控制方法，采用通用有限元程序二次開發(fā)方式探究磁流體阻尼器的出力模型和半主動(dòng)控制律，結(jié)合結(jié)構(gòu)損傷準(zhǔn)則，建立地震作用下基于磁流體阻尼器的帶水平加強(qiáng)層的高層混合結(jié)構(gòu)體系半主動(dòng)損傷控制平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，研究磁流變阻尼器的布置方式、布置數(shù)量以及控制力大小等對(duì)結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展過程的影響規(guī)律，探究磁流變阻尼器最優(yōu)布置方式和控制力大小；通過研究磁流變阻尼器對(duì)混合結(jié)構(gòu)位移、層間地震力和結(jié)構(gòu)內(nèi)能等的控制效率，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)構(gòu)半主動(dòng)損傷控制的有效性。

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Discussion on damage process control of structural system with horizontal-strengthening layer

Zhang Faxin

(ConstructionAdministrationBranchCompany,TianjinCoastalPublicIndustryConstructionInvestmentCo.,Ltd,Tianjin300457,China)

The paper summarizes seismic damage process control status of mixture structure system with horizontal-strengthening layer, analyzes major problems existing in current field, and shows corresponding approach direction, which has significant meaning for further studying the issue.

high-rise mixture structure system, seismic damage, problems

1009-6825(2015)16-0022-02

2015-03-27

張法新(1975- )，男，高級(jí)工程師

TU973

A