七層雙跨搖擺自復位結構體系的抗震和復位性能分析

程加明，李啟才

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011）

七層雙跨搖擺自復位結構體系的抗震和復位性能分析

程加明，李啟才

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州215011）

自復位結構體系是滿足性能化設計要求的一種新型結構體系，除了能夠保證結構在罕遇地震下不會倒塌外，還能夠有效限制結構震后的殘余變形。在進行有限元模擬方法的試驗驗證后，建立七層雙跨搖擺自復位結構體系模型，分析結構體系在小震、中震和大震下的抗震性能，研究認為多層雙跨搖擺自復位結構體系能夠保證其在地震作用后僅替換耗能器即可繼續使用，為震后結構的修復節省了成本，具有很好的工程應用前景。

雙跨搖擺自復位結構體系；彈塑性時程分析；滯回曲線Opensees

傳統建筑結構在中震和大震作用下，結構中的梁、柱和連接節點等主要構件將進入彈塑性來耗散地震能量，這就導致了結構構件在震后有較大的殘余變形產生，較大的殘余變形會造成結構在震后加固和修復非常困難。而具有可恢復功能[1]的自復位結構體系是以減少建筑結構震后殘余變形為目標的一種新型結構體系，它不僅能夠在地震發生時保護人們的生命財產安全，且有助于震后結構的修復，保證結構能夠盡快恢復正常使用，是結構抗震設計的一個新方向。

具有搖擺特性的結構是近些年針對提高抗震性能提出的一種新型自復位結構體系。其通過放松結構與基礎間的約束，在連接處只能受壓不能受拉，從而使得結構在地震作用下可以發生擺動而其本身又不會產生太大彎曲變形，這類結構稱為自由搖擺結構[2]。在此基礎上通過對自由搖擺結構添加豎向和水平方向的阻擋設施，限制結構的搖擺幅度以保證結構體系的穩定，這類結構稱為受控搖擺結構[3]。在結構中設置預應力鋼絞線，能夠消除或者明顯減小結構的震后殘余變形。在結構中引入專門的耗能器，能夠消耗地震輸入能量從而減小地震作用。如果在受控搖擺結構中同時增設預應力鋼絞線和耗能器，可以形成搖擺自復位結構。如果耗能器設置在兩個自復位搖擺結構之間，形成一個統一的結構體系，稱為雙跨搖擺自復位結構體系[4-5]。

文中主要介紹了使用有限元軟件Opensees建立七層雙跨搖擺自復位結構體系模型，并對該結構模型在小震、中震和大震下進行抗震性能分析，得出對于雙跨搖擺自復位結構在不同地震作用下的抗震性能。

圖1 雙跨搖擺自復位結構模型

圖2 模型簡圖

1 模擬方法驗證

選取Eatherton[6]所做相關試驗進行模擬驗證，選取試驗中A2和A3號試件進行模擬分析，以驗證模擬方法的正確性和可行性，試件結構平面圖和有限元模型圖分別如圖1和圖2所示。結構模型中梁、柱和支撐采用有限元軟件Opensees中的非線性梁柱單元模擬。

1.1 柱腳模擬

雙跨搖擺自復位結構的柱腳和基底接觸處，為了保證框架柱腳能自由抬升并限制柱腳水平位移和轉角，模型中通過對柱腳節點采用主從節點關系來進行約束，在豎直方向上，柱腳和基底通過單壓彈簧相連，該彈簧在受拉時剛度為0，而受壓時剛度KB取框架柱剛度的4倍[7]，力-位移本構關系如圖3所示。在水平方向和轉角方向上，柱腳采用和基底相同的約束，即限制柱腳的水平位移和轉角。

1.2 蝴蝶型耗能鋼板模擬

雙跨搖擺自復位結構模型所采用的蝴蝶型耗能鋼板的尺寸參數如圖4所示。其中，a=20 mm，b=60 mm，t=16 mm，L=360 mm，c=13 mm。由文獻[8]中相關公式計算得其屈服時的承載能力為310 kN。蝴蝶型耗能鋼板的模擬如圖5所示，圖中軸向單元和梁柱單元的長度為0.75L[9]，彈簧單元采用Opensees中的“零長度”單元模擬，模擬蝴蝶型鋼板中的連接產生的塑性鉸。其余單元采用彈性單元模擬。

圖3 柱腳彈簧本構關系

圖4 蝴蝶型耗能鋼板

圖5 蝴蝶型耗能鋼板模擬

1.3 鋼絞線模擬

雙跨搖擺自復位結構模型中的預應力鋼絞線采用Opensees中Truss單元模擬。由于有限元軟件Opensees中沒有現成的單一材料能夠準確地模擬預應力鋼絞線材料的本構關系，所以材料采用Opensees中由ElasticPP材料和Hardening材料疊加而成的組合材料。在定義ElasticPP材料本構時賦予其一定的初始應變值，以得到所需的初始應力[6]。材料本構關系如圖6所示，參數選取如表1所示。

圖6 鋼絞線材料本構關系

表1 鋼絞線參數

1.4 模擬結果與試驗結果對比分析

圖7和圖8分別為A2和A3滯回曲線的對比結果，圖中縱坐標表示鋼絞線和鋼板耗能器提供的傾覆力矩與屈服力矩比值?？梢钥闯觯Y構在最大頂點位移比為3%時，滯回曲線呈現出規則的旗幟型，結構復位性能良好，結構無殘余位移產生。由于建模過程中采用了簡化方法，使得模擬結果與真實試驗結果有一定的偏差，但各曲線的基本走勢和峰值與試驗結果基本一致?？傮w來說，模型能起到較好模擬該類結構的效果。

圖7 A2試件結構滯回性能驗證對比

圖8 A3試件結構滯回性能驗證對比

2 模型尺寸及各參數選取

利用有限元軟件Opensees建立7層雙跨搖擺自復位結構體系模型[10]，如圖2所示。現假定結構所在地區抗震設防烈度為8度，設計基本加速度為0.3g，Ⅱ類場地，設計分組為第一組，Tg=0.35 s[11]。模型中梁柱和支撐采用非線性梁柱單元，材料為Q345B鋼，單元截面尺寸如表2所示，鋼絞線和鋼板耗能器對應參數列于表2和表3，其中為了保證結構模型具有較好的耗能性能，分別在模型中的第7層和第6層布置耗能器，參見圖9。

表2 框架模型截面尺寸

表3 耗能器參數表

圖9 簡化模型立面圖

3 彈塑性時程分析

3.1 多遇地震下抗震性能分析

為了研究分析多層可控搖擺自復位結構在多遇地震下的抗震性能，現分別輸入A-ESO090、E-ELC000和PPP000地震波，并將它們加速度峰值都調為110 cm/s2，利用有限元軟件Opensees繪制出結構在不同地震動下滯回曲線，如圖10所示。從圖中可以看出，在各地震動作用下，結構在各地震波作用下最大頂點位移比分別約為0.21%、0.23%、0.15%，滿足規范要求彈性變形在0.4%內，又從結構在各地震波中的滯回曲線可以看出，結構滯回環捏縮，結構構件基本沒有產生塑性變形。

3.2 中震下抗震性能分析

為了研究分析多層可控搖擺自復位結構在中震下的抗震性能，現分別將上文中所選的3條地震波進行調幅，調幅后加速度峰值都為294 cm/s2，利用有限元軟件Opensees計算結構在各地震動下結構的滯回曲線，如圖11所示。

圖11 搖擺結構在各地震波作用下滯回曲線

從圖11中可以看出，在地震波A-ESO090、E-ELC000和PPP000作用下，結構中耗能器產生的塑性變形不同，其中在A-ESO090波和E-ELC000波作用下，耗能器產生的塑性變形較大，結構耗能效果較好，滯回曲線較飽滿；而在地震波PPP000作用下，結構中耗能器產生的塑性變形較小，結構滯回曲線捏縮，總體而言，結構在各中震作用下“復位”效果較好，滯回曲線呈“旗幟”形，具有良好的抗震性能。

3.3 罕遇地震下抗震性能分析

為了研究分析七層可控搖擺自復位結構體系在罕遇地震下的抗震性能，將上文中所選的3條地震波進行調幅，調幅后加速度峰值都為510 cm/s2，然后利用有限元軟件Opensees計算結構在各地震動下各層層間殘余位移角曲線和結構整體滯回曲線，如圖12所示。

圖12 各地震波下結構各層層間殘余位移角曲線

從圖12中可以看出，在不同地震動作用下，結構在震后各層層間殘余位移角不同，其中在E-ELC000波作用下，結構層間殘余位移角最大，約為0.18%；而在其它地震動作用下，結構各層層間殘余位移角較小?？傮w而言，結構在所選的3條地震波作用下，震后各層層間殘余位移角較小，具有良好的抗震性能。

從圖13中可以看出，七層雙跨搖擺自復位結構體系在不同的地震動作用下結構頂點最大位移比不同，其中在地震波A-ESO090和E-ELC000作用下結構頂點位移比較大，分別為1.2%和1.1%，這表示結構在該地震動作用下響應效果最好，結構搖擺幅度最大，耗能器耗能效果最好，結構滯回曲線飽滿；而在地震波PPP000作用下，結構響應效果相對較差，即結構搖擺幅度較小，結構頂點位移比為0.5%。由于結構在地震過程中的搖擺幅度較小，故所產生滯回曲線較捏縮。總體來說，結構在各罕遇地震作用下“復位”效果較好，滯回曲線呈“旗幟”形，具有良好的抗震性能。

圖13 搖擺結構在各地震波作用下滯回曲線

4 結論

基于彈塑性時程分析研究方法，研究了七層雙跨搖擺自復位結構體系在小震、中震和大震下的抗震和復位性能，得出以下結論：

（1）介紹了使用有限元軟件Opensees建立雙跨搖擺自復位結構模型的方法，特別是蝴蝶型耗能鋼板的建模方法。（2）通過合理設計雙跨搖擺自復位結構體系模型，可以保證其在多遇地震下，結構中無塑性變形產生；在中震和罕遇地震作用下，結構體系只依靠耗能器產生的塑性變形來耗散地震能量，而梁、柱和連接等不產生塑性變形，實現結構體系在震后不需修復或僅替換耗能器即可繼續使用的性能目標。

[1]呂西林，陳云，毛苑君.結構抗震設計的新概念-可恢復功能結構[J].同濟大學學報，2011，39（7）:1-10.

[2]周穎，呂西林.搖擺墻結構及自復位結構研究綜述[J].建筑結構學報，2010，32（9）:1-4.

[3]周星宇.可控搖擺自復位結構的抗震性能分析[D].蘇州：蘇州科技學院，2015.

[4]MATTHEW Eatherton,JEROME Hajjar,Xiang MA,et al.Seismic design and behavior of steel frames with controlled rocking-part I:concepts and quasi-static subassembly testing[J].ASCE Structural Journal,2010,1523:2-5.

[5]MATTHEW Eatherton,JeromeHajjar,Xiang Ma,et al.Seismic design and behavior of steel frames with controlled rocking-part II:large scale shake table testing and system collapse analysis[J].ASCE Structural Journal,2010,1534:3-6.

[6]MATTHEW Eatherton.Large-scale cyclic and hybrid simulation testing and development of a controlled-rocking steel building system with replaceable fuses[D].University of University of Illinois at Urbana-Champaign,USA,2010.

[7]魏宇翔，李啟才.軸壓比對自復位結構體系柱腳節點抗震性能的影響[J].蘇州科技學院學報（工程技術版），2013，26（1）：1-5.

[8]XIANG M A.Design and behavior of steel shear plates with openings as energy dissipating fuses[D].University of Stanford University,USA,2011.

[9]XIANG M A.Seismic design and behavior of self-centering braced frame with controlled rocking and energy-dissipating fuses[D].Department of Civil and Environmental Engineering,University of Stanford University,2010.

[10]鋼結構設計手冊編輯委員會.鋼結構設計手冊（下冊）[M].北京：中國建筑工業出版杜，2004.

[11]中國建筑科學研究院.GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

Analysis of seismic performance of the multilayer double rocking self-centering steel braced frame system

CHENG Jiaming，LI Qicai
（School of Civil Engineering，SUST，Suzhou 215011,China）

The self-centering structure system is a new type of structural system which can satisfy the requirement of the performance-based design.Except that the structure will not collapse under the severe earthquake, the new system also can effectively limit the residual deformation of structure.Based on the finite element simulation method after the test,this paper established a seven-layer double-span rocking self-centering steel braced frame system,to analyze the seismic performance of structure system under small,medium and severe earthquakes.Analysis results showed that this double-span rocking self-centering structure system could hold its function after the earthquake,this structural system would save the cost of repair and maintenance,and have the good prospects for the future engineering projects.

double rocking self-centeringsteel braced frame system;time-history analysis;hysteretic curve Opensees

TU973

A

1672-0679（2016）04-0033-05

（責任編輯：秦中悅）

2016－04-12

國家自然科學基金項目（51378326）；江蘇省結構工程重點實驗室開放課題（ZD1204）

程加明（1990-），男，江蘇宿遷人，碩士研究生。

李啟才（1969-），男，博士，副教授，從事鋼結構的新型結構體系和抗震設計研究，E-mail：ustsgjg@163.com。