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(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(jì)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(jì)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(duì)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)，并應(yīng)考慮罕遇地震作用效應(yīng)和其他荷載作用標(biāo)準(zhǔn)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(jì)規(guī)范》附錄M的計(jì)算方法可知，構(gòu)件的極限強(qiáng)度是按材料的最小極限強(qiáng)度值計(jì)算的承載力[6]。而設(shè)計(jì)時(shí)，軟件中材料的強(qiáng)度一般為設(shè)計(jì)值，大震彈塑性分析以后如何判斷子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否滿足規(guī)范，也給設(shè)計(jì)師帶來一定的困擾。另外，不同軟件中構(gòu)件損傷的評(píng)判方法也不一致，例如：CSI系列軟件(ETABS、SAP2000和P3D等)是參考?xì)W洲規(guī)范，構(gòu)件損傷是基于塑性鉸(FEAM準(zhǔn)則IO、LS、CP)；MIDAS/GEN也是基于塑性鉸，但不是按照FEAM準(zhǔn)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(jìn)行損傷判斷。由于這兩款軟件為國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的軟件，其計(jì)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(yán)重?fù)p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(jì)方法，擬為后續(xù)設(shè)計(jì)師進(jìn)行子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1 基于承載力的設(shè)計(jì)方法

潘文教授[7]提出了基于構(gòu)件承載力的設(shè)計(jì)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(jìn)行梁、柱承載力復(fù)核設(shè)計(jì)。梁按照對(duì)稱配筋進(jìn)行受彎和受剪設(shè)計(jì)，柱設(shè)計(jì)方法是柱的Nu-Mu曲線包絡(luò)柱子的N-M時(shí)程曲線，并進(jìn)行抗剪截面設(shè)計(jì)，如圖1所示。該方法思路簡(jiǎn)潔，與規(guī)范要求一致，也是云南地區(qū)進(jìn)行子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最常用的一種方法。其實(shí)，ETABS、SAP2000、P3D、MIDAS/GEN、佳構(gòu)和SSG等常用的彈塑性分析軟件均可實(shí)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(jìn)行分別提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行復(fù)核，當(dāng)子結(jié)構(gòu)構(gòu)件較多時(shí)，工作量極大。常規(guī)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師可能采用包絡(luò)設(shè)計(jì)的方法，但包絡(luò)設(shè)計(jì)并不完全適用于子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)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(jì)，可能不滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則；對(duì)于柱，由于其配筋由軸力和彎矩兩個(gè)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(jì)師的工程量，本文提出一種新的基于承載力的設(shè)計(jì)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(diǎn)對(duì)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(diǎn)，則認(rèn)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(jì)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(jì)方法

參考文獻(xiàn)[1]和[2]中要求，即罕遇地震作用下按極限力對(duì)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核。該要求與表1中的性能2相對(duì)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(jìn)行判定。若低于中等破壞，滿足規(guī)范要求，否則應(yīng)進(jìn)行子結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)。

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

3 基于延性比的設(shè)計(jì)方法

誠(chéng)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(zhǔn)，但性能水準(zhǔn)與構(gòu)件的延性比有一定的關(guān)聯(lián)，其對(duì)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(biāo)，并對(duì)照?qǐng)D確定其延性比的要求；然后，采用MIDAS/GEN進(jìn)行彈塑性分析，并輸出子結(jié)構(gòu)的延性比，再將其與目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。若滿足設(shè)計(jì)要求則完成設(shè)計(jì)，否則對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，直至滿足要求。

圖3 抗震性能目標(biāo)、承載力與延性之間的關(guān)系[9]

4 子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例

河北某項(xiàng)目為6層框架，設(shè)防烈度為8度，三類場(chǎng)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(jì)思路如圖4～圖5所示。

圖4 子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)于(a)、(c)、(d)3種布置形式的子結(jié)構(gòu)，當(dāng)跨中出鉸時(shí)，結(jié)構(gòu)易形成“機(jī)構(gòu)”，因此宜在中間設(shè)鉸；子結(jié)構(gòu)判定時(shí)，宜重點(diǎn)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(jìn)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(jì)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(jì)軟件具有不同的功能特性。采用不同軟件進(jìn)行減震設(shè)計(jì)和子結(jié)構(gòu)分析時(shí)，根據(jù)軟件特點(diǎn)，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。