基于抗震韌性的高強鋼組合偏心支撐鋼框架研究

王 崢 李 萍 譚小蓉 徐靜偉

西安鐵路職業技術學院（710600）

0 引言

隨著人們物質生活水平的不斷提升，近年來全球地震頻發，其活動的影響范圍、造成的震后損失與修復成本越來越高，嚴重降低了工程建筑的使用壽命，同時對建筑物內人與財產安全影響顯著。 而當前的結構設計理念僅要求建筑在巨型地震作用下不發生倒塌破壞，為考慮震中的財產損失與震后修復費用。基于此，對建筑物抵抗地震作用，以及震后的修復應成為當前研究熱點。

高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構體系，將高強鋼強度高的優點和底屈服點的偏心支撐框架結構耗能梁段優良的非彈性耗能特性相結合，適用于可能發生強烈地震的區域[1-3]，一般的抗震設計方法成果已經較為成熟，當基于可恢復的韌性的設計方法，目前尚未見到。因此，研究基于韌性的高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構抗震性能，具有明顯的實際工程應用與理論分析價值[4-7]。

1 韌性設計

韌性設計的思想， 首先出現在生態學領域，后被引入工程建筑領域。工程建筑的抗震韌性是指建筑結構在地震作用下， 快速恢復其功能的能力，只要結構抗震設計的控制參數保持一定水平，不超過其限值，結構自身的功能震后能夠快速恢復到震前水平[8]。最簡單的韌性設計就是結構在地震作用下保持彈性變形， 不產生損傷破壞， 結構抗震性能未降低，不需修復。 但該設計理念，會造成巨大的材料浪費，壓縮建筑使用空間，非理想設計方法。 若允許結構構件在地震作用下發生塑性變形，耗散地震能量，雖然可以保證結構在地震用下的安全， 但塑性變形已經對構件造成損傷，降低了結構的抗震性能，需要在震后進行修復，以保證結構后續使用安全。通過設置易于更換的耗能構件， 使其先于其他構件進行塑性變形狀態，從而保證主要構件不發生塑性變形，震后僅需要更換耗能構件， 即可使得結構的抗震性能恢復到震前狀態。

抗震韌性設計的必由之路是建筑工業化， 即裝配式建造，在工廠預制好構件，運送到現場將不同構件連接起來，既有利于減低建筑能耗，又可使得結構構架有更換的可能性，從而滿足結構抗震韌性設計。目前裝配式發展最好的結構類型是鋼結構， 鋼構件之間通過焊接或螺栓連接，即可完成結構建造。

高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構體系正是基于韌性抗震理念，對主要梁柱構件，采用高強度鋼材，對于耗能支撐或者耗能梁端， 采用屈服點較低的鋼材，無需對截面進行削弱處理，使得耗能支撐或耗能梁段先于梁柱發生塑性變形，耗散地震能量，保證主體結構安全，同時，不同強度構件之間的連接，可采用螺栓連接，即可實現耗能支撐或者耗能梁段的可更換，滿足高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構體系的抗震韌性設計。

常見的高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構體系形式如圖1 所示。 其中，D 形高強鋼組合偏心支撐的抗側剛度與承載能力最大，Y 形偏心支撐的抗側剛度與承載能力最小，但是D 形高強鋼組合偏心支撐的延性最低， 而Y 形偏心支撐鋼框架的延性最優。 現行規范均采用基于位移的設計方法，通過控制結構在地震作用下的變形，達到結構抗震設計的目的， 但其無法考慮地震作用下結構能量的耗散，亦無法考慮結構在地震作用下的破壞模式與震后修復。

因此， 當采用基于韌性的抗震設計理念時，首先必須明確結構構件參與結構抗震的方式， 如梁柱保證結構主體安全，支撐或者耗能梁段吸收地震能量。 基于此，高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構體系的抗震評價指標，不能僅僅考慮結構樓層間的位移角，應引入可以考慮構架耗能的評價體系，能夠準確表達耗能構件在地震作用下的耗能值，以及耗能構件自身的耗能能力，如此即可設計耗能構件的材料強度與預期耗能指標，達到結構設計目標。 同時， 需要保證耗能構件先于梁柱構件進入塑性狀態，保證重要構件在地震作用下不發生或發生輕微損傷，震后無需要或易于修復。

圖1 偏心支撐的結構形式

建立適用于高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構體系結構分析的有限元數值分析模型；通過對有限元模型的靜力推覆分析和非線性時程動力分析研究，對比四種不同支撐形式的高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構的抗震性能，選擇其中一種支撐形式的高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構與普通鋼偏心支撐鋼框架結構的抗震性能進行對比，同時，采用經濟指標，計算高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構與普通鋼偏心支撐鋼框架結構震后修復費用，驗證高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構體系基于韌性的抗震設計的優越性。

2 結論

1）高強鋼組合偏心支撐體系既吸取了偏心支撐鋼框架體系優異的抗震耗能特性，又有效地將高強鋼材應用到多高層建筑結構中，從而節約鋼材，有良好的經濟性能。

2）提出高強鋼組合偏心支撐鋼框架結構的抗震韌性設計方法與合理設計指標。

3）主體結構在地震中保持彈性，確保結構的安全性，結構損傷與塑性變形集中于耗能支撐或耗能梁段，便于實現震后可僅更換耗能梁段即可實現結構震后快速修復，使結構快速恢復正常使用功能。