耗能減震鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究

張 艷（煙臺(tái)建筑設(shè)計(jì)有限公司方中分公司，山東 煙臺(tái) 264000）

地震是一種對(duì)自然環(huán)境造成影響較大、破壞性較強(qiáng)的自然災(zāi)害，當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)大量建筑物、構(gòu)筑物損壞的現(xiàn)象，此種災(zāi)害不僅會(huì)對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)負(fù)面影響，也會(huì)對(duì)身處建筑內(nèi)的群體個(gè)人安全造成威脅[1]。為了避免地震等不可抗力自然災(zāi)害對(duì)社會(huì)發(fā)展造成的干預(yù)，我國(guó)建筑工程產(chǎn)業(yè)提出了加大對(duì)工程結(jié)構(gòu)抗震建設(shè)投入的政策，并將提升主體結(jié)構(gòu)抗震性能在設(shè)計(jì)的中心思想，以期通過(guò)此種優(yōu)化方式，防止構(gòu)筑物出現(xiàn)結(jié)構(gòu)坍塌等安全事故。

1 鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)必要性分析

目前，世界各地都在將“小震不壞”“大震不倒”作為建筑工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原則，在此項(xiàng)設(shè)計(jì)理念推廣過(guò)程中，施工方已經(jīng)在實(shí)踐中取得了一定的成果[2]。但隨著建筑工程行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)工程結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性提出了更高的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)方也意識(shí)到早期單一化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)理念的局限性。為了更好地適應(yīng)社會(huì)各個(gè)方面需求，應(yīng)持續(xù)并加大對(duì)此方面設(shè)計(jì)的投入，研制更加安全、可靠、適用的工程材料與結(jié)構(gòu)體系，從而滿足社會(huì)受眾群體對(duì)構(gòu)筑物的層次化抗震設(shè)計(jì)需求[3]?？傊?，優(yōu)化工程既有結(jié)構(gòu)，提高構(gòu)筑物的綜合抗震性能，已成為新世紀(jì)建筑行業(yè)發(fā)展的最新研究課題。

為了全面落實(shí)并推進(jìn)此項(xiàng)工作，建筑行業(yè)聯(lián)合多個(gè)組織單位發(fā)行了《建筑耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)指南》文件，文件明確了建筑主體結(jié)構(gòu)中的鋼材料，是支撐整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[4]。盡管建筑主體構(gòu)成中的鋼材料具有較強(qiáng)的防變形能力，但由于此種材料在建筑工程中使用，其水平剛度較差、柔性較強(qiáng)。為了避免或解決此方面問(wèn)題對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性造成的影響，通常會(huì)在主體結(jié)構(gòu)施工中（尤其是高層建筑結(jié)構(gòu)），將控制鋼結(jié)構(gòu)在水平方面的形變作為施工控制關(guān)鍵[5]。此外，根據(jù)國(guó)家地質(zhì)勘查單位統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)與數(shù)次地震數(shù)據(jù)可知，相比構(gòu)筑物中的其他類型結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)在遭受到地震災(zāi)害后，所受到的損害程度相對(duì)較小，但由于自然災(zāi)害的發(fā)生具有一定隨機(jī)性，而建筑主體中的鋼結(jié)構(gòu)一旦受到外界較大的影響，便會(huì)出現(xiàn)倒塌、局部失穩(wěn)、整體破壞、節(jié)點(diǎn)損壞、連接構(gòu)件損壞等一系列安全問(wèn)題。因此，采取有效的措施，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。

從建筑整體耗能層面分析，在主體結(jié)構(gòu)中，與位移相關(guān)的耗能電器需要經(jīng)過(guò)一定的滑動(dòng)位移或屈服位移，才能在預(yù)設(shè)條件下進(jìn)入正常耗能工作運(yùn)行狀態(tài)。并且，在整體結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)位置設(shè)置越高、剛度柔性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的可行性越大，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)中的耗能器減震效果越明顯[6]。因此，可嘗試在鋼結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)增設(shè)位移型耗能器的方式，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生位移后的反應(yīng)控制，屬于一種相對(duì)理想的減震設(shè)計(jì)方法。而通過(guò)此種設(shè)計(jì)方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的優(yōu)化，也可以提高主體結(jié)構(gòu)施工成果的安全性。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是十分有必要的。

2 耗能減震鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

2.1 確定耗能減震鋼結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，首先需要明確其抗震性能水準(zhǔn)。通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極高，并且具有良好的延展性，是理想的彈塑性材料。在地震作用下，能夠在極大程度上減弱地震產(chǎn)生的反應(yīng)。綜合發(fā)生地震時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的破損率進(jìn)行分析，破壞程度從輕微損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞到最終倒塌，其嚴(yán)重程度不斷提升，相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)破損率占比對(duì)應(yīng)30.2%、25.3%、32.6%和8.2%。由此可以看出，鋼結(jié)構(gòu)的倒塌現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)破壞程度中所占的比例相對(duì)較小，但大多數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)在遇到地震時(shí)都會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞，并且鋼結(jié)構(gòu)外墻裝修的脫落現(xiàn)象也十分普遍[7]。為了確保鋼結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)更具標(biāo)準(zhǔn)化，基于多個(gè)國(guó)家對(duì)建筑性能水準(zhǔn)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的水準(zhǔn)如表1所示。

表1 耗能減震鋼結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)劃分表

2.2 鋼結(jié)構(gòu)抗震能力量化

通過(guò)上述論述，從宏觀角度上實(shí)現(xiàn)對(duì)耗能減震鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的劃分。為了方便后續(xù)實(shí)際工程對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用，還需要對(duì)其抗震能力進(jìn)行量化[8]。在量化過(guò)程中，考慮到鋼結(jié)構(gòu)性能與其變形之間的關(guān)系，如圖1所示，將變形指標(biāo)作為量化標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的變形特征、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等，最終確定耗能減震鋼結(jié)構(gòu)不同性能水準(zhǔn)下的量化值。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)性能與其變形關(guān)系示意圖

結(jié)合圖1中的內(nèi)容，首先從耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的層間位移角限值角度對(duì)抗震能力進(jìn)行量化。按照建筑使用功能重要程度，將其劃分為三個(gè)類別，分別為II、III和IV。分別針對(duì)耗能減震鋼結(jié)構(gòu)（A結(jié)構(gòu)）和耗能減震鋼支撐結(jié)構(gòu)（B），對(duì)其健康狀態(tài)、病態(tài)狀態(tài)以及生命垂危狀態(tài)的層間位移角限值進(jìn)行確定。健康狀態(tài)下，A結(jié)構(gòu)層間位移角限值：1/300（II）、1/300（III）、1/300（IV）；B結(jié)構(gòu)層間位移角限值：1/300（II）、1/300（III）、1/300（IV）。病態(tài)狀態(tài)下，A結(jié)構(gòu)層間位移角限值：1/200（II）、1/200（III）、1/200（IV）；B結(jié)構(gòu)層間位移角限值：1/200（II）、1/200（III）、1/200（IV）。生命垂危狀態(tài)下，A結(jié)構(gòu)層間位移角限值：1/800（II）、1/100（III）、1/100（IV）；B結(jié)構(gòu)層間位移角限值：1/800（II）、1/100（III）、1/100（IV）。

其次，再?gòu)暮哪軠p震鋼結(jié)構(gòu)的屈服位移量角度對(duì)抗震能力進(jìn)行量化。在無(wú)耗能的狀態(tài)下，耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的屈服位移量小于屈服或滑移位移；初始耗能狀態(tài)下，耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的屈服位移量約為設(shè)計(jì)階段的50%；正常耗能狀態(tài)下耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的屈服位移量接近或達(dá)到設(shè)計(jì)階段的100%；極限耗能狀態(tài)下，耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的屈服位移量接近或達(dá)到設(shè)計(jì)階段的130%；破壞狀態(tài)下，耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的屈服位移量超過(guò)設(shè)計(jì)階段的130%。

2.3 構(gòu)建耗能減震結(jié)構(gòu)模型

在上述量化結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定耗能減震結(jié)構(gòu)的模型。通常情況下，可采用耗能裝置的等效線性模型對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并采用耗能裝置的實(shí)際非線性模型實(shí)現(xiàn)對(duì)其驗(yàn)算。圖2為耗能減震鋼結(jié)構(gòu)模型。

圖2 耗能減震鋼結(jié)構(gòu)模型

在上述耗能減震鋼結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)振型分解，其表達(dá)式為：

上述公式中M為耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；K為耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的剛度；Cs為耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣；Ce為相關(guān)型耗能部件阻尼矩陣；X(t)為相對(duì)水平位移。根據(jù)上述公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)振型動(dòng)力分解。在實(shí)現(xiàn)耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，還需根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同性能目標(biāo)，充分考慮到主體結(jié)構(gòu)以及耗能裝置不同工況條件下的動(dòng)力學(xué)特征，完成對(duì)其抗震設(shè)計(jì)。針對(duì)程度較小的地震，主體結(jié)構(gòu)可選用線彈性模型，其位移可根據(jù)是否產(chǎn)生屈服或滑移對(duì)線性或非線性進(jìn)行選擇；針對(duì)程度較大的地震，在作用力下方的結(jié)構(gòu)通常應(yīng)當(dāng)選擇非線性的模型，而主體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)采用非線性模型。

2.4 金屬耗能器及其在結(jié)構(gòu)中的安裝

在對(duì)耗能減震鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能參數(shù)，確保其結(jié)構(gòu)滿足性能目標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其基本功能的正常運(yùn)行。在明確耗能減震鋼結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，將開(kāi)孔式鋼結(jié)構(gòu)耗能裝置和人型支撐連接結(jié)構(gòu)作為依據(jù)，完成對(duì)金屬耗能器機(jī)器在結(jié)構(gòu)中的安裝，以此為鋼結(jié)構(gòu)提供更有利的抗震性能。為了進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，選擇無(wú)粘結(jié)支撐方式，在鋼管內(nèi)部添加灰漿材料。在耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的各層均勻地安裝金屬耗能器，并結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)定，在每層結(jié)構(gòu)上至少安裝兩個(gè)耗能器，并合理布置，避免后期使用過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。利用人型鋼支撐結(jié)構(gòu)，將支撐和鋼結(jié)構(gòu)之間的夾角控制在35°～45°范圍內(nèi)。已知單個(gè)人型支撐結(jié)構(gòu)的水平剛度為K=2×(EA/L)×cos2θ，根據(jù)水平剛度計(jì)算公式可以計(jì)算得出各層耗能減震鋼結(jié)構(gòu)中具體需要加裝的支撐結(jié)構(gòu)和金屬耗能器總參數(shù)。綜合分析后，確定第一層耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的彈性剛度應(yīng)當(dāng)設(shè)置在120kN/mm～150kN/mm范圍內(nèi)，其與各層耗能減震鋼結(jié)構(gòu)的彈性剛度應(yīng)當(dāng)設(shè)置為80kN/mm，屈服后剛度系數(shù)應(yīng)當(dāng)設(shè)置為0.05。由于每一層鋼結(jié)構(gòu)都采用了兩個(gè)人型支撐結(jié)構(gòu)，因此其每根支撐結(jié)構(gòu)的面積應(yīng)當(dāng)為總面積的1/4，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。

3 對(duì)比分析

完成上述設(shè)計(jì)，以對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)設(shè)計(jì)的抗震方法可行性進(jìn)行檢驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，以某構(gòu)筑物的鋼結(jié)構(gòu)為例，分別按照本文設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)耗能減震鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)后，選擇地震波，模擬結(jié)構(gòu)在受到外界環(huán)境干擾下的反應(yīng)，地震波輸入?yún)?shù)見(jiàn)表2。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)地震波輸入?yún)?shù)

按照上述表2所示的內(nèi)容，對(duì)完成抗震設(shè)計(jì)后的兩個(gè)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震模擬，將主體結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中的幅度變化（位移反應(yīng)），繪制對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 主體結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)示意圖

上述圖3中，詳細(xì)描述了本文方法與傳統(tǒng)方法在完成主鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)后，遇到突發(fā)性模擬震動(dòng)時(shí)的幅度變化（位移反應(yīng)）。通過(guò)曲線的變化趨勢(shì)可以看出，在導(dǎo)入地震波的前0.05s時(shí)，由于鋼結(jié)構(gòu)的剛度較強(qiáng)，因此，整體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生顯著的位移反應(yīng)，隨著時(shí)間的增加，地震波輸入量的提升，鋼結(jié)構(gòu)受到地震波的影響，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生震動(dòng)，盡管本文方法設(shè)計(jì)的成果與傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的成果均未在此次模擬地震中發(fā)生斷裂（即本文設(shè)計(jì)的抗震方法與傳統(tǒng)抗震方法在都可以達(dá)到抗震效果），但根據(jù)曲線的變化幅度可以看出，按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)較大（震動(dòng)幅度較大），而按照本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)后，結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)較小（震動(dòng)幅度較小）。由此可以證明，本文此次研究設(shè)計(jì)的抗震方法在實(shí)際應(yīng)用中，可以提高主體結(jié)構(gòu)剛度，降低結(jié)構(gòu)在遇到突發(fā)性災(zāi)害時(shí)發(fā)生安全事故的可能性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展了耗能減震鋼結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)研究，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：本文此次研究設(shè)計(jì)的抗震方法在實(shí)際應(yīng)用中，可以提高主體結(jié)構(gòu)剛度，降低結(jié)構(gòu)在遇到突發(fā)性災(zāi)害時(shí)發(fā)生安全事故的可能性。但本次研究的成果在后續(xù)還需要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)，才能被正式使用。

在建筑行業(yè)持續(xù)化高速發(fā)展的背景下，高層建筑數(shù)量越來(lái)越多、規(guī)模越來(lái)越大，在未來(lái)的建筑設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，不僅要關(guān)注建筑整體的性能，還要從多方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度與舒適度的研究。在確保建筑整體結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)后，可加大對(duì)建筑外觀美化設(shè)計(jì)的投入，以潮流、時(shí)尚的外形，引領(lǐng)建筑產(chǎn)業(yè)在市場(chǎng)內(nèi)的建設(shè)。此外，可在設(shè)計(jì)中，結(jié)合工程實(shí)際需求與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家一些優(yōu)秀設(shè)計(jì)成果，對(duì)國(guó)內(nèi)既有建筑進(jìn)行完善，保證我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)在國(guó)際上處于前沿水平。