自復位支撐-搖擺框架結構體系抗震性能分析

孫振超，蘭文改

（華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450045）

抗震工程技術分為3 個發展階段，即抗震、減震、隔震。抗震是通過強化結構本身來提高抗震能力，減震是在結構中設置減震裝置來消耗地震作用，隔震是將地震作用與建筑物通過隔震層隔離開來[1]。近年來，中國抗震工程技術研究發展趨勢已從抗震、減震、隔震走向了可恢復功能。

呂西林等[2]在2011 年首次定義了“可恢復功能結構”的概念，可恢復功能結構是指在地震發生后，結構不需修復或者稍加修復即可恢復使用功能。可恢復性不僅適用于建筑結構，也適用于其他工程設施甚至是城市。可恢復功能結構體系是未來抗震工程技術發展的一個重要方向。

1 可恢復功能結構

1.1 搖擺結構

搖擺結構體系是通過放松構件間或結構與基礎間的約束使結構自身產生搖擺行為，將變形集中在搖擺部位，同時在這些部位設置消能減震裝置，以達到對地震力的消耗[2]。早在1963 年，HOUSNER[3]就對智利大地震中幸存的高位水槽進行了研究，發現由于基礎約束弱化導致構件產生搖擺行為，降低了自身的延性需求及所受地震力，從而使其在地震中免遭破壞。研究人員在隨后的地震觀測中發現，一些在地震中發生結構搖擺或基礎抬升的建筑，在地震發生后并未受到嚴重破壞。因此，在抗震工程領域對搖擺結構體系的研究逐漸增多。

1.2 自復位結構

自復位結構是以性能化設計理念為基礎的結構體系，可以減小結構在地震中的損傷及地震后的殘余變形，其應力特征就是在外力消失后，結構的頂部橫向位移能夠逐漸恢復到零[4]。

1.3 可更換結構

可更換結構可以使結構損傷集中在可更換構件中，通過更換構件恢復結構的抗震性能。在土木工程領域可更換構件方面的研究，由于結構設計復雜、施工難度大等原因，國內外的研究成果和相關應用還比較少，而且多集中在鋼結構、裝配式結構、橋梁結構等方面。

2 鋼框架結構中搖擺結構與自復位支撐聯合應用

目前，對于可恢復功能結構的研究大多集中于單一的結構形式，很少有研究搖擺結構、自復位結構及可替換結構的組合應用等新型可恢復功能結構。自復位支撐-搖擺框架結構體系具有剛度大、自恢復力好、低損傷等特性，同時能夠平衡構件之間的變形，實現地震發生后結構整體迅速恢復的效果，而利用自復位支撐實現自復位特性，現場則僅需較少的預應力工序，降低了施工復雜性，且結構損傷集中在自復位支撐部分，便于修復與更換。

本文采用有限元分析軟件SAP2000 驗證自復位支撐-搖擺框架結構體系的抗震性能，通過建立普通鋼框架結構模型和自復位支撐-搖擺框架結構模型進行對比計算分析。

3 研究對象與振動模型

3.1 算例模型

該算例模型為鋼框架結構，共7 榀3 跨6 層，模型參數設計參考文獻[5]，如圖1 所示。第1 層高度為5 m，第2—6 層高度為4 m，梁柱為剛接。抗震設防烈度8 度，地震分組為第一組，Ⅲ類場地，場地特征周期為0.45 s。框架梁柱均采用Q345 鋼材，梁截面尺寸為H450 mm×250 mm×12 mm×18mm，柱截面采用400 mm×400 mm×20 mm 的方鋼管。

圖1 結構布置（單位：mm）

3.2 有限元模型的建立

采用有限元分析軟件SAP2000 建立結構模型，其由梁柱單元等組成的有限元分析模型如圖2 所示，自復位支撐采用人字形布置，如圖3 所示。

圖2 普通鋼框架結構

圖3 自復位支撐設置示意圖

自復位支撐-搖擺框架結構的柱腳和基底連接處，在豎直方向上使用非線性彈簧相連，定義為只能受壓不能受拉；在水平方向和轉角方向上使用和固定支座相同的約束，限制水平位移和平面內的轉動[6]。由于SAP2000 中的單元庫中并沒有現成的適用于模擬自復位支撐的連接單元，本文采用SAP2000 中的線性連接單元、多段線彈性連接單元、多段線塑性連接單元的組合模擬自復位支撐。具體的模擬方法是將1 個多段線彈性連接單元和1 個多段線塑性連接單元并聯，然后再與1 個線性連接單元串聯，如圖4 所示。

圖4 自復位支撐SAP2000 模型示意圖

4 模態分析

模態分析是一種結構動力特性分析的近似方法，它是線性結構的抗震分析中最簡單有效的方法。當采用SAP2000 軟件對結構進行模態分析時，可以快速得出結構性能的基本參數、每一階振型的周期和自振頻率，以及每一階頻率的參與質量系數等，這些是其他動力分析的基礎。通過模態分析得到的2 個結構的前12 階周期和頻率，如表1 所示。

表1 周期頻率

5 時程分析

5.1 地震波的選取

按照《建筑抗震設計規范》的規定，進行時程分析運算時，需要分別選擇實際強震記錄和人工模擬的地震波，其中需要不少于總數2/3 的實際強震記錄。本文選擇2 條天然地震波和1 條人工地震波，分別為EL-centro 波、CPC 波和人工波。

《建筑抗震設計規范》規定，地震波分析得到的結構基底剪力應大于反應譜法計算結果的65%，3 條地震波分析得到的結構基底剪力平均值應大于反應譜法計算結果的80%，基底剪力分析結果如表2 所示。

表2 基底剪力

5.2 時程分析結論

在3 條地震波作用下，采用直接積分法對2 個模型進行非線性時程分析，分別從層間位移和殘余位移這2 方面進行討論，對比2 個結構的抗震性能。

在多遇地震作用下，自復位支撐-搖擺框架結構和普通鋼框架結構的最大層間位移如圖5 所示。從圖中可以看出，自復位支撐-搖擺框架結構和普通鋼框架結構在3 條地震波作用下層間位移分布相似，但是自復位支撐-搖擺框架結構的最大層間位移遠小于普通鋼框架結構，且橫向變形更加均勻，這說明了自復位支撐-搖擺框架結構具有良好的抗震性能。

圖5 層間位移

3 條地震波的殘余位移如圖6 所示。從圖中可以看出，在多遇地震的作用下，普通鋼框架結構的殘余變形遠大于自復位支撐-搖擺框架結構的殘余變形，說明了自復位支撐-搖擺框架結構在結構變形控制方面具有較大優勢，可以保證在地震發生后繼續投入使用而無需修復或僅需簡單修復。

圖6 殘余位移

6 結語

介紹了采用有限元分析軟件SAP2000 建立自復位支撐-搖擺框架結構的建模方法，尤其是自復位支撐的建模方法。自復位支撐-搖擺框架結構具有較高的承載能力和塑性變形能力，減少了層間位移，改善了普通框架結構層間位移不均的情況，從結構整體上發揮了抗震和耗能能力；自復位支撐-搖擺框架結構的殘余變形相對于普通結構大大降低，且震后損傷集中在自復位支撐部分，易于快速修復或更換，使結構在地震發生后迅速恢復使用功能，僅需簡單修復或無需修復。

抗震工程技術發展到今天，自復位支撐-搖擺框架結構體系等由多種結構形式組合而成的可恢復功能結構將受到人們越來越多的重視。