陳　云, 呂西林, 蔣歡軍

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?00092; 2.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， ?？凇?70228)

帶可更換連梁的超高層結(jié)構(gòu)抗震性能研究

陳云1,2, 呂西林1, 蔣歡軍1

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092; 2.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， ?？?70228)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的部分學(xué)者提出了在剪力墻中設(shè)置可更換連梁，即在連梁的跨中設(shè)置一個(gè)耗能構(gòu)件，稱(chēng)之為保險(xiǎn)絲，通過(guò)保險(xiǎn)絲的塑性變形耗散能量，而且震后易于對(duì)保險(xiǎn)絲進(jìn)行修復(fù)更換。根據(jù)之前提出的可更換連梁實(shí)用設(shè)計(jì)方法，將作者開(kāi)發(fā)的一種可更換連梁保險(xiǎn)絲安裝在一個(gè)超高層Benchmark模型的部分連梁中，對(duì)帶可更換連梁的結(jié)構(gòu)和帶傳統(tǒng)連梁的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行地震反應(yīng)分析，比較兩個(gè)結(jié)構(gòu)在大震下的層間位移角、基底反力以及損傷狀況，研究表明：帶有可更換連梁的超高層結(jié)構(gòu)層間位移角會(huì)有所減小，剪力墻的損傷也會(huì)有所減輕，基底反力變化不大，而且可更換連梁的損傷集中在保險(xiǎn)絲，易于震后修復(fù)更換。

可更換連梁；剪力墻；超高層結(jié)構(gòu)；層間位移角；結(jié)構(gòu)損傷

連梁是聯(lián)肢剪力墻中重要的構(gòu)件，不僅要給墻肢提供足夠的約束作用，而且要耗散大量的地震能量保護(hù)墻肢免遭嚴(yán)重破壞。因此，通常情況下，連梁在震后均遭到不同程度的破壞，而且修復(fù)困難。鑒于此，同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)在損傷后應(yīng)盡快恢復(fù)其使用功能[1]，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)可更換連梁做了大量研究工作?？筛鼡Q連梁可以表述為[2]：一種在地震后易于修復(fù)或更換的連梁，連梁自身可以是鋼筋混凝土連梁、鋼連梁或組合連梁，其構(gòu)造方式包括對(duì)連梁的部分截面進(jìn)行削弱，或者在連梁上附加一個(gè)阻尼耗能部件(例如各種類(lèi)型的阻尼器)，或者連梁整體通過(guò)某種易于拆卸的方式與墻體相連接，地震后連梁可以方便地進(jìn)行更換。從可更換連梁的受力特點(diǎn)來(lái)看，可更換連梁又可以分為剪切屈服型可更換連梁、彎曲屈服型可更換連梁和彎剪屈服型可更換連梁。

Fortney等[3-4]提出了可更換的鋼連梁，其做法是對(duì)連梁的中間部分進(jìn)行削弱(稱(chēng)之為保險(xiǎn)絲)，并利用連梁的中間部分進(jìn)行剪切屈服耗能，中間部分損壞后易于更換。Dankook大學(xué)的Chung等[5]提出了在鋼連梁的中部附加一個(gè)摩擦阻尼器，通過(guò)摩擦阻尼器的耗能來(lái)增強(qiáng)連梁的耗能能力。中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所的毛晨曦等[6]開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用在可更換連梁上的新型形狀記憶合金阻尼器。韓國(guó)首爾大學(xué)的Kim等[7-8]研究開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用在連梁上的復(fù)合阻尼耗能部件。加拿大多倫多大學(xué)的Lyons等[9]發(fā)明了一種可以替換連梁的黏彈性連接阻尼器。日本清水建設(shè)技術(shù)研究所的熊谷仁志等[10-11]研究開(kāi)發(fā)了在鋼筋混凝土連梁的中部開(kāi)縫設(shè)置連梁阻尼器，該連梁阻尼器為一塊由低屈服點(diǎn)鋼板制作的矩形剪切板。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的滕軍等[12]也提出了一種連梁阻尼器。

總之，目前國(guó)內(nèi)外都有部分學(xué)者在研究可更換連梁，但大多數(shù)研究都集中在可更換連梁保險(xiǎn)絲的研究開(kāi)發(fā)上，即主要研究開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的耗能保險(xiǎn)絲，這當(dāng)然是非常重要的，但對(duì)將連梁保險(xiǎn)絲安裝在結(jié)構(gòu)上之后抗震性能的研究甚少，也就是對(duì)帶可更換連梁的整體結(jié)構(gòu)的抗震性能研究很少，針對(duì)安裝可更換連梁的超高層結(jié)構(gòu)的抗震性能研究則更少。因此，本文主要將作者開(kāi)發(fā)的一種可更換連梁安裝在一個(gè)超高層Benchmark模型中，對(duì)帶可更換連梁的結(jié)構(gòu)和帶傳統(tǒng)連梁的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行抗震性能比較分析。

1　可更換連梁的實(shí)用設(shè)計(jì)方法

根據(jù)之前的相關(guān)研究[13-14]，提出了可更換連梁的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，其實(shí)質(zhì)為傳統(tǒng)連梁和可更換連梁能夠?qū)χ峁┫嗤募s束彎矩，但二者的屈服機(jī)制是不同的。傳統(tǒng)連梁跨高比較小，連梁受彎縱筋屈服以后，幾乎還都發(fā)生了剪切破壞，這是由于混凝土的剪切變形超過(guò)了混凝土變形極限而出現(xiàn)的剪壞，箍筋并未充分發(fā)揮作用。可更換連梁的非屈服段的抗剪承載力通過(guò)乘以放大系數(shù)予以增強(qiáng)，而保險(xiǎn)絲的抗剪承載力不變，保險(xiǎn)絲可以提前屈服耗能，而非屈服段保持完好。設(shè)計(jì)的基本原則是設(shè)置可更換連梁的新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在小震彈性作用下應(yīng)該具有基本相等的抗側(cè)剛度，即新型結(jié)構(gòu)也應(yīng)滿足相應(yīng)的層間位移角限值要求，然后使可更換連梁的保險(xiǎn)絲在大震下具有足夠的延性和耗能能力，可更換連梁的非屈服段在大震下基本保持完好，破壞集中在連梁保險(xiǎn)絲，便于震后修復(fù)更換。詳細(xì)的可更換連梁的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1　新型可更換連梁的設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Design flow chart of new replaceable coupling beams

文獻(xiàn)[15]提出了3種可更換連梁保險(xiǎn)絲，即腹板削弱的工字型截面低屈服點(diǎn)鋼連梁保險(xiǎn)絲、圓鋼管灌鉛連梁保險(xiǎn)絲以及雙層鋼腹板內(nèi)灌鉛的連梁保險(xiǎn)絲，其中圓鋼管灌鉛連梁保險(xiǎn)絲適合用于跨高比較大的連梁，另外兩種適合用于小跨高比連梁，三種保險(xiǎn)絲的詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果可參考文獻(xiàn)[15]。通過(guò)對(duì)這3種可更換連梁保險(xiǎn)絲進(jìn)行抗震性能研究發(fā)現(xiàn)，雙層鋼腹板內(nèi)灌鉛的連梁保險(xiǎn)絲抗震性能相對(duì)最優(yōu)，其滯回曲線穩(wěn)定飽滿，骨架曲線的下降段平緩，延性系數(shù)大，剪切變形能力強(qiáng)，耗能能力強(qiáng)，強(qiáng)度退化小，抗疲勞性能強(qiáng)，適合在可更換連梁中使用。因此，這里將該種類(lèi)型的保險(xiǎn)絲安裝在模型連梁中部，研究整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2　設(shè)計(jì)算例

通過(guò)一標(biāo)準(zhǔn)的超高層Benchmark模型，將其中的部分連梁替換成可更換連梁。該Benchmark模型的基本參數(shù)如下所示。

(1) 結(jié)構(gòu)底層層高6 m，其余層層高4.5 m，共50層，總高226.5 m，結(jié)構(gòu)高寬比為4.72。

(2) RC核心筒-SRC框架結(jié)構(gòu)體系，核心筒高寬比9.44。

(3) SRC柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，鋼材等級(jí)Q345。

(4) 梁鋼材等級(jí)Q345。

(5) 組合樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35。

(6) 恒載：5 kN/m2；活載：2 kN/m2。

(7) 8度(0.2 g)，第一組，III 類(lèi)場(chǎng)地土，Tg=0.45 s。

(8) 基本風(fēng)壓：0.55 kN/m2，場(chǎng)地粗糙類(lèi)型C。

(9) LL1，LL2截面高度為800 mm，截面寬度與墻厚相同。

結(jié)構(gòu)的平面布置如圖2所示。為了敘述方便，對(duì)帶有傳統(tǒng)連梁的超高層Benchmark模型簡(jiǎn)稱(chēng)為CBM(Conventional Benchmark Model)，對(duì)帶有新型可更換連梁的超高層Benchmark模型簡(jiǎn)稱(chēng)為NBM(New Benchmark Model)。

根據(jù)可更換連梁的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，將超高層框架-核心筒的部分連梁等代成新型可更換連梁。等代的原則是首先需要確定將哪些位置的連梁等代成可更換連梁。這是非常重要的一步。這里采取的方法是直接根據(jù)連梁的受力大小進(jìn)行判斷選擇，這種方法相比一些間接的方法可靠性更高。通常連梁受力較大樓層的層間位移角也較大，但二者也不是絕對(duì)不變的，因此直接通過(guò)連梁的受力大小判斷會(huì)更準(zhǔn)確。通過(guò)連梁的轉(zhuǎn)角大小選擇可更換連梁也是一個(gè)可行的方法，但前提條件是連梁的轉(zhuǎn)角較易得到，但實(shí)質(zhì)上這也是一種間接的方法。

因此首先對(duì)CBM結(jié)構(gòu)正交的兩個(gè)方向分別作八度小震的反應(yīng)譜分析，根據(jù)反應(yīng)譜分析的結(jié)果，經(jīng)過(guò)仔細(xì)比較發(fā)現(xiàn)，第11層到30層之間兩個(gè)方向的連梁應(yīng)力和應(yīng)變都較大。因此，考慮到更換數(shù)量的大小及經(jīng)濟(jì)性，對(duì)11層到30層之間所有x方向的連梁進(jìn)行了更換，每層10根，共計(jì)200根；對(duì)11層到30層之間y方向中部的兩排連梁進(jìn)行更換，每層14根，共計(jì)280根(替換的連梁如圖3所示)。因此，最終一共有480根傳統(tǒng)連梁被更換成可更換連梁?？傊_定所需更換的連梁是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，也是一個(gè)優(yōu)化的過(guò)程，本文限于研究的重點(diǎn)不是可更換連梁布置位置的優(yōu)化，因此對(duì)這個(gè)問(wèn)題不做進(jìn)一步深入討論。

圖2　結(jié)構(gòu)的平面布置圖Fig.2 Typical plan layouts of structure

圖3　替換的可更換連梁Fig.3 Replaceable coupling beams

確定可更換連梁位置后，需要將這些傳統(tǒng)連梁等代成可更換連梁，等代的方法根據(jù)連梁對(duì)墻肢提供相同約束彎矩的方法進(jìn)行等代替換?？筛鼡Q連梁的保險(xiǎn)絲在計(jì)算中考慮其腹板一共包括兩層，一層為鋼腹板，另一層為鉛芯，鋼腹板和鉛芯之間完全耦合，節(jié)點(diǎn)之間無(wú)滑移，連梁剪力由鋼腹板和鉛共同承擔(dān)，連梁的彎矩由鋼翼緣承擔(dān)。經(jīng)過(guò)計(jì)算并考慮一定的安全系數(shù)，保險(xiǎn)絲的長(zhǎng)度對(duì)LL1取2 000 mm，LL2取1 000 mm。保險(xiǎn)絲的橫截面尺寸如表1所示。

表1　保險(xiǎn)絲的尺寸

3　模型建立

模型計(jì)算采用大型商用有限元程序ABAQUS，模型主要的構(gòu)件維度為1維的梁、柱桿件和二維的剪力墻和樓板構(gòu)件，除此之外還有連梁的鋼筋也是一維單元。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本模型的最終單元選擇為鋼框架的鋼梁和型鋼混凝土柱采用B31梁?jiǎn)卧Ｐ椭械募袅蜆前宀捎镁€性、有限薄膜應(yīng)變、減縮積分、四邊形殼單元S4R。剪力墻中的分布鋼筋通過(guò)組合式建模，即通過(guò)定義關(guān)鍵詞*Rebar Layer定義剪力墻中的分布鋼筋。連梁也采用S4R單元，模型建立時(shí)通過(guò)在墻體上開(kāi)洞來(lái)建立連梁?jiǎn)卧B梁縱筋是通過(guò)B31梁?jiǎn)卧獑为?dú)建立，然后與連梁的殼單元耦合在一起的。保險(xiǎn)絲的鋼腹板和鉛芯分別用殼單元模擬，二者耦合在一起。保險(xiǎn)絲的上下翼緣采用B31梁?jiǎn)卧M，B31單元與腹板的S4R單元在對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處完全耦合在一起。梁?jiǎn)卧炷敛牧媳緲?gòu)采用Mander模型[16-17]，并采用文獻(xiàn)[18]作者編制的子程序進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)上述工作，建立的有限元模型如圖4(a)所示。

圖4　結(jié)構(gòu)有限元模型及模態(tài)Fig.4 Structural finite element model and modal result

4　模態(tài)及反應(yīng)譜分析

通過(guò)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)基本動(dòng)力特性。在ABAQUS程序中，提取結(jié)構(gòu)的前60階模態(tài)，經(jīng)比對(duì)后發(fā)現(xiàn)CBM與NBM的模態(tài)振型完全一致，但周期有一定的變化。圖4(b)、(c)、(d)列出了CBM和NBM的前3階振型。兩個(gè)結(jié)構(gòu)的前3階模態(tài)對(duì)比如表2所示。

表2　兩個(gè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)對(duì)比

從表2可知，由于11～30層X(jué)方向的連梁全部替換成了可更換連梁，所以結(jié)構(gòu)的整體剛度有所削弱，第一周期增大了4.25%，Y方向的連梁做了部分替換，周期增大了2.59%，第三振型即扭轉(zhuǎn)振型的周期增大了7.97%?？傮w來(lái)講，由于提出的可更換連梁設(shè)計(jì)方法是一種承載力等效方法，等效后保險(xiǎn)絲的截面尺寸相比原來(lái)的連梁尺寸減小很多，會(huì)一定程度上造成結(jié)構(gòu)的整體剛度削弱。

對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行八度小震的反應(yīng)譜分析，能夠初步發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱層，也能夠初步判斷結(jié)構(gòu)的層間位移角是否滿足規(guī)范要求。值得指出的是在ABAQUS中進(jìn)行反應(yīng)譜分析比較繁瑣，定義譜曲線的關(guān)鍵詞*SPECTRUM在CAE界面操作中不識(shí)別，必須在Input文件中定義好譜曲線后直接提交分析。通過(guò)反應(yīng)譜分析得到兩個(gè)結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的層間位移角曲線如圖5和6所示。

圖5　結(jié)構(gòu)在X方向的層間位移角Fig.5 Inter-story drift angle of structure in the X direction

圖6　結(jié)構(gòu)在Y方向的層間位移角Fig.6 Inter-story drift angle of structure in the Y direction

由圖5和6可知，由于對(duì)11～30層之間X方向的所有連梁進(jìn)行了替換，對(duì)Y方向的部分連梁進(jìn)行了替換，所以11～30層的NBM的層間位移角在X方向和Y方向與CBM相比有所增大。除此之外，NBM的最大層間位移角所在樓層也發(fā)生了變化，CBM在X方向的層間位移角最大樓層在第31層，NBM在X方向的最大層間位移角在第29層；CBM在Y方向的層間位移角最大值在第31～38層，NBM在Y方向的最大層間位移角在第27～31層。

CBM和NBM的層間位移角都滿足規(guī)范要求，最大層間位移角都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1/800；其次，在X方向，1～2層和37～50層的層間位移角NBM小于CBM，在其余層的層間位移角NBM都大于CBM，一共有13層的層間位移角增大超過(guò)了10%，但最大值不超過(guò)12.79%；在Y方向，1～5層和34～50層的層間位移角NBM小于CBM，在其余層的層間位移角NBM都大于CBM，但層間位移角的增大值不超過(guò)9%。因此，總體來(lái)講，X方向的連梁在11～30層全部做了替換，導(dǎo)致剛度削弱，因此層間位移角在11～30層都有所增大，但最大增值不超過(guò)13%，Y方向的連梁在11～30層做了部分替換，層間位移角雖然也增大了，但最大增值小于X方向，不超過(guò)9%?？傊?，在八度小震的彈性反應(yīng)譜分析中，帶有可更換連梁的NBM結(jié)構(gòu)的整體剛度會(huì)有所減小，結(jié)構(gòu)層間位移角會(huì)適當(dāng)增大?？筛鼡Q連梁的主要作用是在大震下耗散地震能量，減輕墻體的損傷，保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，小震下只要滿足規(guī)范相關(guān)要求即可。

5　地震時(shí)程分析

帶有可更換連梁的NBM結(jié)構(gòu)在大震下的反應(yīng)是最為關(guān)心的問(wèn)題，因此對(duì)NBM和CBM結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析，擬從結(jié)構(gòu)的層間位移角、基底剪力，特別是筒體的損傷反應(yīng)來(lái)全面對(duì)比研究?jī)蓚€(gè)結(jié)構(gòu)的損傷破壞情況。

5.1地震波選擇

該超高層結(jié)構(gòu)屬于8度(0.2 g)抗震設(shè)防區(qū)，地震分組為第一組，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地土，特征周期為0.45 s。結(jié)合場(chǎng)地條件和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，選擇5條地震波時(shí)程曲線作為輸入地震波，其中4條地震波來(lái)自PEER強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)庫(kù)[19]，另外一條為汶川波。分析時(shí)地震波均采用雙向輸入，兩個(gè)方向輸入加速度幅值之間的比例關(guān)系為1∶0.85。8度抗震設(shè)防區(qū)域罕遇地震下時(shí)程分析的地震動(dòng)加速度峰值取400 gal，結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的阻尼比取0.05。對(duì)所有的輸入地震波做頻譜分析，并與8度小震的規(guī)范反應(yīng)譜比較的圖形如圖7所示。

圖7　選用地震波反應(yīng)譜及規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜Fig.7 Response spectra of design and selected earthquake records

5.2層間位移角比較

表3列出了兩個(gè)結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值。表中差值百分比的計(jì)算是用NBM層間位移角減去CBM層間位移角的差值與CBM層間位移角之比乘以100%后得到的，所以差值百分比的正值表示NBM層間位移角大于CBM層間位移角，反之則相反。

由表3可知在汶川波作用下NBM層間位移角在兩個(gè)方向都大于CBM，El Centro波作用下，NBM層間位移角在X方向大于CBM，在FOR波作用下，NBM層間位移角在Y方向大于CBM；除此之外，NBM的層間位移角均小于CBM，特別是在H-E10波和Takatori波作用下，層間位移角控制效果顯著。主要原因在于，汶川波的長(zhǎng)周期反應(yīng)較小，11～30層的可更換連梁的耗能能力得不到充分發(fā)揮，剛度的減小起了主導(dǎo)作用，因此在汶川波的作用下NBM的層間位移角反而大于CBM。反之，在H-E10波和Takatori波作用下，由于這兩條波的長(zhǎng)周期反應(yīng)很大，所以盡管NBM的結(jié)構(gòu)剛度小于CBM，但可更換連梁的耗能起了主導(dǎo)作用，所以層間位移角反而得到了有效控制。因此，結(jié)構(gòu)所遭受的地震越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)越大，可更換連梁的耗能性能越能得到充分發(fā)揮，振動(dòng)控制效果越好。

表3　結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值比較

圖8　X向平均層間位移角Fig.8 Average inter-story drift angle in X direction

圖8、9表示在5條地震波作用下兩個(gè)結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的最大層間位移角平均值。首先兩個(gè)結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主向的平均層間位移角都小于1/100，滿足規(guī)范的要求。其次，從整體趨勢(shì)來(lái)看，在X方向NBM的層間位移角小于CBM，其最大值比CBM小2.6%；在Y方向，11～32層的層間位移角NBM大于CBM，其余層的NBM小于CBM，其最大值比CBM小2.82%。因此，帶有可更換連梁的NBM結(jié)構(gòu)的層間位移角在兩個(gè)方向都小于CBM結(jié)構(gòu)，但層間位移角控制效果一般，這說(shuō)明可更換連梁雖然能增強(qiáng)連梁的耗能能力，但可能由于其剛度小于傳統(tǒng)連梁，所以對(duì)層間位移角的控制效果不夠顯著。

圖9　Y向平均層間位移角Fig.9 Average inter-story drift angle in Y direction

5.3結(jié)構(gòu)基底反力分析

表4進(jìn)一步列出了在5條地震波的作用下兩個(gè)結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的最大基底剪力，并以CBM結(jié)構(gòu)的最大基底剪力為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)的基底剪力求了差值百分比。由表4可知，大多數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)的基底剪力還是能夠得到一定程度的減輕，但減輕的百分比不超過(guò)7%，在有些情況下結(jié)構(gòu)的基底剪力也會(huì)增大。總體而言，附加可更換連梁后結(jié)構(gòu)的基底剪力相比原結(jié)構(gòu)并沒(méi)有大的變化，可更換連梁對(duì)結(jié)構(gòu)基底剪力的控制效果甚微。

表4　結(jié)構(gòu)的基底剪力最大值比較

5.4結(jié)構(gòu)損傷分析

考察比較兩個(gè)結(jié)構(gòu)的損傷情況，分別對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)剪力墻損傷和連梁損傷進(jìn)行比較，這得益于在ABAQUS程序中采用混凝土損傷本構(gòu)可以定義結(jié)構(gòu)的受拉損傷變量和受壓損傷變量，因此這里通過(guò)這兩個(gè)指標(biāo)的比較來(lái)考察兩個(gè)結(jié)構(gòu)的損傷情況。除此之外，還將通過(guò)保險(xiǎn)絲的等效塑性應(yīng)變來(lái)考察保險(xiǎn)絲的性能?；炷恋氖軌簱p傷因子及受拉損傷因子的定義參考文獻(xiàn)[20-21]。

考慮到剪力墻一般腳部和層間位移角較大的部位損傷較嚴(yán)重，但在這里僅列出在FOR波作用下，兩個(gè)結(jié)構(gòu)在1～5層筒體外墻的損傷狀況，包括墻體的受壓損傷變量(DAMAGEC)和受拉損傷變量(DAMAGET)，如圖10所示。所有地震波作用下結(jié)構(gòu)的損傷控制效果見(jiàn)表5所示，其中損傷系數(shù)的計(jì)算是以CBM結(jié)構(gòu)的損傷值為基準(zhǔn)的。所以，損傷控制系數(shù)為正值表示NBM的損傷大于CBM，否則反之。

圖10　FOR波作用下兩個(gè)結(jié)構(gòu)墻體損傷比較Fig.10 Comparison of wall damage under FORearthquake waves

表5　損傷控制效果

從表5中可知，帶有可更換連梁的NBM結(jié)構(gòu)的損傷程度較輕，特別是在1～5層，有較明顯的控制效果；在31～40層，由于這部分樓層的層間位移角最大，所以這部分樓層的損傷比較嚴(yán)重，但NBM的損傷程度仍然輕于CBM結(jié)構(gòu)。

5.5連梁損傷分析比較

可更換連梁的特點(diǎn)就是使連梁的塑性變形主要集中在連梁保險(xiǎn)絲，這有利于震后對(duì)保險(xiǎn)絲進(jìn)行更換，圖11顯示了CBM和NBM結(jié)構(gòu)在El Centro波的作用下，可更換連梁和傳統(tǒng)連梁的等效塑性應(yīng)變圖。從圖可知，新型可更換連梁的屈服區(qū)集中在保險(xiǎn)絲，非屈服段基本保持彈性；傳統(tǒng)連梁的各部分都進(jìn)入了塑性，不利于震后的維修加固。

比較在NBM結(jié)構(gòu)中新型可更換連梁的非屈服段和傳統(tǒng)連梁的受壓損傷如圖12所示，傳統(tǒng)連梁的受壓損傷比較嚴(yán)重，而新型可更換連梁的損傷較輕?？傊?，新型可更換連梁能夠?qū)⑶课患性谶B梁跨中的保險(xiǎn)絲上，使非屈服段保持基本完好，這有利于震后僅對(duì)受損的保險(xiǎn)絲進(jìn)行更換。綜上所述，可知提出的實(shí)用設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)目的，使保險(xiǎn)絲屈服耗能，保護(hù)其余部分的安全，并有利于震后更換。

圖11　兩種不同結(jié)構(gòu)連梁的等效塑性應(yīng)變Fig．11Equivalentplasticstrainofcouplingbeamsintwodifferentstructures圖12　新型可更換連梁與傳統(tǒng)連梁的損傷比較Fig．12Damagecomparisonofnewreplaceablecouplingbeamsandconventionalcouplingbeams

6　結(jié)　論

本文的主要工作是基于一超高層Benchmark模型，根據(jù)前述的可更換連梁實(shí)用設(shè)計(jì)方法，將模型中的部分連梁替換成可更換連梁，在ABAQUS有限元程序中建立了兩個(gè)分析模型，即帶有傳統(tǒng)連梁的結(jié)構(gòu)模型CBM和帶有部分可更換連梁的結(jié)構(gòu)模型NBM，通過(guò)對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和多條地震波時(shí)程分析計(jì)算，得出以下初步結(jié)論。

(1) 模態(tài)分析表明，將部分傳統(tǒng)連梁替換成可更換連梁后雖會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度削弱，但削弱不大，替換后NBM的第一周期增大了4.25%，第二周期增大了2.59%，第三周期即扭轉(zhuǎn)周期增大了7.97%。雖然結(jié)構(gòu)周期有所增大，但兩個(gè)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)模態(tài)完全一致，表明可更換連梁對(duì)結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性改變不大。

(2) 小震反應(yīng)譜分析表明，帶有可更換連梁的NBM結(jié)構(gòu)的整體剛度會(huì)有所減小，結(jié)構(gòu)層間位移角會(huì)適當(dāng)增大，但NBM結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的最大層間位移角相比CBM結(jié)構(gòu)增大值不超過(guò)13%，能夠滿足規(guī)范要求。

(3) 大震下地震時(shí)程分析表明，帶有可更換連梁的NBM結(jié)構(gòu)的層間位移角在兩個(gè)主向都有所減小，有一定控制效果，但效果并不顯著；對(duì)兩個(gè)結(jié)構(gòu)的基底反力分析可知，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的基底反力基本一致，變化很??；對(duì)墻體的損傷分析表明，設(shè)置可更換連梁的NBM結(jié)構(gòu)的墻體損傷相對(duì)較輕；對(duì)連梁的分析表明，可更換連梁能夠?qū)⑶^(qū)域集中在保險(xiǎn)絲上，使非屈服段保持基本完好，有利于強(qiáng)震后更換或維護(hù)，而傳統(tǒng)連梁的損傷較嚴(yán)重，難以更換或維護(hù)。

(4) 根據(jù)提出的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，將部分傳統(tǒng)連梁替換成可更換連梁后，結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)稍有下降，但整體動(dòng)力特性改變不大，小震時(shí)層間位移角可能會(huì)有所增大，但能夠滿足規(guī)范要求，大震時(shí)層間位移角會(huì)有所減小，結(jié)構(gòu)的墻體損傷也會(huì)有所減輕，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化很小，可更換連梁能夠?qū)⑦B梁的屈服區(qū)域集中在保險(xiǎn)絲，有利于震后修復(fù)更換，這是可更換連梁的主要優(yōu)勢(shì)。

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Seismic performance of a super tall structure with replaceable coupling beams

CHEN Yun1,2, LU Xi-lin1, JIANG Huan-jun1

(1. State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

Recently, the concept of providing fuses in a coupling beam of shear walls has been introduced and developed. The fuse is used to dissipate seismic energy and is easy to be replaced in the post-earthquake event. Based on previouly proposed practical design methods of replaceable coupling beams, a super tall benchmark model installed with replaceable coupling beams was established by the name of NBM, and the same model but with conventional coupling beams was also established by the name of CBM. Through the comparison of inter-story drift angle, reaction force and damage state between the two models under rare earthquakes, it is found that the inter-story drift angle and damage by the NBM model are less than those by the CBM model. In addition, the reaction forces by the two models are similar. Moreover, the damage of the replaceable coupling beams concentrates at fuses. While other parts of replaceable coupling beams kept intact, it is convenient to replace damaged fuses after earthquakes.

replaceable coupling beam; shear walls; super tall buildings; inter-story drift angle; structural damage

國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際合作研究項(xiàng)目(51261120377)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAJ13B02); 國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目(91315301-4);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408170);海南大學(xué)中西部計(jì)劃學(xué)科重點(diǎn)領(lǐng)域建設(shè)項(xiàng)目；海南大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目(kyqd1401)；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(514208)

2013-11-08修改稿收到日期：2014-05-29

陳云 男，博士，1980年生

呂西林 男，教授，博士生導(dǎo)師，1955年生

TU375;P315.952

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.09.001