劉成清， 段蘇栗， 方登甲， 夏春蘭

(1 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031；2 四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 成都 611230)

0 引言

高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較大，已有研究表明其延性較差[1-2]，在地震作用下的水平側(cè)向位移較小，從受力變形開始至脆性破壞，沒有明顯的現(xiàn)象予以提示結(jié)構(gòu)破壞或結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌[3]。由于高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)特殊的受力性能，其已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的高層建筑結(jié)構(gòu)對(duì)象之一。研究?jī)?nèi)容涵蓋了該類結(jié)構(gòu)體系的基本力學(xué)性能，其中，大多從結(jié)構(gòu)斜柱角度、高寬比、幾何形狀、結(jié)構(gòu)平面布置、有無角柱[4]等方面展開研究。部分學(xué)者還對(duì)復(fù)雜的梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能開展了相關(guān)研究[5-8]。此外，還有部分結(jié)合具體工程案例的研究，如廣州西塔、新央視大樓等項(xiàng)目[9-10]。目前，關(guān)于影響高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)延性性能的因素還有待深入研究，高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的延性也是亟待解決的問題之一。通常延性結(jié)構(gòu)在發(fā)生破壞時(shí)，承載力在沒有顯著降低的情況下，歷經(jīng)較大的非線性彈塑性變形之后才發(fā)生破壞，在到達(dá)極限承載力前能出現(xiàn)明顯的預(yù)警。而延性好的結(jié)構(gòu)，在發(fā)生塑性變形時(shí)，可以充分耗散能量，盡管結(jié)構(gòu)變形會(huì)加大，但結(jié)構(gòu)的承載力在短期不會(huì)突然下降[11]。采取延性設(shè)計(jì)，可以預(yù)防構(gòu)件在地震作用下提前破壞，避免結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)預(yù)料之外的破壞。

本文針對(duì)影響高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)延性的斜柱軸壓比、斜柱徑厚比、結(jié)構(gòu)高寬比以及是否設(shè)置屈曲約束支撐等因素，來研究其對(duì)結(jié)構(gòu)延性及抗震性能的影響。

1 高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制

1.1 高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)延性定義

已有文獻(xiàn)[12]研究表明，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系的延性較差。結(jié)構(gòu)延性通常是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在發(fā)生屈服后，整體結(jié)構(gòu)在沒有發(fā)生明顯破壞之前，結(jié)構(gòu)的最大塑性變形能力。延性差的結(jié)構(gòu)，在地震動(dòng)作用下需要足夠的承載力，而這將以耗費(fèi)更多材料為代價(jià)，經(jīng)濟(jì)性很差[13]。此外，延性較好的結(jié)構(gòu)，往往會(huì)在經(jīng)歷較大的塑性變形發(fā)展后才會(huì)發(fā)生破壞。高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)通常較高，斜柱截面在正常使用狀態(tài)下承受軸力、彎距、剪力等多種內(nèi)力的組合作用，且存在明顯的剪力滯后效應(yīng)，再加之其較強(qiáng)抗側(cè)剛度，側(cè)向變形能力差。且高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)破壞前構(gòu)件的承載力迅速下降，水平側(cè)向變形較小，屬于脆性破壞。脆性破壞往往缺乏明顯的破壞前兆，一旦發(fā)生就容易造成較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)μ定義為結(jié)構(gòu)極限位移與結(jié)構(gòu)屈服位移之比[13]：

(1)

式中：Δmax為結(jié)構(gòu)極限位移，為圖1中曲線終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值；Δy為結(jié)構(gòu)屈服位移，為圖1中理想雙曲線斜率出現(xiàn)改變時(shí)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值。

通過等能量原則[14](即使得基底剪力-頂點(diǎn)位移真實(shí)曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積與簡(jiǎn)化后的二折線圍成的面積相等)可以找到基底剪力-頂點(diǎn)位移真實(shí)曲線的第一段曲線的初始斜率。屈服位移點(diǎn)的斜率，可以通過MATLAB程序找到，繼而確定結(jié)構(gòu)的屈服位移Δy。運(yùn)用上述原理，對(duì)高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析可以得到結(jié)構(gòu)的極限位移和屈服位移，繼而得到其延性系數(shù)。延性系數(shù)越大說明高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的延性越大。

1.2 高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型

本文參考某實(shí)際工程建立了結(jié)構(gòu)總高度為192m的高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型(簡(jiǎn)稱模型1)，如圖2所示，以研究各參數(shù)對(duì)延性性能的影響。層高均為4m，共48層，平面尺寸為36m×36m。抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，設(shè)計(jì)分組為第二組，Ⅱ類場(chǎng)地，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。其中，斜柱鋼管內(nèi)混凝土、連梁混凝土和剪力墻混凝土的強(qiáng)度等級(jí)均為C60，斜柱外鋼管、環(huán)梁和連系梁均采用Q345鋼；樓板采用C30混凝土，厚度為120mm，假定為剛性樓板。結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件具體規(guī)格如表1所示。利用有限元軟件SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行彈塑性分析。荷載組合?。?.2恒載+0.6活載+1.3地震作用+0.2風(fēng)荷載，彈性分析阻尼比取0.04，結(jié)構(gòu)基本周期為4.36s。

表1

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

1.3 構(gòu)件屈服順序

結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服順序可以反映結(jié)構(gòu)失效機(jī)制，結(jié)合基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線(圖3)說明構(gòu)件的屈服順序：1)圖3中的原點(diǎn)為結(jié)構(gòu)開始推覆的時(shí)刻；2)A點(diǎn)為連梁屈服的時(shí)刻，該連梁布置的方向與加載方向一致，隨后此屈服連梁的荷載開始向周圍連梁傳遞，連梁端部逐漸受彎進(jìn)入塑性，導(dǎo)致剪力墻核心筒的整體剛度下降，內(nèi)外筒之間剪力重新分配，外筒承擔(dān)的剪力逐漸增大；3)推覆至B點(diǎn)時(shí)，外筒斜柱發(fā)生屈服，該受拉屈服斜柱位于腹板立面角部，由于斜柱中三向受壓混凝土變形仍在發(fā)展，鋼管對(duì)內(nèi)部核心混凝土的套箍作用加強(qiáng)，該斜柱還具有一定的承載力；4)推覆至C點(diǎn)時(shí)，腹部角部斜柱達(dá)到強(qiáng)度退化點(diǎn)，同時(shí)受拉、受壓翼緣立面斜柱開始屈服，由于屈服斜柱會(huì)將其承載力傳遞給周圍斜柱，故周圍斜柱會(huì)迅速達(dá)到屈服狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開始迅速變形失去穩(wěn)定承載力，推覆過程至此結(jié)束。高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的構(gòu)件屈服順序?yàn)橄冗B梁后斜柱，其余構(gòu)件基本保持線彈性。此外，值得注意的是，外筒斜柱的屈服先于內(nèi)筒剪力墻，這與常規(guī)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)體系中構(gòu)件的屈服順序不同，這也是斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)比常規(guī)筒體結(jié)構(gòu)延性低的主要原因之一。

圖3 結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線

1.4 斜柱破壞方式

由彈塑性過程中構(gòu)件的屈服順序可知，外筒斜柱的塑性鉸先于內(nèi)筒剪力墻出現(xiàn)。由于結(jié)構(gòu)所受的側(cè)向荷載作用大部分轉(zhuǎn)化為斜柱的軸力，使得斜柱成為關(guān)鍵構(gòu)件，直接決定了整體結(jié)構(gòu)的彈塑性發(fā)展及延性性能。選取腹部立面底層的受壓斜柱，計(jì)算其截面的抗彎和抗壓軸力，再提取模型中該典型斜柱的內(nèi)力。將模型計(jì)算結(jié)果的斜柱截面內(nèi)力與抗力進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，斜柱達(dá)到極限承載力主要是由軸力引起，彎矩對(duì)斜柱的屈服影響程度很小。在側(cè)向荷載作用下斜柱表現(xiàn)為軸向拉壓屈服，這一受力特性決定了斜柱的彈塑性伸縮變形能力非常有限，這也是斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的延性比框架-筒體結(jié)構(gòu)差的主要原因。

底層典型斜柱內(nèi)力 表2

1.5 結(jié)構(gòu)整體失效路徑

圖4為內(nèi)筒連梁失效路徑。在彈塑性分析過程中，平行于推覆方向布置的結(jié)構(gòu)底部連梁首先出現(xiàn)塑性鉸，并逐漸向內(nèi)筒結(jié)構(gòu)上部發(fā)展，最后逐漸延伸至整個(gè)內(nèi)筒的所有連梁，并繼而延伸至其他兩個(gè)立面的連梁。由圖4可以看出，推覆至最后階段時(shí)，已有40%的連梁塑性鉸達(dá)到極限狀態(tài)，開始出現(xiàn)破壞。

圖4 內(nèi)筒連梁失效路徑

腹板立面斜柱失效路徑見圖5。由圖5可以看出，隨著彈塑性推覆的進(jìn)行，外筒腹板立面角部斜柱在外荷載作用下，截面的軸向拉力越來越大，使得角柱先產(chǎn)生部分塑性鉸。由于交叉的斜柱可以直接有效地向上、向下傳遞軸力，相應(yīng)地，塑性鉸隨之向立面各位置延伸。在推覆至最后階段，腹板立面斜柱發(fā)生失效的很少，僅有個(gè)別斜柱失效破壞，大部分斜柱并沒達(dá)到極限承載力。

圖5 腹板立面斜柱失效路徑

翼緣立面斜柱失效路徑如圖6所示。腹板立面斜柱發(fā)生嚴(yán)重變形后，其承擔(dān)的荷載逐漸傳遞至受拉翼緣立面的角柱，使得角柱位置首先出現(xiàn)塑性鉸，并向整個(gè)翼緣立面延伸。而后受壓翼緣立面底部角柱的軸壓增大，進(jìn)而致使翼緣斜柱受壓屈服，最后塑性鉸迅速向整個(gè)立面延伸。由圖6可知，翼緣立面斜柱的損傷程度小于腹板立面斜柱的損傷。綜上可知，結(jié)構(gòu)在水平側(cè)向力作用下，大部分連梁及腹板立面的斜柱發(fā)生嚴(yán)重的損傷，而翼緣立面的斜柱及剪力墻的損傷程度均相對(duì)較小。

圖6 翼緣立面斜柱失效路徑

2 高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)延性影響參數(shù)分析

2.1 斜柱徑厚比對(duì)結(jié)構(gòu)延性影響

高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系的外筒由鋼管混凝土柱和鋼外環(huán)梁組成。鋼管混凝土斜柱中的鋼管對(duì)內(nèi)部核心區(qū)混凝土起到約束作用，鋼管壁厚及斜柱直徑均將對(duì)結(jié)構(gòu)整體的延性有一定的影響。在模型1的基礎(chǔ)上，保持各層鋼管混凝土斜柱直徑D不變，僅改變鋼管壁厚t，分別建立徑厚比D/t為15，20，25和30的4個(gè)模型，并滿足我國(guó)相關(guān)規(guī)定[15]中鋼管徑厚比限值要求，研究不同的徑厚比對(duì)整體結(jié)構(gòu)的延性影響程度。各層鋼管混凝土斜柱直徑和鋼管壁厚見表3。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)，研究具體參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)延性的影響。

不同徑厚比下結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向位移曲線如圖7所示。由圖7可知，初始階段，樓層的側(cè)向位移增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，4條曲線高度重合。從10層開始，D/t=15的結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向位移最大，而D/t=30的結(jié)構(gòu)，其側(cè)向位移最小。徑厚比越大，結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向位移越小。當(dāng)斜柱直徑一定時(shí)，隨著徑厚比增大，核心混凝土的面積隨著鋼管厚度t的減小而增大，結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度增大，使得結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)側(cè)向位移減小。

圖7 不同徑厚比下結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向位移曲線

圖8為不同徑厚比下結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線。從圖8中可以看出，各結(jié)構(gòu)模型在Pushover作用下性能點(diǎn)處的層間位移角都在規(guī)范1/100內(nèi)。當(dāng)D/t=15時(shí)，各結(jié)構(gòu)層間位移角最大；當(dāng)D/t=30時(shí)，各結(jié)構(gòu)層間位移角最小。隨著徑厚比的增大，樓層層間位移角減小。此外，4個(gè)結(jié)構(gòu)模型的樓層最大層間位移角基本都出現(xiàn)在25層左右。

圖8 不同徑厚下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

圖9為不同徑厚比下結(jié)構(gòu)模型的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線。由圖9可知，斜柱徑厚比越小，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的側(cè)向位移就越大，同時(shí)結(jié)構(gòu)的延性也越大。與結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向位移和樓層層間位移角所得出的結(jié)論一致。由前述雙線性等能量簡(jiǎn)化方法找出曲線的屈服點(diǎn)，并計(jì)算不同徑厚比下的延性系數(shù)，結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，斜柱徑厚比越大，結(jié)構(gòu)延性系數(shù)越小。在斜柱直徑保持不變的情況下，徑厚比越大，鋼管壁厚越薄，則內(nèi)部的混凝土面積就越大，結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向剛度也就越大，使得結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移變小，同時(shí)，延性系數(shù)也減小。

圖9 不同徑厚比下結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線

圖10 徑厚比對(duì)結(jié)構(gòu)延性系數(shù)的影響曲線

2.2 斜柱軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)延性的影響

軸壓比是影響結(jié)構(gòu)延性的一個(gè)重要因素之一，通過改變斜柱的軸壓比來研究其對(duì)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的延性影響。在模型1的基礎(chǔ)上，通過對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載，改變斜柱的軸壓比，分別建立3個(gè)斜柱軸壓比為0.5，0.6和0.7的3個(gè)模型，定性探討斜柱軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)的延性影響。

圖11為不同軸壓比下結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向位移曲線。由圖11可以看出，3個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移基本呈線性增長(zhǎng)。樓層的側(cè)向位移隨著軸壓比的增大而減小，當(dāng)軸壓比為0.7時(shí)，樓層側(cè)向位移最小。圖12為不同軸壓比下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線。由圖12可知，層間位移角沿樓層高度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在25層出現(xiàn)最大值。各模型結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值均在1/100之內(nèi)。當(dāng)斜柱軸壓比為0.7時(shí)，結(jié)構(gòu)層間位移角最小，而當(dāng)斜柱軸壓比為0.5時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間位移角最大。隨著軸壓比的增大，結(jié)構(gòu)的層間位移角逐漸減小。

圖11 不同軸壓比下結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向位移曲線

圖12 不同軸壓比下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

圖13為不同軸壓比下結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線。由圖13可知，在推覆初始時(shí)刻，3條曲線基本重合，初始抗側(cè)剛度基本一致。但當(dāng)3個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后，對(duì)應(yīng)的3條曲線出現(xiàn)明顯的分叉。從圖13中還可以看出，當(dāng)斜柱的軸壓比為0.5時(shí)，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和基底剪力最大。隨著軸壓比的增大，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和基底剪力變小。

圖13 不同軸壓比下結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線

軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)延性系數(shù)影響曲線如圖14所示。由圖14可知看出，斜柱軸壓比越大，則結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)越小。其主要原因是斜柱的軸向壓力越大，則軸壓比越大，使得由結(jié)構(gòu)側(cè)向變形引起的附加彎矩增大，致使結(jié)構(gòu)的延性變差，側(cè)向變形性能減弱。高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)不僅承受豎向的恒載和活載，還要承受可能發(fā)生的地震作用，而斜柱軸壓比過大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)延性破壞的能力變?nèi)?，更易發(fā)生趨于脆性的破壞，進(jìn)而可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)迅速發(fā)生連續(xù)性倒塌。此外，文獻(xiàn)[16]分析對(duì)比了我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡(jiǎn)稱抗規(guī))與其他國(guó)家規(guī)范對(duì)軸壓比的限值規(guī)定，發(fā)現(xiàn)抗規(guī)規(guī)定的軸壓比限值偏大，因此，在實(shí)際工程中若按抗規(guī)規(guī)定的限值確定的柱截面可能偏小，使得結(jié)構(gòu)的延性偏于不足。

圖14 軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)延性系數(shù)影響曲線

2.3 結(jié)構(gòu)高寬比對(duì)結(jié)構(gòu)延性影響

高層建筑結(jié)構(gòu)的高度往往是為體現(xiàn)地標(biāo)性建筑所采取的主要措施之一，這就使得高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比越來越大，但結(jié)構(gòu)的高寬比并不是越大或者越小就越好。為了在宏觀上從各方面綜合考慮結(jié)構(gòu)的整體剛度，抗規(guī)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的高寬比做了明確的規(guī)定。因此，研究結(jié)構(gòu)的高寬比對(duì)其延性性能影響是有必要的。在模型1(48層)的基礎(chǔ)上，建立樓層數(shù)為38層、58層的模型，層高均為4m，結(jié)構(gòu)寬度均為36m，38層、48層和58層3個(gè)結(jié)構(gòu)模型所對(duì)應(yīng)的高寬比分別為4.2，5.3和6.4。

圖15為不同高寬比下結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向位移曲線。從圖15中可以看出，3個(gè)模型結(jié)構(gòu)的整體變形趨于一致，隨著樓層層數(shù)的增大，樓層的側(cè)向位移也逐漸增大。3個(gè)模型結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移曲線變化趨勢(shì)基本一致，呈線性變化。高寬比為4.2的結(jié)構(gòu)其樓層側(cè)向位移最小，而高寬比為6.4的結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向位移最大。

圖15 不同高寬比下結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向位移曲線

圖16為不同高寬比下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線。從圖16中可以看出，沿樓層高度方向，層間位移角曲線整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。結(jié)構(gòu)1～10層的層間位移角逐漸增加，10層至頂層的層間位移角反而逐漸減小。

圖16 不同高寬比下結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

采用平均層間位移角分析對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的延性?？梢钥闯?，結(jié)構(gòu)的高寬比越大，結(jié)構(gòu)的平均層間位移角越小，結(jié)構(gòu)的延性越差。

圖17為不同高寬比下的結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線。由圖17可以看出，隨著結(jié)構(gòu)高寬比的增大，結(jié)構(gòu)的基底剪力和頂點(diǎn)位移均增大。由前述的雙線性等能量簡(jiǎn)化方法，可以計(jì)算得到不同高寬比下結(jié)構(gòu)延性系數(shù)，如圖18所示。高寬比為4.2的結(jié)構(gòu)延性系數(shù)最大，而高寬比為6.4的結(jié)構(gòu)延性系數(shù)最小。高寬比越大的結(jié)構(gòu)，其延性系數(shù)越小。這是因?yàn)楦邔挶仍酱?，結(jié)構(gòu)越細(xì)長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)頂部的位移越大，結(jié)構(gòu)也越容易發(fā)生失穩(wěn)，會(huì)影響正常使用狀態(tài)下的舒適性。因此，在經(jīng)濟(jì)條件和建筑形態(tài)允許的前提下應(yīng)該控制結(jié)構(gòu)高寬比。

圖17 不同高寬比下結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線

圖18 高寬比對(duì)結(jié)構(gòu)延性系數(shù)影響曲線

2.4 設(shè)置屈曲約束支撐對(duì)結(jié)構(gòu)延性影響

已有研究結(jié)果表明通過增加斜交網(wǎng)格外筒中斜柱的受壓屈曲平臺(tái)段長(zhǎng)度，可以改善斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體的延性性能。文獻(xiàn)[17]認(rèn)為在斜交網(wǎng)格筒的立面中部設(shè)置屈曲約束支撐，可以在保證結(jié)構(gòu)豎向承載力的前提下，改善結(jié)構(gòu)的抗震延性。通過在結(jié)構(gòu)立面中部設(shè)置屈曲約束支撐改善結(jié)構(gòu)的延性，如圖19(a)所示。因屈曲約束支撐內(nèi)部的芯材為低屈服點(diǎn)鋼材，在軸向外荷載拉壓作用下有著相對(duì)較大的塑性變形，故而可以提高構(gòu)件的塑性耗能。屈曲約束支撐中的芯材一般置于鋼套管中，芯材周圍和鋼套管內(nèi)填塞砂漿，如圖19(b)所示。在模型1的基礎(chǔ)上，建立帶有屈曲約束支撐的CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析二者的延性性能。帶有屈曲約束支撐的CFST斜交網(wǎng)格筒按照FEMA 356[18]設(shè)置塑性鉸，屈曲約束支撐所采用的本構(gòu)關(guān)系如圖20所示。

圖19 采用屈曲約束支撐(BRB)的結(jié)構(gòu)

圖20 屈曲約束支撐塑性鉸P-Δ曲線

帶屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向位移對(duì)比曲線如圖21所示。由圖21可以看出，隨著樓層數(shù)的增加，兩種結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移均不斷增加。帶屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移增長(zhǎng)幅度較普通結(jié)構(gòu)緩慢，但是其樓層側(cè)向位移明顯大于普通結(jié)構(gòu)。由此說明CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)設(shè)置屈曲約束支撐后延性大幅提高。同時(shí)，由圖22可知，帶屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的層間位移角明顯大于普通結(jié)構(gòu)。底層至15層之間，結(jié)構(gòu)的層間位移角急劇增大，15層之后層間位移角增長(zhǎng)緩慢，最大層間位移角出現(xiàn)在25層左右。

圖21 兩種結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向位移對(duì)比曲線

圖22 兩種結(jié)構(gòu)層間位移角對(duì)比曲線

圖23為帶屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線。因設(shè)置屈曲約束支撐構(gòu)件是考慮為了增長(zhǎng)構(gòu)件的受壓屈曲的屈服段長(zhǎng)度和屈服承載力，所以在起初階段兩結(jié)構(gòu)的曲線幾乎重復(fù)。帶屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的受剪承載力、頂點(diǎn)位移以及結(jié)構(gòu)的整體延性都有了很明顯的提高。普通結(jié)構(gòu)斜柱在出現(xiàn)塑性鉸之后，迅速失去承載力，而帶屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的承載力不但沒有下降，反而有一段平臺(tái)段和上升段，表現(xiàn)出較好的變形性能和抗震延性，可以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生不可預(yù)計(jì)的脆性破壞。

圖23 兩種結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線

通過雙線性等能量簡(jiǎn)化方法，計(jì)算可得出帶屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)分別為7.46和3.90。帶屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)明顯大于普通結(jié)構(gòu)，其主要原因在于，在水平荷載作用下，屈曲約束支撐的鋼芯和砂漿的接觸點(diǎn)會(huì)大大增多，使得芯材進(jìn)入高階屈曲模式，其受力狀態(tài)近似保持軸向受力狀態(tài)。在最初設(shè)定的模式下，屈曲約束支撐的受拉承載力和受壓承載力基本保持一致。故而在承受壓力時(shí)，屈曲約束支撐能夠完全達(dá)到屈服狀態(tài)，這一特性能使整體結(jié)構(gòu)的延性大大提高。

帶屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)的塑性鉸最開始均出現(xiàn)于屈曲約束支撐，結(jié)構(gòu)在達(dá)到受剪承載力時(shí)，屈曲約束支撐的塑性鉸已沿結(jié)構(gòu)立面發(fā)生普遍延伸，塑性鉸主要集中于立面的中部屈曲約束支撐以及底部樓層的普通斜柱。在立面布置形式上，屈曲約束支撐應(yīng)斜向交叉成對(duì)布置。同時(shí)，為了考慮工程經(jīng)濟(jì)適用性，在實(shí)際工程中，可以采取只在立面局部區(qū)域或者樓層跳躍間隔布置屈曲約束支撐的形式。

3 結(jié)論

(1)高層CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服順序?yàn)橄冗B梁后斜柱。彎矩對(duì)斜柱屈服的影響較小，斜柱達(dá)到極限承載力主要由軸力引起。外筒斜柱屈服先于核心筒剪力墻的屈服，這也是斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)比常規(guī)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)延性較低的原因之一。

(2)保持所有結(jié)構(gòu)模型的斜柱直徑一致，斜柱徑厚比越大，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和層間位移角越小，延性系數(shù)越小。

(3)斜柱軸壓比越大，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和層間位移角越小，延性系數(shù)越小。

(4)高寬比越大的結(jié)構(gòu)，其側(cè)向位移越大，平均層間位移角越小，延性系數(shù)也越小，在滿足適宜的工程造價(jià)和建筑形態(tài)前提下應(yīng)控制結(jié)構(gòu)高寬比。

(5)設(shè)置屈曲約束支撐可以大大提高CFST斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的延性，考慮工程經(jīng)濟(jì)適用性，在實(shí)際工程中，可以采取只在立面局部區(qū)域或者樓層跳躍間隔布置屈曲約束支撐的形式。