王寶順　何浩祥　閆維明

摘要： 與基于力、基于位移及基于能量的設(shè)計(jì)方法相比，基于損傷的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法能夠更全面直接地確定或評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能。由于缺乏消能部件附加等效阻尼比與主體結(jié)構(gòu)損傷程度之間的關(guān)系表征，目前基于損傷的減震結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)方法只能通過(guò)消能器設(shè)計(jì)參數(shù)的迭代調(diào)整分析實(shí)現(xiàn)預(yù)期損傷。針對(duì)以上不足，從能量耗散角度剖析了減震結(jié)構(gòu)主體部分損傷機(jī)理，通過(guò)彈塑性耗能差率損傷模型建立減震結(jié)構(gòu)附加等效阻尼比與損傷指數(shù)之間的定量關(guān)系，并提出消能部件在地震動(dòng)下的動(dòng)態(tài)附加等效阻尼比計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上結(jié)合地震易損性分析方法提出面向損傷控制的減震結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計(jì)流程。通過(guò)算例表明阻尼比解析計(jì)算準(zhǔn)確，該流程具有通用簡(jiǎn)便、不需迭代等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⒅黧w結(jié)構(gòu)的損傷程度有效控制至預(yù)期損傷目標(biāo)。該方法也可以兼容基于位移的設(shè)計(jì)方法，且具有更嚴(yán)格的概率統(tǒng)計(jì)意義。

關(guān)鍵詞： 減震結(jié)構(gòu);?損傷控制;?消能部件;?附加阻尼比;?性能設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TU352.11;?TU391 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ???文章編號(hào)： 1004-4523（2022）02-0264-13

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.002

引??言

結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)中的被動(dòng)控制方法是通過(guò)在結(jié)構(gòu)上增設(shè)消能部件，從而提供附加剛度或附加阻尼，以此來(lái)提高結(jié)構(gòu)的減震性能，減輕主體結(jié)構(gòu)損傷并增強(qiáng)其安全性。相關(guān)設(shè)計(jì)方法成為抗震減震領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，相關(guān)研究及工程應(yīng)用已證實(shí)其可行性及有效性^[1?2]。

基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論針對(duì)各級(jí)地震作用水準(zhǔn)將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分為不同等級(jí)，設(shè)計(jì)者根據(jù)結(jié)構(gòu)用途、業(yè)主及使用者的特殊要求，采用合理的抗震性能目標(biāo)和合適的結(jié)構(gòu)抗震措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在各水準(zhǔn)地震下的破壞損失能為業(yè)主選擇和承受?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)方法包括基于力、基于位移、基于能量及基于損傷的設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)無(wú)控結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)研究成果已比較豐富。美國(guó)地震減災(zāi)項(xiàng)目NEHRP提出了直接基于位移的抗震評(píng)估及加固方法^[3]。日本在《建筑標(biāo)準(zhǔn)法》設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提出了基于性能抗震設(shè)計(jì)的構(gòu)架，并成立了技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)健全和推廣基于性能/位移的抗震設(shè)計(jì)方法^[4]。歐洲CEB出版的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)控制彈塑性反應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)概念及規(guī)范的新發(fā)展》給出了用直接基于位移的方法評(píng)估在役結(jié)構(gòu)的抗震性能和進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震加固的具體步驟。中國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范^[5]采用“三水準(zhǔn)、兩階段”的抗震設(shè)計(jì)方法也是基于抗震性能設(shè)計(jì)的目的。

針對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)體系基于性能的減震設(shè)計(jì)方法也開展了一定的研究。由于基于力的設(shè)計(jì)方法不能夠直觀反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞情況，不適用于減震結(jié)構(gòu)體系的性能設(shè)計(jì)?；谖灰婆c基于能量的減震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)方法普遍被人們接受。Lin等^[6]提出了消能減震結(jié)構(gòu)基于位移方法的設(shè)計(jì)流程，該流程對(duì)不同消能部件均適用。李鋼等^[7]對(duì)基于位移方法在黏滯阻尼器減震體系中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)分析，并針對(duì)消能器參數(shù)配置及位移反應(yīng)譜的選用提出了相關(guān)建議。Kim等^[8?9]將能力譜法和直接基于位移的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于設(shè)計(jì)附加黏滯阻尼器和附加約束屈曲支撐結(jié)構(gòu)，并取得了良好的減震效果。Benavent?Climent等^[10]基于優(yōu)化設(shè)計(jì)理論提出了一種安裝阻尼器加固結(jié)構(gòu)的能量設(shè)計(jì)方法。Habibi等^[11]提出了一種適用于不同阻尼器的能量設(shè)計(jì)方法。朱立華等^[12]從能量的角度提出了一種考慮主結(jié)構(gòu)損傷耗能的簡(jiǎn)化抗震設(shè)計(jì)方法。

需要指出的是：基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法是通過(guò)靜力方法去評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能，沒(méi)有充分考慮地震持續(xù)時(shí)間、結(jié)構(gòu)往復(fù)彈塑性變形和累積滯回耗能等因素的影響?；谀芰康脑O(shè)計(jì)方法能夠相對(duì)比較容易地估計(jì)結(jié)構(gòu)的潛在破壞程度，但是目前并沒(méi)有建立被普遍認(rèn)可的破壞狀態(tài)與能量控制參數(shù)之間的關(guān)系，無(wú)法評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)的目的是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和控制結(jié)構(gòu)的損傷，供業(yè)主或使用者方便遴選，因此要求的性能指標(biāo)在力學(xué)和工程上具有嚴(yán)格物理意義且被廣泛接受，雖然力、變形、能量分布規(guī)律確實(shí)能夠表征結(jié)構(gòu)的基本抗震性能，但并不全面且業(yè)主的理解程度和可接受性偏低，而基于損傷的設(shè)計(jì)方法則更為直觀和準(zhǔn)確。此外，損傷指數(shù)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的力、位移、能量等計(jì)算獲得，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震性能的精準(zhǔn)評(píng)估，因此損傷指數(shù)是比其他性能參數(shù)具有更高層次的設(shè)計(jì)參量，所以基于損傷的減震結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計(jì)方法兼容基于位移的設(shè)計(jì)方法，從而自動(dòng)滿足基于位移設(shè)計(jì)方法的變形控制目標(biāo)。此外，對(duì)于消能減震結(jié)構(gòu)而言，很難確保主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震下始終處于彈性無(wú)損狀態(tài)，允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性更為合理和經(jīng)濟(jì)，這更加體現(xiàn)了基于損傷設(shè)計(jì)的必要性。然而，目前基于損傷對(duì)減震結(jié)構(gòu)體系的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)方面的研究較少，尚未確立準(zhǔn)確有效的設(shè)計(jì)流程。劉淼鑫等^[13]雖然提出一種基于損傷性能的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，但是需要進(jìn)行迭代計(jì)算確定能否滿足預(yù)期損傷，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言計(jì)算過(guò)程過(guò)于繁瑣，且消能部件提供的附加等效阻尼比需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)試算選定，因此亟需通過(guò)建立兩者之間的理論關(guān)系來(lái)克服該不足。首先，需要對(duì)結(jié)構(gòu)整體的損傷狀態(tài)進(jìn)行合理準(zhǔn)確的力學(xué)描述。眾多學(xué)者提出了不同的損傷模型，Ghobarah等^[14]提出了以損傷前后兩次推覆分析獲得的剛度比來(lái)評(píng)價(jià)整體損傷的方法。Powell等^[15]提出基于極限延性的損傷指標(biāo)。Fajfar等^[16]提出基于滯回耗能的損傷指標(biāo)。上述損傷模型均不能充分反映結(jié)構(gòu)累積損傷特征和滯回耗能能力，因此研究者普遍應(yīng)用能夠同時(shí)反映位移和能量特性的Park?Ang地震損傷模型^[17]來(lái)評(píng)價(jià)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的損傷程度，但該模型仍然是一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，且其存在機(jī)理不明確、閾值不嚴(yán)格等缺陷。Gosain等、Krawinkler等和Ibarra等也分別提出了基于循環(huán)退化率的損傷模型^[18?20]，但一般只限于構(gòu)件的低周往復(fù)損傷分析，無(wú)法在結(jié)構(gòu)整體的時(shí)程分析中應(yīng)用。基于上述損傷模型的不足，何浩祥等^[21]提出了基于彈塑性耗能差率的地震損傷評(píng)估模型，該模型可以細(xì)致表征結(jié)構(gòu)累計(jì)損傷和滯回耗能能力，并能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的時(shí)變損傷程度，適合進(jìn)一步驗(yàn)證和推廣。

另一方面，等效阻尼比是損傷指數(shù)與損傷耗能之間的紐帶，其取值對(duì)損傷設(shè)計(jì)的精度將產(chǎn)生直接影響。目前等效阻尼比的計(jì)算方法有應(yīng)變能法^[5]、復(fù)模態(tài)計(jì)算法^[22]、強(qiáng)解耦振型分解法^[23]、隨機(jī)減量法^[24]、自由振動(dòng)衰減法^[25]，上述方法理論要求較高、計(jì)算繁瑣，有些存在局限性，如傳統(tǒng)阻尼比是主要適用于速度相關(guān)型阻尼器，對(duì)位移相關(guān)型阻尼器的計(jì)算考慮不足，應(yīng)變能法無(wú)法準(zhǔn)確表征消能部件的時(shí)變減震效果。為此翁大根等^[26]提出了一種基于有效模態(tài)阻尼耗能概念的附加有效阻尼比計(jì)算方法，該方法充分考慮了阻尼比的時(shí)變特性，但是其計(jì)算結(jié)果為地震動(dòng)整個(gè)時(shí)間歷程上的平均附加等效阻尼比，并不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)消能部件的時(shí)變減震效果，可進(jìn)行改進(jìn)和拓展。

此外，盡管諸如位移相關(guān)型阻尼器和速度相關(guān)型阻尼器等不同消能部件的減震機(jī)理不盡相同，但是減震效果需求是相同的，可以通過(guò)明確減震結(jié)構(gòu)主體部分的損傷控制程度來(lái)調(diào)控和協(xié)調(diào)消能部件的設(shè)計(jì)。有鑒于此，本研究通過(guò)彈塑性耗能差率損傷模型建立了減震結(jié)構(gòu)附加等效阻尼比與損傷指數(shù)之間的定量關(guān)系，并對(duì)消能部件在地震動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)附加等效阻尼比進(jìn)行求解，在此基礎(chǔ)上結(jié)合地震易損性分析理論提出了面向損傷控制的減震結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計(jì)流程。研究結(jié)果表明該面向損傷控制的設(shè)計(jì)方法可以退化為基于位移的設(shè)計(jì)方法，且具有準(zhǔn)確有效、通用簡(jiǎn)便、不需迭代計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)χ黧w結(jié)構(gòu)的損傷程度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。6741614D-75DD-44F3-9846-2C292CA3A3AB