黃群賢, 林聰穎, 劉 洋, 黃 軍

(1. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 福建 廈門 361021;2. 華僑大學(xué) 福建省結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)重點實驗室, 福建 廈門 361021;3. 國建華中建設(shè)有限公司, 福建 泉州 362021)

現(xiàn)代城市人員密集,社會財富高度集中。城市一旦遭受嚴(yán)重地震破壞,除了會造成大量的人員傷亡和慘重的財產(chǎn)損失,還會導(dǎo)致城市功能長時間停擺,嚴(yán)重影響城市可持續(xù)發(fā)展和社會的安定。建設(shè)抗震韌性城市,提高城市震災(zāi)抵抗力、適應(yīng)力和恢復(fù)力,確保城市安全和可持續(xù)發(fā)展,成為國內(nèi)外城市防震減災(zāi)領(lǐng)域的共識[1-2]。工程結(jié)構(gòu)作為組成抗震韌性城市重要的基本元素,不僅要具備抵御地震、防止破壞的能力,而且應(yīng)具備震后功能可快速恢復(fù)的能力,即震后不需修復(fù)或稍加修復(fù)即可快速恢復(fù)其使用功能的能力[3],這種結(jié)構(gòu)稱為震后功能可恢復(fù)結(jié)構(gòu)。大量震害調(diào)查顯示,按照現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計建造的建筑物在遭受大震或罕遇地震作用后大多沒有倒塌,能較好實現(xiàn)結(jié)構(gòu)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo),但遭受嚴(yán)重破壞已沒有修復(fù)價值,必須拆除重建,嚴(yán)重影響城市功能震后恢復(fù)。相較傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法,基于功能可恢復(fù)抗震設(shè)計更加關(guān)注強震后結(jié)構(gòu)的性能,也更符合建設(shè)抗震韌性城市的需求,這一思想得到了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛認可。

“功能可恢復(fù)”抗震概念提出以后,迅速引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,開展了卓有成效的研究工作,取得了豐碩的研究成果[4-26],加深了工程界對“功能可恢復(fù)”抗震理念的認識,推動了功能可恢復(fù)技術(shù)和相關(guān)設(shè)計理論的發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者普遍認為,功能可恢復(fù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足強震下結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件應(yīng)不產(chǎn)生損傷或僅產(chǎn)生輕微損傷,耗能構(gòu)件能夠提供穩(wěn)定的耗能能力,且震后易更換或修復(fù),結(jié)構(gòu)殘余變形小等特征。自復(fù)位、可更換、可控搖擺等是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后功能可快速恢復(fù)的重要手段,由于功能可恢復(fù)抗震需考慮的因素更加的綜合,往往需要多種技術(shù)手段綜合使用,以達到預(yù)期的目標(biāo)。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計理論已經(jīng)很難滿足復(fù)雜多變的地震災(zāi)害和多元化的社會需求,研究和建造新型損傷可控、震后功能可快速恢復(fù)的建筑對有效減輕地震災(zāi)害、保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。本文基于強脊機制、損傷控制、可更換、易恢復(fù)等理念,提出一種新型功能可恢復(fù)強脊框架結(jié)構(gòu)體系,可有效減少強震作用下建筑物結(jié)構(gòu)損傷、維修成本和功能恢復(fù)時間,顯著提升建筑震后可恢復(fù)性能。

1 功能可恢復(fù)強脊框架結(jié)構(gòu)體系

1.1 強脊系統(tǒng)概念

強脊系統(tǒng)(strongback system,SBS)在結(jié)構(gòu)中設(shè)置彈性垂直桁架形成強脊機制來約束結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形,有效阻止薄弱層形成機制,提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。SBS工作原理示意如圖1所示。圖1中,Δ為結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形。強脊系統(tǒng)豎向桁架底部可設(shè)為鉸接,也可設(shè)置為具有一定塑性轉(zhuǎn)動變形能力的固接。通過對結(jié)構(gòu)整體變形的控制,強脊系統(tǒng)能調(diào)動整體結(jié)構(gòu)部件的能力儲備,使結(jié)構(gòu)具有更好的承載力和耗能能力。

圖1 強脊系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Operating principle of strongback system

1.2 功能可恢復(fù)強脊框架結(jié)構(gòu)體系

傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)主要依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性變形耗能,耗能能力有限,且損傷往往主要集中在幾個薄弱層,結(jié)構(gòu)殘余變形大,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件一旦發(fā)生過大的塑性變形,修復(fù)代價昂貴且修復(fù)周期長。

已有研究結(jié)果表明,可更換機制和耗能機制為震后功能可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的重要機制。在強脊框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置可更換耗能件,如屈曲約束支撐(buckling-restrained brace, BRB)或金屬剪切阻尼器(metal yield damper, MYD),經(jīng)過合理分級損傷設(shè)計,將耗能件設(shè)計為結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線,有效保護主體結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和震后快速恢復(fù)能力。一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向變形,豎向強脊桁架繞底部支點轉(zhuǎn)動并帶動耗能元件變形耗能,可實現(xiàn)耗能元件的整體效能提升。幾種典型的耗能強脊框架結(jié)構(gòu)布置形式,如圖2所示。

圖2 功能可恢復(fù)強脊框架結(jié)構(gòu)典型布置形式Fig.2 Typical configurations of strongback frame structures

圖2(a)為帶BRB的強脊框架結(jié)構(gòu),可避免傳統(tǒng)耗能支撐層間布置存在的弊端,如耗能支撐屈服后剛度急劇降低,造成進入彈塑性階段部分樓層剛度突變,樓層損傷集中加劇,形成薄弱層破壞機制,殘余變形過大,震后難修復(fù)。此外,由于地震時豎向布置的耗能支撐未能同時屈曲,也影響到耗能支撐的整體效能。

BRB耗能支撐或黏滯阻尼器在強脊框架結(jié)構(gòu)中的布置靈活,耗能件不必沿樓層連續(xù)布置,可集中設(shè)置在底層,見圖2(b)和圖2(c)。強脊系統(tǒng)在框架結(jié)構(gòu)中可有多種布局形式:典型整體型強脊框架結(jié)構(gòu)在底層集中設(shè)置剪切型耗能件,見圖2(d);聯(lián)肢型強脊框架結(jié)構(gòu)在兩豎向強脊桁架間布置剪切型耗能件,見圖2(e)。

帶可更換耗能件的強脊框架結(jié)構(gòu),經(jīng)合理的分級損傷設(shè)計,可確保建筑物在大震后仍可安全居住,損傷結(jié)構(gòu)的修復(fù)僅限于可更換的耗能件和耗能件的局部區(qū)域。即使在強震下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的殘余側(cè)向變形,也可在底層通過對強脊桁架一側(cè)的頂升或張拉來消除,進而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后功能快速恢復(fù)。

2 強脊框架結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析模型

為考察功能可恢復(fù)強脊框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能及震后的可恢復(fù)性能,本文依據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[27]設(shè)計一棟8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模型,記為F8。結(jié)構(gòu)的基本信息如下:每層層高均為3.5 m,結(jié)構(gòu)總高度為28.0 m。框架縱向共8跨,每跨跨度為3.6 m。橫向共3跨,邊跨跨度為6.0 m,中跨跨度為3.0 m。樓板的厚度為100 mm。樓面恒荷載為4.5 kN/m2,活載取值為3.5 kN/m2。結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。結(jié)構(gòu)混凝土強度等級為C30,梁柱縱筋采用HRB400,箍筋采用HPB300?？拐鹪O(shè)防烈度為7度,設(shè)計地震基本加速度為0.15g,場地類別為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第2組,場地特征周期Tg為0.4 s。梁柱的尺寸及配筋如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)框架梁柱尺寸及配筋表Tab.1 Dimensions and reinforcement details of columns and beams

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置圖(mm)Fig.3 Layout of frame structure (mm)

在標(biāo)準(zhǔn)模型F8的基礎(chǔ)上,對結(jié)構(gòu)第2、第5和第8軸的框架進行調(diào)整,形成4個不同結(jié)構(gòu)分析模型,位置詳見圖3中的陰影區(qū)域。各模型的豎向布置如圖4所示。模型F8-B僅在邊跨設(shè)置BRB,為典型的單斜桿中心支撐框架結(jié)構(gòu)。模型SBF8、SBF8-B和SBF8-M為帶強脊的框架結(jié)構(gòu),其中模型SBF8為僅設(shè)置強脊的框架結(jié)構(gòu),模型SBF8-B為設(shè)置BRB的強脊框架結(jié)構(gòu),模型SBF8-M為設(shè)置MYD的聯(lián)肢型強脊框架結(jié)構(gòu)。

圖4 結(jié)構(gòu)豎向布置圖Fig.4 Elevation configuration of structures

豎向強脊桁架為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),強脊桁架水平寬度為2.7 m,跨中豎桿、斜腹桿和水平橫桿截面尺寸均為400 mm×250 mm,配置8根直徑為18 mm的HRB400縱筋,沿截面周邊均勻布置。另一豎桿截面尺寸和配筋與框架柱相同。模型中采用的耗能構(gòu)件BRB和MYD基本力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

本文采用Sap2000軟件對各結(jié)構(gòu)建模并進行非線性靜力彈塑性推覆分析。普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的非線性行為主要通過在構(gòu)件單元設(shè)置塑性鉸來實現(xiàn),其中梁單元設(shè)置M3彎曲鉸,柱單元設(shè)置P-M2-M3耦合鉸。結(jié)構(gòu)模型中耗能構(gòu)件BRB和MYD均采用Plastic-wen連接單元來模擬。按技術(shù)設(shè)想,強脊桁架主要承受軸力且為結(jié)構(gòu)的重要部件,因此強脊桁架的桿件采用Link單元來模擬,并始終處于彈性工作狀態(tài)。

2.2 分析流程

為系統(tǒng)考察結(jié)構(gòu)的整體抗震性能和震后可恢復(fù)性能,本文提出了基于推覆分析的兩階段分析及評價方法,結(jié)構(gòu)兩階段分析流程,如圖5所示。圖5中:V為基底剪力;VA為在性能點A處的基底剪力;ΔA為在性能點A處的頂點側(cè)向變形值;ΔB為在性能點A處卸載至基底剪力為零時的頂點殘余側(cè)向變形值。第一階段考察結(jié)構(gòu)整體抗震性能,通過推覆分析得到結(jié)構(gòu)頂點位移與基底剪力的關(guān)系曲線,然后采用能力譜方法求得結(jié)構(gòu)在7度(0.15g)、8度(0.20g)、8度(0.30g)和9度(0.40g)罕遇地震下的性能點(括號內(nèi)為設(shè)計基本地震加速度值),考察結(jié)構(gòu)在不同性能點下的損傷特征、損傷演化、變形特征和抗震性能等。本文按照FEMA356標(biāo)準(zhǔn)[28]推薦的方法以等比例倒三角形荷載模式對結(jié)構(gòu)進行非線性靜力彈塑性推覆分析,考慮了結(jié)構(gòu)在側(cè)向變形過程中的P-Δ效應(yīng),推覆方向為橫向。

圖5 結(jié)構(gòu)兩階段分析流程Fig.5 Two-stage analysis process

第二階段考察結(jié)構(gòu)的震后可恢復(fù)性能,將第一階段分析得到性能點處的基底剪力以倒三角形荷載模式重新施加到結(jié)構(gòu),然后再反向推覆加載以模擬結(jié)構(gòu)震后的卸載過程,進而得到結(jié)構(gòu)在不同性能點下的殘余變形ΔB,以此來評價結(jié)構(gòu)震后的可恢復(fù)性能。在第二階段分析中,本文采用非線性時程分析來模擬非線性靜力加載和卸載行為,分析中通過設(shè)置小的分析步長來消除結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng),分析步長宜小于10倍的結(jié)構(gòu)基本周期。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 推覆曲線

各模型的推覆全過程曲線,如圖6所示。推覆曲線主要特征點值,如表3所示。

表3 推覆曲線特征點值Tab.3 Characteristic value of pushover curves

圖6 推覆曲線Fig.6 Pushover curves

由圖6和表3可知:

(1) 強脊框架結(jié)構(gòu)水平承載力較普通框架模型F8均有不同程度的提高。普通框架結(jié)構(gòu)的水平承載力主要取決于樓層的承載力,而強脊系統(tǒng)可以調(diào)動結(jié)構(gòu)各樓層的能力來協(xié)同抵抗水平荷載,使結(jié)構(gòu)的水平承載力得到顯著提高。僅設(shè)置強脊的模型SBF8,其水平承載力為普通框架的1.40倍。而帶耗能件BRB和MYD的強脊框架結(jié)構(gòu)模型SBF8-B和SBF8-M其承載力提高幅度更大,分別為普通框架模型F8的2.35倍和1.88倍。模型SBF8-B和F8-B均設(shè)置有相同BRB,帶強脊的模型SBF8-B承載力為模型F8-B的1.44倍,表明強脊系統(tǒng)帶動了各樓層耗能件協(xié)同工作,實現(xiàn)BRB耗能件整體效能的提升。

(2) 豎向強脊系統(tǒng)具有明顯的剛度效應(yīng),能有效抑制各樓層的側(cè)向變形,提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。在各受力階段,強脊框架結(jié)構(gòu)的剛度均大于普通框架。僅設(shè)置強脊的模型SBF8其初始剛度為普通框架模型F8的1.19倍,帶耗能件BRB和MYD的強脊框架結(jié)構(gòu)模型SBF8-B和SBF8-M其初始剛度分別為普通框架模型F8的1.62倍和1.66倍。而僅設(shè)置BRB的模型F8-B其初始剛度為普通框架模型F8的1.38倍。

(3) 普通框架結(jié)構(gòu)與帶強脊框架結(jié)構(gòu)的推覆曲線具有明顯的差異。普通框架結(jié)構(gòu)模型F8的推覆曲線呈現(xiàn)明顯的延性破壞特征,當(dāng)承載力達到峰值后,樓層的集中損傷加劇,剛度嚴(yán)重退化,承載力出現(xiàn)軟化,延性系數(shù)達到3.3。僅設(shè)置BRB的模型F8-B彈塑性后期承載力也出現(xiàn)軟化行為。而強脊框架結(jié)構(gòu)的推覆曲線僅有強化段,承載力未出現(xiàn)軟化,這主要是由于豎向強脊桁架在大震中始終處于彈性狀態(tài),在不同受力階段持續(xù)調(diào)動各樓層的能力儲備來共同抵抗水平荷載。雖然強脊框架結(jié)構(gòu)延性系數(shù)低于普通框架結(jié)構(gòu),模型SBF8、SBF8-B和SBF8-M的延性系數(shù)分別為2.3、1.7和2.0,但其極限變形仍大于普通框架結(jié)構(gòu),模型SBF8、SBF8-B和SBF8-M的極限變形分別為普通框架模型的1.57倍、1.25倍和1.79倍,展現(xiàn)出更好的抗倒塌能力,震后結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性能也更為優(yōu)越。

3.2 性能點

本文按照能力譜的方法確定出各結(jié)構(gòu)模型在7度(0.15g)、8度(0.20g)、8度(0.30g)和9度(0.40g)罕遇地震作用下的性能點,性能點處基底剪力(V)和頂點位移(Δ)值如表4所示,各性能點在推覆曲線中的具體位置,見圖6。由表4和圖6可知:

表4 結(jié)構(gòu)性能點Tab.4 Value of performance points

(1) 除普通框架模型F8在9度罕遇地震作用下沒有性能點,其余結(jié)構(gòu)模型在各地震作用下均有性能點。表明設(shè)置強脊的框架結(jié)構(gòu)抗震性能得到明顯提升,均能抵御9度(0.40g)罕遇地震的作用。

(2) 由于在各受力階段,強脊框架的剛度和承載力均大于普通框架,在相同地震水平作用下,結(jié)構(gòu)承受的地震作用力更大,側(cè)向變形更小,這種情形有利于減小結(jié)構(gòu)的殘余變形,提升結(jié)構(gòu)震后功能的快速恢復(fù)能力。如在8度(0.20g)罕遇地震作用下,與普通框架模型F8相比,強脊框架結(jié)構(gòu)模型SBF8-B和SBF8-M性能點處的頂點位移分別降低了21%和17%,對應(yīng)基底剪力分別提高了65%和46%。與僅設(shè)置強脊的模型SBF8相比,帶BRB耗能件的強脊框架結(jié)構(gòu)模型SBF8-B性能點處的頂點位移降低了18%,對應(yīng)基底剪力提高了44%。

3.3 層間位移集中系數(shù)

為評價豎向強脊桁架對結(jié)構(gòu)整體側(cè)向變形的控制效果,引入層間位移集中系數(shù)(drift concentration factor,DCF)(FDC),其表達式為

(1)

式中:θmax為結(jié)構(gòu)樓層層間位移角的最大值;ur為結(jié)構(gòu)的頂點位移;H為結(jié)構(gòu)的總高度。

由式(1)可知,DCF是評價樓層層間位移角均勻性的指標(biāo),層間位移集中系數(shù)DCF值越接近1,表明結(jié)構(gòu)各樓層的層間位移角越趨于一致,結(jié)構(gòu)整體側(cè)向變形模式控制效果就越好,抵御薄弱層出現(xiàn)和樓層集中損傷的能力也越好。DCF值隨頂點位移變化曲線,如圖7所示。

大學(xué)生承擔(dān)著實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的光榮使命，是未來社會主義事業(yè)的建設(shè)者和骨干力量。提升大學(xué)生的憲法意識，對于我國社會主義法治國家的建設(shè)，社會主義核心價值觀的樹立，社會主義合格公民的培養(yǎng)顯得尤為重要。

圖7 DCF值隨頂點位移變化曲線Fig.7 Variation curoe of DCF value with vertex displacement

由圖7可知:在彈性階段,各模型DCF未出現(xiàn)明顯變化,普通框架模型F8的DCF最大值為1.42,帶強脊結(jié)構(gòu)模型SBF8、SBF8-B和SBF8-M的DCF值依次分別為1.21、1.18和1.19,表明強脊系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向變形模式的控制效果顯著,結(jié)構(gòu)各樓層的層間位移趨于一致。隨著側(cè)向荷載的增加,結(jié)構(gòu)逐步進入彈塑性受力階段,普通框架模型F8和帶BRB框架模型F8-B其DCF值隨位移增加而逐步增大,表明結(jié)構(gòu)樓層集中損傷加劇,使樓層的位移分布出現(xiàn)明顯不均勻。當(dāng)側(cè)向變形大于108 mm時,帶BRB框架模型F8-B其DCF值逐步大于普通框架模型F8。在結(jié)構(gòu)極限點模型F8和模型F8-B的DCF值分別達到2.18和4.37,表明此時結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損傷嚴(yán)重的薄弱層,且單獨設(shè)置阻尼裝置會加劇樓層的損傷集中。

與之相對應(yīng)的是,帶強脊框架結(jié)構(gòu)的DCF值并未出現(xiàn)較大波動,在大變形階段DCF值呈現(xiàn)緩慢下降,這主要是由于主體結(jié)構(gòu)的損傷使得強脊系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)整體側(cè)向變形的控制得到了增強。在結(jié)構(gòu)極限點,模型SBF8、SBF8-B和SBF8-M的DCF值分別為1.14、1.09和1.04,遠小于模型F8和F8-B。

3.4 側(cè)向變形與層間位移角

各結(jié)構(gòu)模型在8度(0.20g)和9度(0.40g)罕遇地震下側(cè)向變形和層間位移角分布,如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知:

圖8 8度(0.20g)罕遇地震下側(cè)向變形與層間位移角Fig.8 Story drift ratios and lateral deformation under rarely earthquake of intensity 8 (0.20g)

圖9 9度(0.40g)罕遇地震下側(cè)向變形與層間位移角Fig.9 Story drift ratios and lateral deformation under rarely earthquake of intensity 9 (0.40g)

(1) 普通框架模型F8和BRB支撐框架模型F8-B側(cè)向變形呈現(xiàn)典型的剪切型變形特征,層間位移角分布不均勻,容易在底部樓層形成薄弱層破壞機制。這種層間位移角不均勻性在彈塑性變形階段表現(xiàn)更為嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)最終發(fā)生薄弱層破壞。在框架結(jié)構(gòu)中僅設(shè)置BRB并未能有效避免結(jié)構(gòu)薄弱層破壞機制的形成。

(2) 對于強脊框架結(jié)構(gòu),由于豎向強脊系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的有效約束,強脊框架結(jié)構(gòu)模型SBF8、SBF8-B和SBF8-M側(cè)向變形沿高度基本呈線性分布特征。對比普通框架模型F8,強脊框架上部樓層的層間位移角變大,下部的層間位移角變小,結(jié)構(gòu)層間位移角分布均勻。結(jié)構(gòu)進入彈塑性受力階段,層間位移角沿高度分布更為均勻,這主要是主體框架損傷導(dǎo)致剛度退化,而豎向強脊桁架仍處在彈性工作狀態(tài),強脊系統(tǒng)對主體結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的控制能力反而增強,進而避免結(jié)構(gòu)薄弱層破壞機制的形成,提升了結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中將豎向強脊桁架設(shè)計成不損壞是很有必要的。

3.5 結(jié)構(gòu)殘余變形

側(cè)向殘余變形是判別結(jié)構(gòu)震后是否可以修復(fù)或繼續(xù)使用的關(guān)鍵性因素,也是評價結(jié)構(gòu)震后功能可恢復(fù)性的重要指標(biāo)。殘余變形越小,結(jié)構(gòu)震后的功能可恢復(fù)性能越好,修復(fù)代價也越低。目前,我國規(guī)范中尚未給出不同功能可恢復(fù)水平結(jié)構(gòu)殘余變形的限值。

周疑等[29]提出了可恢復(fù)功能防震結(jié)構(gòu)的4級設(shè)防目標(biāo),在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)整體最大殘余位移角為1/200,在極罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)整體最大殘余位移角為1/100,如表5所示。Mccormick等[30-31]綜合震后建筑偏差、修復(fù)代價、安全性能、心理因素等提出:當(dāng)結(jié)構(gòu)的殘余位移角達到1/200時,住戶可感知到結(jié)構(gòu)的變形,此時屬于可修復(fù)狀態(tài),修復(fù)代價小于重建;當(dāng)結(jié)構(gòu)的殘余位移角超過1/200時,則修復(fù)代價超過重建;當(dāng)結(jié)構(gòu)的殘余位移角超過1/100時,住戶能感到明顯的結(jié)構(gòu)變形,此時結(jié)構(gòu)要推倒重建。由此可知,地震工程界普遍將殘余位移角1/200作為結(jié)構(gòu)震后功能可恢復(fù)性的重要判別標(biāo)準(zhǔn)。

表5 可恢復(fù)功能防震結(jié)構(gòu)體系殘余位移角限值

為考察結(jié)構(gòu)在不同地震水平作用后的可恢復(fù)性能,通過對結(jié)構(gòu)模型在各性能點處的卸載得到各結(jié)構(gòu)的殘余變形。各結(jié)構(gòu)在8度(0.30g)罕遇地震后的殘余變形和殘余位移角曲線,如圖10所示。

圖10 殘余變形Fig.10 Residual deformation

此外,在8度(0.30g)罕遇地震作用下,帶強脊框架結(jié)構(gòu)模型SBF8、SBF8-B和SBF8-M的側(cè)向殘余變形沿高度基本呈線性關(guān)系,結(jié)構(gòu)各樓層的層間位移角趨于一致。而模型F8和F8-B的殘余變形主要集中在底部樓層,表明強脊的作用使得結(jié)構(gòu)的損傷在各樓層的分布更為均勻。

3.6 塑性鉸分布特征

各結(jié)構(gòu)模型在8度(0.30g)罕遇地震下的塑性鉸下分布,如圖11所示。由圖11可知:

圖11 結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖Fig.11 Distribution of plastic hinges

(1) 普通框架模型F8的塑性鉸沿樓層分布極不均勻,塑性鉸主要集中在底部樓層,底部三層塑性鉸多處于生命安全(life safety,LS)狀態(tài),個別柱子進入防止倒塌(collapse prevention,CP)狀態(tài),表明結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重,呈現(xiàn)明顯的薄弱層破壞機制。模型F8-B的塑性鉸分布規(guī)律與普通框架模型F8相近,底部樓層損傷相對集中,由于BRB的影響,底部樓層的損傷程度較模型F8輕。由于主體結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重,模型F8和F8-B已不具備震后修復(fù)價值。

(2) 強脊框架結(jié)構(gòu)模型SBF8、SBF8-B和SBF8-M,塑性鉸分布沿樓層分布均勻,絕大多數(shù)塑性鉸處于屈服狀態(tài),小部分塑性鉸處于立即使用(immediate occupancy,IO)狀態(tài),主體結(jié)構(gòu)損傷輕微,結(jié)構(gòu)震后可恢復(fù)性能可以得到保證。

3.7 可更換耗能元件

可更換耗能件作為結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在地震中如果能率先屈服起到耗散地震能量,降低結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng),則可減小主體結(jié)構(gòu)的損傷,提升結(jié)構(gòu)震后可恢復(fù)性能。為判別耗能件的工作狀態(tài),定義耗能件發(fā)揮系數(shù)k為耗能元件內(nèi)力與屈服強度的比值,當(dāng)k≥1時,則耗能件處于屈服工作狀態(tài);當(dāng)k<1時,則耗能件處于彈性工作狀態(tài),說明耗能件的耗能能力尚未發(fā)揮。結(jié)構(gòu)在7度(0.15g)和8度(0.30g)罕遇地震作用下各樓層耗能件發(fā)揮系數(shù)k值分布,如圖12所示。

圖12 耗能件發(fā)揮系數(shù)分布圖Fig.12 Efficiency factor of energy dissipation components

由圖12可知:帶強脊框架結(jié)構(gòu)模型SBF8-B和SBF8-M所有可更換耗能件在7度(0.15g)罕遇地震下就已進入屈服工作狀態(tài),k值均大于1,且耗能件的k值沿高度分布均勻,可更換耗能件的整體效能明顯提升,提高了整體結(jié)構(gòu)的耗能能力。對比7度(0.15g)罕遇地震下結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布,主體框架結(jié)構(gòu)僅少數(shù)梁端出現(xiàn)塑性鉸,且處于IO狀態(tài),主體結(jié)構(gòu)損傷輕微,表明可更換耗能件有效控制結(jié)構(gòu)的損傷,震后僅需更換受損耗能件即可恢復(fù)結(jié)構(gòu)功能。反之,F8-B在7度(0.15g)罕遇地震作用下僅設(shè)置在底層的BRB耗能件達到屈服,在8度(0.30g)罕遇地震作用下也僅設(shè)置在底部3個樓層的耗能件達到屈服狀態(tài),耗能件的整體效能未得到充分發(fā)揮。對比7度(0.15g)罕遇地震下主體框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布圖可知,結(jié)構(gòu)損傷主要集中在底部,多數(shù)梁出現(xiàn)塑性鉸,且有部分塑性鉸處于LS狀態(tài),主體結(jié)構(gòu)呈中等程度損傷。由此可知,在強脊框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能件在地震中能起到第一道防線的作用,減小主體結(jié)構(gòu)的損傷,并且由于強脊效應(yīng),耗能件的整體效能得到明顯提升。

此外,SBF8-B的耗能件的k值小于SBF8-M,這主要是由于MYD的屈服強度低于BRB。因此,耗能件的配置量尚應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)和多道防線設(shè)防要求進行精細化的分析。

4 結(jié) 論

(1) 基于強脊機制、損傷控制和可更換等理念,提出新型震后功能可快速恢復(fù)強脊框架結(jié)構(gòu)體系。其中,豎向強脊桁架可有效控制框架結(jié)構(gòu)側(cè)向變形,層間位移角和結(jié)構(gòu)損傷分布均勻,能有效避免薄弱層破壞機制的形成,提升結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。

(2) 強脊系統(tǒng)能可有效調(diào)動整體結(jié)構(gòu)部件的能力儲備協(xié)調(diào)抵抗水平荷載,使結(jié)構(gòu)具有更好的整體性能。設(shè)置強脊系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)剛度、承載力和耗能能力均得到明顯提升,強脊效應(yīng)隨主體結(jié)構(gòu)的損傷而增強,推覆曲線未出現(xiàn)承載力軟化行為。

(3) 強脊框架中設(shè)置的可更換耗能件能在地震中起到第一道防線的作用,進一步提升主體結(jié)構(gòu)的承載力和剛度,減小主體結(jié)構(gòu)的損傷,耗能件的整體效能得到明顯提升。

(4) 基于推覆分析,對不同水平地震作用下結(jié)構(gòu)殘余變形進行兩階段計算分析,發(fā)現(xiàn)設(shè)置可更換耗能件的強脊框架結(jié)構(gòu)在8度(0.30g)罕遇地震下,結(jié)構(gòu)的殘余位移角小于1/200,主體結(jié)構(gòu)損傷輕微,結(jié)構(gòu)的震后可恢復(fù)性能較好。在遭受極罕遇地震后,也可滿足結(jié)構(gòu)不倒的性能要求。

(5)提出的結(jié)構(gòu)整體抗震性能和震后可恢復(fù)性能的兩階段評價分析方法,對基于殘余變形的結(jié)構(gòu)可恢復(fù)性能設(shè)計具有借鑒作用。