框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)體系的耗能機(jī)制研究

傅大寶

（1.中國地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080；2.中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080；3.福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，福州 350108）

0 引言

框架-核心筒結(jié)構(gòu)是目前高層建筑常用的一種雙重抗震結(jié)構(gòu)體系。核心筒是體系的第一道防線，剛度較大，承擔(dān)體系絕大部分的水平剪力；外框架是第二道抗震防線，能夠在設(shè)防地震或罕遇地震作用下承擔(dān)核心筒墻肢屈服后傳遞來的剪力。而核心筒的連梁是結(jié)構(gòu)體系第一道附加抗震防線［1］。實(shí)踐表明，連梁對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的抗震性能有顯著影響［2］。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，由于連梁跨高比小，失效模式多為脆性的剪切破壞，耗能能力有限。為提高連梁的耗能能力，國內(nèi)外學(xué)者做了許多改進(jìn)工作，如雙連梁、寬連梁、設(shè)置交叉暗撐、梁中設(shè)縫等［3-6］。近年來，一些學(xué)者提出設(shè)置耗能元件提高連梁耗能能力。Fortney等［7］提出可更換的連梁，通過合理設(shè)置消能段，使連梁的塑性變形和損傷集中在消能梁段。同濟(jì)大學(xué)呂西林教授［8］通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究設(shè)置可更換梁和普通梁的兩個(gè)雙筒混凝土結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)特性和動(dòng)力反應(yīng)，結(jié)果表明，可更換連梁能夠?qū)p傷集中可更換構(gòu)件上，保證連梁混凝土部分完好。潘超和翁大根［9］通過在連梁跨中開縫，縫中設(shè)置鋼阻尼器來耗散地震能量。然而，在框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系下，無論采用普通鋼筋混凝土連梁還是耗能連梁，連梁的跨高比均較小（通常小于2.5），截面抗剪承載力限制了連梁的耗能能力。

框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)是指采用支撐芯筒代替框架-核心筒的鋼筋混凝土核心筒所形成的一種結(jié)構(gòu)體系。支撐芯筒是由內(nèi)框架柱、內(nèi)框架梁和支撐組成。與傳統(tǒng)框架-核心筒結(jié)構(gòu)相比，框架-支撐芯筒取消了連梁的設(shè)置，避免出現(xiàn)延性較差的剪切破壞。目前，國內(nèi)一些實(shí)際工程已采用框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)，如福建閩投營運(yùn)中心等［10-11］。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)框架-支撐芯筒的研究相對(duì)較少，特別是高烈度地震區(qū)的結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制。為此，本文對(duì)框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，探討框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制，并與框架-核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)采用屈曲約束支撐（Buckling Restrained Brace，BRB）代替框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的鋼支撐，研究BRB的耗能能力。

1 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

對(duì)某一實(shí)際工程進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)了1個(gè)框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱“模型A”）和1個(gè)框架-核心筒結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱“模型B”）。結(jié)構(gòu)共40層，層高均4 m，總高160 m。模型A標(biāo)準(zhǔn)層平面和支撐立面布置如圖1所示，構(gòu)件尺寸如表1所示。樓板厚為120 mm。支撐芯筒的鋼支撐兩端設(shè)置為鉸接。內(nèi)、外框架柱承擔(dān)軸力較大，由于軸壓比限制，故設(shè)計(jì)為方鋼管混凝土柱。鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q420，構(gòu)件縱筋及箍筋的強(qiáng)度等級(jí)分別為HRB400和HPB300。柱、墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)：1～10層為C80，11～20層為C70，21～40層為C60。梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60。樓面恒載5 kN/m2（含樓層自重），活載2.5 kN/m2。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)防烈度8度（0.2g），場(chǎng)地類別Ⅱ類，地震分組為第一組，場(chǎng)地土特征周期為0.35 s。

圖1 框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Frame braces-tube structure model

采用盈建科軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為便于比較，對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行優(yōu)化（表1中構(gòu)件尺寸均為優(yōu)化后結(jié)果），使模型在滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，盡可能減少耗材。結(jié)構(gòu)層間位移角和構(gòu)件軸壓比是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的兩項(xiàng)重要控制指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，要求層間位移角和軸壓比接近規(guī)范限值?？蚣?支撐芯筒結(jié)構(gòu)的層間位移角參照GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中框架-支撐結(jié)構(gòu)的限值（1/300）。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸Table 1 Structural components size mm

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，框架-核心筒結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/748，接近規(guī)范限值1/750；剪力墻最大軸壓比為0.58，接近規(guī)范限值0.60?？蚣?支撐芯筒結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/579，雖然與框架-支撐結(jié)構(gòu)層間位移角限制存在一定差距，但此時(shí)層間位移角進(jìn)一步降低，會(huì)使得鋼支撐在彈性階段出現(xiàn)屈曲；鋼管混凝土柱最大軸壓比為0.70，接近規(guī)范限值0.70。因此，認(rèn)為兩個(gè)模型已達(dá)到較優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

表2為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果。從表中可以看出，框架-支撐芯筒的用鋼量比框架-核心筒結(jié)構(gòu)高61.6%，混凝土比框架-核心筒結(jié)構(gòu)低76.1%?？傮w上看，框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)消耗材料與框架-核心筒結(jié)構(gòu)相當(dāng)。此外，框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的基本周期低于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，彈性抗側(cè)剛度高于框架-核心筒結(jié)構(gòu)。表中彈性抗側(cè)剛度為倒三角橫向荷載作用下基底剪力與頂面水平位移的比值。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Structure design results

建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算模型。建模過程中框架梁和連梁?jiǎn)卧捎眉秀q模型?？蚣芰簝啥嗽O(shè)置彎矩鉸；連梁兩端設(shè)置彎矩鉸，中間設(shè)置剪切鉸。柱和剪力墻采用纖維束模型。鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Mander模型。結(jié)構(gòu)采用瑞利阻尼，將0.2倍和0.9倍第一周期對(duì)應(yīng)的阻尼比設(shè)為4%。選取7條地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析。時(shí)程分析所用的地震波加速度峰值為400 cm/s2。地震波反應(yīng)譜曲線與規(guī)范反應(yīng)譜的對(duì)比如圖2所示。地震波符合JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的選波要求。

圖2 地震波加速度反應(yīng)譜曲線Fig.2 Acceleration response spectra of seismic waves

2 耗能機(jī)制分析

2.1 結(jié)構(gòu)的耗能分析

表3為7條地震波作用下結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件的耗能平均值分布情況。從表中可以看出，模型A和模型B的構(gòu)件塑性耗能與總輸入能量的比值均在30%左右。進(jìn)一步比較各類構(gòu)件的耗能發(fā)現(xiàn)，框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)（即模型A）的外框架柱、外框架梁和鋼支撐的構(gòu)件塑性耗能各約占1/3，耗能占比相當(dāng)；而框架-核心筒結(jié)構(gòu)的核心筒耗能占結(jié)構(gòu)的97.5%以上，其中連梁耗能占88.2%，可見，框架-核心筒結(jié)構(gòu)的連梁起到了很好的耗能作用，而框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的構(gòu)件塑性耗能較分散。

表3 結(jié)構(gòu)彈塑性耗能Table 3 Structural inelastic energy dissipation

分析原因，框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的鋼支撐主要按照軸心受壓穩(wěn)定進(jìn)行彈性階段設(shè)計(jì)，在彈塑性階段，雖然鋼支撐的長細(xì)比較大，受壓發(fā)生屈曲，但受拉仍然保持彈性，使得鋼支撐只能利用受壓屈曲進(jìn)行塑性耗能，整體塑性耗能能力有限。

2.2 構(gòu)件損傷情況

采用塑性鉸變形角反映構(gòu)件損傷程度。在罕遇地震作用下，兩個(gè)模型的構(gòu)件均出現(xiàn)了不同程度的破壞，具體表現(xiàn)為：

（1）支撐和連梁的損傷對(duì)比：鋼支撐是框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)最主要的抗側(cè)力構(gòu)件，在罕遇地震作用下最先出現(xiàn)損傷。支撐的損傷集中在下部和中上部樓層，其他樓層的支撐保持彈性工作狀態(tài)。連梁主要用來傳遞相鄰墻肢的剪力，在罕遇地震下連梁最先出現(xiàn)損傷，且大部分的樓層連梁表現(xiàn)為彎曲塑性鉸破壞，其中底部樓層連梁傳遞剪力較大，出現(xiàn)脆性的剪切鉸破壞。

（2）外框架梁的損傷對(duì)比：在罕遇地震作用下，大部分樓層的外框架梁都出現(xiàn)了損傷。由于跨高比大，框架梁表現(xiàn)為彎曲塑性鉸破壞?？蚣?支撐芯筒結(jié)構(gòu)外框架梁的損傷程度與框架-核心筒結(jié)構(gòu)相當(dāng)。

（3）其他構(gòu)件損傷對(duì)比：框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)框架梁、內(nèi)框架柱和框架-核心筒結(jié)構(gòu)的墻肢、外框架柱損傷較小，絕大部分還處于彈性狀態(tài)。

3 屈曲約束支撐的應(yīng)用分析

從表2和圖3可以看出，當(dāng)框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)鋼支撐截面較小時(shí)，彈性階段的受壓穩(wěn)定性不滿足要求。當(dāng)增加鋼支撐截面尺寸，會(huì)使得結(jié)構(gòu)體系剛度增加，導(dǎo)致框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的彈性剛度和極限承載力明顯高于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，使得框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的總輸入能量高于框架-核心筒結(jié)構(gòu)。

基于此，為防止框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的鋼支撐發(fā)生屈曲，采用BRB代替鋼支撐。為此，將模型A鋼支撐等截面替換成BRB，其他構(gòu)件保持不變，得到模型C。另外，將BRB截面積適當(dāng)減小，得到模型D。模型C和D的BRB芯材截面尺寸如表4表所示。BRB的芯材采用Q345，屈服后剛度取0.02；屈服指數(shù)取10。

表4 BRB芯材截面尺寸Table 4 Steel core cross-section area of BRB

根據(jù)盈建科軟件計(jì)算結(jié)果，模型C的基本周期為3.992 s；最大層間位移角為1/582；最大軸壓比為0.69。模型D的基本周期為4.968 s；最大層間位移角為1/454；最大軸壓比為0.62。

從表3模型C和模型D的彈塑性耗能結(jié)果，可以看出：

（1）對(duì)比模型C和模型A，采用BRB等截面替換鋼支撐后（模型C），結(jié)構(gòu)總體耗能略微降低，但BRB的耗能占比與鋼支撐相當(dāng)?？梢?，BRB雖然等截面替代鋼支撐，但承載能力仍然較高，耗能能力未充分發(fā)揮。

（2）對(duì)比模型D和模型C，縮小BRB芯材尺寸后，模型D的結(jié)構(gòu)剛度降低，總輸入能量也隨之降低。同時(shí)，BRB的滯回耗能（65.9%）明顯高于模型C（36.9%），而其他構(gòu)件的耗能低于模型C?？梢?，BRB耗能能力的提高能夠有效保護(hù)其他構(gòu)件。

4 結(jié)論

通過上述研究，得到如下結(jié)論：

（1）框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)與框架-核心筒結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制的不同之處在于：框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的支撐是主要抗側(cè)力構(gòu)件和耗能構(gòu)件，但由于鋼支撐的承載力較高，不容易屈服，耗能能力有限；框架-核心筒結(jié)構(gòu)的連梁是主要耗能構(gòu)件，墻肢是主要抗側(cè)力構(gòu)件，體系主要依靠連梁彎曲塑性鉸進(jìn)行能量耗散。

（2）采用BRB等截面替換支撐芯筒的鋼支撐，框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制基本保持不變，BRB無法起到很好的耗能作用。

（3）適當(dāng)縮小BRB的芯材截面，降低BRB的屈服力，不僅能夠降低總體能量輸入，而且能夠?qū)⑻岣連RB的耗能占比，降低其他構(gòu)件的塑性耗能，有效地保護(hù)了其他構(gòu)件?？梢?，理想的框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)宜設(shè)置部分或全部采用BRB替代鋼支撐。

（4）與框架-核心筒結(jié)構(gòu)相比，框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)的支撐采取兩端鉸接，具有震后易更換的優(yōu)點(diǎn)。