基于抗震韧性的高强钢组合偏心支撑钢框架研究

王 峥 李 萍 谭小蓉 徐静伟

西安铁路职业技术学院（710600）

0 引言

随着人们物质生活水平的不断提升，近年来全球地震频发，其活动的影响范围、造成的震后损失与修复成本越来越高，严重降低了工程建筑的使用寿命，同时对建筑物内人与财产安全影响显著。 而当前的结构设计理念仅要求建筑在巨型地震作用下不发生倒塌破坏，为考虑震中的财产损失与震后修复费用。基于此，对建筑物抵抗地震作用，以及震后的修复应成为当前研究热点。

高强钢组合偏心支撑钢框架结构体系，将高强钢强度高的优点和底屈服点的偏心支撑框架结构耗能梁段优良的非弹性耗能特性相结合，适用于可能发生强烈地震的区域[1-3]，一般的抗震设计方法成果已经较为成熟，当基于可恢复的韧性的设计方法，目前尚未见到。因此，研究基于韧性的高强钢组合偏心支撑钢框架结构抗震性能，具有明显的实际工程应用与理论分析价值[4-7]。

1 韧性设计

韧性设计的思想， 首先出现在生态学领域，后被引入工程建筑领域。工程建筑的抗震韧性是指建筑结构在地震作用下， 快速恢复其功能的能力，只要结构抗震设计的控制参数保持一定水平，不超过其限值，结构自身的功能震后能够快速恢复到震前水平[8]。最简单的韧性设计就是结构在地震作用下保持弹性变形， 不产生损伤破坏， 结构抗震性能未降低，不需修复。 但该设计理念，会造成巨大的材料浪费，压缩建筑使用空间，非理想设计方法。 若允许结构构件在地震作用下发生塑性变形，耗散地震能量，虽然可以保证结构在地震用下的安全， 但塑性变形已经对构件造成损伤，降低了结构的抗震性能，需要在震后进行修复，以保证结构后续使用安全。通过设置易于更换的耗能构件， 使其先于其他构件进行塑性变形状态，从而保证主要构件不发生塑性变形，震后仅需要更换耗能构件， 即可使得结构的抗震性能恢复到震前状态。

抗震韧性设计的必由之路是建筑工业化， 即装配式建造，在工厂预制好构件，运送到现场将不同构件连接起来，既有利于减低建筑能耗，又可使得结构构架有更换的可能性，从而满足结构抗震韧性设计。目前装配式发展最好的结构类型是钢结构， 钢构件之间通过焊接或螺栓连接，即可完成结构建造。

高强钢组合偏心支撑钢框架结构体系正是基于韧性抗震理念，对主要梁柱构件，采用高强度钢材，对于耗能支撑或者耗能梁端， 采用屈服点较低的钢材，无需对截面进行削弱处理，使得耗能支撑或耗能梁段先于梁柱发生塑性变形，耗散地震能量，保证主体结构安全，同时，不同强度构件之间的连接，可采用螺栓连接，即可实现耗能支撑或者耗能梁段的可更换，满足高强钢组合偏心支撑钢框架结构体系的抗震韧性设计。

常见的高强钢组合偏心支撑钢框架结构体系形式如图1 所示。 其中，D 形高强钢组合偏心支撑的抗侧刚度与承载能力最大，Y 形偏心支撑的抗侧刚度与承载能力最小，但是D 形高强钢组合偏心支撑的延性最低， 而Y 形偏心支撑钢框架的延性最优。 现行规范均采用基于位移的设计方法，通过控制结构在地震作用下的变形，达到结构抗震设计的目的， 但其无法考虑地震作用下结构能量的耗散，亦无法考虑结构在地震作用下的破坏模式与震后修复。

因此， 当采用基于韧性的抗震设计理念时，首先必须明确结构构件参与结构抗震的方式， 如梁柱保证结构主体安全，支撑或者耗能梁段吸收地震能量。 基于此，高强钢组合偏心支撑钢框架结构体系的抗震评价指标，不能仅仅考虑结构楼层间的位移角，应引入可以考虑构架耗能的评价体系，能够准确表达耗能构件在地震作用下的耗能值，以及耗能构件自身的耗能能力，如此即可设计耗能构件的材料强度与预期耗能指标，达到结构设计目标。 同时， 需要保证耗能构件先于梁柱构件进入塑性状态，保证重要构件在地震作用下不发生或发生轻微损伤，震后无需要或易于修复。

图1 偏心支撑的结构形式

建立适用于高强钢组合偏心支撑钢框架结构体系结构分析的有限元数值分析模型；通过对有限元模型的静力推覆分析和非线性时程动力分析研究，对比四种不同支撑形式的高强钢组合偏心支撑钢框架结构的抗震性能，选择其中一种支撑形式的高强钢组合偏心支撑钢框架结构与普通钢偏心支撑钢框架结构的抗震性能进行对比，同时，采用经济指标，计算高强钢组合偏心支撑钢框架结构与普通钢偏心支撑钢框架结构震后修复费用，验证高强钢组合偏心支撑钢框架结构体系基于韧性的抗震设计的优越性。

2 结论

1）高强钢组合偏心支撑体系既吸取了偏心支撑钢框架体系优异的抗震耗能特性，又有效地将高强钢材应用到多高层建筑结构中，从而节约钢材，有良好的经济性能。

2）提出高强钢组合偏心支撑钢框架结构的抗震韧性设计方法与合理设计指标。

3）主体结构在地震中保持弹性，确保结构的安全性，结构损伤与塑性变形集中于耗能支撑或耗能梁段，便于实现震后可仅更换耗能梁段即可实现结构震后快速修复，使结构快速恢复正常使用功能。