基于性能的钢结构减震设计方法研究

王润泽

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

0 引言

地震能摧毁地面建筑物、构筑物及人们的日常生活设施，其具有强大的破坏能力。近百年来，学者们积累了大量的实践经验，并总结出多种抗震分析的理论方法，从而在社会经济和建筑工程的不断发展中满足人们的生产生活需要和城市化进程发展要求［1］。从最初的静力理论，到后来得到国际普遍认可的反应谱理论，再到现在被很多专业学者认可的“基于性能的抗震设计”理论，抗震设计的理论和方法逐渐趋于成熟和完善。

目前，我国采用的抗震设计要求实现“三水准、两阶段”。“三水准”即“小震不坏、中震可修、大震不倒”；“两阶段”即第一阶段为结构设计的计算阶段，第二阶段为验算阶段。这样做是为了保证人们的生命安全，抗震设计是基于强度的设计方法［2］。

1 基于性能的抗震设计理论

1.1 地震设防水准

地震设防水准是指在考虑具体的社会经济条件下，根据客观的设防环境和已经确定的设防目标，来确定采用什么样的设防参数，地震设防水准能直观地展现出结构抵抗地震的能力。

1.2 结构抗震的性能目标

在进行建筑物的性能抗震设计时，先要确定结构的抗震性能目标。结构抗震的性能目标包括结构的安全性、适用性、耐久性和整体性等。目前，多数学者比较认可的方法是“投资-效益”准则。在以后的建筑抗震设计中，当建筑物受到不同强度的地震时，建筑物的不同性能水平应得到充分利用，并有效控制由地震造成的损伤，从而在该建筑的整个生命周期内减少费用的开支。

1.3 基于性能的抗震设计方法

目前，抗震设计的主要阶段包括静力理论阶段、反应谱理论阶段、动力理论阶段。基于性能的抗震设计理念和目标，在建筑物抗震设计科研界也达成了共识，但还存在一些问题，就是如何把这种理念方便又合理地运用到实际工程中。基于性能的抗震设计方法有承载力设计方法、直接基于位移的设计方法、能量谱法等，这些方法是被认为有很大发展前景的、基于性能的抗震设计方法［3］。

2 工程概况

本研究的工程概况如下，建筑结构形式为钢框架结构形式，如图1所示。建筑物地上8层，总建筑高度为37.2 m。建筑物的设计使用年限为50 a，抗震设防烈度为8度，抗震设防类别为标准设防类（丙类），建筑场地类别为2 类，设计基本地震加速度值为0.2 g。

图1 建筑模型图

3 模型分析

在图1 模型的基础上，增设普通钢支撑和屈曲约束支撑[4]，用Etabs 有限元分析软件分别对三种结构建立减震模型，并提取各个结构的固有频率和周期。结构的前3阶振型周期和频率详见表1。

结构的固有周期T与结构的频率f和刚度K成反比。即周期越大，该结构的频率就越小，刚度也越小。由表1 可知，在增设钢支撑和屈曲约束支撑后，该结构的自振周期出现明显的减小。由此可知，增设两种支撑后，该结构的抗侧刚度与原结构相比，有了很大的提升。通过对比钢支撑和屈曲约束支撑两种模型的自振周期和频率发现，屈曲约束支撑提高抗侧刚度的效果更加明显，该结构也增强了抵抗地震作用的能力。

4 多遇地震下结构的计算分析

本研究对原结构模型（模型一）、钢支撑模型（模型二）和屈曲约束支撑模型（模型三）进行多遇地震下的时程分析。在进行时程分析时，先在Etabs 有限元软件来定义时程函数，再导入地震波。地震波要根据场地类别、地震烈度等实际情况进行选择。

4.1 地震波的选取

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016 年）［5］中的相关要求，本研究选取两条天然波和一条人工波，这三条波的选取均要符合设计要求。目前，选取的一条天然波为埃尔森特罗波。根据规范要求对选取的地震波分别输入原结构（模型一）、钢支撑结构（模型二）和屈曲约束支撑结构（模型三），得到这三种结构的楼层响应，包括最大楼层的位移和不同时间的顶点加速度［6］。

4.2 多遇地震作用下楼层位移

图2、图3 为多遇地震作用下X、Y向的最大楼层位移图。在多遇地震的作用下，原结构X向和Y向的最大楼层位移随楼层的增高而逐渐增大，原结构的整体控制效果较差，且该结构的抗侧刚度较低。在增设钢支撑和屈曲约束支撑后，可发现在X向和Y向的最大楼层位移会有明显的减小。模型二是在原结构的基础上增加了钢支撑，为结构提供了抗侧刚度，X向的最大楼层位移减少了50.1%，Y向的最大楼层位移减少57.2%。模型三是在原结构的基础上增加了屈曲约束支撑，不仅为楼房提供抗侧刚度，还具有很好的节能效果。在地震发生时，该构件的屈服耗能抵抗地震作用，从而使楼层位移减小。X向的最大楼层位移减少了66.5%，Y向的最大楼层位移减少了67.7%。由此可以看出，模型三的减震效果比模型二的减震效果要更好。

图2 多遇地震作用下的X向最大楼层位移

图3 多遇地震作用下的Y向最大楼层位移

4.3 多遇地震作用下的顶点加速度

图4、图5 为多遇地震作用下的X、Y向顶点加速度图。在多遇地震作用下，对原结构（模型一）、钢支撑结构（模型二）和屈曲约束支撑结构（模型三）进行时程分析。在X方向，模型一的最大加速度峰值在5.4 s出现，为228.519 mm/s²。模型二的最大加速度峰值在5.82 s出现，为165.841 mm/s²。模型三的最大加速度峰值在1.88 s出现，为132.116 mm/s²。在Y方向，模型一的最大加速度峰值在3.34 s 出现，为1.073 mm/s²。模型二的最大加速度峰值在8.18 s 出现，为0.847 mm/s²。模型三的最大加速度峰值在2.92 s 出现，为0.169 mm/s²。通过对比不同模型结构在该地震作用下的顶点加速度峰值可知，模型二和模型三的顶点加速度最大值均小于模型一，这说明模型二和模型三两种支撑模型对顶点加速度有一定的抑制作用，能有效降低结构的地震响应。

图4 多遇地震作用下的X向顶点加速度

图5 多遇地震作用下的Y向顶点加速度

5 罕遇地震作用下结构的计算分析

5.1 罕遇地震作用下楼层位移

在罕遇地震作用下，对钢结构模型进行分析，得到不同模型在X、Y向不同楼层的位移，如图6、图7所示。通过对图6、图7 分析后可以发现，整体情况与多遇地震作用时相似，模型二为楼房提供抗侧刚度，X向的最大楼层位移减少了49.2%，Y向的最大楼层位移减少了57.2%。模型三不仅能为楼房提供抗侧刚度，还具有很好的节能效果。在罕遇地震作用时，模型三构件的屈服耗能抵抗地震作用，从而使楼层的位移减小。X向的最大楼层位移减少了66.6%，Y向的最大楼层位移减少了65.8%。由此可以看出，模型二和模型三都能起到良好的减震效果。

图6 罕遇地震作用下的X向最大楼层位移

图7 罕遇地震作用下的Y向最大楼层位移

5.2 罕遇地震作用下的顶点加速度

在罕遇地震作用下，对模型一（原结构）、模型二（钢支撑结构）和模型三（屈曲约束支撑结构）进行时程分析，结果如图8、图9 所示。与多遇地震相比，在罕遇地震作用下，这三种模型的整体幅度均有所增大，其加速度的波动随着时间的增加而逐渐减少，最终趋于稳定。在X方向，模型一、模型二、模型三的顶点加速度峰值分别为1 311.74 mm/s²、863.12 mm/s²、758.37 mm/s²。在Y方向上，模型一、模型二、模型三的顶点加速度峰值分别为6.16 mm/s²、5.32 mm/s²、1.56 mm/s²。模型二、模型三在X向和Y向的顶点加速度峰值均小于模型一，这说明模型二、模型三对楼层的顶点加速度有一定的抑制作用，能降低结构的地震响应。所以，在罕遇地震的作用下，钢支撑和屈曲约束支撑对结构的顶点加速度起到很好的抑制作用。

图8 罕遇地震作用下的X向顶点加速度

图9 罕遇地震作用下的Y向顶点加速度

6 结语

本研究通过介绍基于性能的钢结构设计理论及特点，证明基于性能研究的必要性，并通过运用有限元分析软件Etabs建立了原结构、钢支撑结构、屈曲约束支撑结构的结构模型，并对这三种结构进行反应谱分析和时程分析，通过对比三种模型的前三阶动力特性、楼层位移、楼层顶点加速度，各项数据均满足规范要求。研究结果表明，与原结构相比，钢支撑结构、屈曲约束支撑结构具有很好的减震效果，添加钢支撑和屈曲约束支撑结构能起到消能减震的作用，而屈曲约束支撑结构比钢支撑结构的减震效果更明显，能满足建筑物对性能的要求。