自复位支撑-摇摆框架结构体系抗震性能分析

孙振超，兰文改

（华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045）

抗震工程技术分为3 个发展阶段，即抗震、减震、隔震。抗震是通过强化结构本身来提高抗震能力，减震是在结构中设置减震装置来消耗地震作用，隔震是将地震作用与建筑物通过隔震层隔离开来[1]。近年来，中国抗震工程技术研究发展趋势已从抗震、减震、隔震走向了可恢复功能。

吕西林等[2]在2011 年首次定义了“可恢复功能结构”的概念，可恢复功能结构是指在地震发生后，结构不需修复或者稍加修复即可恢复使用功能。可恢复性不仅适用于建筑结构，也适用于其他工程设施甚至是城市。可恢复功能结构体系是未来抗震工程技术发展的一个重要方向。

1 可恢复功能结构

1.1 摇摆结构

摇摆结构体系是通过放松构件间或结构与基础间的约束使结构自身产生摇摆行为，将变形集中在摇摆部位，同时在这些部位设置消能减震装置，以达到对地震力的消耗[2]。早在1963 年，HOUSNER[3]就对智利大地震中幸存的高位水槽进行了研究，发现由于基础约束弱化导致构件产生摇摆行为，降低了自身的延性需求及所受地震力，从而使其在地震中免遭破坏。研究人员在随后的地震观测中发现，一些在地震中发生结构摇摆或基础抬升的建筑，在地震发生后并未受到严重破坏。因此，在抗震工程领域对摇摆结构体系的研究逐渐增多。

1.2 自复位结构

自复位结构是以性能化设计理念为基础的结构体系，可以减小结构在地震中的损伤及地震后的残余变形，其应力特征就是在外力消失后，结构的顶部横向位移能够逐渐恢复到零[4]。

1.3 可更换结构

可更换结构可以使结构损伤集中在可更换构件中，通过更换构件恢复结构的抗震性能。在土木工程领域可更换构件方面的研究，由于结构设计复杂、施工难度大等原因，国内外的研究成果和相关应用还比较少，而且多集中在钢结构、装配式结构、桥梁结构等方面。

2 钢框架结构中摇摆结构与自复位支撑联合应用

目前，对于可恢复功能结构的研究大多集中于单一的结构形式，很少有研究摇摆结构、自复位结构及可替换结构的组合应用等新型可恢复功能结构。自复位支撑-摇摆框架结构体系具有刚度大、自恢复力好、低损伤等特性，同时能够平衡构件之间的变形，实现地震发生后结构整体迅速恢复的效果，而利用自复位支撑实现自复位特性，现场则仅需较少的预应力工序，降低了施工复杂性，且结构损伤集中在自复位支撑部分，便于修复与更换。

本文采用有限元分析软件SAP2000 验证自复位支撑-摇摆框架结构体系的抗震性能，通过建立普通钢框架结构模型和自复位支撑-摇摆框架结构模型进行对比计算分析。

3 研究对象与振动模型

3.1 算例模型

该算例模型为钢框架结构，共7 榀3 跨6 层，模型参数设计参考文献[5]，如图1 所示。第1 层高度为5 m，第2—6 层高度为4 m，梁柱为刚接。抗震设防烈度8 度，地震分组为第一组，Ⅲ类场地，场地特征周期为0.45 s。框架梁柱均采用Q345 钢材，梁截面尺寸为H450 mm×250 mm×12 mm×18mm，柱截面采用400 mm×400 mm×20 mm 的方钢管。

图1 结构布置（单位：mm）

3.2 有限元模型的建立

采用有限元分析软件SAP2000 建立结构模型，其由梁柱单元等组成的有限元分析模型如图2 所示，自复位支撑采用人字形布置，如图3 所示。

图2 普通钢框架结构

图3 自复位支撑设置示意图

自复位支撑-摇摆框架结构的柱脚和基底连接处，在竖直方向上使用非线性弹簧相连，定义为只能受压不能受拉；在水平方向和转角方向上使用和固定支座相同的约束，限制水平位移和平面内的转动[6]。由于SAP2000 中的单元库中并没有现成的适用于模拟自复位支撑的连接单元，本文采用SAP2000 中的线性连接单元、多段线弹性连接单元、多段线塑性连接单元的组合模拟自复位支撑。具体的模拟方法是将1 个多段线弹性连接单元和1 个多段线塑性连接单元并联，然后再与1 个线性连接单元串联，如图4 所示。

图4 自复位支撑SAP2000 模型示意图

4 模态分析

模态分析是一种结构动力特性分析的近似方法，它是线性结构的抗震分析中最简单有效的方法。当采用SAP2000 软件对结构进行模态分析时，可以快速得出结构性能的基本参数、每一阶振型的周期和自振频率，以及每一阶频率的参与质量系数等，这些是其他动力分析的基础。通过模态分析得到的2 个结构的前12 阶周期和频率，如表1 所示。

表1 周期频率

5 时程分析

5.1 地震波的选取

按照《建筑抗震设计规范》的规定，进行时程分析运算时，需要分别选择实际强震记录和人工模拟的地震波，其中需要不少于总数2/3 的实际强震记录。本文选择2 条天然地震波和1 条人工地震波，分别为EL-centro 波、CPC 波和人工波。

《建筑抗震设计规范》规定，地震波分析得到的结构基底剪力应大于反应谱法计算结果的65%，3 条地震波分析得到的结构基底剪力平均值应大于反应谱法计算结果的80%，基底剪力分析结果如表2 所示。

表2 基底剪力

5.2 时程分析结论

在3 条地震波作用下，采用直接积分法对2 个模型进行非线性时程分析，分别从层间位移和残余位移这2 方面进行讨论，对比2 个结构的抗震性能。

在多遇地震作用下，自复位支撑-摇摆框架结构和普通钢框架结构的最大层间位移如图5 所示。从图中可以看出，自复位支撑-摇摆框架结构和普通钢框架结构在3 条地震波作用下层间位移分布相似，但是自复位支撑-摇摆框架结构的最大层间位移远小于普通钢框架结构，且横向变形更加均匀，这说明了自复位支撑-摇摆框架结构具有良好的抗震性能。

图5 层间位移

3 条地震波的残余位移如图6 所示。从图中可以看出，在多遇地震的作用下，普通钢框架结构的残余变形远大于自复位支撑-摇摆框架结构的残余变形，说明了自复位支撑-摇摆框架结构在结构变形控制方面具有较大优势，可以保证在地震发生后继续投入使用而无需修复或仅需简单修复。

图6 残余位移

6 结语

介绍了采用有限元分析软件SAP2000 建立自复位支撑-摇摆框架结构的建模方法，尤其是自复位支撑的建模方法。自复位支撑-摇摆框架结构具有较高的承载能力和塑性变形能力，减少了层间位移，改善了普通框架结构层间位移不均的情况，从结构整体上发挥了抗震和耗能能力；自复位支撑-摇摆框架结构的残余变形相对于普通结构大大降低，且震后损伤集中在自复位支撑部分，易于快速修复或更换，使结构在地震发生后迅速恢复使用功能，仅需简单修复或无需修复。

抗震工程技术发展到今天，自复位支撑-摇摆框架结构体系等由多种结构形式组合而成的可恢复功能结构将受到人们越来越多的重视。