地震工程从抗震减隔震到可恢复性(4)
图6 自复位钢筋混凝土框架结构Fig.6 Self-centering reinforced concrete frame structure
图7 自复位桁架抗弯框架Fig.7 Self-centering truss moment frame
2.2.4 设置可更换构件的结构体系
设置可更换构件的结构体系是指将损伤集中于可更换的构件上,使得主体结构的其余构件无损伤或低损伤。目前可更换构件结构体系的研究热点主要是带可更换连梁和墙脚的剪力墙结构或框架-剪力墙结构[55]。一种形式是将钢筋混凝土连梁设计为可更换的耗能装置,将损伤集中于可更换耗能装置中,避免其他结构构件的损伤。如图8所示,吕西林等[56-57]通过试验对比发现,带有可更换连梁的剪力墙耗能能力强且强度退化小,连梁的受损位置集中在螺栓连接的耗能段,便于震后更换,纪晓东等[58]提出了相似的可更换钢连梁用于联肢剪力墙结构。另一种形式是将剪力墙墙脚设计为可更换部件,如图9所示,毛苑君和吕西林[59]将叠层橡胶应用于剪力墙脚部作为可更换构件,试验表明其具备更好的变形能力且可在较强地震作用下保持无损伤。刘其舟和蒋欢军[60]提出带有软钢屈服阻尼器的可更换墙脚组件,分析表明采用该组件的剪力墙能够将破坏引导至可更换部件,从而保护非更换区域免遭破坏。
上述几种地震可恢复功能结构在进行设计时应特别注重结构体系层面的设计,除了按传统抗震思想设计结构或构件外,也应注重与消能减震和隔震技术的结合。
图8 带可更换连梁的双筒体混凝土结构Fig.8 Dual core wall structure with replaceable coupling beam
图9 带可更换墙脚部件的剪力墙Fig.9 Shear wall with replaceable toe components
2.3 地震可恢复功能结构设计方法
2.3.1 现有抗震设计方法
传统的抗震设计方法主要包括底部剪力法和振型分解反应谱法,随着基于性能抗震设计思想的发展[61-63],静力推覆法(pushover)、时程分析法、能力谱法等逐渐被广大设计人员所熟悉。除上述方法外,目前性能化抗震设计方法还包括:基于位移的设计方法[64-65]和基于能量的设计方法[66-67]。这两种方法在前文提及的《罕遇地震后可恢复功能建筑结构设计规程》中均有体现。
2.3.2 适用于可恢复功能结构的设计方法
可恢复功能结构体系由于其自身特点(如自复位结构、摇摆结构等),其在地震作用下具有较大的变形能力。因此,相比于传统抗震设计方法,采用基于位移的设计方法显得更为合理。在基于位移设计方法系列中,其中直接基于位移的设计方法[68]是直接根据目标性态水准确定结构的位移需求。通过建立结构变形与地震作用之间的关系,针对不同地震设防水准,制定相应的目标位移,并且通过设计,计算与位移需求对应的地震作用,使得结构在给定水准地震作用下达到预先指定的目标位移,从而实现对结构地震行为的直接控制。与其他基于位移的设计方法相比,该方法给定位移需要直接确定结构的内力需求,设计过程无需迭代,因此相比其他方法更适合可恢复功能结构的设计[69-71]。
2.4 地震可恢复功能结构性能指标
地震可恢复功能结构在设防目标、设计方法、结构体系等方面与传统抗震结构存在差异,因此其性能指标也有所区别。针对不同结构体系,需提出各自的性能指标,作为《罕遇地震后可恢复功能建筑结构设计规程》的技术基础。本文以自复位剪力墙结构和自复位支撑-摇摆框架结构为例,说明可恢复功能结构的性能指标。
2.4.1 自复位剪力墙结构
为实现自复位剪力墙结构的性能化设计,表 4给出了该结构体系的性能指标,并与 GB ―2010《建筑抗震设计规范》(简称《抗规》)进行对比,性能指标包括结构位移、残余位移、最小基底剪力。在第一水准地震强度下,要求结构处于弹性状态,使得结构可满足使用条件下的变形限制以及在风荷载下结构不会提前进入屈服状态,因此有关最小基底剪力与《抗规》中对最小底部剪力的规定5.2.5相同。根据ACI ITG-5.1的规定[18],自复位剪力墙结构的最大位移角不应大于 3%,考虑到国内外一般将抗倒塌极限状态的层间位移角设为 2%,本文将第四水准下的结构位移角控制设为 2%。另外,由于在第四水准下结构的位移较大,因此需在此水准下增加考虑结构的二阶效应。另外,由于残余位移是评价结构震后性能的重要指标,因此增加考虑残余位移的限制[72]。
2.4.2 自复位支撑-摇摆框架结构
为实现自复位支撑-摇摆框架结构的性能化设计,表5、表6提出相应的性能目标和性能指标,其中性能目标在表2基础上,分别按非结构构件、支撑和框架部分分别给出。
文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0722/491.html
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