谈带水平加强层结构体系损伤过程控制

张 法 新

(天津滨海新区公共产业建设投资有限公司建设管理分公司，天津 300457)

谈带水平加强层结构体系损伤过程控制

张 法 新

(天津滨海新区公共产业建设投资有限公司建设管理分公司，天津 300457)

分析总结了带水平加强层的混合结构体系地震损伤过程控制的研究现状，针对当前该领域存在的主要问题进行了分析，并给出了相应的研究方向，对进一步研究该问题具有重要意义。

高层混合结构体系，地震损伤，问题

0 引言

近二十年来，我国高层建筑的建设成就举世瞩目，建设规模世界之最，已经建成和正在建设一大批结构复杂、设计和施工难度大、科技含量高的高层和超高层建筑结构。框架—核心筒—水平加强层结构体系是我国高层建筑结构中最常采用的结构体系，该类结构采用钢框架、混凝土核心筒、伸臂桁架以及斜撑等多种抗侧力子体系共同抵抗水平力，各抗侧力子体系抗震性能差异悬殊，强震作用下该类结构易出现抗震薄弱部位，地震灾害问题十分突出。

Barbacki首先提出了用水平加强层来提高结构的抗侧能力的概念，并于1962年首次应用于加拿大蒙特利尔市的一栋47层高的建筑；1972年美国密尔沃基市建成的42层威士康星中心大楼，高183 m，也是采用了带水平加强层的结构体系。虽然以上两栋高层建筑均为钢结构体系，但其受力机理均相同，可以将其引入至高层混合结构设计中。此后，应用带水平加强层的高层混合结构建筑越来越多。

现阶段带水平加强层的高层混合结构的工程计算分析方法仍以线性或简化的非线性弹性、弹塑性方法为主，影响了钢—混凝土结构抗震分析和设计的科学性和合理性。数值分析方法的滞后使得强地震作用下钢—混凝土结构地震灾变的关键效应及其影响缺乏深入研究和科学认识，如三维强非线性效应、结构的损伤累积效应、构件的失效破坏效应等。对强地震作用下钢—混凝土结构的损伤破坏机理缺乏有效的分析理论和方法，限制了钢—混凝土结构损伤过程控制理论的发展。

1 研究现状

我国已建或在建的高层建筑中，有一半以上采用的是钢—混凝土混合结构，因此，对钢—混凝土混合结构抗震性能的研究一直得到国内学者的重视。近30年来国内学者对带水平加强层的高层混合结构体系从动力特性、抗震性能、抗震设计标准等方面进行了较系统的研究，在带水平加强层的高层混合结构抗震性能方面已经达成共识，即带水平加强层的高层混合结构体系能较好的协同工作，抗震性能和延性较好，地震作用下结构首先在核心筒底部发生破坏，钢框架一般处于弹性状态，水平地震作用下钢框架的剪力较小。

在地震力作用下，结构最初在结构较薄弱部位形成局部损伤，若该部位的变形、内力和应力等未及时分配到相邻构件，该损伤会在后续地震作用下在同一部位继续发展，进而导致抗震性能的进一步减小直至完全失效。当受损伤的构件是结构体系的关键受力构件时，有可能会导致结构发生连续倒塌破坏；为有效避免损伤在一个部位的聚集，提高结构整体抗震性能、降低结构整体造价，应当使得结构中全部构件的抗震性能相同或相近。由此，科研人员提出了结构损伤过程控制的新概念。充分认识结构地震损伤演化机理是进行结构损伤过程控制的基础，由于带水平加强层的混合结构体系抗震性能和损伤演化机理等方面的研究还不够深入，因此，当前关于结构损伤过程控制的研究非常少见，已有的研究主要是针对钢框架、钢筋混凝土框架等简单结构体系。Mohammadi和Kim等为使结构的层间位移转角近似相等，对结构强度、刚度等进行优化设计。但结构各层具有相同或相近的层间位移角不能完全保证结构构件的抗震性能相同或相近，从而无法保证结构各层的抗震性能相同或相近。对此，Hajirasouliha等分别采用最小损伤和最轻质量两种设计控制目标，应用Park-Ang损伤准则，对框架结构抗震性能的过程控制进行系统分析研究，在此基础上提出一种可以有效降低造价并提高结构的抗震能力的多目标最优设计方法；李忠献等采用损伤本构模型和纤维单元模型，通过定义结构构件、结构层和结构整体的损伤准则，对一个钢筋混凝土框架结构进行了地震作用下的损伤过程控制。

在结构基于智能控制装置的损伤控制方面，根据结构损伤控制的特点，必须考虑地震时间效应和结构的强非线性特性(包括材料非线性及几何非线性等)对受控制结构的损伤过程进行分析，并通过建立构件和结构的损伤准则的方法评估结构的损伤控制效率。在传统的结构智能控制分析中，科研人员大多采用MATLAB进行编程分析，但这一分析方法具有较大的局限性。一方面MATLAB程序在求解结构非线性动力方程组时的效率明显低于通用有限元程序，另一方面在MATLAB编程过程中需要对结构本身及其材料特性进行一定的简化，从而忽略了结构动力响应受几何非线性因素的影响。因此，基于智能控制装置的结构地震损伤控制的研究成果非常有限，李忠献等在应用磁流变阻尼器进行结构损伤控制的问题上做了一些尝试性的工作，并开发了结构基于磁流变阻尼器的半主动损伤控制平台，在通用有限元程序中提出了结构半主动损伤控制方法，方法的有效性通过一个九层的钢框架结构的数值分析进行了验证。

2 当前研究中存在的问题

分析表明，当前学术界对带水平加强层的混合结构体系的抗震性能展开了广泛的研究，在结构弹塑性分析模型、求解方法等方面取得了长足进展，新近提出的基于损伤力学理论的结构分析方法也取得一些成果，但现有结构损伤研究大多局限于简单的框架结构体系，并且在提高结构抗震性能的损伤控制方面还处于起步阶段。关于结构损伤过程的控制，已有研究大多局限在钢框架结构和钢筋混凝土框架结构，高层混合结构体系地震损伤过程控制的研究还处于起步阶段，采用智能控制装置的结构损伤控制研究尚属空白，因此需要对带水平加强层的混合结构体系地震损伤控制方面的理论和方法进行更加深入系统的研究。

3 展望

针对现阶段研究中存在的相关问题，今后应在以下两个方面开展重点研究工作：

1)研究地震作用下带水平加强层的高层混合结构体系损伤过程控制理论与方法。

在带水平加强层的混合结构体系协同工作原理及损伤演化机理的研究基础上，研究影响结构损伤演化的控制因素以及各控制因素之间的内在联系，通过分析混合结构各抗震子体系的抗震性能和破坏方式，建立各抗震子体系的最优损伤分布模式和各抗震水准下的损伤程度。在此基础上，研究钢框架柱和核心筒剪力墙尺寸、钢筋混凝土核心筒嵌入型钢柱、部分钢筋混凝土剪力墙替换为钢板剪力墙等的影响，建立快速高效的混合结构失效模式控制方法。

2)研究地震作用下带水平加强层的高层混合结构体系半主动损伤控制理论与方法。

研究适用于强非线性状态下的结构简单高效半主动控制方法，采用通用有限元程序二次开发方式探究磁流体阻尼器的出力模型和半主动控制律，结合结构损伤准则，建立地震作用下基于磁流体阻尼器的带水平加强层的高层混合结构体系半主动损伤控制平台。在此基础上，研究磁流变阻尼器的布置方式、布置数量以及控制力大小等对结构损伤发展过程的影响规律，探究磁流变阻尼器最优布置方式和控制力大小；通过研究磁流变阻尼器对混合结构位移、层间地震力和结构内能等的控制效率，对比验证结构半主动损伤控制的有效性。

[1] Mohammadi RK,El Naggar MH,Moghaddam H.Optimum strength distribution for seismic resistant shear buildings[J].International Journal of Solids and Structures,2004,41(22-23):6597-6612.

[2] Kim J,Seo Y.Seismic design of low-rise steel frames with buckling-restrained braces[J].Engineering Structures,2004,26(5):543-551.

[3] 吕 杨，徐龙河，李忠献，等.磁流变阻尼器优化设计及结构地震损伤控制[J].工程力学,2012,29(8):94-100.

Discussion on damage process control of structural system with horizontal-strengthening layer

Zhang Faxin

(ConstructionAdministrationBranchCompany,TianjinCoastalPublicIndustryConstructionInvestmentCo.,Ltd,Tianjin300457,China)

The paper summarizes seismic damage process control status of mixture structure system with horizontal-strengthening layer, analyzes major problems existing in current field, and shows corresponding approach direction, which has significant meaning for further studying the issue.

high-rise mixture structure system, seismic damage, problems

1009-6825(2015)16-0022-02

2015-03-27

张法新(1975- )，男，高级工程师

TU973

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