基于不同软件的消能子结构损伤判别方法探讨

傅友东

(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350108)

0 引言

消能减震技术，通过在结构中设置消能减震构件，达到有效减少地震作用的目的[1-3]。为确保消能减震构件在大震下充分发挥作用，子结构的设计至关重要。

消能子结构是指与消能部件直接连接的主体结构单元[4-5]。在阻尼器发挥作用的过程，消能子结构发挥不可替代的重要作用。因此，消能子结构的设计至关重要。为确保消能子结构能充分发挥作用，《建筑消能减震技术规程》和《建筑消能减震应用技术规程》中对子结构的设计均提出一定的要求：消能子结构中梁、柱和墙构件宜按重要构件设计，并应考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应，其值应小于构件极限承载力[4-5]。

根据《建筑抗震设计规范》附录M的计算方法可知，构件的极限强度是按材料的最小极限强度值计算的承载力[6]。而设计时，软件中材料的强度一般为设计值，大震弹塑性分析以后如何判断子结构的设计是否满足规范，也给设计师带来一定的困扰。另外，不同软件中构件损伤的评判方法也不一致，例如：CSI系列软件(ETABS、SAP2000和P3D等)是参考欧洲规范，构件损伤是基于塑性铰(FEAM准则IO、LS、CP)；MIDAS/GEN也是基于塑性铰，但不是按照FEAM准则，而是基于延性比；佳构和SSG主要是基于纤维单元，通过纤维单元的应力应变关系进行损伤判断。由于这两款软件为国内自主开发的软件，其计算结果与规范较为符合，可以直接输出与规范相应的损伤判别，如轻微损坏、轻度损坏、中度损坏以及严重损坏。

本文基于不同软件中构件损伤判别方法，提出了几种子结构设计方法，拟为后续设计师进行子结构设计提供一定的借鉴。

1 基于承载力的设计方法

潘文教授[7]提出了基于构件承载力的设计方法，其主要思路是提取子结构构件在罕遇地震下的内力，然后分别进行梁、柱承载力复核设计。梁按照对称配筋进行受弯和受剪设计，柱设计方法是柱的Nu-Mu曲线包络柱子的N-M时程曲线，并进行抗剪截面设计，如图1所示。该方法思路简洁，与规范要求一致，也是云南地区进行子结构设计最常用的一种方法。其实，ETABS、SAP2000、P3D、MIDAS/GEN、佳构和SSG等常用的弹塑性分析软件均可实现。

而且，该方法也存在一定的不足：操作繁琐。每根梁和柱都要进行分别提取数据并进行复核，当子结构构件较多时，工作量极大。常规设计中，设计师可能采用包络设计的方法，但包络设计并不完全适用于子结构设计。对于梁而言，不同阻尼器下不同位置梁的受力相差较大，若采用包络设计，可能不满足“强柱弱梁”的设计原则；对于柱，由于其配筋由轴力和弯矩两个参数控制，很难判断最不利的柱子。

图1 柱Nu-Mu曲线

为了减少设计师的工程量，本文提出一种新的基于承载力的设计方法。图2表示的是构件承载力与变形曲线，也是CSI系列软件中塑性铰模型。由图2可知，C点对应的是构件的最大承载力，若软件中构件的塑性铰状态超过C点，则认为构件的地震效应超过其极限承载力，即不满足设计要求，否则反之。

图2 承载力与变形曲线[8]

2 基于性能化的设计方法

参考文献[1]和[2]中要求，即罕遇地震作用下按极限力对子结构进行复核。该要求与表1中的性能2相对应，应满足轻～中等破坏的要求。佳构或SSG软件可根据构件内力的结果，结合规范判别构件的损伤程度。工程师可根据子结构损伤程度是否超过中等破坏进行判定。若低于中等破坏，满足规范要求，否则应进行子结构的加强。

表1 结构构件实现抗震性能要求的承载力参考指标示例[6]

3 基于延性比的设计方法

诚然，目前的弹塑性软件中并非所有软件都能输出构件的性能水准，但性能水准与构件的延性比有一定的关联，其对应关系如图3所示。因此，MIDAS/GEN可以直接输出构件的延性比。具体损伤方法：按先前文所述方法确定子结构(关键构件)的性能目标，并对照图确定其延性比的要求；然后，采用MIDAS/GEN进行弹塑性分析，并输出子结构的延性比，再将其与目标进行对比。若满足设计要求则完成设计，否则对结构进行重新设计，直至满足要求。

图3 抗震性能目标、承载力与延性之间的关系[9]

4 子结构设计案例

河北某项目为6层框架，设防烈度为8度，三类场地，设防地震分组为第二组。为优化梁柱截面，提高结构的抗震性能，采用BRB减震技术。子结构设计思路如图4～图5所示。

图4 子结构设计流程图

图5 结构模型

图6 塑性铰定义位置

阻尼器常见的布置形式如图6所示。对于(a)、(c)、(d)3种布置形式的子结构，当跨中出铰时，结构易形成“机构”，因此宜在中间设铰；子结构判定时，宜重点关注跨中的出铰情况。

分别采用ETABS(基于承载力的判别方法)、MIDAS/GEN(基于延性比的判别方法)、SSG(基于性能化的判别方法)和佳构(基于性能化的判别方法)等软件进行罕遇地震弹塑性分析。

图7表示的是子结构损伤情况。由图7可知，罕遇地震作用下，子结构梁出现不同程度的损伤，梁两端损伤重于梁中，梁中为弹性，柱子损伤较小，近乎弹性。由图6(a)可知，塑性铰状态为B，未超过C，说明子结构的内力未超过其极限承载力；由图6(b)可知，最大的延性比为3.1，小于3.5；由图6(c)可知，子结构梁的损伤主要是轻微状态；由图6(d)可知，子结构梁的损伤主要是轻微状态。综上，子结构损伤较轻，在罕遇地震下能发挥较好的作用。

(a)ETABS(基于承载力的判别方法)

(b)MIDAS/GEN(基于延性比的判别方法)

(c)SSG(基于性能化的判别方法)

(d)佳构(基于性能化的判别方法)图7 子结构损伤情况

5 结论

子结构的合理设计是确保阻尼器发挥重要作用的因素。不同结构设计软件具有不同的功能特性。采用不同软件进行减震设计和子结构分析时，根据软件特点，采用不同的子结构损伤判别方法；CSI系列软件可采用基于承载力的判别方法；MIDAS/GEN可采用基于延性比的判别方法；佳构和SSG可采用基于性能化的判别方法。