耗能减震钢结构基于性能的抗震设计方法研究

张 艳（烟台建筑设计有限公司方中分公司，山东 烟台 264000）

地震是一种对自然环境造成影响较大、破坏性较强的自然灾害，当地震灾害发生时，通常会出现大量建筑物、构筑物损坏的现象，此种灾害不仅会对地区经济发展带来负面影响，也会对身处建筑内的群体个人安全造成威胁[1]。为了避免地震等不可抗力自然灾害对社会发展造成的干预，我国建筑工程产业提出了加大对工程结构抗震建设投入的政策，并将提升主体结构抗震性能在设计的中心思想，以期通过此种优化方式，防止构筑物出现结构坍塌等安全事故。

1 钢结构抗震设计必要性分析

目前，世界各地都在将“小震不坏”“大震不倒”作为建筑工程项目的设计原则，在此项设计理念推广过程中，施工方已经在实践中取得了一定的成果[2]。但随着建筑工程行业的进一步发展，人们对工程结构的安全性、可靠性、稳定性提出了更高的建设标准与设计要求，设计方也意识到早期单一化设计开发理念的局限性。为了更好地适应社会各个方面需求，应持续并加大对此方面设计的投入，研制更加安全、可靠、适用的工程材料与结构体系，从而满足社会受众群体对构筑物的层次化抗震设计需求[3]。总之，优化工程既有结构，提高构筑物的综合抗震性能，已成为新世纪建筑行业发展的最新研究课题。

为了全面落实并推进此项工作，建筑行业联合多个组织单位发行了《建筑耗能减震结构设计标准与设计开发指南》文件，文件明确了建筑主体结构中的钢材料，是支撑整体结构的关键[4]。尽管建筑主体构成中的钢材料具有较强的防变形能力，但由于此种材料在建筑工程中使用，其水平刚度较差、柔性较强。为了避免或解决此方面问题对建筑整体结构稳定性与安全性造成的影响，通常会在主体结构施工中（尤其是高层建筑结构），将控制钢结构在水平方面的形变作为施工控制关键[5]。此外，根据国家地质勘查单位统计的数据与数次地震数据可知，相比构筑物中的其他类型结构，钢结构在遭受到地震灾害后，所受到的损害程度相对较小，但由于自然灾害的发生具有一定随机性，而建筑主体中的钢结构一旦受到外界较大的影响，便会出现倒塌、局部失稳、整体破坏、节点损坏、连接构件损坏等一系列安全问题。因此，采取有效的措施，进行钢结构抗震设计，是一项具有现实意义的工作。

从建筑整体耗能层面分析，在主体结构中，与位移相关的耗能电器需要经过一定的滑动位移或屈服位移，才能在预设条件下进入正常耗能工作运行状态。并且，在整体结构中，钢结构位置设置越高、刚度柔性较强，结构发生变形的可行性越大，对应结构中的耗能器减震效果越明显[6]。因此，可尝试在钢结构减震设计时，通过增设位移型耗能器的方式，进行钢结构发生位移后的反应控制，属于一种相对理想的减震设计方法。而通过此种设计方式，不仅可以实现对结构整体性能的优化，也可以提高主体结构施工成果的安全性。因此，对钢结构进行抗震设计是十分有必要的。

2 耗能减震钢结构基于性能的抗震设计方法

2.1 确定耗能减震钢结构抗震性能水准

为实现对耗能减震钢结构的抗震设计，首先需要明确其抗震性能水准。通常情况下，钢结构的强度极高，并且具有良好的延展性，是理想的弹塑性材料。在地震作用下，能够在极大程度上减弱地震产生的反应。综合发生地震时钢结构的破损率进行分析，破坏程度从轻微损坏、中等破坏、严重破坏到最终倒塌，其严重程度不断提升，相应的钢结构破损率占比对应30.2%、25.3%、32.6%和8.2%。由此可以看出，钢结构的倒塌现象在结构破坏程度中所占的比例相对较小，但大多数的钢结构在遇到地震时都会出现不同程度的破坏，并且钢结构外墙装修的脱落现象也十分普遍[7]。为了确保钢结构抗震性能水准更具标准化，基于多个国家对建筑性能水准的划分标准，确定钢结构抗震性能的水准如表1所示。

表1 耗能减震钢结构抗震性能水准划分表

2.2 钢结构抗震能力量化

通过上述论述，从宏观角度上实现对耗能减震钢结构抗震性能的划分。为了方便后续实际工程对钢结构的设计和使用，还需要对其抗震能力进行量化[8]。在量化过程中，考虑到钢结构性能与其变形之间的关系，如图1所示，将变形指标作为量化标准，根据钢结构的变形特征、结构稳定性等，最终确定耗能减震钢结构不同性能水准下的量化值。

图1 钢结构性能与其变形关系示意图

结合图1中的内容，首先从耗能减震钢结构的层间位移角限值角度对抗震能力进行量化。按照建筑使用功能重要程度，将其划分为三个类别，分别为II、III和IV。分别针对耗能减震钢结构（A结构）和耗能减震钢支撑结构（B），对其健康状态、病态状态以及生命垂危状态的层间位移角限值进行确定。健康状态下，A结构层间位移角限值：1/300（II）、1/300（III）、1/300（IV）；B结构层间位移角限值：1/300（II）、1/300（III）、1/300（IV）。病态状态下，A结构层间位移角限值：1/200（II）、1/200（III）、1/200（IV）；B结构层间位移角限值：1/200（II）、1/200（III）、1/200（IV）。生命垂危状态下，A结构层间位移角限值：1/800（II）、1/100（III）、1/100（IV）；B结构层间位移角限值：1/800（II）、1/100（III）、1/100（IV）。

其次，再从耗能减震钢结构的屈服位移量角度对抗震能力进行量化。在无耗能的状态下，耗能减震钢结构的屈服位移量小于屈服或滑移位移；初始耗能状态下，耗能减震钢结构的屈服位移量约为设计阶段的50%；正常耗能状态下耗能减震钢结构的屈服位移量接近或达到设计阶段的100%；极限耗能状态下，耗能减震钢结构的屈服位移量接近或达到设计阶段的130%；破坏状态下，耗能减震钢结构的屈服位移量超过设计阶段的130%。

2.3 构建耗能减震结构模型

在上述量化结果的基础上，确定耗能减震结构的模型。通常情况下，可采用耗能装置的等效线性模型对钢结构进行初步设计，并采用耗能装置的实际非线性模型实现对其验算。图2为耗能减震钢结构模型。

图2 耗能减震钢结构模型

在上述耗能减震钢结构模型基础上，针对钢结构振型分解，其表达式为：

上述公式中M为耗能减震钢结构的质量；K为耗能减震钢结构的刚度；Cs为耗能减震钢结构的阻尼矩阵；Ce为相关型耗能部件阻尼矩阵；X(t)为相对水平位移。根据上述公式，实现对钢结构振型动力分解。在实现耗能减震钢结构的抗震设计时，还需根据其结构不同性能目标，充分考虑到主体结构以及耗能装置不同工况条件下的动力学特征，完成对其抗震设计。针对程度较小的地震，主体结构可选用线弹性模型，其位移可根据是否产生屈服或滑移对线性或非线性进行选择；针对程度较大的地震，在作用力下方的结构通常应当选择非线性的模型，而主体结构应当采用非线性模型。

2.4 金属耗能器及其在结构中的安装

在对耗能减震钢结构进行抗震设计时，必须合理确定结构构件的性能参数，确保其结构满足性能目标要求的基础上，实现其基本功能的正常运行。在明确耗能减震钢结构模型的基础上，将开孔式钢结构耗能装置和人型支撑连接结构作为依据，完成对金属耗能器机器在结构中的安装，以此为钢结构提供更有利的抗震性能。为了进一步提高稳定性，选择无粘结支撑方式，在钢管内部添加灰浆材料。在耗能减震钢结构的各层均匀地安装金属耗能器，并结合钢结构的规定，在每层结构上至少安装两个耗能器，并合理布置，避免后期使用过程中钢结构出现扭转效应。利用人型钢支撑结构，将支撑和钢结构之间的夹角控制在35°～45°范围内。已知单个人型支撑结构的水平刚度为K=2×(EA/L)×cos2θ，根据水平刚度计算公式可以计算得出各层耗能减震钢结构中具体需要加装的支撑结构和金属耗能器总参数。综合分析后，确定第一层耗能减震钢结构的弹性刚度应当设置在120kN/mm～150kN/mm范围内，其与各层耗能减震钢结构的弹性刚度应当设置为80kN/mm，屈服后刚度系数应当设置为0.05。由于每一层钢结构都采用了两个人型支撑结构，因此其每根支撑结构的面积应当为总面积的1/4，以此实现对钢结构的抗震设计。

3 对比分析

完成上述设计，以对比实验的方式，对设计的抗震方法可行性进行检验。

实验中，以某构筑物的钢结构为例，分别按照本文设计的抗震设计方法与传统抗震设计方法，对耗能减震钢结构进行抗震设计。完成设计后，选择地震波，模拟结构在受到外界环境干扰下的反应，地震波输入参数见表2。

表2 模拟实验地震波输入参数

按照上述表2所示的内容，对完成抗震设计后的两个主体结构进行地震模拟，将主体结构位移反应作为评价指标。根据结构在振动过程中的幅度变化（位移反应），绘制对比实验结果曲线，见图3。

图3 主体结构位移反应示意图

上述图3中，详细描述了本文方法与传统方法在完成主钢结构的抗震设计后，遇到突发性模拟震动时的幅度变化（位移反应）。通过曲线的变化趋势可以看出，在导入地震波的前0.05s时，由于钢结构的刚度较强，因此，整体结构并未发生显著的位移反应，随着时间的增加，地震波输入量的提升，钢结构受到地震波的影响，整体结构发生震动，尽管本文方法设计的成果与传统方法设计的成果均未在此次模拟地震中发生断裂（即本文设计的抗震方法与传统抗震方法在都可以达到抗震效果），但根据曲线的变化幅度可以看出，按照传统方法进行结构抗震设计，钢结构的位移反应较大（震动幅度较大），而按照本文设计的方法进行钢结构抗震设计后，结构的位移反应较小（震动幅度较小）。由此可以证明，本文此次研究设计的抗震方法在实际应用中，可以提高主体结构刚度，降低结构在遇到突发性灾害时发生安全事故的可能性。

4 结语

本文开展了耗能减震钢结构基于性能的抗震设计方法的设计研究，对比实验结果证明：本文此次研究设计的抗震方法在实际应用中，可以提高主体结构刚度，降低结构在遇到突发性灾害时发生安全事故的可能性。但本次研究的成果在后续还需要经过大量的实践进行检验，才能被正式使用。

在建筑行业持续化高速发展的背景下，高层建筑数量越来越多、规模越来越大，在未来的建筑设计开发中，不仅要关注建筑整体的性能，还要从多方面进行结构刚度与舒适度的研究。在确保建筑整体结构满足标准后，可加大对建筑外观美化设计的投入，以潮流、时尚的外形，引领建筑产业在市场内的建设。此外，可在设计中，结合工程实际需求与设计标准，借鉴发达国家一些优秀设计成果，对国内既有建筑进行完善，保证我国建筑产业在国际上处于前沿水平。