框架-剪力墙结构体系是高层建筑中普遍采用的结构形式^[1,2]。该体系中连接墙肢与墙肢、墙肢与框架柱的梁称为连梁。钢筋混凝土连梁一般跨度小、截面大, 地震作用下很容易遭受破坏, 进而引起墙肢的损伤, 这些震害往往较难修复。本文提出了双阶耗能连梁的设计构想, 即设计一种连梁, 使其在小震作用下产生第一阶屈服, 为结构提供一定的附加阻尼比;中震和大震作用下连梁进入第二阶屈服, 进一步耗能, 从而有效保护结构;连梁本身在震后可及时修复或更换。以下结合笔者在某工程实践, 详细介绍双阶耗能连梁的设计应用。

　　 实际工程中连梁通常为钢筋混凝土构件, 当其跨高比较小时 (一般不大于2.5) , 连梁会在纵筋屈服后发生混凝土破裂区的剪切破坏, 延性和耗能能力较差, 随着剪压比的增大, 连梁的延性会进一步降低, 虽然增大箍筋用量能在一定程度上推迟连梁的剪切破坏, 但是作用有限。

　　 大量的计算结果及震害分析表明, 连梁是框架-剪力墙结构中首当其冲的耗能构件。因而提高连梁的耗能能力, 可以有效减小结构的塑性损伤, 滞回性能优良的钢连梁阻尼器不失为一种良好的选择^[3,4]。基于目前钢连梁的应用现状^[5], 研发了一种双功能的耗能钢连梁, 简称双阶耗能连梁, 其应能满足如下预期目标:1) 小震下为结构部件, 对墙肢提供耦联约束作用;2) 小震下又是耗能部件, 可提供一定的附加阻尼比, 因此较常规框架-剪力墙结构刚度较小, 从而降低地震作用, 减小结构反应, 提高结构的整体经济性;3) 应具有明确的双屈服点, 在第一与第二屈服点之间, 钢连梁的结构部件不屈服, 发挥结构作用, 而耗能部件屈服发挥附加阻尼作用;4) 在第二屈服点以上 (即中震和大震时) , 结构部件和耗能部件均进入屈服耗能状态, 进一步耗能。双阶耗能连梁骨架曲线如图1所示。

　　 双阶耗能连梁的基本原理是通过发生第一阶剪切屈服的核心剪切板和发生第二阶弯曲屈服的外套箱梁来完成双阶屈服构造的。构造形式见图2。

　　 双阶耗能连梁的第一阶屈服设计在小震下发生, 使整体结构在小震下即发挥耗能反应, 增加结构在小震下的附加阻尼比。第二阶屈服设计在中震或大震下发生, 此时两部分耗能部件同时发挥作用, 增加屈服耗能能力, 保障结构不会发生地震下的倒塌破坏, 提高结构安全性 (表1) 。

　　 某工程为框架-剪力墙结构, 地下2层, A塔楼地上16层, 结构高度为67m;B塔楼地上9层, 结构高度为39m;裙房5层, 屋面高度为23m。抗震设防烈度为7度 (0.15g) , Ⅲ类场地, 所在场地设计地震分组为第二组。由于建筑功能为急诊及病房楼, 属重点设防类别, 计算时峰值加速度采用0.2g, 框架及剪力墙抗震等级均为一级。框架柱主要截面尺寸为800×1 000, 700×900, 剪力墙主要厚度为500, 400mm, 混凝土强度等级由下到上为C60～C40。结构整体模型如图3所示。

　　 结构设计比较了两种方案, 即采用钢筋混凝土连梁和双阶耗能连梁方案。双阶耗能连梁设计时选取了钢筋混凝土连梁方案中跨高比小于2.5并且配筋率大于1.5%的连梁替换为双阶耗能连梁。双阶耗能连梁平面布置图如图4所示。

　　 受建筑功能限制, 能布置剪力墙的位置局限在楼、电梯间及固定隔墙位置, 而结构最大高度仅67m, 高宽比较小, 又处于高烈度区, 为满足位移限值, 需要较大的结构刚度, 而较大的结构刚度又带了更大的地震作用。若采用钢筋混凝土连梁方案, 剪力墙厚度最大需650mm, 且部分剪力墙暗柱区还需设置型钢, 结构效率很低。采用双阶耗能连梁方案, 设定小震提供1%附加阻尼比, 将剪力墙最大厚度降低为500mm, 增大结构自振周期, 可降低20%地震作用, 同样满足位移限值的要求。两种方案基本指标对比如表2所示。采用双阶耗能连梁后可节约1 000余万元结构造价 (表3) 。

　　 采用动力时程分析方法计算小震下双阶耗能连梁结构的附加阻尼比。

　　 根据工程的抗震设防要求, 设计反应谱的基本信息为:地震影响系数为0.16, 特征周期为0.55s, 阻尼比为0.05。

　　 进入PEER网站, 提交设计反应谱信息, 并根据我国规范的三类场地的剪切波速, 换算为PEER的V_s30 波速, 为V_s30=165～265m/s。选取三条波分别为:1971年的San Fernando波 (180°方向) , 记为SR1波;1937年的Humbolt Bay波 (225°方向) , 记为SR2波;1942年的Borrego波 (0°方向) , 记为SR3波。

　　 采用SeismoSignal软件计算上述三条地震波的弹性反应谱, 并与设计反应谱比较, 三条地震波的峰值位于设计反应谱峰值的0.8～1.2倍之间, 且峰值对应的周期区间基本一致, 表明这三条地震波可以作为本工程输入的天然波。

　　 采用动力时程分析方法计算附加阻尼比的主要步骤为:1) 对双阶耗能连梁结构直接进行动力时程分析, 得到结构层间位移角和层间剪力;2) 对钢筋混凝土连梁结构, 在计算过程中手动附加计算阻尼比, 进行动力时程分析;3) 对比以上两个结构层间位移角和层间剪力的计算结果, 如果误差较小, 则手动添加的附加阻尼比即为双阶耗能连梁所附加的阻尼比。

　　 采用这种方法得到的结果为:SR1波附加阻尼比约为1.15%, SR2波附加阻尼比约为1.05%, SR3波附加阻尼比约为1.06%。因而确定小震下该结构的双阶耗能连梁为结构提供的附加阻尼比为1%, 并用于结构整体分析与设计。

　　 采用动力弹塑性时程分析结构罕遇地震下的抗震性能, 分析软件为三维非线性结构分析软件PERFORM-3D。分析过程中, 考虑了结构几何非线性和材料非线性。

　　 结构分析中, 采用弹塑性纤维+弹塑性剪切性质的单元模型来模拟剪力墙的面内轴向变形、弯曲变形和剪切变形。剪力墙平面外的弯曲和剪切均假定为弹性。

　　 双阶耗能连梁采用两端弯曲塑性铰+剪切铰模型来模拟, 用剪切铰模拟梁中段阻尼器。中段剪切铰的本构采用了三线性-随动强化模型, 见图5。

　　 对钢筋混凝土连梁, 在模拟中采用了用户定义的弹性杆+两端曲率型塑性铰的单元来模拟, 并在两段塑性铰区加入梁剪切强度截面, 以监测连梁的抗弯及抗剪强度是否达到规范限值。

　　 楼面主梁由于承担了竖向荷载, 并且被楼面次梁分割, 与FEMA梁单元的计算假定不一致, 因此采用了用户定义的弹性杆+两端曲率型塑性铰的单元来模拟。

　　 与梁模型类似, 柱也是采用弹性杆+曲率型塑性铰的FEMA柱模型来模拟其非线性变形特征。柱端形成弯曲塑性铰的条件是柱端弯矩达到柱截面的屈服弯矩值, 而柱端形成塑性铰的准则是在三维空间中代表柱端轴力和双向弯矩的点 (P, M2, M3) 位于柱截面PMM屈服面上。

　　 采用弹塑性时程分析方法对结构进行了罕遇地震下的结构反应分析。分析中将地震加速度峰值调整为400gal。提取结构在罕遇地震下的整体反应, 分析得到层间位移角分布、罕遇地震下基底剪力与多遇地震基底剪力对比、结构塑性发展等主要指标。

　　 结构层间位移角分布如图6所示。从分析结果可以看出, Y向层间位移角大于X向, Y向最大层间位移角为1/134, 小于限值1/100, 满足规范要求。各工况结构最大基底剪力见表4, 括号中的数字为对应小震工况下最大基底剪力的倍数^[6]。

　　 小震反应谱计算结果表明, X向最大基底剪力为77 423.1kN, Y向最大基底剪力为79 196.0kN。中震弹塑性时程工况下结构最大基底剪力约为小震反应谱工况下的1.07～1.92倍;大震弹塑性时程工况下结构的最大基底剪力约为小震反应谱工况下的2.08～2.89倍。对比结果可以看出, 结构在中震和大震下均进入了弹塑性耗能状态。

　　 提取大震工况SR1波作用下的弹塑性时程分析结果 (图7, 图中参考美国FEMA规范的定义, IO代表立即居住的性能水准, LS代表生命安全的性能水准, CP代表防止倒塌的性能水准) , 塔楼的时程反应历程存在以下特点:

　　 (1) 结构在地震发生的最初0～11s内表现为弹性, 框架柱在重力工况下未出现塑性。

　　 (2) 11～15s阶段, 11.2s开始中下部楼层的个别连梁出现剪切屈服现象, 框架梁、柱和墙均处于弹性阶段。

　　 (3) 15～20s阶段, 下部楼层框架梁出现屈服现象, 更多的连梁进入剪切屈服阶段, 15.6s开始B塔楼上部个别剪力墙钢筋出现受拉屈服, 下部以及A塔楼楼层剪力墙均处在弹性阶段。

　　 (4) 25～30s阶段, 全部连梁基本出现剪切屈服, 但连梁端部塑性铰转角均小于0.02rad, 处于LS阶段内, 中下部框架梁出现屈服现象, 但端部塑性转角均小于0.02rad, 25s时A塔楼中部个别剪力墙出现受拉屈服, B塔楼底部楼层出现受拉屈服, 30s时A塔楼中下部剪力墙大部分出现屈服, 框架柱均未出现屈服现象。

　　 (5) 30～35s阶段, A, B塔楼剪力墙中下部出现屈服, 框架梁端部塑性转角均为大于0.02rad, 全部连梁剪切屈服, 个别柱子出现受拉屈服, 但端部转角均处于LS阶段内。

　　 为对比双阶耗能连梁方案与钢筋混凝土连梁方案下构件的反应, 提取了罕遇地震后竖向构件的性能水准, 如表5所示。图8为两种方案下某连梁的滞回曲线对比。

　　 计算得出, 两种方案下框架柱性能水准差别不大, 均处于IO阶段以下, 两种方案差别不大;钢筋混凝土连梁方案下剪力墙抗弯屈服面积达到剪力墙总面积的30%左右, 而双阶耗能连梁方案下剪力墙抗弯屈服面积仅占剪力墙总面积的7%, 且双阶耗能连梁方案剪力墙的抗剪性能水准也相对较低。双阶耗能连梁滞回曲线饱满, 耗能能力更强。

　　 基于结构地震反应分析, 采用双阶耗能连梁进行结构减震设计, 使得结构抗震性能得以提升。主要结论如下:

　　 (1) 对同样的位移限值要求, 采用双阶耗能连梁方案可降低结构对刚度的需求, 延长周期, 减小地震作用。

　　 (2) 小震时双阶耗能连梁可提供一定的附加阻尼, 降低结构地震作用。

　　 (3) 中震和大震双阶耗能连梁进一步耗能, 可减小墙体塑性损伤, 提高墙体抗剪性能, 起到保护结构的作用。

　　 (4) 震后双阶耗能连梁可根据破坏情况及时进行更换。