近年来,随着性能化抗震设计方法的发展,结构抗震设计的目标逐渐从“防止结构倒塌、保障生命安全”朝“尽快恢复结构的正常使用功能、减少地震灾害带来的经济损失”过渡,如何有效地控制结构在地震作用下的损伤机制、减小结构主体的损伤程度、快速实现高层及超高层建筑结构在地震后功能可恢复这一课题得到了地震工程界广泛的关注。

　　 剪力墙结构或者框架-剪力墙(核心筒)结构中,门窗洞口上部的连梁往往跨高比较小,在地震灾害中一般首先出现剪切破坏。为了改善普通配筋钢筋混凝土连梁的抗震性能,国内外学者进行了大量的试验和理论研究:如在连梁中沿对角方向布置交叉钢筋 ^[1]或者菱形钢筋 ^[2]来提高连梁的抗震能力,在连梁中部开水平缝 ^[3]增大连梁的跨高比,或者使用型钢混凝土连梁 ^[4]、钢板混凝土连梁 ^[5]等组合连梁,通过钢筋混凝土与型钢或者钢板的组合作用提高连梁的承载能力和变形能力。Fortney和Shahrooz ^[6]提出了一种带“保险丝”的可更换钢连梁,在钢连梁的中部设计一段较为薄弱、可更换梁段,通过高强螺栓与连梁端部预埋件连接在一起,在地震作用下可更换段先于其他部分发生剪切屈服,让连梁的塑性变形都集中在耗能段,保证墙体、连梁与墙体连接的部位均不发生破坏。但如何合理设计连梁,让地震作用下结构的塑性变形主要集中在各层连梁,有效地减轻其他构件的损坏,并且实现震后功能可恢复亟需继续深入研究,且对连梁抗震性能的已有研究多以单个连梁构件的试验或者理论研究为主,从整体结构地震响应角度对连梁抗震性能参数进行分析的相关研究较少。除了上述方法外,还可在结构中使用轻质高强楼盖结构体系或者型钢混凝土柱、钢管混凝土柱、型钢混凝土剪力墙、钢管混凝土剪力墙等高性能构件,通过减小整体结构的质量从而减小地震作用或者提高关键竖向构件抗震能力的方式减小结构在地震中的损伤,实现建筑结构的震后功能可恢复。

　　 本文以一典型的钢筋混凝土(RC)框架-核心筒结构为研究对象,改变结构内筒内壁连梁的剪力-转角骨架曲线中设计承载力及变形能力参数,分析连梁不同性能对整体结构抗震性能的影响,从而为整体结构的功能可恢复研究以及新型抗震连梁的研发提出性能指标要求,并将原结构的普通配筋钢筋混凝土楼板替换为现浇后张预应力空心楼板 ^[7],研究楼盖结构体系的变化对结构抗震性能的影响。

　　 根据国内相关抗震规范设计了一幢位于8度(0.2g)、Ⅱ类场地的RC框架-核心筒结构(命名为CHA) ^[8],设计地震分组第一组,场地特征周期T_g=0.35s,假定结构底部嵌固在地面上,结构地面以上27层,结构高度98.1m,框架平面尺寸40.8m×40.8m,结构高宽比2.4,核心筒高宽比5.45。结构平立面示意图见图1。楼屋面设计恒荷载为7.5kN/m²,活荷载为3kN/m²,框架梁线荷载为10kN/m。水平构件混凝土强度等级为C30,竖向构件混凝土强度等级:1～10层为C50,11～18层为C40,19～27层为C30。框架梁尺寸1～15层为600mm×900mm,16～27层为500mm×900mm,楼面梁尺寸为350mm×750mm,楼屋面板厚度120mm,框架柱尺寸从1 200mm×1 200mm沿结构高度逐渐缩小至800mm×800mm,核心筒外壁墙肢厚度从400mm减小至300mm,内壁墙肢厚度从300mm减小至200mm。

　　 在Perform 3D中建立上述结构的弹塑性分析模型,其中框架梁、柱单元采用两端为纤维铰(长度为0.5倍截面高度)、其余长度范围内为弹性截面的杆单元模拟,剪力墙采用附加剪切弹簧的纤维单元模拟,连梁CB1采用两端为纤维铰、中部为非线性剪切弹簧(长度为0)、其余长度范围内为弹性截面的杆单元模拟,剪切弹簧中连梁剪力V-转角θ曲线根据50根跨高比在1.0～3.0范围内、最终破坏模式为剪坏的RC连梁构件的试验数据统计得到,如图2所示。(图2中f_t为混凝土抗拉强度设计值;b_b为连梁宽度;h₀为截面有效高度;f_yv为箍筋抗拉强度设计值;A_sv为箍筋各肢全部截面面积;s为箍筋间距;θ_5.3%为连梁达到残余承载力V_r对应的变形)钢筋应力-应变关系采用理想弹塑性本构模型,约束混凝土和非约束混凝土应力-应变曲线分别采用修正的Qian模型和Hognestad模型。文献[8,9]详细介绍了该RC框架-核心筒结构的静力、动力弹塑性分析结果。

　　 在模型CHA中,内筒内壁连梁CB1跨度2 500mm、高度1 000mm,为普通配筋混凝土连梁,在地震作用下弯矩和剪力较大,其抗震性能的变化对整体结构抗震性能的影响较为明显。保持连梁CB1几何尺寸不变,由普通配筋混凝土连梁替换为对角配筋混凝土连梁或者SRC连梁等,其弹性刚度变化不大,但其设计承载力以及变形能力会得到改善。为了研究连梁屈服承载力以及变形延性的影响,改变连梁CB1剪力-转角骨架曲线(图2)的设计承载力V_y、平台段长度或者屈服后硬化段的长度及倾斜程度,通过参数分析的方法研究连梁性能变化对整体结构抗震性能的影响。

　　 对多组钢筋混凝土连梁试件试验数据 ^{[10,11,12,13]}的统计分析发现,连梁跨高比相同的情况下,对角配筋连梁的屈服承载力比普通配筋连梁高约7%～30%。所以,保持强屈比与塑性变形能力不变,将CB1的设计承载力V_y分别提高10%,20%与30%,屈服时对应的变形值随着V_y的提升而提升,得到对应3个不同屈服性能连梁的整体结构模型,分别命名为CHA-1,CHA-2,CHA-3,不同模型中连梁剪力-转角骨架曲线如图3所示。

　　 为考察连梁高延性与变形能力对整体结构抗震性能的影响,假设连梁CB1的设计承载力不变,保持连梁强屈比(约1.35)与连梁达到峰值承载力V_u时对应的变形值(约0.7%)不变,将CHA中连梁CB1模型中对应防止倒塌(CP)状态时的变形从约1.2%分别延伸至3% ^[14]和6% ^[15],得到新整体结构模型CHA-4,CHA-5;另外,为了模拟可更换钢连梁消能梁段的超强硬化特征 ^[16],将连梁强屈比提高至1.7,达到峰值承载力时对应的变形值调整为6%,但峰值后的平台段长度不变,得到新整体结构模型CHA-6。各模型的连梁剪力-转角骨架曲线如图4所示。

　　 表1统计了模型CHA-1～CHA-6中连梁CB1的屈服承载力与模型CHA中连梁CB1的屈服承载力的比值V_y/V_y,CHA、各连梁强屈比、防止倒塌状态对应的变形值θ_CP。新模型中连梁CB1的延性性能较好,在地震作用下一般表现为连梁弯曲屈服,本文分析时连梁采用在杆单元中部添加剪切铰的方式进行模拟,其中剪切铰的屈服承载力为连梁发生弯曲屈服时对应的剪力值,杆单元两端没有设置纤维铰。在Perform 3D中建立了各新模型的弹塑性分析模型,首先施加重力荷载代表值,得到对应的内力和变形,然后沿x方向施加倒三角分布水平荷载进行推覆分析,研究各新模型与模型CHA之间抗震性能的差异。

　　 图5比较了不同连梁屈服承载力参数对应模型的基底剪力-顶点位移曲线。不同模型承载力与目标位移比较结果见表2。表3列出了结构在设计罕遇地震作用下连梁CB1的塑性转角沿层高分布的最大值θ_p,max以及墙肢W1底层受拉侧的边缘构件中的纵筋应变ε_t。

　　 由上述分析可知:连梁设计承载力的提高对结构初期的承载力和变形没有明显影响,结构的峰值承载力从68 769kN提高至74 417kN,模型CHA-1～CHA-3的峰值承载力相比模型CHA分别增长了3%,5%,8%;连梁屈服逐渐推迟,对应的顶点位移从150mm增大至188mm;墙肢屈服逐渐提前,对应的顶点位移从329mm减小至304mm;连梁达到CP状态逐渐推迟,对应的顶点位移从516mm增大至589mm。连梁屈服承载力提高至模型CHA中设计值的1.1倍后,结构8度罕遇地震性能点对应的最大层间位移角从原来的1/200减小为1/207,之后连梁屈服承载力继续提高,性能点对应的最大层间位移角无明显变化。随着连梁设计承载力的提高,连梁在设计罕遇地震下的最大塑性变形从0.7%逐渐减小至0.44%,受力状态处于连梁剪力-转角曲线的上升段,墙肢的最大拉应变从1.3ε_y增大至1.43ε_y,说明连梁承载力提高,虽然连梁的损伤减轻或不屈服,但会让筒体中墙体的轴压力降低甚至受拉,墙体可能处于拉弯状态,墙肢的屈服提前,导致墙体的地震损伤加重,修复困难,对结构抗震不利。

　　 图6比较了不同连梁变形能力参数对应模型的基底剪力-顶点位移曲线。可以看出:连梁变形能力的增强对结构初期的承载力和变形能力没有明显影响;模型CHA-4相比CHA,结构峰值承载力提高了7%,后期的变形能力也得到改善;模型CHA-5相比CHA-4,结构峰值承载力没有明显变化,承载力下降段更为平缓,但是在结构最大层间位移角为1/70时,结构的推覆曲线出现突然下降的现象;模型CHA-6相比CHA,结构峰值承载力提高了9%,推覆曲线后期承载力下降不明显。

　　 对于模型CHA,当模型达到设计罕遇地震性能点对应的状态(表4中状态1)时,连梁最大塑性变形等于平台段起始点对应变形值(0.7%),尚未达到CP状态对应值(1.2%),模型CHA-4和CHA-5仅改变平台段长度,对结构性能点对应的状态无明显影响,达到设计罕遇地震性能点对应的最大层间位移角、设计罕遇地震下连梁及墙肢损伤状态与基础模型CHA相同或者近似亦可说明这一点。模型CHA-6中连梁CB1有较长的屈服后硬化段,且屈服后硬化刚度大于模型CHA中连梁CB1的屈服后硬化刚度,整体模型的承载能力与变形能力均得到一定的提高,设计罕遇地震下连梁和墙肢损伤均小于模型CHA,说明提高连梁屈服后刚度对结构的抗震有利。

　　 将需求谱进一步提高至9度罕遇地震水平,发现达到9度罕遇地震性能点(表4中状态2)时,模型CHA结构最大层间位移角为1/133,连梁的塑性转角为1.65%,超过接近倒塌状态(1.2%),墙肢最大拉应变为2.3ε_y;模型CHA-4,CHA-5最大层间位移角均为1/133(与模型CHA的结果一样)、连梁塑性变形均减小至1.56%,均未达到两模型中CB1骨架曲线CP状态对应的变形值(3%和6%),处于连梁剪力-转角曲线的平台段,墙肢的损伤状态没有明显改善,最大拉应变为2.3ε_y;模型CHA-6结构最大层间位移角为1/161,连梁最大塑性变形为1.28%,处于连梁剪力-转角曲线的上升段,墙肢最大拉应变为1.61ε_y。

　　 利用动力弹塑性分析方法进一步研究了连梁不同变形能力对整体结构抗震性能的影响,选择Manjil, Iran地震波(参考文献[9]中建立的地震波选择集A)作为结构基底输入的地震波,考虑双向地震作用,x,y方向PGA分别调幅至0.62g和0.80g,x方向和y方向PGA比值为1∶0.85,计算得到结构层间位移角、连梁CB1塑性变形(塑性转角θ与连梁跨度L的乘积)、模型平面H点(图1(a))处剪力墙竖向应变沿结构高度的分布,结果分别如图7～9所示。表4中列出了结构地震响应结果的最大值,分别对应状态3和状态4。

　　 可以发现:当PGA=0.62g时,模型CHA连梁CB1最大塑性变形达1.22%,已经超过CP状态(1.2%),开始进入下降段。模型CHA-4,CHA-5,CHA-6中连梁最大塑性变形值与模型CHA对应结果接近,处于连梁剪力-变形曲线上的平台段或上升段;当PGA=0.80g时,模型CHA连梁CB1最大塑性变形大于模型CHA-4,CHA-5,CHA-6中对应连梁的塑性变形;模型CHA,CHA-4和模型CHA-5的层间位移角沿层高分布接近,略大于模型CHA-6;模型CHA,CHA-4,CHA-5中H点竖向应变沿高度分布接近,底层墙肢应变略大于模型CHA-6中的对应值。

　　 现浇预应力空心楼板是近年来发展起来的一种新型楼盖结构 ^[7],该类结构具有刚度大(适用于大开间的公共建筑)、重量轻(比普通预应力混凝土楼盖自重轻约30%)、结构厚度小(减小楼面梁高度,从而降低楼盖结构高度或增大楼层净空)等优点,适合在高层建筑中使用。轻质混凝土楼盖等也可实现上述要求。将模型CHA中120mm厚的混凝土楼板替换为相同厚度的预应力空心楼板,楼面梁及框架梁尺寸及配筋保持不变,构成模型CHA-7。假设轻质楼板的重量为模型CHA中混凝土楼板重量的65%,则新楼屋面的恒荷载为6.4kN/m²,楼屋面活荷载仍为3.0kN/m²。模型CHA-7的楼屋面及楼面梁的示意图如图10所示。进行了模型CHA-7的静力推覆分析,结果见表2,3。图11为模型CHA,CHA-7经过静力推覆分析得到的结构基底剪力-顶点位移曲线。

　　 模型CHA-7的结构峰值承载力虽然略小于模型CHA,但降低并不明显。通过表2、表3和图11可以发现:两个模型在推覆初期结构的基底剪力-顶点位移曲线基本重合,连梁屈服时对应的层间位移角相同,模型CHA-7墙肢屈服均早于模型CHA,罕遇地震时墙肢的损伤略大于模型CHA,连梁进入CP状态的层间位移角基本相同,在大震下模型CHA-7连梁损伤小于模型CHA,与大震性能点状态对应的顶点位移为368mm,早于模型CHA的392mm。表5列出了CHA,CHA-7两个模型的前两阶周期及达到设计罕遇地震性能点时结构的基底剪力V_base,可以看出:模型CHA-7的结构质量减轻,整体刚度不变,y方向和x方向结构的平动周期T_y,T_x均减小4%左右,大震时基底剪力减小约5%,结构抵抗地震的能力降低不明显,且竖向构件轴压比指标得到改善,延性性能提升,抗震性能得到改善。

　　 本为以一典型RC框架-核心筒结构为基础,研究了该结构内筒内壁连梁承载力及变形能力变化以及使用现浇预应力空心楼盖体系对结构抗震性能的影响,得到以下结论:

　　 (1)若将连梁设计承载力在基础模型的基础上提高10%～30%,则结构整体的承载力提高约3%～8%,连梁屈服推迟,墙肢屈服提前,在达到对应设计罕遇地震性能点状态时,连梁的损伤小于基础模型,其受力状态处于连梁剪力-变形曲线的上升段,墙肢损伤大于基础模型。

　　 (2)若将连梁骨架曲线中的平台段长度延伸或者屈服后硬化段的刚度和长度增大,则结构整体的承载力提高,结构推覆曲线下降趋势更为平缓。采用高延性性能连梁的模型在设计罕遇地震作用下的损伤状态与基础模型基本一致,在超越设防烈度的地震作用下,连梁的承载力依然处于剪力-转角曲线的平台段;采用可更换钢连梁的模型在设计罕遇地震作用以及超大震地震作用下的结构损伤均小于基础模型。可以震后对连梁进行更换或者修复,从而实现结构功能的快速恢复。

　　 (3)若楼盖的质量减小约35%,则结构的周期减小约4%,大震下基底剪力减小约5%,结构抵抗地震的能力降低不明显,且竖向构件轴力减小,延性提升,结构抗震性能得到改善。