七层双跨摇摆自复位结构体系的抗震和复位性能分析

程加明，李启才

（苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011）

七层双跨摇摆自复位结构体系的抗震和复位性能分析

程加明，李启才

（苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011）

自复位结构体系是满足性能化设计要求的一种新型结构体系，除了能够保证结构在罕遇地震下不会倒塌外，还能够有效限制结构震后的残余变形。在进行有限元模拟方法的试验验证后，建立七层双跨摇摆自复位结构体系模型，分析结构体系在小震、中震和大震下的抗震性能，研究认为多层双跨摇摆自复位结构体系能够保证其在地震作用后仅替换耗能器即可继续使用，为震后结构的修复节省了成本，具有很好的工程应用前景。

双跨摇摆自复位结构体系；弹塑性时程分析；滞回曲线Opensees

传统建筑结构在中震和大震作用下，结构中的梁、柱和连接节点等主要构件将进入弹塑性来耗散地震能量，这就导致了结构构件在震后有较大的残余变形产生，较大的残余变形会造成结构在震后加固和修复非常困难。而具有可恢复功能[1]的自复位结构体系是以减少建筑结构震后残余变形为目标的一种新型结构体系，它不仅能够在地震发生时保护人们的生命财产安全，且有助于震后结构的修复，保证结构能够尽快恢复正常使用，是结构抗震设计的一个新方向。

具有摇摆特性的结构是近些年针对提高抗震性能提出的一种新型自复位结构体系。其通过放松结构与基础间的约束，在连接处只能受压不能受拉，从而使得结构在地震作用下可以发生摆动而其本身又不会产生太大弯曲变形，这类结构称为自由摇摆结构[2]。在此基础上通过对自由摇摆结构添加竖向和水平方向的阻挡设施，限制结构的摇摆幅度以保证结构体系的稳定，这类结构称为受控摇摆结构[3]。在结构中设置预应力钢绞线，能够消除或者明显减小结构的震后残余变形。在结构中引入专门的耗能器，能够消耗地震输入能量从而减小地震作用。如果在受控摇摆结构中同时增设预应力钢绞线和耗能器，可以形成摇摆自复位结构。如果耗能器设置在两个自复位摇摆结构之间，形成一个统一的结构体系，称为双跨摇摆自复位结构体系[4-5]。

文中主要介绍了使用有限元软件Opensees建立七层双跨摇摆自复位结构体系模型，并对该结构模型在小震、中震和大震下进行抗震性能分析，得出对于双跨摇摆自复位结构在不同地震作用下的抗震性能。

图1 双跨摇摆自复位结构模型

图2 模型简图

1 模拟方法验证

选取Eatherton[6]所做相关试验进行模拟验证，选取试验中A2和A3号试件进行模拟分析，以验证模拟方法的正确性和可行性，试件结构平面图和有限元模型图分别如图1和图2所示。结构模型中梁、柱和支撑采用有限元软件Opensees中的非线性梁柱单元模拟。

1.1 柱脚模拟

双跨摇摆自复位结构的柱脚和基底接触处，为了保证框架柱脚能自由抬升并限制柱脚水平位移和转角，模型中通过对柱脚节点采用主从节点关系来进行约束，在竖直方向上，柱脚和基底通过单压弹簧相连，该弹簧在受拉时刚度为0，而受压时刚度KB取框架柱刚度的4倍[7]，力-位移本构关系如图3所示。在水平方向和转角方向上，柱脚采用和基底相同的约束，即限制柱脚的水平位移和转角。

1.2 蝴蝶型耗能钢板模拟

双跨摇摆自复位结构模型所采用的蝴蝶型耗能钢板的尺寸参数如图4所示。其中，a=20 mm，b=60 mm，t=16 mm，L=360 mm，c=13 mm。由文献[8]中相关公式计算得其屈服时的承载能力为310 kN。蝴蝶型耗能钢板的模拟如图5所示，图中轴向单元和梁柱单元的长度为0.75L[9]，弹簧单元采用Opensees中的“零长度”单元模拟，模拟蝴蝶型钢板中的连接产生的塑性铰。其余单元采用弹性单元模拟。

图3 柱脚弹簧本构关系

图4 蝴蝶型耗能钢板

图5 蝴蝶型耗能钢板模拟

1.3 钢绞线模拟

双跨摇摆自复位结构模型中的预应力钢绞线采用Opensees中Truss单元模拟。由于有限元软件Opensees中没有现成的单一材料能够准确地模拟预应力钢绞线材料的本构关系，所以材料采用Opensees中由ElasticPP材料和Hardening材料叠加而成的组合材料。在定义ElasticPP材料本构时赋予其一定的初始应变值，以得到所需的初始应力[6]。材料本构关系如图6所示，参数选取如表1所示。

图6 钢绞线材料本构关系

表1 钢绞线参数

1.4 模拟结果与试验结果对比分析

图7和图8分别为A2和A3滞回曲线的对比结果，图中纵坐标表示钢绞线和钢板耗能器提供的倾覆力矩与屈服力矩比值。可以看出，结构在最大顶点位移比为3%时，滞回曲线呈现出规则的旗帜型，结构复位性能良好，结构无残余位移产生。由于建模过程中采用了简化方法，使得模拟结果与真实试验结果有一定的偏差，但各曲线的基本走势和峰值与试验结果基本一致。总体来说，模型能起到较好模拟该类结构的效果。

图7 A2试件结构滞回性能验证对比

图8 A3试件结构滞回性能验证对比

2 模型尺寸及各参数选取

利用有限元软件Opensees建立7层双跨摇摆自复位结构体系模型[10]，如图2所示。现假定结构所在地区抗震设防烈度为8度，设计基本加速度为0.3g，Ⅱ类场地，设计分组为第一组，Tg=0.35 s[11]。模型中梁柱和支撑采用非线性梁柱单元，材料为Q345B钢，单元截面尺寸如表2所示，钢绞线和钢板耗能器对应参数列于表2和表3，其中为了保证结构模型具有较好的耗能性能，分别在模型中的第7层和第6层布置耗能器，参见图9。

表2 框架模型截面尺寸

表3 耗能器参数表

图9 简化模型立面图

3 弹塑性时程分析

3.1 多遇地震下抗震性能分析

为了研究分析多层可控摇摆自复位结构在多遇地震下的抗震性能，现分别输入A-ESO090、E-ELC000和PPP000地震波，并将它们加速度峰值都调为110 cm/s2，利用有限元软件Opensees绘制出结构在不同地震动下滞回曲线，如图10所示。从图中可以看出，在各地震动作用下，结构在各地震波作用下最大顶点位移比分别约为0.21%、0.23%、0.15%，满足规范要求弹性变形在0.4%内，又从结构在各地震波中的滞回曲线可以看出，结构滞回环捏缩，结构构件基本没有产生塑性变形。

3.2 中震下抗震性能分析

为了研究分析多层可控摇摆自复位结构在中震下的抗震性能，现分别将上文中所选的3条地震波进行调幅，调幅后加速度峰值都为294 cm/s2，利用有限元软件Opensees计算结构在各地震动下结构的滞回曲线，如图11所示。

图11 摇摆结构在各地震波作用下滞回曲线

从图11中可以看出，在地震波A-ESO090、E-ELC000和PPP000作用下，结构中耗能器产生的塑性变形不同，其中在A-ESO090波和E-ELC000波作用下，耗能器产生的塑性变形较大，结构耗能效果较好，滞回曲线较饱满；而在地震波PPP000作用下，结构中耗能器产生的塑性变形较小，结构滞回曲线捏缩，总体而言，结构在各中震作用下“复位”效果较好，滞回曲线呈“旗帜”形，具有良好的抗震性能。

3.3 罕遇地震下抗震性能分析

为了研究分析七层可控摇摆自复位结构体系在罕遇地震下的抗震性能，将上文中所选的3条地震波进行调幅，调幅后加速度峰值都为510 cm/s2，然后利用有限元软件Opensees计算结构在各地震动下各层层间残余位移角曲线和结构整体滞回曲线，如图12所示。

图12 各地震波下结构各层层间残余位移角曲线

从图12中可以看出，在不同地震动作用下，结构在震后各层层间残余位移角不同，其中在E-ELC000波作用下，结构层间残余位移角最大，约为0.18%；而在其它地震动作用下，结构各层层间残余位移角较小。总体而言，结构在所选的3条地震波作用下，震后各层层间残余位移角较小，具有良好的抗震性能。

从图13中可以看出，七层双跨摇摆自复位结构体系在不同的地震动作用下结构顶点最大位移比不同，其中在地震波A-ESO090和E-ELC000作用下结构顶点位移比较大，分别为1.2%和1.1%，这表示结构在该地震动作用下响应效果最好，结构摇摆幅度最大，耗能器耗能效果最好，结构滞回曲线饱满；而在地震波PPP000作用下，结构响应效果相对较差，即结构摇摆幅度较小，结构顶点位移比为0.5%。由于结构在地震过程中的摇摆幅度较小，故所产生滞回曲线较捏缩。总体来说，结构在各罕遇地震作用下“复位”效果较好，滞回曲线呈“旗帜”形，具有良好的抗震性能。

图13 摇摆结构在各地震波作用下滞回曲线

4 结论

基于弹塑性时程分析研究方法，研究了七层双跨摇摆自复位结构体系在小震、中震和大震下的抗震和复位性能，得出以下结论：

（1）介绍了使用有限元软件Opensees建立双跨摇摆自复位结构模型的方法，特别是蝴蝶型耗能钢板的建模方法。（2）通过合理设计双跨摇摆自复位结构体系模型，可以保证其在多遇地震下，结构中无塑性变形产生；在中震和罕遇地震作用下，结构体系只依靠耗能器产生的塑性变形来耗散地震能量，而梁、柱和连接等不产生塑性变形，实现结构体系在震后不需修复或仅替换耗能器即可继续使用的性能目标。

[1]吕西林，陈云，毛苑君.结构抗震设计的新概念-可恢复功能结构[J].同济大学学报，2011，39（7）:1-10.

[2]周颖，吕西林.摇摆墙结构及自复位结构研究综述[J].建筑结构学报，2010，32（9）:1-4.

[3]周星宇.可控摇摆自复位结构的抗震性能分析[D].苏州：苏州科技学院，2015.

[4]MATTHEW Eatherton,JEROME Hajjar,Xiang MA,et al.Seismic design and behavior of steel frames with controlled rocking-part I:concepts and quasi-static subassembly testing[J].ASCE Structural Journal,2010,1523:2-5.

[5]MATTHEW Eatherton,JeromeHajjar,Xiang Ma,et al.Seismic design and behavior of steel frames with controlled rocking-part II:large scale shake table testing and system collapse analysis[J].ASCE Structural Journal,2010,1534:3-6.

[6]MATTHEW Eatherton.Large-scale cyclic and hybrid simulation testing and development of a controlled-rocking steel building system with replaceable fuses[D].University of University of Illinois at Urbana-Champaign,USA,2010.

[7]魏宇翔，李启才.轴压比对自复位结构体系柱脚节点抗震性能的影响[J].苏州科技学院学报（工程技术版），2013，26（1）：1-5.

[8]XIANG M A.Design and behavior of steel shear plates with openings as energy dissipating fuses[D].University of Stanford University,USA,2011.

[9]XIANG M A.Seismic design and behavior of self-centering braced frame with controlled rocking and energy-dissipating fuses[D].Department of Civil and Environmental Engineering,University of Stanford University,2010.

[10]钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册（下册）[M].北京：中国建筑工业出版杜，2004.

[11]中国建筑科学研究院.GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

Analysis of seismic performance of the multilayer double rocking self-centering steel braced frame system

CHENG Jiaming，LI Qicai
（School of Civil Engineering，SUST，Suzhou 215011,China）

The self-centering structure system is a new type of structural system which can satisfy the requirement of the performance-based design.Except that the structure will not collapse under the severe earthquake, the new system also can effectively limit the residual deformation of structure.Based on the finite element simulation method after the test,this paper established a seven-layer double-span rocking self-centering steel braced frame system,to analyze the seismic performance of structure system under small,medium and severe earthquakes.Analysis results showed that this double-span rocking self-centering structure system could hold its function after the earthquake,this structural system would save the cost of repair and maintenance,and have the good prospects for the future engineering projects.

double rocking self-centeringsteel braced frame system;time-history analysis;hysteretic curve Opensees

TU973

A

1672-0679（2016）04-0033-05

（责任编辑：秦中悦）

2016－04-12

国家自然科学基金项目（51378326）；江苏省结构工程重点实验室开放课题（ZD1204）

程加明（1990-），男，江苏宿迁人，硕士研究生。

李启才（1969-），男，博士，副教授，从事钢结构的新型结构体系和抗震设计研究，E-mail：ustsgjg@163.com。