4.3.1 判别标准
以X方向为主方向的计算结果为例,对比分析原结构与6个减震结构在脉冲型及非脉冲型地震动作用下的结构损坏程度。参考《建筑结构抗倒塌设计规范》(CECS 392—2014),基于混凝土和钢筋材料的应变来判别混凝土结构构件的损坏程度,见表7。为方便统计结构构件的损坏程度,将结构中的框架梁和梁合并统计为梁构件,将框架柱和剪力墙合并统计为竖向构件。
4.3.2 梁构件损坏程度
分别取脉冲型及非脉冲型地震动作用下结构整体的梁构件损坏程度平均值进行统计。原结构及6个减震结构的梁损坏程度占比如图9a所示。从图中可看出,在脉冲型地震动作用下原结构的梁构件大部分出现了严重损坏,严重损坏程度占71%,而在非脉冲地震动作用下仅占34%。本文通过BRB减震设计有效地减轻了梁构件的损坏,尤其是将BRB布置于内框的结构中时尤为明显,JZ-4、JZ-5、JZ-6结构均使梁构件在脉冲型地震动作用下的严重损坏程度降低至45%以下。
表7 基于应变的结构构件损坏程度判别标准
Tab.7 Criterion for damage degree of structural members based on strain
统计梁构件的严重损坏程度沿楼层分布的占比,如图9b所示。从图中可以发现,原结构梁构件的严重损坏程度占比在脉冲型地震动下明显大于非脉冲型地震动下的占比,脉冲型地震动下原结构大部分楼层中(2~11层)梁严重损伤程度占比达到100%,即楼层中所有梁完全发生严重损坏; 在非脉冲型地震作用下,各减震结构的梁构件严重损坏程度占比无明显的差异,且随楼层变化趋势基本一致; 而在脉冲型地震作用下,相较于BRB布置于外周的3个减震结构,BRB布置于内框架的3个减震结构的上部楼层(9~14层)梁构件严重损坏程度占比有一定减少。
4.3.3 竖向构件损坏程度
分别取脉冲型及非脉冲型地震动作用下结构整体的竖向构件损坏程度平均值进行统计。原结构及6个减震结构的竖向构件损坏程度占比情况如图9c所示。从整体的竖向构件损坏程度来看,各结构的竖向构件无损坏程度的占比没有明显的差异。在脉冲型地震动作用下,减震结构一定程度上降低了竖向构件的中度损坏及严重损坏,JZ-4、JZ-5、JZ-6结构表现较为明显。与梁构件相比,竖向构件损坏程度明显较低,且损坏主要集中在结构的底层,因此结构拥有足够的安全储备,体现了“强竖向构件弱水平构件”的延性设计理念。
4.4 结构塑性耗能分析
针对脉冲型及非脉冲型地震动作用下弹塑性动力时程分析得到的各项能量指标的平均值进行对比分析。能量指标包括:地震总输入能、各结构的瑞雷阻尼耗能比例和塑性耗能的比例(包括梁构件、竖向构件及BRB的塑性耗能),见表8。从表中可知,在同等加速度峰值的地震动输入下,脉冲型地震动输入到结构的总能量明显大于非脉冲型地震动输入的总能量。从地震输入能量的角度分析,其原因为脉冲型地震动中具有极大的瞬时输入能,占地震总输入能的大部分(丁玉春,朱晞,2007)。另外,由于BRB的布置提高了结构整体抗侧刚度,改变了原结构动力特性,减震结构能够减少脉冲型地震动总输入能,尤其表现在JZ-4、JZ-5、JZ-6结构。从塑性耗能比例结果来看,JZ-4、JZ-5、JZ-6结构的塑性耗能较JZ-1、JZ-2、JZ-3明显,其中JZ-6结构的塑性耗能比例最大,达到24.0%,有效地降低了梁构件和竖向构件的塑性耗能(比例为所有结构中最小),提高了主体结构的安全性。在非脉冲型地震动作用下,JZ-6结构的塑性耗能比例最大。整体而言,脉冲型地震动下减震结构中的塑性耗能能力较弱,而梁构件和竖向构件承担了较多塑性耗能,反映出脉冲型地震动对结构的塑性破坏有更大的影响。
表8 脉冲型和非脉冲型地震动作用下原结构与6种减震结构模型的能量结果对比
Tab.8 Comparison of the energy dissipation of the original structure and six damping structure models by the pulse-like and non-pulse-like ground motions
图9 脉冲型和非脉冲型地震动作用下梁构件损坏程度占比(a)、梁构件严重损坏程度随楼层分布占比(b)和竖向构件损坏程度占比(c)
Fig.9 The proportion of beam damage(a),beam components severely damaged with floor changes(b) and vertical component damage(c)by the pulse-like and non-pulse-like ground motions
图 10为脉冲型及非脉冲型地震动作用下各减震结构中BRB在3类构件塑性耗能中的占比,更直观地展示了各减震结构中BRB的塑性耗能能力。从图中可知,脉冲型地震动削弱了BRB的塑性耗能能力。JZ-6结构在脉冲型及非脉冲型地震动作用下的BRB塑性耗能占比均为最高,其中在脉冲型地震动下占比达到42.8%; JZ-5结构中BRB塑性耗能占比大于JZ-4结构,表明按更多楼层区域进一步划分BRB的初始刚度和屈服强度参数有利于提高整体BRB的塑性耗能能力。
基于层间位移角响应、结构损坏程度和结构耗能分析可知,JZ-6结构是较优的减震结构,在所有减震方案结构中表现出较高的减震性能。由此建议:①在此类框剪结构中,应优先考虑将BRB布置于结构的内框架中; ②对BRB的初始刚度及屈服强度按多楼层区域进行划分,以充分发挥BRB的塑性变形能力; ③在参数设计中,可适当降低BRB的屈服后刚度比,从而在一定程度上提高BRB的塑性耗能能力,减轻主体结构的塑性损坏。
图 10 6种减震结构中BRB塑性耗能占比
Fig.10 Proportion of inelastic energy of BRB members of six damping structures