近场地震下屈曲约束钢板剪力墙结构抗震性能研究

摘要： 为评估屈曲约束钢板剪力墙结构在近场地震下的性能，在该结构振动台试验试件的有限元模型基础上，设计了具有理想屈服模式的4个不同层数的等效拉杆简化模型。采用非线性时程分析方法，重点对结构层数、近场地震有无速度脉冲效应等的影响进行了分析。结果表明：与非速度脉冲地震波作用时相比，4榀框架在近场速度脉冲地震波作用下的响应均较高；同时，随着结构高度的增加，层剪力呈减小趋势；仅5层屈曲约束钢板剪力墙结构在多遇和罕遇地震下的层间位移角小于规范限值，表明在进行屈曲约束钢板剪力墙结构设计时，需深入分析近场脉冲型地震对其的影响。

关键词： 屈曲约束钢板剪力墙结构；近场地震；速度脉冲效应；层间位移角；楼层剪力

Abstract： To evaluate the performance of buckling-restrained steel plate shear wall （BR-SPSW）structure under near-field earthquake，four equivalent tension bar models with ideal yielding mode are designed based on the finite element model of the shaking table test specimens. Analyses are conducted on the influence of the number of structural floors，the presence or absence of velocity impulse effects of near-field earthquakes，etc. using nonlinear time-history analysis method. The results show that the response of four frames under near-field velocity pulse seismic wave is significantly higher than that under non-velocity pulse seismic wave. The distribution of shear force decreases with the increase of structure height. Only the 5-story BR-SPSW structure has a inter-story drift angle less than the value specified by the code under frequent and rare earthquakes，which indicates that it is necessary to conduct an in-depth analysis of the impact of near-field pulse earthquakes when the BR-SPSW structure is designed.

Keywords： buckling-restrained steel plate shear wall （BR-SPSW）structure；near-field earthquake；velocity pulse effect；inter-story drift angle；story shear force

地震工程学及工程设计中，通常将地震动根据场地距离震源的远近，分为近场（也称为近断层）地震和远场地震。目前工程界广泛将距离破裂面小于20km的地震定义为近场地震 ^[1-3] 。由于近断层区域的地震波频谱类型复杂，且速度脉冲效应明显，结构在地震作用下的响应特征较显著。近场地震致使结构直接遭受高能量的冲击，短时间内能量难以耗散，导致结构的内力、位移等响应均大于远场地震下结构的响应；当结构的自振周期与地震波速度脉冲周期接近时，产生的共振效应使近断层区域结构的反应明显高于一般地震动作用下结构的反应，结构会遭到瞬间破坏。

我国是世界上地震多发国家，较多人口集中区域处在地震断层附近或断裂带中，因此应深入开展近场地震对结构产生的破坏性的研究。YAMAZAKI等 ^[4] 、姚伟 ^[5] 对多层钢框架进行了近场地震竖向地震效应下的响应分析，叶昆等 ^[6] 对比了近场区竖向地震动对LRB基础隔震结构的影响，武大洋等 ^[7] 对复合自复位结构在近场脉冲型地震作用下的刚度需求进行了分析，郑福聪 ^[8] 、孙宇城 ^[9] 等分别对近场地震下的PC框架结构和平面框架结构的抗震性能进行了分析。

自20世纪70年代以来，钢板剪力墙作为一种高效的抗侧力构件，已在北美 ^[10-11] 、日本 ^[12] 等高烈度地震区的实际工程中得到应用。研究表明，此类薄钢板剪力墙在较小的荷载作用下，墙板即出现屈曲，导致其滞回曲线出现“捏缩”现象；而增大墙板厚度则会导致结构的经济性不佳。针对近场地震作用下该结构体系的响应，目前尚无定性定量的研究成果，需要进一步的研究。为改善墙板的受力性能，本文在已有研究 ^[13-14] 的基础上提出一种能够持续为墙板提供面外约束的屈曲约束钢板剪力墙（buckling-restrained steel plate shear wall，BR-SPSW）结构，拟采用弹塑性时程分析法，选用具有脉冲效应和非脉冲效应的近场地震波，开展 BR-SPSW结构的动力响应研究，并对其抗震性能进行评估。

1　BR-SPSW结构设计及地震波选取

1.1　BR-SPSW结构设计

采用文献[14]提出的屈曲约束钢板剪力墙的塑性设计方法和文献[15]的研究结果，对各算例结构进行优化设计。场地土的特性参数为：8度抗震设防，地震基本加速度为0.20g，设计地震分组为第二组，Ⅱ类土，特征周期为0.35s。根据抗震规范要求，包括混凝土楼板自重的楼、屋面恒载分别取为5kN·m ^-2 、6kN·m ^-2 ，活荷载均取为2.5kN·m ^-2 ，外墙体为300mm厚的加气混凝土砌块，相应线荷载为3.5kN·m ^-1 ；楼板为100mm厚的C30现浇混凝土；依据抗震规范中“强框架、弱墙板”的结构抗震设计理念，墙板的简化杆系采用LYP135（low yield point）低屈服点钢，其余构件均采用Q235B钢。结构层高均为3m，梁柱采用Kishi-Chen ^[16] 提出的三参数幂函数半刚性连接，墙板所在跨的跨度为4.8m，其余两跨的跨度均为7.2m。图1所示为结构平面布置图和立面图。

图1　结构布置（单位：mm）

Fig.1　Arrangement of the structure （Unit：mm）

对结构进行抗震性能化设计时，根据我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010） ^[17] （以下简称《抗震规范》）规定：距离震源断裂带两侧小于10km的结构，近场地震的影响应予以考虑。其中与震源断裂带两侧的距离在5km以内和大于5km的建筑，宜分别考虑增大1.5倍和1.25倍的地震动参数。本文按照《抗震规范》要求，对距离断层小于5km的BR-SPSW结构考虑1.5倍的放大系数。并根据《抗震规范》、《高层民用钢结构技术规程》（JGJ 99—2015） ^[18] 、《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012） ^[19] ，采用SAP2000软件设计了5层、10层、15层和20层的3跨BR-SPSW结构，其中墙板依据《钢板剪力墙技术规程》（JGJ/T 380—2015） ^[20] 推荐的在薄钢板剪力墙所采用的混合杆系模型（combined strip model，CSM）基础上改进得到的CSM4-6E（拉压杆/只拉杆=2/8）模型进行设计，混合杆系如图2所示，其在近场地震下BR-SPSW结构的弹塑性时程分析依托ABAQUS软件进行。根据设计条件、荷载工况及相关规范要求，利用SAP2000软件对设计结构进行反复迭代，最终选定的构件截面尺寸如表1所示。

图2　混合杆系模型

Fig.2　Combined strip model

1.2　地震波选择

为确保地震波选择的合理性，本文主要研究距离断层破裂面20km范围内的近场地震。地震分析中，采用反应谱法评估结构在近断层地震中的实际变形时会存在一定误差，因此我国《抗震规范》建议采用时程分析法。本文遵循《抗震规范》及以下原则，从PEER数据库（太平洋地震工程中心）选择地震波：（1）与断层的距离≤20km；（2）震级大于5.5级；（3）峰值加速度A _PG ≥0.2g；（4）记录时间≥9s；（5）其中近场脉冲地震波具有明显的前方向性效应和滑冲效应。选用的近场地震波如表2~3所示。

2　BR-SPSW结构数值建模及验证

2.1　有限元模型及计算结果比较

图3为文献[15]的振动台试验试件，结构由3榀框架组成，中间一榀设置屈曲约束钢板墙，屈曲约束构造由钢板肋条正交互嵌而成。采用SAP2000软件建立试件的精细化分析模型，如图4所示。材料的非线性通过离散铰来模拟，即框架非线性铰。将屈曲约束钢板墙等效离散为两个对角方向上截面为圆形的斜杆；释放各杆两端的弯矩和扭矩，使各杆与框架梁柱铰接。其中，只拉杆在拉压比限定中将其压力限值设为0，以实现杆只受拉而不受压。在各斜杆中部指定轴力铰（P铰），框架梁两端指定弯矩铰（M3铰），柱两端设置压弯铰（P-M2-M3铰）。考虑振动台试验中各级地震波依次输入后对试件的损伤累积，有限元采用试验中连续加载的非线性动力法分析。

图3　振动台试验试件

Fig.3　Specimen of shaking table test

图4　有限元简化模型

Fig.4　Finite element simplified model

2.2　模型验证

对BR-SPSW结构进行罕遇地震下El Centro波、人工波和Taft波的动力非线性分析，将计算结果与试验结果进行对比。图5为文献[15]中试件在El Centro波9度多遇地震作用下的顶层位移时程曲线有限元计算结果与试验结果的对比。表4~5分别为3条波在8度、9度罕遇地震作用下，各层最大加速度和相对位移的试验结果与有限元结果的对比。由图5、表4~5可知，有限元结果与试验值接近，整体趋势较为统一。

图5　9度多遇地震作用下顶层位移时程曲线对比

Fig.5　Comparison of top displacement time-history curves under 9 degree frequent earthquake

3　近场地震下BR-SPSW结构抗震性能

结构的刚度常采用层间位移角来表征，根据《抗震规范》要求，多遇地震下高层钢结构的弹性层间位移角θ _e 和罕遇地震下的弹塑性层间位移角θ _p 应分别小于限值1/250（0.004）和1/50（0.02）。本文引入BR-SPSW结构的层间位移角和层剪力，对近场地震下二者的响应进行分析。

3.1　多遇地震下BR-SPSW结构的抗震性能分析

3.1.1　层间位移角及其分布

图6所示为5层、10层、15层和20层BR-SPSW结构在多遇地震下的层间位移角分布。由图可知，各模型的层间位移角曲线无明显变形，未导致结构薄弱层的出现。多遇地震作用下4个模型结构的层角位移角平均值如表6所示。时程分析结果显示：在近场多遇地震下考虑增大1.5倍地震动参数设计的5层、10层和15层结构的θ _e 平均值均满足规范限值要求；20层结构在非脉冲地震作用下的θ _e 平均值满足要求，在脉冲地震波下的θ _e 平均值大于规范限值，说明按规范进行20层BR-SPSW结构的设计时，未考虑近场脉冲型地震的影响，不能满足多遇地震下结构的变形验算要求。

图6　近场多遇地震下的层间位移角曲线

Fig.6　Inter-story drift angle curves under near-field frequent earthquakes

3.1.2　层剪力分布

图7为4个BR-SPSW结构在近场地震波下的层剪力分布。由图可知，不同地震波作用下，4个算例结构的层剪力分布趋势较接近，均随着结构高度的增加而降低。通过对比可知，各结构在脉冲波作用下的层剪力响应明显高于非脉冲波作用下的层剪力响应，在结构底部二者相差较大。同时，地震波滑冲效应对4个结构层剪力的影响较前方向性效应的影响要显著。

由以上分析可知：两类近场地震波相比，4榀BR-SPSW结构在脉冲型地震作用下的响应显著。随着楼层的增加，各结构的层间位移角逐渐减小，这是由于多遇地震作用时，4个结构在近场非脉冲作用下整体仍处于弹性阶段，而结构上部在近场脉冲波作用下处于弹性阶段，下部出现了一定程度的塑性变形。由于近场脉冲型地震作用下，20层结构的θe均值超过了1/250，说明对于未考虑近场脉冲波作用影响的BR-SPSW结构，多遇地震下楼层较高时不能满足抗震变形验算要求。

图7　近场脉冲多遇地震下的层剪力分布曲线

Fig.7　Story shear force curves under near-field frequent earthquakes

3.2　罕遇地震下BR-SPSW结构的抗震性能分析

3.2.1　层间位移角及其分布

4榀BR-SPSW算例结构在罕遇地震下的层间位移角包络值如图8所示。由图可知，近场罕遇地震下4个结构的中下部出现较大变形，并伴以薄弱层存在。表7所示为两类罕遇地震作用下，4个结构的层角位移角均值。结果表明：按1.5倍地震动参数设计的5层、10层和15层结构，近场罕遇地震作用下其θ _p 平均值均满足规范限值要求；20层结构在非脉冲地震作用下的θ _p 平均值满足要求，在脉冲地震作用下的θ _p 平均值大于规范限值。罕遇地震下10层和15层结构层间位移角峰值出现的位置较多遇地震有所下移，说明罕遇地震下结构底部的响应加剧。

图8　近场罕遇地震下的层间位移角曲线

Fig.8　Inter-story drift angle curves under near-field rare earthquakes

3.2.2　层剪力分布

4榀BR-SPSW算例结构在近场罕遇脉冲波和非脉冲波作用下的层剪力分布如图9所示。由图可知，4个结构的层剪力分布相似，不同地震波作用下层剪力均随结构高度的增加而减小。通过对比可知，4个结构在脉冲波作用下的层剪力响应明显高于非脉冲波作用下的层剪力响应，在结构底部二者差值较大。同时，地震波滑冲效应对4个结构层剪力的影响较前方向性效应的影响要显著。

图9　近场脉冲罕遇地震下的层剪力分布曲线

Fig.9　Story shear force curves under near-field rare earthquakes

由以上两类地震波对4榀BR-SPSW结构的作用效应对比可知：近场脉冲型波作用下，各结构的层剪力增幅较大，结构响应明显。由于各结构的下半部在罕遇近场脉冲地震下已部分出现塑性，上部仍处于弹性阶段，而结构底部此时在近场非脉冲作用下才逐渐进入弹塑性阶段，导致结构的层剪力均随着楼层的增加而减小。除5层结构外，其他3个结构在近场罕遇脉冲地震下的θ _p 均超过现行规范规定的限值1/50，说明未考虑近场脉冲型地震作用影响的BR-SPSW结构不能满足罕遇地震下的抗震变形验算要求。

4　结 论

为研究BR-SPSW结构在近场脉冲型和非脉冲型地震波作用下的抗震性能，对4榀钢板剪力墙等效算例结构进行了计算分析，可以得出如下主要结论：

（1）与近场无脉冲波相比，近场脉冲型地震下，BR-SPSW结构在进入塑性阶段时的层间位移角更大，层剪力减小幅度增大，结构遭受了更为严重的损伤。

（2）当近场地震波的加速度峰值相同时，罕遇地震下，脉冲型地震效应会导致楼层较高的BR-SPSW结构产生较大响应 。

（3）多遇地震作用下，近场脉冲型效应导致20层结构的θ _e 均值超过了规范限值；罕遇地震作用下，除5层结构外，其余3个结构的θ _p 较多遇地震明显增大，20层结构的θ _p 均值超过了我国《建筑抗震设计规范》的限值要求。说明按照规范设计BR-SPSW结构时，未考虑近场脉冲型地震对结构安全性的影响，有必要开展该结构在近地震场域适应性的研究。

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