摘 要：建筑結(jié)構(gòu)是由不同力學(xué)單元組合形成的復(fù)雜系統(tǒng)，從系統(tǒng)層次控制結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的動(dòng)力響應(yīng)與損傷過程對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)具有重要意義。為使建筑結(jié)構(gòu)具有“穩(wěn)定、有序、漸進(jìn)、可控”的地震損傷機(jī)制與破壞模式，預(yù)先設(shè)計(jì)明確的損傷機(jī)制和提高結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度是有效途徑。在此背景下，“體系能力設(shè)計(jì)法”得以提出和發(fā)展。體系能力設(shè)計(jì)法通過在體系層次設(shè)置主、次結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)受控于抗震能力較高的主結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)性態(tài)控制。該文綜述了體系能力設(shè)計(jì)法中的關(guān)鍵科學(xué)問題在近年來的重要發(fā)展，并探討了體系能力設(shè)計(jì)法的工程指導(dǎo)意義與未來發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：損傷機(jī)制;屈服后剛度;性態(tài)控制;抗震設(shè)計(jì);性能檢驗(yàn);高層建筑

　　1 體系能力設(shè)計(jì)法的提出背景

　　隨著抗震工程的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法漸趨成熟，抗震設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)從保證結(jié)構(gòu)的地震安全逐步發(fā)展到控制地震損失和保障功能可恢復(fù)性[1 − 2]。無論針對(duì)何種目標(biāo)，從系統(tǒng)層次明確結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷機(jī)制與破壞模式，對(duì)實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的抗震性態(tài)目標(biāo)具有重要的科學(xué)意義與工程價(jià)值。因此，如何提出一套理論可靠且實(shí)際操作性強(qiáng)的抗震設(shè)計(jì)方法，使建筑結(jié)構(gòu)能夠具有“穩(wěn)定、有序、漸進(jìn)、可控”的損傷機(jī)制與破壞模式，成為抗震工程領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵科學(xué)難題，引發(fā)了行業(yè)學(xué)者的廣泛關(guān)注[3 − 4]。實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性態(tài)目標(biāo)需要控制結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)的離散性。

　　但是，經(jīng)杰[5] 的研究表明，一般建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的非彈性響應(yīng)基本無規(guī)律可循。這主要體現(xiàn)在：1) 不同的地震作用可能在建筑不同樓層產(chǎn)生很大的非彈性地震響應(yīng);2) 對(duì)于同樣的地震作用和結(jié)構(gòu)體系，如果結(jié)構(gòu)的周期不同，也可能在不同樓層產(chǎn)生很大的非彈性地震響應(yīng)。

　　因此，常規(guī)設(shè)計(jì)方法多停留在對(duì)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的被動(dòng)檢驗(yàn)，難以從系統(tǒng)層次主動(dòng)地控制建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。經(jīng)杰[5]、馬千里等[6]、周靖[7]、Christopoulos等[8] 的一系列研究表明：在結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，如果結(jié)構(gòu)整體的屈服后剛度過小，會(huì)出現(xiàn)“薄弱層”并引起損傷和變形的集中，進(jìn)而增大結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的離散性。

　　相比之下，具有明確損傷機(jī)制和整體屈服后剛度的結(jié)構(gòu)，其地震響應(yīng)的離散性通常較小[9]。所以，提高結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度、預(yù)先設(shè)計(jì)明確的損傷機(jī)制，對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震性能的穩(wěn)定和震后殘余位移的控制具有重要影響，上述觀點(diǎn)為建筑結(jié)構(gòu)的性態(tài)控制提供了新的發(fā)展方向。通常而言，單一結(jié)構(gòu)體系難以具有足夠高的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度[10]。因此，各國(guó)學(xué)者[11 − 13]嘗試以不同結(jié)構(gòu)體系的先后屈服來滿足上述需求，并相繼提出了主-次結(jié)構(gòu)、剛-柔結(jié)構(gòu)等概念。

　　以主-次結(jié)構(gòu)為例，它是指將結(jié)構(gòu)在體系上區(qū)分為主體結(jié)構(gòu) (主結(jié)構(gòu)) 和次要結(jié)構(gòu) (次結(jié)構(gòu))。在荷載分配上，主結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)豎向荷載和部分水平荷載，次結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)水平荷載。次結(jié)構(gòu)先于主結(jié)構(gòu)屈服，起到耗能和保護(hù)主結(jié)構(gòu)的作用[10]。這種設(shè)計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)較高的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度(由主結(jié)構(gòu)提供)，又設(shè)定了明確的損傷機(jī)制 (次結(jié)構(gòu)先屈服耗能，主結(jié)構(gòu)保持完好或低損傷)，對(duì)控制結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，葉列平[14] 將構(gòu)件層次的能力設(shè)計(jì)法擴(kuò)展到體系層次，提出了“體系能力設(shè)計(jì)法”。

　　2 體系能力設(shè)計(jì)法的基本理念

　　“體系能力設(shè)計(jì)法”的理念來源于能力設(shè)計(jì)法(capacity design method)[15]。能力設(shè)計(jì)法的主要思想是，通過控制不同構(gòu)件之間或同一構(gòu)件的不同受力狀態(tài)之間的承載力級(jí)差，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不合理的損傷機(jī)制，使結(jié)構(gòu)具有足夠的塑性變形能力和耗能能力，防止結(jié)構(gòu)倒塌。目前流行的 “強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)連接 (節(jié)點(diǎn)) 弱構(gòu)件” 就是該設(shè)計(jì)思想的具體體現(xiàn)。

　　能力設(shè)計(jì)法的關(guān)鍵在于將控制的概念引入結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，有目的地引導(dǎo)結(jié)構(gòu)損傷向合理的預(yù)期模式發(fā)展，是一種主動(dòng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想。體系能力設(shè)計(jì)法將能力設(shè)計(jì)法的基本理念從構(gòu)件層次提升到結(jié)構(gòu)體系層次，通過對(duì)整體結(jié)構(gòu)的不同部分設(shè)定能力級(jí)差，采用不同的抗震能力要求，保證主結(jié)構(gòu)在大震下能夠提供足夠的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度 (通過保持彈性或損傷程度很低)，并明確預(yù)期損傷部位 (次結(jié)構(gòu))，使結(jié)構(gòu)的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)受控于抗震能力較高的主結(jié)構(gòu)，避免變形和能量集中。

　　為方便定量表達(dá)，葉列平[14] 定義了兩個(gè)參數(shù)：

　　1) 能力系數(shù)，指各構(gòu)件的實(shí)際承載力與抗震承載力需求之比;2) 能力比，指不同構(gòu)件的能力系數(shù)之比。對(duì)于主-次結(jié)構(gòu)體系，可使主結(jié)構(gòu)中的水平抗側(cè)力構(gòu)件具有較大的能力系數(shù)，而使次結(jié)構(gòu)具有較小的能力系數(shù)，并通過能力比控制主、次結(jié)構(gòu)在不同水平地震作用下的性態(tài)差異和損傷程度。體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)主結(jié)構(gòu)的特殊性能要求主要體現(xiàn)在：

　　1) 具有高承載力，且能提供足夠的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度。由于次結(jié)構(gòu)率先進(jìn)入塑性階段并耗能，因此在強(qiáng)震作用下，結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度主要由主結(jié)構(gòu)提供。為明確結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度需求，眾多研究學(xué)者對(duì)屈服后剛度系數(shù) η (即結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度與初始彈性剛度的比值) 開展了研究。針對(duì)框架結(jié)構(gòu)，Nakashima 等[11] 提出，為使框架結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)變形和能量集中，應(yīng)滿足 η ≥0.75。Connor 等[12] 以桿系模型為研究對(duì)象，指出應(yīng)滿足 η ≥ 0.33。經(jīng)杰[5] 和程光煜[10] 的研究表明，當(dāng) η ≥ 0.5 時(shí)，可以避免變形和累積滯回耗能集中于某一樓層，且 η 越大，結(jié)構(gòu)地震損傷的分布越均勻。

　　馬千里等[6] 發(fā)現(xiàn) η > 0.2 時(shí)，結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性 (響應(yīng)的離散性隨地震動(dòng)強(qiáng)度變化的穩(wěn)定程度);若 η > 0.4，則結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的彈塑性響應(yīng)不僅具有較好的穩(wěn)定性，還具有較小的離散性。雖然研究者對(duì)于結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度的定量需求尚未達(dá)成共識(shí)，但一致認(rèn)為主結(jié)構(gòu)需在強(qiáng)震下基本保持彈性或損傷程度較低，以滿足結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度需求。

　　2) 具有高彈性變形能力。目前絕大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要發(fā)生較大的變形才能充分耗散地震能量，因此，為使次結(jié)構(gòu)能夠充分耗能，主結(jié)構(gòu)必須在維持基本彈性的同時(shí)具有足夠的變形能力[16]。

　　3) 殘余變形小。地震后結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)能力和結(jié)構(gòu)的殘余變形關(guān)系密切。過大的殘余變形會(huì)使得結(jié)構(gòu)難以修復(fù)而不得不拆除。由于次結(jié)構(gòu)屈服，結(jié)構(gòu)的復(fù)位能力將主要由主結(jié)構(gòu)提供。因此，即使主結(jié)構(gòu)不能保持彈性，也應(yīng)盡量減小其殘余變形。

　　與此同時(shí)，體系能力設(shè)計(jì)法要求次結(jié)構(gòu)具有：

　　① 適當(dāng)?shù)某休d力，即次結(jié)構(gòu)需要率先進(jìn)入彈塑性并開始耗能，吸收地震能量;② 高耗能能力，即地震能量將主要依靠次結(jié)構(gòu)耗散。體系能力設(shè)計(jì)法的先進(jìn)性主要在于，它不僅預(yù)先設(shè)定了不同構(gòu)件的損傷次序，還對(duì)主結(jié)構(gòu)在大震下的具體性能指標(biāo) (如結(jié)構(gòu)整體剛度退化水平、殘余變形大小等) 提出了明確的要求，從而使結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)可控。

　　同時(shí)，體系能力設(shè)計(jì)法明確了主、次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能要求，從而可以指導(dǎo)主、次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研發(fā)：一方面，主結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)構(gòu)件，應(yīng)提供盡可能高的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度，同時(shí)具有高承載力、高彈性變形能力和較小的殘余變形，這是單純通過增大傳統(tǒng)低強(qiáng)材料構(gòu)件的截面所難以達(dá)到的;另一方面，次結(jié)構(gòu)采用耗能構(gòu)件，應(yīng)通過合適的承載力設(shè)定與構(gòu)造設(shè)計(jì)，形成合理的失效路徑，盡量吸收、消耗地震能量。

　　3 體系能力設(shè)計(jì)法中的關(guān)鍵科學(xué)問題

　　3.1 主、次結(jié)構(gòu)的確定

　　在體系能力設(shè)計(jì)法中，應(yīng)首先將結(jié)構(gòu)體系明確劃分為主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)。根據(jù)體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)主—次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，主結(jié)構(gòu)承擔(dān)部分水平荷載的同時(shí)，還需要提供足夠的側(cè)向剛度或能夠控制結(jié)構(gòu)的變形模式，以保證結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度要求。由于主結(jié)構(gòu)始終保持彈性或低損傷狀態(tài)，通�？梢酝瑫r(shí)用于承擔(dān)豎向荷載。

　　次結(jié)構(gòu)在損傷前主要用于抵抗水平荷載，次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置形式一般應(yīng)對(duì)側(cè)向變形比較敏感，且失效后對(duì)結(jié)構(gòu)豎向荷載的傳遞影響不大。所以，次結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)體系整體抵抗豎向荷載的重要性較低。但并非對(duì)于抵抗豎向荷載重要性低的構(gòu)件都要用于次結(jié)構(gòu)，這些構(gòu)件也可用于構(gòu)成主結(jié)構(gòu)以保證其側(cè)向剛度或控制結(jié)構(gòu)的變形模式。基于上述主、次結(jié)構(gòu)的特征，一般可以通過識(shí)別結(jié)構(gòu)體系中各構(gòu)件、子結(jié)構(gòu)在不同荷載形式下的重要性，來確定其是否適合于作為主結(jié)構(gòu)或次結(jié)構(gòu)的一部分。

　　需要說明的是，某一構(gòu)件是作為主結(jié)構(gòu)還是作為次結(jié)構(gòu)，并非完全取決于其構(gòu)件類型，而應(yīng)根據(jù)體系能力設(shè)計(jì)法的基本概念和實(shí)際的構(gòu)造形式與需求，靈活地選擇與設(shè)定。只要不違背體系能力設(shè)計(jì)法的基本概念，同類型的兩個(gè)構(gòu)件，可以分別屬于主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)，并根據(jù)主、次結(jié)構(gòu)的實(shí)際需求分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，關(guān)于不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)各類荷載形式的重要性已經(jīng)積累了初步的定性經(jīng)驗(yàn)：

　　① 在抵抗重力荷載時(shí)，柱一般比梁重要 (“強(qiáng)柱弱梁”)，下層柱通常比上層柱重要;② 在抵抗水平荷載時(shí)，邊柱一般比中柱重要，核心筒和剪力墻通常比框架重要;③ 無論何種荷載形式，連接比與其相連的構(gòu)件重要 (“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”)。這些工程經(jīng)驗(yàn)為主、次結(jié)構(gòu)的選取與分配提供了重要參考。主—次結(jié)構(gòu)體系一般有以下兩種類型：

　　1) 主結(jié)構(gòu)對(duì)抵抗水平、豎向荷載都重要，次結(jié)構(gòu)僅對(duì)抵抗水平荷載重要。一個(gè)典型的例子是鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，其中，剪力墻作為主結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)抵抗地震水平荷載和重力豎向荷載都至關(guān)重要;連梁作為次結(jié)構(gòu)，主要抵抗水平荷載，但失效后對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向荷載傳遞影響不大。

　　2) 部分主結(jié)構(gòu)只承擔(dān)水平荷載，不承擔(dān)豎向荷載，但是對(duì)控制側(cè)向變形意義重大;另外一部分主結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)豎向荷載;而次結(jié)構(gòu)僅對(duì)抵抗水平荷載重要。典型的例子是搖擺墻-框架結(jié)構(gòu)，其主結(jié)構(gòu)為搖擺墻和框架柱，次結(jié)構(gòu)為框架梁。地震作用下，搖擺墻雖然不承擔(dān)豎向荷載，但承擔(dān)水平荷載，對(duì)控制結(jié)構(gòu)整體變形模式至關(guān)重要;框架柱對(duì)豎向荷載傳遞重要，并承擔(dān)部分水平荷載;各層的框架梁通過在梁端形成塑性鉸以耗散地震能量。

　　盡管以往的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)劃分主、次結(jié)構(gòu)具有一定的指導(dǎo)意義，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于缺乏對(duì)構(gòu)件重要性的定量評(píng)價(jià)，會(huì)導(dǎo)致主、次結(jié)構(gòu)的確定過分地依賴工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)水平，并且會(huì)限制體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)不同類型結(jié)構(gòu) (尤其是新型結(jié)構(gòu)體系) 的適用性。目前已有一些研究提出了與荷載形式相關(guān)的構(gòu)件重要性定量評(píng)價(jià)方法[17 − 18]。

　　3.2 主、次結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案

　　3.2.1 主結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案

　　根據(jù)第 2 節(jié)總結(jié)的體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)主結(jié)構(gòu)的要求，主結(jié)構(gòu)中通常需要使用柱、墻等構(gòu)件。在具體實(shí)施操作時(shí)，可參考以下兩種方式：

　　1) 采用高承載力、高變形能力和低殘余位移的豎向構(gòu)件。土木工程結(jié)構(gòu)中新型高強(qiáng)材料 (如高強(qiáng)鋼材、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等) 的迅速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)高承載力構(gòu)件提供了保障。通過使用新型高強(qiáng)材料、優(yōu)化截面形式，研究人員提出了多種新型高強(qiáng)、高變形能力的柱構(gòu)件，可以高效地滿足主結(jié)構(gòu)大震彈性的需求[22 − 25]。

　　但是對(duì)于剪力墻、核心筒等關(guān)鍵構(gòu)件，由于其幾何形式的限制，簡(jiǎn)單地采用高強(qiáng)材料并不能從本質(zhì)上大幅提升其彈性變形能力，而通常需要提出新的構(gòu)造形式。例如，曾勇[26] 提出一種新型雙功能帶縫剪力墻，在中、小地震作用下帶縫墻具有較大的剛度和承載力，在大震作用下連接鍵退出工作，帶縫墻在維持一定的抗側(cè)剛度的同時(shí)還能保證優(yōu)越的變形能力。張磊[27]以鋼混組合柱、鋼梁組成主結(jié)構(gòu)，以耗能支撐作為次結(jié)構(gòu)構(gòu)件，形成框架-支撐筒，以替代普通的鋼筋混凝土核心筒，大幅提高了筒體的彈性變形能力。

　　2) 改造關(guān)鍵構(gòu)件外部受力形式剪力墻、核心筒等關(guān)鍵構(gòu)件之所以難以具有較大的彈性變形能力，主要是因?yàn)檫@些構(gòu)件較大的平面尺寸導(dǎo)致在邊緣處產(chǎn)生的大應(yīng)變與混凝土材料有限的峰值壓應(yīng)變之間存在矛盾。為此，通過弱化這些關(guān)鍵構(gòu)件與基礎(chǔ)或其他構(gòu)件之間的約束[28 − 30]，使它們?cè)诘卣鹱饔孟掳l(fā)生搖擺，可以同時(shí)保證高承載力和高變形能力，進(jìn)而控制整體結(jié)構(gòu)的變形模式。

　　其中的典型代表是搖擺墻-框架結(jié)構(gòu)體系，該體系由傳統(tǒng)的延性框架和具有很大剛度和承載力、且能夠繞墻底轉(zhuǎn)動(dòng)的搖擺墻組成，并通過有效的水平連接措施保證框架與搖擺墻在地震作用下協(xié)同工作。此外，可以利用框架結(jié)構(gòu)與搖擺墻連接界面上較大的相對(duì)位移設(shè)置耗能構(gòu)件，作為結(jié)構(gòu)體系中的預(yù)期損傷部位，不僅使整體結(jié)構(gòu)具有更明確的損傷機(jī)制，還有助于減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[31 − 32]。

　　3.2.2 次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案

　　體系能力設(shè)計(jì)法要求次結(jié)構(gòu)先于主結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段并耗能，因此次結(jié)構(gòu)通常可以選擇各類新型耗能構(gòu)件和裝置等，如屈曲約束支撐、高性能耗能連梁、耗能伸臂桁架、耗能梁柱節(jié)點(diǎn)等[25, 33 − 50]。需要注意的是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的幾何構(gòu)形、剛度分布、變形能力、承載力和耗能能力的綜合設(shè)計(jì)。應(yīng)將建筑結(jié)構(gòu)視作一個(gè)系統(tǒng)來研究其設(shè)計(jì)理論和方法，以有效實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計(jì)目標(biāo)。在體系能力設(shè)計(jì)法中，次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)的匹配、以及次結(jié)構(gòu)的損傷次序。

　　3.3 體系設(shè)計(jì)方法

　　現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法在初始設(shè)計(jì)后，通常需要經(jīng)過驗(yàn)算、設(shè)計(jì)修改與優(yōu)化的反復(fù)迭代過程以滿足結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)，是一種間接的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)體系能力設(shè)計(jì)法的基本概念和主-次結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，采用主結(jié)構(gòu)低損傷、次結(jié)構(gòu)先耗能的機(jī)制，可以更加主動(dòng)、直接地控制結(jié)構(gòu)體系在地震下的性態(tài)，離散性更小。

　　基于體系能力設(shè)計(jì)法的概念，曲哲[67] 在框架結(jié)構(gòu)中引入搖擺墻作為主結(jié)構(gòu)以控制結(jié)構(gòu)體系的變形和損傷模式，并將損傷耗能部位限定在框架梁端。在初步設(shè)計(jì)階段，以框架結(jié)構(gòu)按一階模態(tài)振動(dòng)時(shí)的層間位移集中程度作為變形模式控制指標(biāo)，確定搖擺墻的剛度需求;完成多遇地震線彈性設(shè)計(jì)后，采用等代結(jié)構(gòu)法，確定罕遇地震階段預(yù)期損傷的框架梁端的變形能力需求和非預(yù)期損傷的框架柱和搖擺墻的承載力需求�？拐鹦阅茉u(píng)估結(jié)果表明，搖擺墻—框架結(jié)構(gòu)框架的絕大多數(shù)塑性鉸可以按照預(yù)期目標(biāo)出現(xiàn)在框架梁端，且框架梁端的塑性變形程度沿樓層分布趨于均勻。

　　與普通框架結(jié)構(gòu)相比，該體系能夠更直接、容易地實(shí)現(xiàn)預(yù)期損傷機(jī)制。程光煜[10]、繆志偉[68] 等多位學(xué)者也分別針對(duì)鋼支撐框架、鋼筋混凝土框架—剪力墻等多種結(jié)構(gòu)體系開展了相關(guān)研究，但其研究結(jié)果均顯示，對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)體系，如果采用體系能力設(shè)計(jì)法的基本思想，那么主結(jié)構(gòu)通常需要具有很高的承載力才能保證性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這在實(shí)際工程中往往難以推廣。

　　而高層與超高層結(jié)構(gòu)體系則在這方面具有先天的優(yōu)勢(shì)。按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的高層和超高層建筑具有多道防線，且多個(gè)高層建筑工程的實(shí)際抗震分析結(jié)果均表明，高層建筑的主結(jié)構(gòu)承載力非常高，自然滿足了體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)主結(jié)構(gòu)的要求。因此，將體系能力設(shè)計(jì)法應(yīng)用于高層與超高層結(jié)構(gòu)，對(duì)于控制這類結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)變響應(yīng)具有重要的工程價(jià)值。解琳琳[69] 基于體系能力設(shè)計(jì)法的理念，提出了一種針對(duì)巨柱—核心筒—伸臂超高層結(jié)構(gòu)體系的大震功能可恢復(fù)設(shè)計(jì)方法。

　　該方法選取高性能關(guān)鍵豎向承重構(gòu)件——剪力墻 (核心筒) 和巨柱組成主結(jié)構(gòu)，保證其在地震下無損傷或只產(chǎn)生輕微損傷;采用高性能可更換耗能連梁和伸臂桁架作為次結(jié)構(gòu)，并將耗能連梁作為“第一道耗能防線”，在中震下開始屈服參與耗能，將伸臂桁架作為“第二道耗能防線”，在大震下開始屈服并參與耗能。具體地，首先根據(jù)大震功能可恢復(fù)的彈性層間位移角限值確定結(jié)構(gòu)的宏觀設(shè)計(jì)參數(shù);進(jìn)一步基于宏觀設(shè)計(jì)參數(shù)和各類關(guān)鍵構(gòu)件剛度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，確定各類關(guān)鍵構(gòu)件滿足性能目標(biāo)要求的合理剛度;然后采用基于能量的耗能設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)各類耗能構(gòu)件，控制結(jié)構(gòu)的大震最大彈塑性層間側(cè)移角。解琳琳[69] 采用上述方法完成了一棟 7 度設(shè)防的 525 m 超高層結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)。

　　整套設(shè)計(jì)流程幾乎不需迭代，耗時(shí)僅約 1 h，而且相比現(xiàn)行規(guī)范“小震設(shè)計(jì)，精細(xì)建模，大震驗(yàn)算，反復(fù)迭代”的設(shè)計(jì)流程，在同樣滿足大震功能可恢復(fù)目標(biāo)下，能減少約 12% 的材料用量，為實(shí)現(xiàn)巨柱-核心筒-伸臂超高層結(jié)構(gòu)的震后功能可恢復(fù)提供了直接、高效、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。除本文作者團(tuán)隊(duì)外，很多專家學(xué)者在結(jié)構(gòu)體系的理論研究和設(shè)計(jì)方法方面也開展了很好的工作[66, 70 − 76]。

　　3.4 體系性能檢驗(yàn)方法

　　通過上述分析可見，體系能力設(shè)計(jì)法在高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中具有很大的潛力。為保證設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要有合適的檢驗(yàn)手段�？紤]到高層建筑試驗(yàn)的難度較大，一般可通過數(shù)值模擬分析進(jìn)行性能檢驗(yàn)。高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的檢驗(yàn)一般有以下 3 方面需求：① 罕遇地震下設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)算;② 極端地震下安全性檢驗(yàn);③ 初始設(shè)計(jì)階段的簡(jiǎn)化分析。目前，罕遇地震下設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)算通過設(shè)計(jì)軟件或常規(guī)有限元分析軟件即可完成。例如，Poon、Jiang、Fan 等[77 − 79] 分別對(duì)上海中心大廈 (632 m)、北京財(cái)富中心二期 (264 m)、臺(tái)北 101 大廈 (508 m)等復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)開展了抗震性能的數(shù)值分析與檢驗(yàn)。

　　4 體系能力設(shè)計(jì)法的指導(dǎo)意義與未來發(fā)展方向體系能力設(shè)計(jì)法的理論優(yōu)勢(shì)在于：

　　(1) 將能力設(shè)計(jì)法的核心理念從構(gòu)件層次提升到體系層次，能夠幫助梳理性能目標(biāo)，在強(qiáng)震作用下主動(dòng)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)損傷依照預(yù)期機(jī)制發(fā)展，同時(shí)通過使主結(jié)構(gòu)保持彈性或低損傷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度，降低結(jié)構(gòu)彈塑性響應(yīng)的離散性，提升抗震性能的穩(wěn)定性;(2) 通過明確各類次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能力系數(shù)，實(shí)現(xiàn)次結(jié)構(gòu)逐級(jí)屈服，保證次結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展的有序性;(3) 通過調(diào)節(jié)主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的能力級(jí)差，使次結(jié)構(gòu)先于主結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服耗能，并通過延長(zhǎng)失效路徑，提升整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的多層次性，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)損傷過程的漸進(jìn)性;(4) 相較于傳統(tǒng)的間接設(shè)計(jì)方法，通過驗(yàn)算、設(shè)計(jì)修改與優(yōu)化的反復(fù)迭代過程被動(dòng)地滿足結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)，能夠更加主動(dòng)、直接地控制設(shè)計(jì)方案在地震下的性態(tài)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷破壞的可控性。

　　因此，體系能力設(shè)計(jì)法對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷機(jī)制與破壞模式的“穩(wěn)定、有序、漸進(jìn)、可控”具有重要的指導(dǎo)意義。將體系能力設(shè)計(jì)法應(yīng)用于實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)，尤其是高層和超高層建筑中，仍存在一些問題需要在未來開展深入研究，包括：

　　(1) 如何保證主結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，即如何保證主結(jié)構(gòu)提供足夠的結(jié)構(gòu)整體屈服后剛度，且具有高承載力、高變形能力，在地震中無損傷或低損傷;(2) 如何確定和優(yōu)化次結(jié)構(gòu)的形式以及具體布置;(3) 如何確定主、次結(jié)構(gòu)的能力系數(shù)和能力比，需要考慮的因素包括與不同抗震設(shè)防目標(biāo)的關(guān)系，整體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)彈塑性位移模式的控制目標(biāo)，在實(shí)際工程中的可操作性等;(4) 如何確定局部變形與結(jié)構(gòu)整體變形模式的關(guān)系;(5) 如何確定結(jié)構(gòu)耗能和損傷分布規(guī)律與變形模式之間的關(guān)系;(6) 如何確定結(jié)構(gòu)性能控制與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、重要設(shè)備性能需求的關(guān)系;(7) 新型結(jié)構(gòu)體系的提出和體系能力設(shè)計(jì)法的實(shí)際應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　呂西林, 周穎, 陳聰. 可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)新體系研究進(jìn)展[J]. 地震工程與工程振動(dòng), 2014, 34(4): 130 − 139.Lü Xilin, Zhou Ying, Chen Cong. Research progress oninnovative earthquake-resilient structural systems [J].Earthquake Engineering and Engineering Dynamics,2014, 34(4): 130 − 139. (in Chinese)

　　[1]周穎, 吳浩, 顧安琪. 地震工程: 從抗震、減隔震到可恢復(fù)性[J]. 工程力學(xué), 2019, 36(6): 1 − 12.Zhou Ying, Wu Hao, Gu Anqi. Earthquake engineering:From earthquake resistance, energy dissipation, andisolation, to resilience [J]. Engineering Structures, 2019,36(6): 1 − 12. (in Chinese)

　　[2]曲哲, 葉列平. 基于損傷機(jī)制控制的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2011, 32(10): 21 −29.

　　作者：葉列平1，金鑫磊1，田 源1，陸新征1，繆志偉2，曲 哲3，林旭川3，盧 嘯4