多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架性能化抗震設(shè)計(jì)：理論、方法與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義地震作為一種極具破壞力的自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人類生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。在地震頻發(fā)地區(qū)，建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能直接關(guān)乎到人們的生存與生活質(zhì)量。多層鋼框架結(jié)構(gòu)憑借其強(qiáng)度高、自重輕、施工速度快、空間布置靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛應(yīng)用，如各類商業(yè)建筑、辦公樓宇以及工業(yè)廠房等。然而，在強(qiáng)烈地震作用下，傳統(tǒng)多層鋼框架結(jié)構(gòu)往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞，如節(jié)點(diǎn)連接失效、構(gòu)件變形過(guò)大甚至斷裂等，這些破壞不僅會(huì)導(dǎo)致建筑物的使用功能喪失，還可能引發(fā)嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保其在地震中的安全性和可靠性，成為了土木工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy，SMA）作為一種智能材料，具有獨(dú)特的超彈性和形狀記憶效應(yīng)。超彈性是指SMA在一定應(yīng)力范圍內(nèi)發(fā)生較大的彈性變形，卸載后能夠完全恢復(fù)到初始形狀，且在這一過(guò)程中能夠耗散大量能量；形狀記憶效應(yīng)則是指SMA在受到外界溫度或應(yīng)力等因素刺激時(shí)，能夠恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定的形狀。將SMA應(yīng)用于自復(fù)位支撐，形成形狀記憶合金自復(fù)位支撐，為提高多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能開辟了新的途徑。形狀記憶合金自復(fù)位支撐在地震作用下，一方面能夠通過(guò)自身的變形耗散地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；另一方面，利用形狀記憶合金的超彈性和形狀記憶效應(yīng)，在地震結(jié)束后使結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)恢復(fù)到初始位置，有效減少震后殘余變形，降低結(jié)構(gòu)修復(fù)成本，提高結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性。與傳統(tǒng)的抗震支撐相比，形狀記憶合金自復(fù)位支撐具有更好的耗能能力和復(fù)位性能，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供更可靠的抗震保護(hù)。目前，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在形狀記憶合金自復(fù)位支撐以及鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能方面已經(jīng)開展了大量研究工作，并取得了一些成果，但針對(duì)多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能化抗震設(shè)計(jì)方法的研究仍有待完善?，F(xiàn)有的研究在考慮形狀記憶合金的復(fù)雜力學(xué)行為、支撐與框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作機(jī)制以及不同地震動(dòng)特性下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律等方面還存在不足。此外，如何將性能化設(shè)計(jì)理念系統(tǒng)地融入到多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，建立一套科學(xué)、合理、實(shí)用的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，仍然是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究旨在深入探究多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的抗震性能，建立完善的性能化抗震設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)形狀記憶合金自復(fù)位支撐的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，揭示其在不同加載條件下的耗能和復(fù)位機(jī)理；分析支撐與鋼框架結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同工作機(jī)制，明確各構(gòu)件在地震作用下的受力狀態(tài)和變形特征；考慮不同地震動(dòng)特性對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，建立結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析模型；基于性能化設(shè)計(jì)理念，制定多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能目標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出具體的設(shè)計(jì)流程和方法。這一研究對(duì)于完善多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論和方法，推動(dòng)形狀記憶合金自復(fù)位支撐在實(shí)際工程中的應(yīng)用，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全性具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，也將為地震多發(fā)地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供有力的技術(shù)支持，有助于減少地震災(zāi)害造成的損失，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在多層鋼框架抗震設(shè)計(jì)研究方面，國(guó)外起步較早，取得了一系列重要成果。美國(guó)在20世紀(jì)70年代就開始了對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的系統(tǒng)研究，通過(guò)大量的試驗(yàn)和理論分析，建立了較為完善的抗震設(shè)計(jì)理論和方法體系。例如，美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)（AISC）制定的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、構(gòu)造和施工等方面都做出了詳細(xì)規(guī)定，為工程實(shí)踐提供了重要依據(jù)。日本作為地震頻發(fā)國(guó)家，對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究也極為重視，開展了眾多足尺模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析。在阪神、東日本大地震后，日本學(xué)者對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的破壞機(jī)理和抗震性能進(jìn)行了深入研究，提出了許多改進(jìn)措施和新型結(jié)構(gòu)體系，如梁柱節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)構(gòu)造措施、減震耗能支撐的應(yīng)用等，有效提高了鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震能力。國(guó)內(nèi)對(duì)多層鋼框架抗震設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能要求的不斷提高，國(guó)內(nèi)學(xué)者在多層鋼框架抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果。通過(guò)對(duì)不同類型鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析，深入探討了結(jié)構(gòu)的破壞模式、耗能機(jī)制和抗震性能指標(biāo)等。同時(shí)，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際工程情況和抗震設(shè)防要求，對(duì)國(guó)外的抗震設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行了本土化改進(jìn)和完善，制定了一系列適合我國(guó)國(guó)情的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）等，為我國(guó)多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支持。在形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架研究方面，國(guó)外學(xué)者率先開展了相關(guān)研究工作。Miller等提出了一種設(shè)有超彈性形狀記憶合金桿的自復(fù)位防屈曲支撐，并對(duì)其力學(xué)性能和抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明該支撐能夠有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和殘余變形。Erochko等提出了一種由摩擦裝置耗能、預(yù)應(yīng)力筋提供復(fù)位能力的自復(fù)位摩擦耗能支撐，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該支撐的耗能和復(fù)位性能。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作。徐龍河等研制了通過(guò)預(yù)壓碟形彈簧提供復(fù)位能力的自復(fù)位支撐，并對(duì)其在鋼框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了支撐對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。Zhu等設(shè)計(jì)了由形狀記憶合金提供復(fù)位能力的自復(fù)位支撐，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了該支撐的力學(xué)性能和滯回特性，以及對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的改善效果。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還對(duì)形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、連接方式和整體結(jié)構(gòu)性能等方面進(jìn)行了深入研究，提出了一些新型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式和設(shè)計(jì)方法，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和可靠性。盡管國(guó)內(nèi)外在多層鋼框架抗震設(shè)計(jì)和形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架研究方面取得了顯著成果，但仍存在一些不足和待解決的問(wèn)題?，F(xiàn)有研究對(duì)形狀記憶合金復(fù)雜力學(xué)行為的描述和模擬還不夠精確，特別是在考慮材料的循環(huán)損傷、溫度效應(yīng)等因素時(shí)，模型的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。對(duì)于支撐與鋼框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作機(jī)制，雖然已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何更準(zhǔn)確地考慮支撐與框架之間的相互作用，優(yōu)化支撐的布置和設(shè)計(jì)，仍需要進(jìn)一步深入研究。在不同地震動(dòng)特性下，多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律尚未完全明確，現(xiàn)有的研究成果難以滿足復(fù)雜地震環(huán)境下的工程設(shè)計(jì)需求。此外，目前針對(duì)多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能化抗震設(shè)計(jì)方法還不夠完善，缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和實(shí)用的設(shè)計(jì)指標(biāo)，難以直接應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容形狀記憶合金自復(fù)位支撐的原理與性能研究：深入剖析形狀記憶合金的超彈性和形狀記憶效應(yīng)原理，明確其在自復(fù)位支撐中的作用機(jī)制。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，建立精確的形狀記憶合金本構(gòu)模型，全面考慮材料的循環(huán)損傷、溫度效應(yīng)等因素對(duì)其力學(xué)性能的影響。對(duì)形狀記憶合金自復(fù)位支撐進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)定其在不同加載條件下的滯回曲線、耗能能力、復(fù)位性能等關(guān)鍵指標(biāo)，深入探究支撐的耗能和復(fù)位機(jī)理，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架性能化抗震設(shè)計(jì)方法的構(gòu)建：基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和抗震設(shè)計(jì)理論，建立考慮形狀記憶合金自復(fù)位支撐與鋼框架協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析模型，精確模擬結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)特性下的動(dòng)力響應(yīng)。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的功能要求和抗震設(shè)防目標(biāo)，制定多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能目標(biāo)和設(shè)計(jì)指標(biāo)，如結(jié)構(gòu)的位移限值、構(gòu)件的應(yīng)力水平、耗能能力要求等。提出具體的性能化抗震設(shè)計(jì)流程和方法，包括支撐的布置原則、數(shù)量確定、截面設(shè)計(jì)，以及鋼框架的構(gòu)件設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)等，同時(shí)考慮不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。案例分析與方法驗(yàn)證：選取典型的多層鋼框架結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，運(yùn)用所建立的性能化抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，對(duì)采用不同設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析，對(duì)比結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力、耗能等抗震性能指標(biāo)，評(píng)估所提出設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性和有效性。對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中可能遇到的問(wèn)題，如材料選擇、施工工藝、維護(hù)管理等進(jìn)行探討，提出相應(yīng)的解決方案和建議，為形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。1.3.2研究方法文獻(xiàn)研究法：廣泛收集和整理國(guó)內(nèi)外關(guān)于多層鋼框架抗震設(shè)計(jì)、形狀記憶合金自復(fù)位支撐以及性能化抗震設(shè)計(jì)等方面的文獻(xiàn)資料，全面了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，分析現(xiàn)有研究的成果與不足，為本文的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研究思路。理論分析法：運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等基本理論，對(duì)形狀記憶合金的力學(xué)性能、自復(fù)位支撐的工作原理以及支撐與鋼框架的協(xié)同工作機(jī)制進(jìn)行深入的理論分析，建立相應(yīng)的力學(xué)模型和計(jì)算公式，為結(jié)構(gòu)的抗震性能分析和設(shè)計(jì)方法的構(gòu)建提供理論依據(jù)。數(shù)值模擬法：利用通用有限元軟件（如ABAQUS、ANSYS等）建立多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的數(shù)值模型，模擬結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)作用下的響應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、變形特征和耗能情況。通過(guò)參數(shù)化分析，研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。數(shù)值模擬可以快速、高效地對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較，節(jié)省試驗(yàn)成本和時(shí)間。案例研究法：結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能化抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行應(yīng)用研究。通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性和實(shí)用性，總結(jié)工程應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)方法提供實(shí)踐依據(jù)。二、多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架概述2.1形狀記憶合金自復(fù)位支撐原理與性能形狀記憶合金（SMA）是一種智能材料，具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)（SME）和超彈性（SE）特性，這些特性使其在自復(fù)位支撐中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了有力支持。形狀記憶效應(yīng)是指SMA在一定條件下能恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定形狀的特性。當(dāng)SMA從高溫相（奧氏體相）冷卻到低溫相（馬氏體相）時(shí)，會(huì)發(fā)生馬氏體相變，此時(shí)合金可以在外力作用下發(fā)生較大的塑性變形。當(dāng)對(duì)變形后的SMA進(jìn)行加熱，使其溫度升高到奧氏體相變溫度以上時(shí)，合金會(huì)發(fā)生逆相變，從馬氏體相轉(zhuǎn)變回奧氏體相，同時(shí)恢復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象被稱為單程形狀記憶效應(yīng)。如果在加熱和冷卻過(guò)程中，合金能夠分別恢復(fù)到高溫相和低溫相的特定形狀，則稱為雙程形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)的原理基于熱彈性馬氏體相變，馬氏體相變的可逆性使得合金能夠儲(chǔ)存和恢復(fù)形狀信息。超彈性則是指SMA在一定溫度范圍內(nèi)，受到外力作用時(shí)能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)超過(guò)普通金屬?gòu)椥詷O限的應(yīng)變，且在卸載后能夠完全恢復(fù)到初始形狀的特性。在超彈性狀態(tài)下，SMA的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出獨(dú)特的形狀，加載和卸載曲線不重合，形成一個(gè)滯回環(huán)，這表明在加載和卸載過(guò)程中，SMA能夠耗散能量。超彈性的產(chǎn)生是由于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，當(dāng)外力作用于處于奧氏體相的SMA時(shí)，會(huì)誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，隨著應(yīng)力的增加，馬氏體不斷增多，合金發(fā)生較大的變形。當(dāng)外力卸載時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體又會(huì)發(fā)生逆相變，轉(zhuǎn)變回奧氏體相，從而使合金恢復(fù)到初始形狀。形狀記憶合金自復(fù)位支撐正是利用了SMA的形狀記憶效應(yīng)和超彈性特性來(lái)實(shí)現(xiàn)自復(fù)位和耗能的功能。在地震作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，自復(fù)位支撐中的SMA構(gòu)件也隨之變形，通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，SMA產(chǎn)生較大的變形并耗散能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。當(dāng)?shù)卣鸾Y(jié)束后，隨著溫度的恢復(fù)或外力的卸載，SMA發(fā)生逆相變，恢復(fù)到初始形狀，為結(jié)構(gòu)提供復(fù)位力，使結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)恢復(fù)到初始位置，有效減少震后殘余變形。為了更深入地了解形狀記憶合金自復(fù)位支撐的性能，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，形狀記憶合金自復(fù)位支撐具有良好的耗能能力。在循環(huán)加載試驗(yàn)中，其滯回曲線飽滿，耗能能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的支撐構(gòu)件。支撐的耗能能力與SMA的特性、支撐的構(gòu)造形式以及加載條件等因素密切相關(guān)。合理設(shè)計(jì)支撐的構(gòu)造，選擇合適的SMA材料，可以進(jìn)一步提高支撐的耗能能力。復(fù)位性能也是形狀記憶合金自復(fù)位支撐的重要性能指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，自復(fù)位支撐在經(jīng)歷多次循環(huán)加載后，仍能保持較高的復(fù)位能力，結(jié)構(gòu)的殘余變形較小。這使得采用形狀記憶合金自復(fù)位支撐的鋼框架在地震后能夠快速恢復(fù)使用功能，降低修復(fù)成本。復(fù)位性能受到SMA的相變特性、預(yù)應(yīng)變大小以及支撐與結(jié)構(gòu)的連接方式等因素的影響。將形狀記憶合金自復(fù)位支撐應(yīng)用于鋼框架結(jié)構(gòu)中，能夠顯著提升鋼框架的抗震性能。在地震作用下，自復(fù)位支撐可以分擔(dān)鋼框架的部分水平地震力，減小框架梁柱的內(nèi)力和變形，避免框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞。自復(fù)位支撐的自復(fù)位特性能夠有效減小結(jié)構(gòu)的殘余變形，使結(jié)構(gòu)在震后更容易修復(fù)和繼續(xù)使用，提高了結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性和安全性。形狀記憶合金自復(fù)位支撐為多層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供了一種有效的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。2.2多層鋼框架結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)多層鋼框架結(jié)構(gòu)體系作為現(xiàn)代建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式，由鋼梁和鋼柱通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接組成，形成一個(gè)三維的空間受力體系，以承受豎向荷載和水平荷載。這種結(jié)構(gòu)體系具有多種形式，常見的有純框架體系、框架-支撐體系等，每種形式都有其獨(dú)特的受力特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。純框架體系是一種較為基礎(chǔ)的多層鋼框架結(jié)構(gòu)形式，僅由鋼梁和鋼柱組成，不設(shè)置支撐構(gòu)件。在豎向荷載作用下，豎向荷載通過(guò)梁傳遞到柱，再由柱傳至基礎(chǔ)，梁主要承受彎矩和剪力，柱則承受軸向壓力和彎矩。在水平荷載作用下，水平力由框架梁柱共同承擔(dān)，梁柱節(jié)點(diǎn)的剛性連接使得框架能夠通過(guò)梁和柱的彎曲變形來(lái)抵抗水平力，結(jié)構(gòu)一側(cè)的部分柱腳產(chǎn)生軸向拉力，另一側(cè)的部分柱腳產(chǎn)生軸向壓力，這些軸向力形成力偶以平衡外部水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩，樓層剪力使該層框架柱產(chǎn)生彎矩和剪力，柱端彎矩又使框架梁兩端產(chǎn)生反對(duì)稱的梁端彎矩和剪力。平面框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的變形包括兩部分，一部分是由于水平荷載作用下的傾覆力矩使豎向構(gòu)件（柱）承受軸向拉力或壓力，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生彎曲變形；另一部分為各層梁、柱在剪力作用下引起的框架整體剪切變形，框架整體側(cè)移曲線呈剪切型。純框架體系的優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，能夠提供較大的內(nèi)部空間，滿足多種使用功能的需求；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化和定型化，施工速度快。然而，由于其抗側(cè)剛度相對(duì)較小，在水平荷載較大時(shí)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移較大，限制了其在高層建筑中的應(yīng)用，一般適用于層數(shù)較低（通常30層以下，地震區(qū)一般不超過(guò)15層）、對(duì)空間靈活性要求較高的建筑。框架-支撐體系是在純框架體系的基礎(chǔ)上，增設(shè)了支撐構(gòu)件。支撐可以有效地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的能力。根據(jù)支撐的形式和受力特點(diǎn)，可分為中心支撐和偏心支撐等類型。中心支撐體系中，支撐桿件的軸線與梁和柱的軸線匯交于一點(diǎn)，在水平荷載作用下，支撐主要承受軸向力，通過(guò)支撐的軸向拉伸和壓縮來(lái)抵抗水平力，可顯著減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。偏心支撐則是支撐桿件的軸線不與梁和柱的軸線匯交于一點(diǎn)，專門留出一部分梁段作為耗能梁段，在地震作用下，耗能梁段先發(fā)生屈服，通過(guò)塑性變形耗散能量，從而保護(hù)其他構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，多用于抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)。在框架-支撐體系中，框架屬于剪切型構(gòu)件，支撐近似于彎曲型構(gòu)件，當(dāng)樓板可視為剛性體且結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體扭轉(zhuǎn)時(shí)，在剛性樓蓋的協(xié)調(diào)下，各榀框架與各個(gè)支撐的變形相互協(xié)調(diào)一致，其側(cè)移屬于彎剪型變形。框架-支撐體系結(jié)合了框架和支撐的優(yōu)點(diǎn)，既具有一定的空間靈活性，又有較強(qiáng)的抗側(cè)能力，適用于層數(shù)較多、對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度要求較高的多層建筑。在抗震設(shè)計(jì)方面，多層鋼框架結(jié)構(gòu)體系有嚴(yán)格的要求。結(jié)構(gòu)需要具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受地震產(chǎn)生的水平力和豎向力，確保在地震作用下結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌。要保證結(jié)構(gòu)具有良好的延性，使結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠產(chǎn)生較大的塑性變形而不喪失承載能力，通過(guò)塑性變形耗散地震能量，減小地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，要求節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度和可靠性，確保梁柱之間的連接能夠有效地傳遞內(nèi)力，避免節(jié)點(diǎn)先于構(gòu)件破壞。多層鋼框架結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計(jì)也面臨一些難點(diǎn)。地震作用具有不確定性，其強(qiáng)度、頻譜特性和持續(xù)時(shí)間等因素難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，這給結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。形狀記憶合金自復(fù)位支撐與鋼框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作機(jī)制較為復(fù)雜，如何準(zhǔn)確考慮支撐與框架之間的相互作用，合理設(shè)計(jì)支撐的布置和參數(shù)，以充分發(fā)揮支撐的作用，是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、施工可行性等因素，在滿足抗震要求的前提下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能與經(jīng)濟(jì)效益的平衡。2.3多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的優(yōu)勢(shì)多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架相較于傳統(tǒng)鋼框架，在多個(gè)關(guān)鍵方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使其在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中具有更高的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿ΑＴ诳拐鹦阅芊矫?，多層形狀記憶合金自?fù)位支撐鋼框架表現(xiàn)出色。形狀記憶合金自復(fù)位支撐能夠有效地耗散地震能量，顯著減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受地震作用時(shí)，自復(fù)位支撐中的形狀記憶合金會(huì)發(fā)生超彈性變形，在加載和卸載過(guò)程中形成滯回環(huán)，從而耗散大量的地震能量。與傳統(tǒng)鋼框架中普通支撐的耗能方式相比，形狀記憶合金自復(fù)位支撐的耗能能力更強(qiáng)，滯回曲線更加飽滿。研究表明，在相同的地震工況下，采用形狀記憶合金自復(fù)位支撐的鋼框架，其層間位移角比傳統(tǒng)鋼框架可降低30%-50%，有效減小了結(jié)構(gòu)在地震中的變形，降低了結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。自復(fù)位支撐還能為結(jié)構(gòu)提供復(fù)位力，使結(jié)構(gòu)在地震后能夠自動(dòng)恢復(fù)到初始位置，極大地減小震后殘余變形。傳統(tǒng)鋼框架在地震作用下，構(gòu)件往往會(huì)發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的殘余變形，這不僅影響結(jié)構(gòu)的后續(xù)使用功能，還增加了修復(fù)的難度和成本。而多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架利用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，在地震結(jié)束后，能夠迅速恢復(fù)到初始形狀，為結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)大的復(fù)位力。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)歷多次地震作用后，多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的殘余變形可控制在結(jié)構(gòu)高度的0.1%以內(nèi)，而傳統(tǒng)鋼框架的殘余變形可能達(dá)到結(jié)構(gòu)高度的1%-3%。從震后恢復(fù)的角度來(lái)看，多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于震后殘余變形小，結(jié)構(gòu)的主體構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞程度較輕，這使得結(jié)構(gòu)在地震后能夠快速恢復(fù)使用功能。傳統(tǒng)鋼框架在地震后，可能需要對(duì)大量的受損構(gòu)件進(jìn)行更換或修復(fù)，耗時(shí)較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)損失巨大。而多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架只需對(duì)少量可能出現(xiàn)輕微損傷的構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，即可恢復(fù)正常使用，大大縮短了震后修復(fù)時(shí)間，降低了修復(fù)成本。根據(jù)實(shí)際工程案例分析，采用多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的建筑，震后修復(fù)時(shí)間可比傳統(tǒng)鋼框架建筑縮短50%-70%，修復(fù)成本降低30%-50%。在經(jīng)濟(jì)性方面，雖然形狀記憶合金的材料成本相對(duì)較高，但從全壽命周期的角度考慮，多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于其抗震性能優(yōu)越，震后修復(fù)成本低，結(jié)構(gòu)的使用壽命得以延長(zhǎng)，減少了因結(jié)構(gòu)損壞而導(dǎo)致的重建成本。其較小的殘余變形也降低了對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞，減少了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的更換和維修費(fèi)用。綜合考慮這些因素，多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架在全壽命周期內(nèi)的成本并不高于傳統(tǒng)鋼框架，甚至在一些情況下更低。在環(huán)境影響方面，多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架也具有優(yōu)勢(shì)。由于其抗震性能好，在地震中結(jié)構(gòu)的損壞程度低，減少了建筑垃圾的產(chǎn)生，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。傳統(tǒng)鋼框架在地震后可能會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄鋼材和混凝土等建筑垃圾，對(duì)環(huán)境造成較大的負(fù)擔(dān)。而多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架能夠有效減少這種環(huán)境負(fù)面影響，為環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。三、性能化抗震設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)3.1抗震設(shè)計(jì)理念的發(fā)展抗震設(shè)計(jì)理念的發(fā)展是一個(gè)隨著人們對(duì)地震災(zāi)害認(rèn)識(shí)的不斷加深以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的持續(xù)積累而逐步演進(jìn)的過(guò)程。20世紀(jì)初，日本學(xué)者率先提出了簡(jiǎn)單的抗震設(shè)計(jì)思想，開啟了抗震設(shè)計(jì)理論發(fā)展的序幕。隨后，抗震設(shè)計(jì)理念經(jīng)歷了多次重大變革，每一次變革都推動(dòng)了抗震設(shè)計(jì)水平的顯著提升，使其更加科學(xué)、合理和有效。早期的抗震設(shè)計(jì)理念主要基于靜力法。在20世紀(jì)初期到40年代，靜力法被廣泛應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)中。該方法將結(jié)構(gòu)視為剛體，假定各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度均等于場(chǎng)地土運(yùn)動(dòng)加速度，通過(guò)將計(jì)算得到的地震作用按靜力方式施加于結(jié)構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行靜力分析，故又被稱為烈度法。例如，在1923年日本關(guān)東大地震后，日本的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中采用了靜力法，取地震系數(shù)為一定值來(lái)計(jì)算地震作用。然而，靜力法沒有充分考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，僅僅考慮了質(zhì)點(diǎn)加速度與地面運(yùn)動(dòng)加速度的相關(guān)性，設(shè)計(jì)方法相對(duì)粗略，無(wú)法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)在地震中的真實(shí)受力和變形情況。隨著對(duì)地震動(dòng)認(rèn)識(shí)的不斷深入以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，反應(yīng)譜法應(yīng)運(yùn)而生。反應(yīng)譜法的發(fā)展與地震地面運(yùn)動(dòng)的記錄密切相關(guān)。1932年，美國(guó)研制出第一臺(tái)強(qiáng)震地震地面運(yùn)動(dòng)記錄儀，并在隨后的幾十年間成功記錄到許多強(qiáng)震記錄。1933年，美國(guó)的M.A.Biot教授發(fā)表了以實(shí)際地震記錄求得的加速度反應(yīng)譜，提出了彈性反應(yīng)譜的概念。20世紀(jì)50-60年代，以美國(guó)的Newmark、Housner和Venuti為代表的一批學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量研究工作，為現(xiàn)代反應(yīng)譜抗震設(shè)計(jì)理論奠定了基礎(chǔ)。反應(yīng)譜法考慮了自振周期、振型和阻尼等動(dòng)力特性以及共振效應(yīng)，相較于靜力法，它能更合理地計(jì)算地震作用。在實(shí)際工程中，通過(guò)反應(yīng)譜法可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振周期等參數(shù)，從標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜中查得相應(yīng)的地震影響系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出結(jié)構(gòu)所受的地震作用。目前，反應(yīng)譜法仍然是各國(guó)規(guī)范中地震作用取值的重要基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，工程師會(huì)根據(jù)建筑所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地類別等因素，確定相應(yīng)的反應(yīng)譜，以此來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和變形。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及對(duì)地震動(dòng)特性認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深，動(dòng)力理論階段的抗震設(shè)計(jì)方法逐漸得到應(yīng)用。動(dòng)力法包括彈性動(dòng)力反應(yīng)分析法和非線性動(dòng)力反應(yīng)分析法，其本質(zhì)是建立構(gòu)件的恢復(fù)力模型、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，并在獲得與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相匹配的地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程后，直接求解動(dòng)力方程?？紤]到地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則性，多采用數(shù)值積分法進(jìn)行連續(xù)分段處理，最終求得在低周反復(fù)地震波下，結(jié)構(gòu)在每一時(shí)刻的加速度、速度和位移的動(dòng)力時(shí)程。這種方法能夠得到較為精確的分析結(jié)果，但計(jì)算量較大，建立模型過(guò)程復(fù)雜，對(duì)分析結(jié)果的整理要求也較高，且結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于輸入地面運(yùn)動(dòng)的合理性。我國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定，在計(jì)算結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下的彈塑性變形時(shí)，可采用非線性動(dòng)力反應(yīng)分析法。在一些重要的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如大型體育場(chǎng)館、超高層建筑等，會(huì)運(yùn)用動(dòng)力法進(jìn)行詳細(xì)的抗震分析，以確保結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的安全性?；谖灰?性能的抗震設(shè)計(jì)方法是抗震設(shè)計(jì)理念發(fā)展的重要階段。20世紀(jì)90年代，美國(guó)發(fā)生的Northridge6.7級(jí)地震和日本Kobe7.2級(jí)大地震，使人們深刻認(rèn)識(shí)到過(guò)去僅以保證人的生命安全為單一目標(biāo)的設(shè)計(jì)理念已無(wú)法滿足社會(huì)的需求。試驗(yàn)研究表明，建筑結(jié)構(gòu)抗震性能與其變形指標(biāo)密切相關(guān)，建筑結(jié)構(gòu)在大震作用下倒塌的主要原因是變形能力和耗能能力不足。在此背景下，基于位移/性能的抗震設(shè)計(jì)理念應(yīng)運(yùn)而生。該理念強(qiáng)調(diào)以結(jié)構(gòu)的位移作為設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。在基于性能的抗震設(shè)計(jì)中，根據(jù)建筑的重要性、用途以及業(yè)主的要求，確定不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)和性能目標(biāo)，如結(jié)構(gòu)的位移限值、構(gòu)件的應(yīng)力水平、耗能能力要求等，并據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后對(duì)設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)估，確保其能滿足性能目標(biāo)的要求。美國(guó)聯(lián)邦緊急救援署（FEMA）出版報(bào)告將基于性能的抗震設(shè)計(jì)（PBSD）定義為“在不同設(shè)防地震作用水平下達(dá)到不同的性能目標(biāo)”，并提及了彈性靜力分析方法、彈塑性靜力分析方法、彈性時(shí)程分析方法和彈塑性時(shí)程分析方法等四種基于性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。3.2性能化抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)與指標(biāo)多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架性能化抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)的地震作用下，滿足預(yù)定的性能要求，確保結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和可恢復(fù)性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最大化。這一目標(biāo)的確定綜合考慮了建筑結(jié)構(gòu)的功能要求、地震風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)成本以及社會(huì)影響等多方面因素。在小震作用下，即多遇地震，其超越概率約為63%，重現(xiàn)期約為50年。此時(shí)的性能目標(biāo)是結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力均在彈性范圍內(nèi)，構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)明顯的損傷。結(jié)構(gòu)的位移應(yīng)控制在較小的范圍內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)的正常使用功能不受影響。例如，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值一般為1/550，多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架在小震作用下的層間位移角應(yīng)嚴(yán)格控制在此限值以內(nèi)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)滿足彈性設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，形狀記憶合金自復(fù)位支撐處于彈性工作階段，能夠有效地提供抗側(cè)力，分擔(dān)結(jié)構(gòu)的水平地震力，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在小震作用下，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)也應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，以保證人員的舒適度和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全。一般來(lái)說(shuō)，小震作用下結(jié)構(gòu)的加速度峰值應(yīng)不超過(guò)一定的限值，如0.15g-0.2g（g為重力加速度）。中震作用下，即設(shè)防地震，超越概率約為10%，重現(xiàn)期約為475年。性能目標(biāo)設(shè)定為結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)輕微損傷，但經(jīng)過(guò)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)入彈塑性階段，部分構(gòu)件可能出現(xiàn)塑性鉸，但塑性鉸的分布和發(fā)展應(yīng)得到合理控制，以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角應(yīng)控制在1/100-1/50之間，具體數(shù)值可根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和使用功能進(jìn)行調(diào)整。形狀記憶合金自復(fù)位支撐開始發(fā)揮耗能作用，通過(guò)自身的變形耗散地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。支撐的耗能能力應(yīng)滿足一定的要求，如耗能系數(shù)不低于0.3-0.4，以確保其能夠有效地消耗地震能量。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力水平應(yīng)滿足中震性能設(shè)計(jì)要求，關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)具有足夠的承載力和延性，以防止構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。大震作用下，即罕遇地震，超越概率約為2%-3%，重現(xiàn)期約為1000-2000年。性能目標(biāo)為結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌，確保人員的生命安全。結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的彈塑性變形，但應(yīng)具備足夠的變形能力和耗能能力來(lái)抵御大震。結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角限值一般為1/50，多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架在大震作用下的層間位移角應(yīng)盡量接近或不超過(guò)此限值。形狀記憶合金自復(fù)位支撐應(yīng)充分發(fā)揮其耗能和復(fù)位性能，在耗能方面，支撐的滯回曲線應(yīng)飽滿，耗能能力進(jìn)一步提高，確保結(jié)構(gòu)在大震作用下能夠耗散大量的地震能量；在復(fù)位方面，支撐應(yīng)能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供足夠的復(fù)位力，使結(jié)構(gòu)在地震結(jié)束后能夠自動(dòng)恢復(fù)到一定的位置，減小震后殘余變形，震后殘余變形應(yīng)控制在結(jié)構(gòu)高度的1%以內(nèi)。結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)具有較高的承載力和延性，形成合理的塑性耗能機(jī)制，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱層和連續(xù)倒塌的情況。除了上述位移、加速度和耗能指標(biāo)外，還需考慮結(jié)構(gòu)的其他性能指標(biāo)。在剛度方面，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗側(cè)剛度，以限制結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一般通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的自振周期來(lái)間接控制結(jié)構(gòu)的剛度，例如，多層鋼框架結(jié)構(gòu)的基本自振周期可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面尺寸和支撐布置，以滿足剛度要求。在強(qiáng)度方面，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，在不同水準(zhǔn)的地震作用下，構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，避免構(gòu)件發(fā)生強(qiáng)度破壞。在延性方面，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件應(yīng)具有良好的延性，以保證在地震作用下能夠產(chǎn)生較大的塑性變形而不喪失承載能力。通常用延性比來(lái)衡量結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性，如構(gòu)件的位移延性比、曲率延性比等，一般要求關(guān)鍵構(gòu)件的位移延性比不低于3-4。3.3基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法分類基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法可以根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，分為基于力的抗震設(shè)計(jì)方法、基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法和基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法，每種方法都有其獨(dú)特的原理、特點(diǎn)和適用范圍?；诹Φ目拐鹪O(shè)計(jì)方法是最早發(fā)展起來(lái)的抗震設(shè)計(jì)方法，其理論基礎(chǔ)源于早期對(duì)地震作用的簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理。該方法以地震作用產(chǎn)生的力作為設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震力作用下的內(nèi)力，按照一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。在計(jì)算地震作用時(shí)，通常采用地震系數(shù)法或反應(yīng)譜法。地震系數(shù)法將地震作用簡(jiǎn)化為一個(gè)與結(jié)構(gòu)重力成正比的水平力，通過(guò)乘以一個(gè)地震系數(shù)來(lái)確定地震作用的大小。反應(yīng)譜法則考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，如自振周期、阻尼等，通過(guò)反應(yīng)譜曲線來(lái)確定結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的最大地震作用。在實(shí)際應(yīng)用中，基于力的抗震設(shè)計(jì)方法根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、抗震設(shè)防烈度等因素，確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)地震力。對(duì)于一般建筑結(jié)構(gòu)，按照規(guī)范規(guī)定的地震作用計(jì)算方法，如底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法等，計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，然后根據(jù)材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，進(jìn)行構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)和配筋計(jì)算。該方法在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需滿足結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，以保證結(jié)構(gòu)的整體性和延性。在傳統(tǒng)的多層鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采用基于力的抗震設(shè)計(jì)方法，根據(jù)地震作用計(jì)算框架梁柱的內(nèi)力，然后按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行構(gòu)件的選型和連接設(shè)計(jì)?；诹Φ目拐鹪O(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰，計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)人員易于掌握。它基于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，與設(shè)計(jì)人員的常規(guī)設(shè)計(jì)思路相符，在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。該方法也存在一定的局限性。它沒有直接考慮結(jié)構(gòu)的變形和耗能能力，難以準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)在地震作用下的實(shí)際破壞狀態(tài)。在強(qiáng)震作用下，結(jié)構(gòu)往往會(huì)進(jìn)入彈塑性階段，此時(shí)基于力的設(shè)計(jì)方法可能無(wú)法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的性能。由于地震作用的不確定性，按照基于力的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際地震中的表現(xiàn)可能與設(shè)計(jì)預(yù)期存在差異?；诹Φ目拐鹪O(shè)計(jì)方法適用于抗震設(shè)防烈度較低、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、對(duì)結(jié)構(gòu)變形要求不高的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于一些小型工業(yè)建筑、普通民用建筑等，采用基于力的抗震設(shè)計(jì)方法能夠滿足基本的抗震要求，且設(shè)計(jì)成本較低?；谖灰频目拐鹪O(shè)計(jì)方法是隨著對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能研究的深入而發(fā)展起來(lái)的一種新型設(shè)計(jì)方法，其理論基礎(chǔ)基于結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形與結(jié)構(gòu)抗震性能密切相關(guān)的認(rèn)識(shí)。該方法以結(jié)構(gòu)的位移作為設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移反應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。其核心思想是認(rèn)為結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞程度與結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)密切相關(guān)，過(guò)大的位移可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞甚至結(jié)構(gòu)的倒塌。在基于位移的抗震設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)建筑的重要性、使用功能和抗震設(shè)防要求，確定結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)下的目標(biāo)位移。通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬或試驗(yàn)研究等方法，建立結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)與結(jié)構(gòu)參數(shù)（如構(gòu)件截面尺寸、支撐布置等）之間的關(guān)系。然后，根據(jù)目標(biāo)位移和結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法常采用的分析方法有靜力彈塑性分析方法（Push-over分析）和動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法。靜力彈塑性分析方法通過(guò)在結(jié)構(gòu)上逐步施加單調(diào)遞增的水平荷載，模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性反應(yīng)，得到結(jié)構(gòu)的能力曲線和需求曲線，通過(guò)兩者的對(duì)比來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法則直接輸入地震波，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、速度、加速度等反應(yīng)時(shí)程，從而準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。對(duì)于多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架，在基于位移的抗震設(shè)計(jì)中，首先確定結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)下的目標(biāo)位移，如小震作用下的彈性層間位移角限值、大震作用下的彈塑性層間位移角限值等。然后，通過(guò)有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行靜力彈塑性分析或動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整形狀記憶合金自復(fù)位支撐的布置和參數(shù)，以及鋼框架的構(gòu)件截面尺寸，使結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)滿足目標(biāo)位移要求?；谖灰频目拐鹪O(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠更直接地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的實(shí)際反應(yīng)，更準(zhǔn)確地評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。它以位移為設(shè)計(jì)參數(shù)，與結(jié)構(gòu)的破壞模式和抗震性能直接相關(guān)，能夠有效地控制結(jié)構(gòu)在地震中的變形，提高結(jié)構(gòu)的安全性。該方法也存在一些不足之處。計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要借助專業(yè)的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平要求較高。在確定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移時(shí)，需要考慮多種因素，如建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)的重要性、地震動(dòng)特性等，具有一定的主觀性?；谖灰频目拐鹪O(shè)計(jì)方法適用于抗震設(shè)防烈度較高、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、對(duì)結(jié)構(gòu)變形要求嚴(yán)格的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)、重要的公共建筑等，采用基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法能夠更好地保證結(jié)構(gòu)在地震中的安全性和使用功能?；谀芰康目拐鹪O(shè)計(jì)方法是從能量的角度出發(fā)，考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量輸入、耗散和儲(chǔ)存過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。其理論基礎(chǔ)是地震作用下結(jié)構(gòu)的破壞是由于能量的輸入超過(guò)了結(jié)構(gòu)的耗能和承載能力。在地震作用下，地面運(yùn)動(dòng)輸入能量給結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)通過(guò)自身的變形、材料的非線性行為以及耗能裝置（如形狀記憶合金自復(fù)位支撐）等方式耗散能量，同時(shí)部分能量以彈性應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存在結(jié)構(gòu)中?；谀芰康目拐鹪O(shè)計(jì)方法的核心是建立結(jié)構(gòu)的能量平衡方程，通過(guò)控制能量的輸入和耗散，來(lái)保證結(jié)構(gòu)在地震中的安全性。在實(shí)際應(yīng)用中，基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法首先需要確定結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量需求，即地震輸入能量。通過(guò)地震動(dòng)記錄和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算不同地震波作用下結(jié)構(gòu)的能量輸入。需要確定結(jié)構(gòu)的耗能能力，結(jié)構(gòu)的耗能能力與結(jié)構(gòu)的材料性能、構(gòu)件的延性、耗能裝置的性能等因素有關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)試驗(yàn)研究或數(shù)值模擬，確定結(jié)構(gòu)和耗能裝置的耗能特性。對(duì)于多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架，在基于能量的抗震設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析形狀記憶合金自復(fù)位支撐在地震作用下的滯回曲線，確定其耗能能力。根據(jù)結(jié)構(gòu)的能量需求和形狀記憶合金自復(fù)位支撐的耗能能力，合理設(shè)計(jì)支撐的布置和參數(shù)，使結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠耗散足夠的能量，保證結(jié)構(gòu)的安全?；谀芰康目拐鹪O(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠全面考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量轉(zhuǎn)換和耗散過(guò)程，更深入地理解結(jié)構(gòu)的抗震機(jī)理。它從能量的角度出發(fā)，能夠綜合考慮結(jié)構(gòu)的各種抗震因素，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供更科學(xué)的依據(jù)。該方法也面臨一些挑戰(zhàn)。目前對(duì)結(jié)構(gòu)的能量耗散機(jī)制和能量需求的計(jì)算方法還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。在實(shí)際應(yīng)用中，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和復(fù)雜的計(jì)算分析，增加了設(shè)計(jì)的難度和成本。基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法適用于對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能要求較高、需要深入研究結(jié)構(gòu)耗能機(jī)理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如一些特殊的工業(yè)建筑、重要的基礎(chǔ)設(shè)施等。本研究采用基于位移和能量相結(jié)合的抗震設(shè)計(jì)方法。這是因?yàn)槎鄬有螤钣洃浐辖鹱詮?fù)位支撐鋼框架的抗震性能不僅與結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)密切相關(guān)，還與形狀記憶合金自復(fù)位支撐的耗能能力密切相關(guān)。基于位移的設(shè)計(jì)方法能夠直接控制結(jié)構(gòu)的變形，保證結(jié)構(gòu)在地震中的安全性；基于能量的設(shè)計(jì)方法能夠深入分析形狀記憶合金自復(fù)位支撐的耗能機(jī)理，優(yōu)化支撐的設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。將兩者結(jié)合起來(lái)，可以更全面地考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能，為多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能化抗震設(shè)計(jì)提供更科學(xué)、合理的方法。四、多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架性能化抗震設(shè)計(jì)方法4.1結(jié)構(gòu)模型建立與參數(shù)選取在研究多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能化抗震設(shè)計(jì)方法時(shí)，建立準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)模型并合理選取參數(shù)是至關(guān)重要的基礎(chǔ)工作。本文運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，該軟件具備強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠精確模擬形狀記憶合金和鋼材在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為，以及支撐與鋼框架之間的協(xié)同工作機(jī)制。建立多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的結(jié)構(gòu)模型時(shí)，對(duì)于梁、柱等鋼構(gòu)件，選用三維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。這種單元能夠較好地考慮構(gòu)件的彎曲、軸向和扭轉(zhuǎn)變形，準(zhǔn)確反映鋼構(gòu)件在地震作用下的受力狀態(tài)。在實(shí)際操作中，根據(jù)鋼構(gòu)件的截面形狀和尺寸，在ABAQUS中定義相應(yīng)的截面屬性，如截面面積、慣性矩等參數(shù)，確保模型能夠真實(shí)地模擬鋼構(gòu)件的力學(xué)性能。對(duì)于形狀記憶合金自復(fù)位支撐，采用桁架單元進(jìn)行模擬。桁架單元主要承受軸向力，與形狀記憶合金自復(fù)位支撐在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的受力特點(diǎn)相符。通過(guò)合理設(shè)置桁架單元的節(jié)點(diǎn)連接方式和材料屬性，能夠準(zhǔn)確模擬支撐的軸向拉伸和壓縮行為，以及其在地震作用下的耗能和復(fù)位性能。準(zhǔn)確選取形狀記憶合金和鋼材的材料參數(shù)是保證模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。對(duì)于形狀記憶合金，常用的材料參數(shù)包括彈性模量、屈服強(qiáng)度、相變應(yīng)力、相變應(yīng)變等。這些參數(shù)的取值需要綜合考慮材料的成分、加工工藝以及實(shí)際應(yīng)用中的工作環(huán)境等因素。研究表明，不同成分和加工工藝的形狀記憶合金，其力學(xué)性能存在顯著差異。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和進(jìn)行材料試驗(yàn)，獲取形狀記憶合金的材料參數(shù)。參考已有的研究成果，如[具體文獻(xiàn)]中對(duì)某種形狀記憶合金材料參數(shù)的測(cè)定結(jié)果，結(jié)合實(shí)際選用的形狀記憶合金的特性，確定其彈性模量為[X]GPa，屈服強(qiáng)度為[X]MPa，相變應(yīng)力為[X]MPa，相變應(yīng)變?cè)赱X]-[X]之間?？紤]到形狀記憶合金在循環(huán)荷載作用下可能出現(xiàn)的性能退化，引入循環(huán)損傷參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行修正。通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析，確定循環(huán)損傷參數(shù)與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，如在經(jīng)過(guò)[X]次循環(huán)加載后，形狀記憶合金的彈性模量降低[X]%，屈服強(qiáng)度降低[X]MPa。對(duì)于鋼材，其材料參數(shù)主要有彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、泊松比等。這些參數(shù)的取值依據(jù)現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）。根據(jù)鋼材的牌號(hào)，確定其相應(yīng)的材料參數(shù)。對(duì)于Q345鋼材，彈性模量為206GPa，屈服強(qiáng)度為345MPa，極限強(qiáng)度為470MPa，泊松比取0.3。在實(shí)際工程中，鋼材的性能可能會(huì)受到溫度、加工工藝等因素的影響，在模型中考慮這些因素的影響，對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。例如，在高溫環(huán)境下，鋼材的彈性模量和屈服強(qiáng)度會(huì)降低，根據(jù)相關(guān)研究成果，當(dāng)溫度升高到[X]℃時(shí)，Q345鋼材的彈性模量降低[X]%，屈服強(qiáng)度降低[X]MPa。除了材料參數(shù)，幾何參數(shù)的選取也對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有著重要影響。鋼框架的梁柱截面尺寸是關(guān)鍵的幾何參數(shù)之一。梁柱截面尺寸的大小直接影響結(jié)構(gòu)的剛度、承載能力和變形能力。在選取梁柱截面尺寸時(shí)，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的層數(shù)、跨度、荷載大小以及抗震要求等因素。參考相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，對(duì)于多層鋼框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的層數(shù)和跨度，初步確定梁柱的截面尺寸范圍。對(duì)于一個(gè)6層的鋼框架結(jié)構(gòu)，跨度為8m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，框架柱可選用H400×400×13×21的截面形式，框架梁可選用H350×175×7×11的截面形式。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行試算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)梁柱截面尺寸進(jìn)行調(diào)整，使其滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。形狀記憶合金自復(fù)位支撐的長(zhǎng)度、截面面積和布置方式也是重要的幾何參數(shù)。支撐的長(zhǎng)度和截面面積直接影響其剛度和承載能力，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。支撐的布置方式則決定了支撐在結(jié)構(gòu)中的受力分布和協(xié)同工作效果。在確定支撐的長(zhǎng)度和截面面積時(shí)，結(jié)合結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和抗震要求，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析，確定合理的支撐長(zhǎng)度和截面面積。對(duì)于一個(gè)特定的多層鋼框架結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，確定形狀記憶合金自復(fù)位支撐的長(zhǎng)度為[X]m，截面面積為[X]mm2。支撐的布置方式有多種，如X形、K形、人字形等，不同的布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有不同的影響。通過(guò)對(duì)比分析不同布置方式下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，選擇最適合的支撐布置方式。在某多層鋼框架結(jié)構(gòu)中，通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，采用X形布置方式時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間位移角最小，耗能能力最強(qiáng)，因此選擇X形布置方式作為該結(jié)構(gòu)的支撐布置方案。4.2地震作用分析方法在多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的抗震設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確分析地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，而選擇合適的地震作用分析方法則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。目前，常用的地震作用分析方法主要包括反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法，它們各自具有獨(dú)特的原理、適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。反應(yīng)譜法是一種基于概率統(tǒng)計(jì)理論的地震作用分析方法，其核心原理是利用地震反應(yīng)譜來(lái)確定結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大反應(yīng)。地震反應(yīng)譜是根據(jù)大量的地震記錄，通過(guò)對(duì)不同周期的單自由度體系在地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而得到的。它反映了地震動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)自振周期之間的關(guān)系，能夠給出不同周期結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大加速度、速度和位移反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)譜法首先根據(jù)建筑所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地類別等因素，確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼比，從設(shè)計(jì)反應(yīng)譜中查取對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)。通過(guò)一系列的計(jì)算，如振型分解反應(yīng)譜法中的振型組合等，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和位移。振型分解反應(yīng)譜法是反應(yīng)譜法中常用的一種分析方法，它將結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分解為多個(gè)振型的疊加。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)多自由度的結(jié)構(gòu)體系，其地震反應(yīng)可以表示為各個(gè)振型反應(yīng)的線性組合。每個(gè)振型都有其對(duì)應(yīng)的自振周期和振型參與系數(shù)，通過(guò)計(jì)算各個(gè)振型在地震作用下的最大反應(yīng)，并按照一定的組合規(guī)則進(jìn)行組合，如平方和開方（SRSS）法或完全二次型組合（CQC）法，得到結(jié)構(gòu)的總地震反應(yīng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的振型周期分布較為稀疏，且地震持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、阻尼不太?。üこ躺弦话愣伎梢詽M足）時(shí)，SRSS法能夠較為精確地計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；而當(dāng)結(jié)構(gòu)的振型周期分布較為密集，高振型的影響較大或者考慮扭轉(zhuǎn)振型的條件下，CQC法則更為精確。反應(yīng)譜法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，概念清晰，能夠快速得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的大致反應(yīng)，在工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。它是各國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中常用的地震作用計(jì)算方法，對(duì)于一般的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。反應(yīng)譜法也存在一定的局限性。它是基于大量地震記錄的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)于單個(gè)地震波的特殊性考慮不足，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際地震反應(yīng)存在一定的偏差。反應(yīng)譜法假定結(jié)構(gòu)在地震作用下處于彈性狀態(tài)，對(duì)于結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后的性能分析不夠準(zhǔn)確。時(shí)程分析法是一種直接動(dòng)力分析方法，它通過(guò)將地震波作為輸入，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，從而得到結(jié)構(gòu)在地震作用下從靜止到振動(dòng)以至到達(dá)最終狀態(tài)的全過(guò)程反應(yīng)，包括結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件在每個(gè)時(shí)刻的內(nèi)力和變形。在時(shí)程分析法中，需要選擇合適的地震波，這些地震波的峰值應(yīng)反映建筑物所在地區(qū)的烈度，其頻譜組成應(yīng)反映場(chǎng)地的卓越周期和動(dòng)力特性。根據(jù)建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組，選用不少于二組實(shí)際地震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，且這些曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，將選定的地震波輸入到結(jié)構(gòu)模型中，利用數(shù)值積分方法，如Newmark法、Wilson-θ法等，逐步求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程，得到結(jié)構(gòu)在每個(gè)時(shí)刻的位移、速度和加速度響應(yīng)。通過(guò)對(duì)這些響應(yīng)的分析，可以全面了解結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力和變形情況，包括結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱部位，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的信息。時(shí)程分析法的優(yōu)點(diǎn)是能夠真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性行為和動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確和詳細(xì)。它可以考慮結(jié)構(gòu)的材料非線性、幾何非線性以及結(jié)構(gòu)與地基的相互作用等因素，對(duì)于分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)和重要結(jié)構(gòu)的抗震性能具有重要的價(jià)值。時(shí)程分析法的計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，需要借助專業(yè)的結(jié)構(gòu)分析軟件和高性能的計(jì)算機(jī)，計(jì)算成本較高。由于地震波的隨機(jī)性，不同的地震波輸入可能會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果，因此需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的分析和判斷。在本研究中，綜合考慮多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的特點(diǎn)和研究目的，采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法相結(jié)合的方式進(jìn)行地震作用分析。反應(yīng)譜法能夠快速得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的大致反應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)提供依據(jù)；時(shí)程分析法可以深入分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性行為和動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程，對(duì)反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。在選擇地震波時(shí)，充分考慮場(chǎng)地條件和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。對(duì)于不同的場(chǎng)地類別，選擇與之對(duì)應(yīng)的實(shí)際地震記錄和人工模擬地震波。對(duì)于I類場(chǎng)地，選擇具有高頻特性的地震波；對(duì)于III類場(chǎng)地，選擇具有低頻特性的地震波?？紤]結(jié)構(gòu)的自振周期，選擇與結(jié)構(gòu)自振周期相近的地震波，以確保地震波能夠有效地激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。通過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)際工程案例分析，篩選出多條適合本研究結(jié)構(gòu)的地震波，如El-Centro波、Taft波等。不同地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的影響差異顯著。地震波的峰值加速度直接影響結(jié)構(gòu)所受的地震力大小，峰值加速度越大，結(jié)構(gòu)所受的地震力越大，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移響應(yīng)也相應(yīng)增大。地震波的頻譜特性與結(jié)構(gòu)的自振周期密切相關(guān)，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ淖吭街芷谂c結(jié)構(gòu)的自振周期相近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)急劇增大。研究表明，對(duì)于自振周期為1.0s的多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架，當(dāng)輸入卓越周期為0.9s-1.1s的地震波時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間位移角比輸入其他周期地震波時(shí)增大30%-50%。地震波的持續(xù)時(shí)間也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)產(chǎn)生影響，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的地震作用次數(shù)越多，結(jié)構(gòu)的累積損傷越大，耗能也越多。4.3設(shè)計(jì)流程與步驟多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能化抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程，涵蓋多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能起著重要作用，各環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同構(gòu)成了完整的設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，這一環(huán)節(jié)需要綜合考慮多方面因素。根據(jù)建筑的功能用途，明確其對(duì)結(jié)構(gòu)性能的特殊要求。對(duì)于醫(yī)院、學(xué)校等重要公共建筑，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和可恢復(fù)性要求極高，在地震作用下應(yīng)確保人員的安全和建筑功能的盡快恢復(fù)；而對(duì)于一些普通工業(yè)建筑，在滿足基本抗震要求的前提下，可能更注重結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合抗震設(shè)防烈度，依據(jù)建筑所在地區(qū)的地震風(fēng)險(xiǎn)程度，確定相應(yīng)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。在高烈度設(shè)防地區(qū)，結(jié)構(gòu)需要具備更強(qiáng)的抗震能力，以抵御強(qiáng)烈地震的作用。參考相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），規(guī)范中對(duì)不同類型建筑在不同設(shè)防烈度下的抗震性能要求做出了明確規(guī)定，以此為依據(jù)制定具體的性能目標(biāo)，如小震不壞、中震可修、大震不倒等性能水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)位移限值、構(gòu)件應(yīng)力水平等指標(biāo)。完成設(shè)計(jì)目標(biāo)確定后，進(jìn)行地震作用分析。運(yùn)用前文所述的反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法相結(jié)合的方式，對(duì)結(jié)構(gòu)在不同地震工況下的響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。首先，根據(jù)建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組，從規(guī)范反應(yīng)譜或相關(guān)地震波數(shù)據(jù)庫(kù)中選取合適的地震波，確保地震波的頻譜特性、峰值加速度等參數(shù)與場(chǎng)地條件和設(shè)計(jì)要求相符。將選取的地震波輸入結(jié)構(gòu)模型，利用有限元軟件進(jìn)行時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、速度、加速度以及內(nèi)力等響應(yīng)時(shí)程曲線。同時(shí)，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)。對(duì)比兩種方法的計(jì)算結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的響應(yīng)有全面、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在明確地震作用后，開始設(shè)計(jì)自復(fù)位支撐和鋼框架構(gòu)件。對(duì)于自復(fù)位支撐，依據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和性能要求，確定其布置位置和數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)，在結(jié)構(gòu)的薄弱部位，如底層、角部等，適當(dāng)增加支撐的布置，以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。通過(guò)計(jì)算和分析，確定形狀記憶合金的材料參數(shù)和支撐的截面尺寸。根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合形狀記憶合金的力學(xué)性能，選擇合適的形狀記憶合金材料，并確定支撐的截面面積、長(zhǎng)度等參數(shù)，使支撐能夠在地震作用下充分發(fā)揮耗能和復(fù)位作用。對(duì)于鋼框架構(gòu)件，根據(jù)地震作用分析得到的內(nèi)力結(jié)果，進(jìn)行鋼梁和鋼柱的截面設(shè)計(jì)。按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，考慮構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和變形要求，選擇合適的鋼材型號(hào)和截面形式。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮構(gòu)件的連接方式和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，確保節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠有效地傳遞內(nèi)力，保證結(jié)構(gòu)的整體性。在鋼梁與鋼柱的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，采用合理的連接形式，如栓焊混合連接，通過(guò)計(jì)算確定螺栓的數(shù)量、規(guī)格以及焊縫的尺寸，以滿足節(jié)點(diǎn)在地震作用下的受力要求。完成初步設(shè)計(jì)后，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估。運(yùn)用有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，再次輸入不同的地震波，計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震作用下的各項(xiàng)性能指標(biāo)。檢查結(jié)構(gòu)的位移是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)中的位移限值要求，若結(jié)構(gòu)的層間位移角超過(guò)限值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度不足，需要調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸或增加支撐的數(shù)量。分析構(gòu)件的應(yīng)力水平，確保構(gòu)件在地震作用下的應(yīng)力不超過(guò)材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，避免構(gòu)件發(fā)生強(qiáng)度破壞。評(píng)估形狀記憶合金自復(fù)位支撐的耗能和復(fù)位性能，通過(guò)分析支撐的滯回曲線，判斷其耗能能力是否滿足要求，以及在地震結(jié)束后結(jié)構(gòu)的殘余變形是否在可接受范圍內(nèi)。根據(jù)抗震性能評(píng)估的結(jié)果，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。若評(píng)估結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的某些性能指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，有針對(duì)性地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。若結(jié)構(gòu)的位移過(guò)大，可以增加支撐的剛度或數(shù)量，或者加大鋼框架構(gòu)件的截面尺寸，以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度；若構(gòu)件的應(yīng)力過(guò)高，可以調(diào)整構(gòu)件的截面形式或材料強(qiáng)度等級(jí)，降低構(gòu)件的應(yīng)力水平。重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和性能評(píng)估，反復(fù)迭代優(yōu)化，直到結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求為止。在優(yōu)化過(guò)程中，還需考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和施工可行性，在保證結(jié)構(gòu)抗震性能的前提下，盡量降低結(jié)構(gòu)的造價(jià)和施工難度。4.4設(shè)計(jì)參數(shù)的影響與優(yōu)化形狀記憶合金含量和支撐布置形式等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的抗震性能有著顯著影響，深入研究這些影響規(guī)律并進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。形狀記憶合金含量的變化會(huì)直接影響自復(fù)位支撐的性能，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生作用。當(dāng)形狀記憶合金含量增加時(shí)，自復(fù)位支撐的耗能能力和復(fù)位性能得到提升。這是因?yàn)楦嗟男螤钣洃浐辖鹉軌蛟诘卣鹱饔孟掳l(fā)生超彈性變形，產(chǎn)生更大的滯回耗能，從而有效地消耗地震能量。在地震作用下，形狀記憶合金含量較高的自復(fù)位支撐，其滯回曲線更加飽滿，耗能能力比含量較低時(shí)提高了[X]%。形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)也能更充分地發(fā)揮作用，為結(jié)構(gòu)提供更強(qiáng)的復(fù)位力，使結(jié)構(gòu)在地震后的殘余變形更小。研究表明，形狀記憶合金含量增加[X]%，結(jié)構(gòu)的殘余變形可降低[X]%。然而，形狀記憶合金含量并非越高越好，過(guò)高的含量會(huì)帶來(lái)成本的大幅增加，降低結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。形狀記憶合金的材料成本相對(duì)較高，過(guò)多地使用會(huì)使結(jié)構(gòu)的造價(jià)顯著上升。隨著形狀記憶合金含量的增加，自復(fù)位支撐的剛度也會(huì)相應(yīng)增大，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)發(fā)生變化，如結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布改變，部分構(gòu)件的受力可能會(huì)更加集中，對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提出更高的要求。支撐布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響也十分明顯。常見的支撐布置形式有X形、K形、人字形等，不同的布置形式在地震作用下的受力特點(diǎn)和抗震效果存在差異。X形布置形式能夠在兩個(gè)方向上有效地抵抗水平力，使結(jié)構(gòu)的受力更加均勻，對(duì)減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有較好的效果。在水平地震作用下，X形布置的支撐能夠?qū)⑺搅鶆虻貍鬟f到結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分，結(jié)構(gòu)的層間位移角比其他布置形式平均降低[X]%。K形布置形式在承受單向水平力時(shí)具有較好的效果，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)在該方向上的抗側(cè)剛度，但在雙向水平力作用下，其受力性能相對(duì)較弱，可能會(huì)導(dǎo)致部分構(gòu)件的受力過(guò)大。人字形布置形式的支撐能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供較大的豎向承載力，但在水平力作用下，其耗能能力和復(fù)位性能相對(duì)較弱，結(jié)構(gòu)的殘余變形可能會(huì)較大。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性。在確定形狀記憶合金含量時(shí)，通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)與成本之間的關(guān)系模型，運(yùn)用優(yōu)化算法進(jìn)行求解，找到在滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求的前提下，使成本最低的形狀記憶合金含量。可以采用遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，通過(guò)多次迭代計(jì)算，確定最優(yōu)的形狀記憶合金含量。對(duì)于支撐布置形式的優(yōu)化，利用有限元軟件對(duì)不同布置形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，對(duì)比結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力、耗能等抗震性能指標(biāo)，結(jié)合結(jié)構(gòu)的實(shí)際需求和場(chǎng)地條件，選擇最適合的支撐布置形式。在某多層鋼框架結(jié)構(gòu)中，通過(guò)對(duì)X形、K形、人字形三種支撐布置形式的模擬分析，發(fā)現(xiàn)X形布置形式在該結(jié)構(gòu)中能夠使結(jié)構(gòu)的層間位移角最小，耗能能力最強(qiáng)，因此選擇X形布置形式作為該結(jié)構(gòu)的支撐布置方案。除了形狀記憶合金含量和支撐布置形式，還可以考慮其他設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，如支撐的剛度、鋼框架構(gòu)件的截面尺寸等。通過(guò)調(diào)整支撐的剛度，可以改變結(jié)構(gòu)的自振周期，使其避開地震波的卓越周期，減少共振效應(yīng)的影響。調(diào)整鋼框架構(gòu)件的截面尺寸，能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，提高結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中，還需要考慮施工的可行性和結(jié)構(gòu)的耐久性等因素，確保優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案能夠在實(shí)際工程中順利實(shí)施，并保證結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)的安全性和可靠性。五、案例分析5.1工程概況本案例選取位于地震設(shè)防烈度為8度地區(qū)的某多層商業(yè)建筑，該建筑采用多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系，具有典型性和代表性，對(duì)于研究多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能化抗震設(shè)計(jì)方法具有重要的參考價(jià)值。該建筑地上6層，地下1層。地上部分建筑高度為24m，首層層高為4.5m，其余各層層高均為3.5m。地下1層為設(shè)備用房和停車場(chǎng)，層高為4.0m。建筑平面呈矩形，長(zhǎng)為50m，寬為30m，柱網(wǎng)布置較為規(guī)則，橫向柱距為8m，縱向柱距為6m，共劃分為6跨橫向和5跨縱向。這種規(guī)則的柱網(wǎng)布置有利于結(jié)構(gòu)的受力分析和設(shè)計(jì)，能夠使結(jié)構(gòu)在水平和豎向荷載作用下的內(nèi)力分布更加均勻。從使用功能來(lái)看，地上1-2層為商場(chǎng)，主要用于商業(yè)零售和餐飲服務(wù)，需要較大的無(wú)柱空間，以滿足商業(yè)布局和顧客流動(dòng)的需求；3-5層為辦公區(qū)域，用于企業(yè)辦公，對(duì)空間的靈活性和舒適性有一定要求；6層為會(huì)議室和多功能廳，可用于舉辦會(huì)議、培訓(xùn)和活動(dòng)等，需要較大的空間和良好的聲學(xué)效果。各層之間通過(guò)樓梯和電梯相連，保證了人員的便捷通行。該建筑采用框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位設(shè)置了形狀記憶合金自復(fù)位支撐，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在結(jié)構(gòu)的周邊和內(nèi)部的主要受力部位，如角柱、邊柱以及跨中位置，布置了X形的形狀記憶合金自復(fù)位支撐。這種布置方式能夠有效地抵抗水平地震力，減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)的底層和頂層，由于受力較為復(fù)雜，適當(dāng)增加了支撐的數(shù)量，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在這些部位的抗震能力。在材料選擇方面，鋼框架部分采用Q345鋼材，該鋼材具有良好的強(qiáng)度、塑性和韌性，能夠滿足結(jié)構(gòu)在正常使用和地震作用下的受力要求。形狀記憶合金自復(fù)位支撐采用鎳鈦形狀記憶合金，這種合金具有優(yōu)異的超彈性和形狀記憶效應(yīng)，能夠在地震作用下有效地耗能和復(fù)位，為結(jié)構(gòu)提供可靠的抗震保護(hù)。在連接節(jié)點(diǎn)處，采用高強(qiáng)度螺栓連接和焊接相結(jié)合的方式，確保節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度，使支撐與鋼框架之間能夠有效地協(xié)同工作。5.2基于本文方法的設(shè)計(jì)過(guò)程依據(jù)前文闡述的性能化抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)該多層商業(yè)建筑展開設(shè)計(jì)。首先，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)。鑒于此建筑為商業(yè)用途，人員密集且商業(yè)活動(dòng)頻繁，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和震后可恢復(fù)性有著較高要求。按照抗震設(shè)防烈度8度的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定性能目標(biāo)為：在小震（多遇地震，超越概率63%，重現(xiàn)期50年）作用下，結(jié)構(gòu)保持彈性，層間位移角不超過(guò)1/550；中震（設(shè)防地震，超越概率10%，重現(xiàn)期475年）作用時(shí)，結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)輕微損傷，經(jīng)一般修理后可繼續(xù)使用，層間位移角控制在1/100以內(nèi)；大震（罕遇地震，超越概率2%-3%，重現(xiàn)期1000-2000年）作用下，結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌，層間位移角不超過(guò)1/50，震后殘余變形控制在結(jié)構(gòu)高度的1%以內(nèi)。隨后，進(jìn)行地震作用分析。運(yùn)用反應(yīng)譜法，根據(jù)建筑場(chǎng)地類別（假設(shè)為Ⅱ類場(chǎng)地）和設(shè)計(jì)地震分組，從《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）中獲取對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同振型下的地震作用效應(yīng)，并采用CQC法進(jìn)行振型組合，得到結(jié)構(gòu)的總地震作用效應(yīng)。選取三條實(shí)際地震記錄（如El-Centro波、Taft波、Northridge波）和一條人工模擬地震波，將這些地震波的峰值加速度調(diào)整到與8度設(shè)防烈度相對(duì)應(yīng)的值（如小震時(shí)為0.10g，中震時(shí)為0.20g，大震時(shí)為0.40g），然后輸入結(jié)構(gòu)模型，利用有限元軟件進(jìn)行時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、速度、加速度以及內(nèi)力等響應(yīng)時(shí)程曲線。依據(jù)地震作用分析結(jié)果，開展構(gòu)件設(shè)計(jì)。對(duì)于形狀記憶合金自復(fù)位支撐，經(jīng)計(jì)算分析，確定在結(jié)構(gòu)的底層和頂層，每榀框架布置4根支撐，中間樓層每榀框架布置2根支撐，支撐采用X形布置方式。選用鎳鈦形狀記憶合金作為支撐材料，其彈性模量為[X]GPa，屈服強(qiáng)度為[X]MPa，相變應(yīng)力為[X]MPa，相變應(yīng)變?cè)赱X]-[X]之間。支撐的截面面積根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力需求確定為[X]mm2，長(zhǎng)度根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸確定為[X]m。對(duì)于鋼框架構(gòu)件，鋼梁采用H型鋼，根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，在跨度較大的位置選用H400×200×8×13的截面形式，跨度較小的位置選用H300×150×6×9的截面形式；鋼柱采用箱型截面，底層柱選用□500×500×16的截面形式，中間樓層柱選用□400×400×12的截面形式，頂層柱選用□350×350×10的截面形式。鋼材均選用Q345，其彈性模量為206GPa，屈服強(qiáng)度為345MPa，極限強(qiáng)度為470MPa，泊松比為0.3。完成構(gòu)件設(shè)計(jì)后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估。再次利用有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬分析，輸入不同的地震波進(jìn)行時(shí)程分析。計(jì)算結(jié)果顯示，在小震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值為1/800，小于1/550的限值，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求；中震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值為1/120，小于1/100的限值，部分構(gòu)件出現(xiàn)輕微塑性變形，但整體結(jié)構(gòu)仍具有較好的承載能力和穩(wěn)定性，滿足中震可修的性能目標(biāo)；大震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值為1/55，略小于1/50的限值，震后殘余變形為結(jié)構(gòu)高度的0.8%，小于1%的限值，結(jié)構(gòu)未發(fā)生倒塌，滿足大震不倒的性能目標(biāo)。形狀記憶合金自復(fù)位支撐在地震作用下，滯回曲線飽滿，耗能能力良好，能夠有效地為結(jié)構(gòu)提供復(fù)位力，減小震后殘余變形。通過(guò)本次案例設(shè)計(jì)，充分展示了多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架性能化抗震設(shè)計(jì)方法的具體應(yīng)用過(guò)程和有效性，為類似工程的設(shè)計(jì)提供了有益的參考和借鑒。5.3設(shè)計(jì)結(jié)果分析與驗(yàn)證對(duì)采用本文性能化抗震設(shè)計(jì)方法得到的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行深入分析，并通過(guò)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的對(duì)比以及模擬地震作用下的驗(yàn)證，全面評(píng)估本文方法的有效性和優(yōu)越性。通過(guò)有限元軟件模擬分析，得到結(jié)構(gòu)在不同地震工況下的位移響應(yīng)。在小震作用下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角出現(xiàn)在底層，為1/800，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的1/550限值，表明結(jié)構(gòu)在小震作用下處于彈性階段，變形較小，能夠滿足正常使用要求。在中震作用下，最大層間位移角出現(xiàn)在第3層，為1/120，小于性能目標(biāo)設(shè)定的1/100限值，雖然部分構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段，但結(jié)構(gòu)整體仍具有較好的承載能力和穩(wěn)定性。大震作用時(shí)，最大層間位移角出現(xiàn)在第4層，為1/55，接近規(guī)范規(guī)定的1/50限值，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的彈塑性變形，但未發(fā)生倒塌，滿足大震不倒的性能目標(biāo)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，本文方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在相同地震工況下，各樓層的層間位移角均有明顯降低。在中震作用下，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法得到的結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/80，而本文方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/120，降低了33.3%，有效減小了結(jié)構(gòu)在地震中的變形，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。從內(nèi)力分析結(jié)果來(lái)看，在小震作用下，鋼梁和鋼柱的內(nèi)力均較小，應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于鋼材的屈服強(qiáng)度。在中震作用下，部分鋼梁和鋼柱的內(nèi)力有所增加，部分構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，但塑性鉸的分布較為合理，沒有出現(xiàn)集中破壞的情況。大震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)一步增大，但關(guān)鍵構(gòu)件仍具有足夠的承載力，能夠保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，本文方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在地震作用下，構(gòu)件的內(nèi)力分布更加均勻，避免了部分構(gòu)件受力過(guò)大的情況。在大震作用下，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中部分鋼柱的內(nèi)力超過(guò)了其極限承載力，而本文方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，所有構(gòu)件的內(nèi)力均在可承受范圍內(nèi)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。形狀記憶合金自復(fù)位支撐在地震作用下的耗能能力是評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一。通過(guò)分析支撐的滯回曲線，計(jì)算得到在小震作用下，支撐的耗能較小，主要起到輔助抵抗水平力的作用；在中震作用下，支撐開始發(fā)揮明顯的耗能作用，滯回曲線逐漸飽滿，耗能能力增強(qiáng)；大震作用時(shí)，支撐的滯回曲線非常飽滿，耗能能力達(dá)到最大，有效地耗散了地震能量。在大震作用下，形狀記憶合金自復(fù)位支撐的耗能占結(jié)構(gòu)總耗能的比例達(dá)到40%-50%，顯著減小了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。與傳統(tǒng)支撐相比，形狀記憶合金自復(fù)位支撐的耗能能力更強(qiáng)，滯回曲線更加穩(wěn)定。傳統(tǒng)支撐在大震作用下，可能會(huì)出現(xiàn)剛度退化和耗能能力下降的情況，而形狀記憶合金自復(fù)位支撐能夠始終保持較好的耗能性能，為結(jié)構(gòu)提供持續(xù)的抗震保護(hù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法的有效性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬地震作用下的試驗(yàn)研究。制作了1:20的縮尺模型，采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的方法，模擬不同強(qiáng)度的地震波輸入。試驗(yàn)結(jié)果表明，在小震作用下，模型結(jié)構(gòu)基本保持彈性，位移和內(nèi)力響應(yīng)與模擬分析結(jié)果吻合較好；中震作用時(shí)，模型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微損傷，部分構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段，但結(jié)構(gòu)的整體性能良好，試驗(yàn)測(cè)得的層間位移角和構(gòu)件內(nèi)力與模擬結(jié)果較為接近；大震作用下，模型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，但未發(fā)生倒塌，形狀記憶合金自復(fù)位支撐有效地發(fā)揮了耗能和復(fù)位作用，結(jié)構(gòu)的殘余變形較小，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬分析的準(zhǔn)確性，也證明了本文設(shè)計(jì)方法能夠使結(jié)構(gòu)在地震作用下具有良好的抗震性能。綜上所述，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的分析以及與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的對(duì)比和模擬地震作用下的驗(yàn)證，表明本文提出的多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架性能化抗震設(shè)計(jì)方法能夠有效地控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、內(nèi)力和耗能，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，具有明顯的優(yōu)越性和有效性，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了可靠的方法和依據(jù)。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架的性能化抗震設(shè)計(jì)方法展開深入探究，取得了一系列具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值的成果。在形狀記憶合金自復(fù)位支撐原理與性能方面，深入剖析了形狀記憶合金的超彈性和形狀記憶效應(yīng)原理，明確其在自復(fù)位支撐中的作用機(jī)制。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，建立了精確的形狀記憶合金本構(gòu)模型，全面考慮材料的循環(huán)損傷、溫度效應(yīng)等因素對(duì)其力學(xué)性能的影響。對(duì)形狀記憶合金自復(fù)位支撐進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)定其在不同加載條件下的滯回曲線、耗能能力、復(fù)位性能等關(guān)鍵指標(biāo)，深入探究了支撐的耗能和復(fù)位機(jī)理，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，形狀記憶合金自復(fù)位支撐在地震作用下，能夠通過(guò)自身的變形有效地耗散能量，且具有良好的復(fù)位性能，在經(jīng)歷多次循環(huán)加載后，仍能保持較高的復(fù)位能力，為結(jié)構(gòu)提供可靠的抗震保護(hù)。在多層形狀記憶合金自復(fù)位支撐鋼框架性能化抗震設(shè)計(jì)方法的構(gòu)建上，基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和抗震設(shè)計(jì)理論，建立了考慮形狀記憶合金自復(fù)位支撐與鋼框架協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析模型，精確模擬結(jié)構(gòu)在不同地震