Energy-based plastic design and seismic evaluation of doubly buckling-restrained knee-braced frames

地震不仅仅是让地面震动；它们向屹立其上的建筑物注入了一股巨大的、无形的能量河流。为了生存，结构必须能够吸收这些能量而不发生坍塌，就像汽车的减震器可以平滑颠簸的行驶过程一样。工程师们长期以来一直在寻找设计能够弯曲和扭转的建筑的方法，通过对特定可更换部件进行受控损伤，从而消散这种破坏性的力量，同时保持主体骨架完好无损。这种被称为“基于性能的设计”的方法，不再仅仅关注如何让建筑变得更强，而是侧重于控制它们的变形方式。该领域的一个关键挑战在于，寻找一种既能提供高强度和高灵活性，又不会牺牲现代建筑所要求的开阔平面空间的系统。传统的支撑系统通常需要粗壮的斜梁穿过房间，但一种被称为“膝撑框架”（knee-braced frame）的新概念将这些支撑件置于梁与柱交汇的节点附近，从而保留了开阔的空间。研究人员目前正在探索这种系统的改进版本，即使用专门设计的抗屈曲支撑，以确保它们在反复拉伸和压缩时不会失效。

在最近的一项研究中，一支来自柬埔寨和泰国的工程师团队调查了这种特定类型的框架——即“双重抗屈曲膝撑框架”在重大地震压力下的表现。他们专注于一种设计方法，该方法通过平衡地震释放的能量与建筑通过塑性变形能够安全吸收的能量，来计算建筑所需的强度。研究人员将这种方法应用于四种不同的建筑模型，高度从三层到十二层不等，并针对两个地震危险等级进行了测试：一个是预计会偶尔发生的“设计级地震”，另一个是代表罕见灾难性事件的“最大级地震”。为了观察这些结构在实际中的行为，该团队不仅依赖理论计算，还运行了复杂的计算机模拟，模拟地面震动，观察钢组件如何屈服、损伤如何集中以及楼层如何摆动。

研究首先通过设定特定的安全目标来设计这四种建筑模型。对于频繁发生的“设计级地震”，目标是将建筑的摆动限制在 2% 的层间位移角内；而对于罕见的“最大级地震”，限制则设定为 3%。该设计方法确保了特殊的支撑件和柱基将成为发生屈服并吸收能量的部分，而梁和柱的上部则保持刚性和弹性。研究人员随后对这些模型进行了系列测试。首先，他们以缓慢、稳定的运动方式推动建筑向侧方移动，以观察其对增加的力量的反应。然后，他们将模型置于二十二组不同的记录地震波中，这些地震波经过缩放以匹配设计级和最大危险等级的强度。这种动态测试使他们能够观察建筑在真实地震复杂且快速的震动下的表现，而不仅仅是缓慢的推力。

结果显示，该设计方法在较短的建筑中表现得非常好。三层和六层的框架完全符合工程师的预期。在模拟过程中，特殊的支撑件和柱基在正确的时刻开始屈服并吸收能量，而结构的其余部分保持坚固。建筑物的摆动保持在安全限值内，且损伤集中在预设的受损部位，证实了这种基于能量的方法成功控制了低层和中层结构的响应。模拟显示，这些较短建筑的柱子在底部发生屈服，从而形成了一个稳定的机制，防止了建筑坍塌。

然而，对于较高的建筑，情况发生了变化。当研究人员观察九层和十二层的模型时，模拟显示预期的损伤模式并未完全显现。虽然特殊的支撑件如期屈服，但这些高层建筑的柱基并未在目标位移限值内发生屈服。研究人员发现，高层建筑受到了“高阶模态效应”的影响，这是一种上层楼层摆动方式与下层楼层不同的现象，使得能量分布变得更加复杂。在推覆分析（pushover tests）中，即使建筑达到目标位移角，九层和十二层框架的柱基仍保持弹性，这意味着完整的能量吸收机制并未被激活。尽管如此，利用实际地震记录进行的动态时程分析表明，这些高层建筑仍然表现得安全。支撑件和柱基在震动过程中最终还是发生了屈服，且整体位移保持在安全限值内，这表明即使损伤模式与理想设计略有不同，建筑仍能幸存。

研究结论指出，基于能量的塑性设计方法是创建安全、具有韧性的膝撑框架的可靠工具，特别适用于高度在六层以下的建筑。对于这些结构，该方法能成功确保建筑以受控的方式发生屈服，从而保护整体结构免于灾难性失效。对于更高层的建筑，该方法虽然仍能提供安全的设计，但工程师指出其行为更为复杂。高层框架中的柱基在初始设计阶段并未按预测发生屈服，这表明在未来设计高层建筑时，需要更仔细地考虑高频振动模态的影响。研究人员建议，虽然目前的方法有效，但仍需进一步研究以完善高层建筑的设计，以确保在最严酷的地震条件下，预期的能量消散机制能够充分激活。这项工作证明，通过仔细平衡输入的能量与结构吸收能量的能力，工程师可以创造出能够抵御自然力量、保护结构及内部人员安全的建筑。