背景

眾所周知，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，也就是說(shuō)，側(cè)重于如何減少大震下的建筑物的倒塌和人員傷亡。但是近年來(lái)多次的震害表明，結(jié)構(gòu)在地震作用下由于喪失了正常使用功能而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失的問(wèn)題日漸突出，往往災(zāi)后的維護(hù)成本已經(jīng)超過(guò)了建筑物本身的結(jié)構(gòu)成本。因此，基于性能的抗震設(shè)計(jì)（Performance Based Seismic Design, PBSD）被提出并逐漸重視起來(lái)。

PBSD是指綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)的功能，類型及重要性等因素，確定結(jié)構(gòu)遭遇各種水準(zhǔn)的地震影響時(shí)的性能目標(biāo)，使結(jié)構(gòu)反應(yīng)和損傷狀態(tài)在預(yù)期可控范圍內(nèi)。

2009年1月在NEES/E-Defense美日地震工程第二階段合作研究計(jì)劃會(huì)議上，美日學(xué)者首次提出了將“可恢復(fù)功能抗震城市”作為地震工程合作的大方向。設(shè)計(jì)出一種可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)在地震后能最快的恢復(fù)正常使用功能。

在此背景下，具有自復(fù)位性能的搖擺結(jié)構(gòu)引起了學(xué)者和工程界的廣泛關(guān)注。這個(gè)結(jié)構(gòu)體系是為了使結(jié)構(gòu)在地震后不發(fā)生破壞或者破壞發(fā)生在可更換構(gòu)件，以保證地震后結(jié)構(gòu)比較快的恢復(fù)使用功能而提出的。

傳統(tǒng)抗震技術(shù)

傳統(tǒng)的抗震技術(shù)可以總結(jié)為“抗”、“消”、“隔”三種方式。

抗：顧名思義，使用高性能材料和高性能體系來(lái)改善結(jié)構(gòu)自身抗震性能。

消：在結(jié)構(gòu)中加入效能軟件如金屬阻尼器等來(lái)幫助結(jié)構(gòu)消耗地震能量。

隔：通過(guò)隔震層把地震動(dòng)作用和建筑物隔離開(kāi)來(lái)減少輸入建筑物的地震加速度，從而減少建筑物的破壞。

 自復(fù)位性能的搖擺結(jié)構(gòu)

自復(fù)位性能的搖擺結(jié)構(gòu)是通過(guò)放松其與基礎(chǔ)或者結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的約束，在交界處只能受壓不能受拉，從而使結(jié)構(gòu)在地震作用下可以發(fā)生擺動(dòng)而其本身又不會(huì)產(chǎn)生彎曲變形和殘余變形，在此基礎(chǔ)上對(duì)搖擺結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力或采用記憶合金材料，使得結(jié)構(gòu)具有恢復(fù)功能。嚴(yán)格上來(lái)說(shuō)，搖擺結(jié)構(gòu)和自復(fù)位結(jié)構(gòu)是兩種結(jié)構(gòu)體系。

搖擺結(jié)構(gòu)

搖擺結(jié)構(gòu)的做法一般有兩種。一種為放松結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的約束，允許上部結(jié)構(gòu)在水平傾覆力矩的作用下與基礎(chǔ)交界面處發(fā)生一定的抬升。第二種為放松構(gòu)件之間的約束，通過(guò)構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)使結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺。例如后張預(yù)應(yīng)力預(yù)支框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)放松梁柱節(jié)點(diǎn)約束允許框架梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而后通過(guò)預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)自復(fù)位。

如果放松處的界面僅有受壓能力而無(wú)受拉能力，結(jié)構(gòu)本身在地震作用下只有搖擺而無(wú)太大的彎曲變形，最終恢復(fù)到原有位置時(shí)也沒(méi)有永久殘余變形，則稱這種結(jié)構(gòu)為自由搖擺結(jié)構(gòu)。如果對(duì)自由搖擺結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力以保證其穩(wěn)定，則被稱為受控?fù)u擺結(jié)構(gòu)。

自復(fù)位結(jié)構(gòu)

如果放松約束的結(jié)構(gòu)在地震作用下首先發(fā)生一定的彎曲變形，在超過(guò)一定限值之后發(fā)生搖擺并通過(guò)預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)回復(fù)到原有位置，這種結(jié)構(gòu)成為自復(fù)位結(jié)構(gòu)。

由此可見(jiàn)，自復(fù)位結(jié)構(gòu)是介于搖擺結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的。其一般有三個(gè)基本組成部分：可發(fā)生搖擺的構(gòu)件（柱、墻、梁等）；自復(fù)位元件（預(yù)應(yīng)力筋、形狀記憶合金等）；可更換的耗能元件（阻尼器、角鋼、防屈曲支撐等）。

搖擺結(jié)構(gòu)與自復(fù)位結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是：搖擺結(jié)構(gòu)在地震作用下主要發(fā)生搖擺變形，結(jié)構(gòu)本身沒(méi)有太大的的彎曲變形，而自復(fù)位結(jié)在地震作用下先發(fā)生彎曲變形，超過(guò)一定限值后發(fā)生搖擺。在反復(fù)荷載作用下，搖擺結(jié)構(gòu)的滯回曲線為多線型而自復(fù)位結(jié)構(gòu)的為旗幟型。

目前為止，自復(fù)位結(jié)構(gòu)大致可分為3種：

豎向自復(fù)位結(jié)構(gòu)——放松豎向構(gòu)件與基礎(chǔ)之間的約束

自復(fù)位剪力墻構(gòu)件示意

自復(fù)位鋼筋混凝土柱腳節(jié)點(diǎn)示意

橫向自復(fù)位結(jié)構(gòu)——放松梁柱之間的約束

自復(fù)位鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)示意

采用自復(fù)位支撐的鋼支撐框架結(jié)構(gòu)——利用支撐構(gòu)件來(lái)形成開(kāi)合機(jī)制。

本文主要來(lái)說(shuō)明一下具有自復(fù)位性能的搖擺結(jié)構(gòu)在框架結(jié)構(gòu)及框剪結(jié)構(gòu)體系下的措施及性能。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

1993年，自復(fù)位框架概念被Priestley和Tao提出，他們?cè)O(shè)計(jì)讓框架梁通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋與框架柱相連，在地震作用下允許發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)從而消耗地震動(dòng)能量。Cheok與Leo進(jìn)而用實(shí)驗(yàn)證明了兩人的觀點(diǎn)。1999年，El-Sheikh等用實(shí)驗(yàn)證明他們提出的纖維模型和彈簧模型可用于預(yù)應(yīng)力自復(fù)位鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析。

其后，Roh等提出了通過(guò)搖擺柱及加入阻尼器消能來(lái)控制框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。通過(guò)靜力荷載實(shí)驗(yàn)和抗震性能分析，結(jié)果表明附加阻尼器可以有效減小結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，驗(yàn)證搖擺結(jié)構(gòu)作為抗震結(jié)構(gòu)的有效性。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)靜力彈塑性分析研究表明框架結(jié)構(gòu)的整體性得到了增強(qiáng)。

還可以在框架結(jié)構(gòu)中增設(shè)搖擺墻，框架搖擺墻結(jié)構(gòu)是一種新的結(jié)構(gòu)體系，具有良好的抗震性能。它是由框架和搖擺墻及兩者之間的連接構(gòu)件組成，如上文所說(shuō)，搖擺墻與基礎(chǔ)鉸接，具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。一般來(lái)說(shuō)框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制是層屈服破壞，但是通過(guò)對(duì)框架進(jìn)行加固并且在墻體和結(jié)構(gòu)之間布置大量阻尼器的方式，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制變成了整體屈服破壞。研究表明，與框架剪力墻結(jié)構(gòu)相比，框架搖擺墻結(jié)構(gòu)周期變化小，不會(huì)明顯增加結(jié)構(gòu)承受的地震力。同時(shí)添加的搖擺墻不一定要全高，半高的搖擺墻也可以有效的控制結(jié)構(gòu)底層的變形集中，但是作用會(huì)小于全高的搖擺墻，并且會(huì)造成結(jié)構(gòu)層間變形的突變。

鋼框架結(jié)構(gòu)

鋼框架結(jié)構(gòu)的自復(fù)位主要通過(guò)施加后張預(yù)應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)。2002年，美國(guó)海里大學(xué)Ricles等通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示自復(fù)位的鋼框架未出現(xiàn)殘余變形。

在此基礎(chǔ)上，研究人員在鋼框架梁柱轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)處引入摩擦板，從而使節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)摩擦耗能。2005年，引入了后張預(yù)應(yīng)力搖擺鋼框架的研究并加入豎向消能抗剪鍵來(lái)幫助消散地震動(dòng)能量。

Hajjar等設(shè)計(jì)了一種新型的鋼支撐框架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使用基底可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的搖擺框架，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中使用預(yù)應(yīng)力鋼索使其恢復(fù)原位。

剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能最早是由內(nèi)置豎向無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線完成的，墻體與基礎(chǔ)沒(méi)有固結(jié)，在水平荷載作用下可以繞中軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在鋼絞線作用下恢復(fù)。2000年，在此基礎(chǔ)上加入了阻尼器進(jìn)行改進(jìn)，允許結(jié)構(gòu)在側(cè)向變形時(shí)耗能。日本學(xué)者將搖擺剪力墻作為加固手段應(yīng)用到了一棟東京工業(yè)大學(xué)的實(shí)體結(jié)構(gòu)中，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能很好地降低其地震響應(yīng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者曲哲等也對(duì)搖擺墻做了一定的研究，建立了搖擺墻的有限元模型，利用Pushover方法對(duì)比分析了集中結(jié)構(gòu)形式后發(fā)現(xiàn)，搖擺墻體系能夠增加結(jié)構(gòu)的剛度，很好的控制結(jié)構(gòu)的層間位移角，并使其趨于一致。

前景

綜上所述，結(jié)合了搖擺機(jī)制和消能減震作用的自復(fù)位結(jié)構(gòu)具有震后快速恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。但是由于地震作用的不確定性，自復(fù)位結(jié)構(gòu)在各個(gè)水準(zhǔn)地震作用下的破壞模式、極限狀態(tài)、耗能和復(fù)位的協(xié)調(diào)關(guān)系、高階效應(yīng)等需要更加深入的研究。對(duì)于耗能型自復(fù)位搖擺結(jié)構(gòu)的研究，國(guó)內(nèi)外均處于初級(jí)階段，尤其是對(duì)應(yīng)運(yùn)于框架中的搖擺墻結(jié)構(gòu)研究更少。

公司在上海專業(yè)從事鋼結(jié)構(gòu)工程15年?。?！承接全國(guó)各地鋼結(jié)構(gòu)工程，歡迎廣大客戶來(lái)電咨詢?。?！ 

聯(lián)系電話： 13585605056  周先生