自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展Ⅰ:基于預(yù)應(yīng)力拉桿/拉索

應(yīng) 琪 陳 云 歐陽素娟

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,?？?570228)

0 引 言

我國地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處,是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一,地震頻度高,強(qiáng)度大,分布廣,近年來發(fā)生的四川汶川地震、青海玉樹地震、甘肅定西地震以及云南魯?shù)榈卣鸬染o我國人民的生命財產(chǎn)安全造成了巨大損失。根據(jù)最新修訂的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015),我國基本地震動峰值加速度0.10 g (Ⅶ度)及以上地區(qū)面積,從49%上升到了58%,抗震防災(zāi)形勢嚴(yán)峻。多高層建筑由于其人員和社會財富高度集中,災(zāi)害鏈的易發(fā)性顯著增加,強(qiáng)震時不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,也會對震后建筑所在城市乃至更大范圍內(nèi)的社會安定、正常生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。

鋼結(jié)構(gòu)因其強(qiáng)度高、延性好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),在高烈度地震區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。然而,在1994 年美國加州的Northridge地震和1995 年日本的Kobe地震中,大量鋼結(jié)構(gòu)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了脆性破壞[1-2],譬如Kobe地震中受損的1 000多棟鋼結(jié)構(gòu)房屋的節(jié)點(diǎn)連接處均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,這在震后引發(fā)了廣大研究學(xué)者對強(qiáng)震區(qū)廣泛采用的栓焊連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新認(rèn)識和研究。

為避免鋼框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)震時產(chǎn)生脆性破壞,各國學(xué)者針對鋼框架結(jié)構(gòu)的梁柱連接進(jìn)行了大量試驗(yàn)和理論研究。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)主要基于兩種思想:一種是對節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步加強(qiáng)來保證連接的足夠強(qiáng)度和剛度;另一種是削弱與柱子相連接的梁來保護(hù)節(jié)點(diǎn),譬如采用狗骨式連接或腹板開孔型連接等。采用改善措施后的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⑺苄糟q外移到梁上,從而提高了節(jié)點(diǎn)區(qū)域的延性,使節(jié)點(diǎn)區(qū)域具備了較大的變形能力和耗能能力。

節(jié)點(diǎn)延性設(shè)計(jì)盡管能夠有效提高鋼框架的抗震性能,但強(qiáng)震時大量梁端產(chǎn)生塑性屈服必然意味著結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大量的損傷,造成結(jié)構(gòu)震后產(chǎn)生較大的殘余變形。McCormick等[3]研究表明,當(dāng)結(jié)構(gòu)的震后殘余層間位移角超過0.5%,重建一個新結(jié)構(gòu)比加固或修復(fù)損壞的結(jié)構(gòu)更具經(jīng)濟(jì)性。在2011年的新西蘭基督城大地震中,很多建筑震時并沒有倒塌,但震后基督城中央商務(wù)區(qū)超過1 000幢建筑被拆除[4]。在2008年汶川大地震中,震后大量的建筑雖然沒有倒塌,卻成了“站立著的廢墟”,完全失去了修復(fù)價值。

因此,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)思想是以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷為代價的,可能致使結(jié)構(gòu)在震后難以快速修復(fù)或代價昂貴,甚至拆除,對社會造成嚴(yán)重影響。如何避免傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震時關(guān)鍵受力構(gòu)件產(chǎn)生較嚴(yán)重的損傷并盡快在震后恢復(fù)其使用功能是需要迫切解決的問題。

1 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)的發(fā)展

隨著抗震理論、技術(shù)和方法的不斷進(jìn)步以及更多高性能材料的發(fā)展應(yīng)用,人們對結(jié)構(gòu)的抗震性能要求越來越高,結(jié)構(gòu)抗震已由抗倒塌設(shè)計(jì)逐步向可恢復(fù)功能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變,以期在震后將整個社會的損失降到最低。

2009年1月在NEES/E-Defense 美日地震工程第二階段合作研究計(jì)劃會議上,美日學(xué)者首次提出將“可恢復(fù)功能城市”(Resilient city) 作為地震工程合作的大方向[5];2011年美國科學(xué)院在研究報告中指出可恢復(fù)功能國家是美國地震工程領(lǐng)域未來的研究方向[6];新西蘭在2011年的基督城地震后提出抗損傷結(jié)構(gòu)體系[7]。在2017年1月的16WCEE上,強(qiáng)震后結(jié)構(gòu)功能的可恢復(fù)性研究是熱點(diǎn)問題之一,Indirli教授介紹了“可恢復(fù)歐洲”(Resilient Europe)的龐大計(jì)劃[8]。該計(jì)劃以可恢復(fù)性評估為中心,研究在多種災(zāi)難時的系統(tǒng)可恢復(fù)性,強(qiáng)震后工程結(jié)構(gòu)功能的快速恢復(fù)是主要組成部分之一。我國近年來也開始重視可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)研究。

20世紀(jì)90年代開始的美日聯(lián)合研究計(jì)劃PRESSS (PREcast Seismic Structural Systems)[9-10]對鋼筋混凝土搖擺自復(fù)位框架和搖擺自復(fù)位剪力墻進(jìn)行了一系列研究,并取得了較多研究成果,自此之后,無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力技術(shù)開始作為搖擺自復(fù)位結(jié)構(gòu)的主要實(shí)現(xiàn)手段。

2 基于預(yù)應(yīng)力拉索/桿的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)

后張拉預(yù)應(yīng)力自復(fù)位鋼框架可以通過水平設(shè)置的預(yù)應(yīng)力拉索(棒)把鋼框架的梁柱連接在一起形成自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn),強(qiáng)震時梁柱節(jié)點(diǎn)會張開和閉合;也可將預(yù)應(yīng)力拉索(棒)設(shè)置在與柱子平行的方向,其上端錨固在柱子上,下端錨固在基礎(chǔ),強(qiáng)震時柱底會產(chǎn)生抬升或轉(zhuǎn)動減輕地震損傷;或者同時按上述兩種方式設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索(棒)。這三種方式的原理相同,小震時,預(yù)應(yīng)力拉索連接的梁柱節(jié)點(diǎn)或柱腳等部位不會產(chǎn)生張開或抬升,自復(fù)位結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的抗彎鋼框架結(jié)構(gòu);中震或大震時,預(yù)應(yīng)力連接的柱腳或梁柱節(jié)點(diǎn)會產(chǎn)生抬升或張開,從而減輕結(jié)構(gòu)的地震損傷,震后通過預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)自復(fù)位。盡管后張拉預(yù)應(yīng)力抗彎鋼框架具備良好的自復(fù)位性能,但其自身的耗能性能較差,需要和各種耗能裝置組合應(yīng)用,包括耗能角鋼、小型防屈曲支撐(Bucking Restrained Braces,BRB)或翼緣摩擦耗能裝置等,進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

這里根據(jù)自復(fù)位力的來源不同,將高強(qiáng)鋼絞線或其它高強(qiáng)纖維筋的預(yù)應(yīng)力自復(fù)位鋼框架(含自復(fù)位鋼框架-支撐結(jié)構(gòu))主要分為三種類型:預(yù)應(yīng)力拉索結(jié)合金屬屈服型阻尼器的自復(fù)位鋼框架、預(yù)應(yīng)力拉索結(jié)合摩擦阻尼器的自復(fù)位鋼框架和基于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力拉索的自復(fù)位耗能支撐。

2.1 預(yù)應(yīng)力拉索結(jié)合金屬屈服型阻尼器的自復(fù)位鋼框架

普利斯頓大學(xué)的Garlock 等[11-12]將預(yù)應(yīng)力連接技術(shù)應(yīng)用到抗彎鋼框架結(jié)構(gòu),首先完成了自復(fù)位抗彎鋼框架的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究。Garlock通過預(yù)應(yīng)力連接梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),通過對鋼絞線施加較大的預(yù)應(yīng)力能夠使該連接方式獲得與傳統(tǒng)全焊接連接類似的剛度,但較大的預(yù)應(yīng)力有時也會在節(jié)點(diǎn)張合的過程中造成梁翼緣和腹板的局部屈曲,進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)喪失自復(fù)位性能(圖1)。Garlock還開發(fā)了適于預(yù)應(yīng)力后張拉鋼框架的分析模型,用非線性桁架單元模擬角鋼的力-變形關(guān)系,纖維模型結(jié)合只能受壓的材料模型模擬梁和柱之間的搖擺效應(yīng),桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力拉索。非線性時程分析表明,在設(shè)防地震下結(jié)構(gòu)沒有任何殘余變形,在罕遇地震下僅有小的殘余變形,PT拉索也沒有屈服。Christopoulos[13]也開發(fā)了一種預(yù)應(yīng)力搖擺型梁柱連接,連接方式類似于Garlock的研究成果,不同之處是為增強(qiáng)能量耗散性能,將耗能角鋼替換成小型BRB,并將預(yù)應(yīng)力鋼絞線替換成高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力拉桿。試驗(yàn)研究表明,該節(jié)點(diǎn)具備完美的自復(fù)位性能和優(yōu)良的耗能性能,節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角達(dá)到4%后梁柱基本無損傷。試驗(yàn)也證實(shí)了作者提出的簡化分析模型的有效性,簡化模型包含兩個平行的轉(zhuǎn)動彈簧:一個轉(zhuǎn)動彈簧模擬PT拉桿的非線性彈性行為;另一個彈簧模擬BRB的雙線性滯回環(huán),通過不斷迭代的方法計(jì)算中性軸位置。

圖1 抗彎節(jié)點(diǎn)Fig.1 Moment Connections

Moradi等[14]對預(yù)應(yīng)力拉索和角鋼耗能組合型的自復(fù)位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化分析,研究表明,梁的截面高度大或初始預(yù)應(yīng)力過大都會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)較早產(chǎn)生損傷。該類型節(jié)點(diǎn)的極限狀態(tài)就是梁產(chǎn)生較大局部屈曲(1.2%轉(zhuǎn)角),角鋼大約在轉(zhuǎn)角達(dá)到4%時產(chǎn)生撕裂。Chou等[15]對鋼管混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)和分析研究,該節(jié)點(diǎn)通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線和縮減截面翼緣板連接,添加約束板的翼緣板耗能性能顯著提高,自復(fù)位性能好,結(jié)構(gòu)損傷很小。Hajjar等[16-17]對自復(fù)位鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究,該框架基底可以抬升,通過垂直設(shè)置的預(yù)應(yīng)力鋼索使其恢復(fù)原位,鋼構(gòu)件“保險絲”設(shè)置在變形較大的位置耗散地震能量(圖2)。

圖2 自復(fù)位鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)[16]Fig.2 The Self-centering Rocking Steel Frame System[16]

國內(nèi)近幾年針對預(yù)應(yīng)力拉索與金屬阻尼器結(jié)合的自復(fù)位結(jié)構(gòu)研究取得了不少研究成果,清華大學(xué)的潘鵬等[18]對梁柱間通過角鋼栓接,并沿梁長布置高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的自復(fù)位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)和有限元模擬研究,研究表明該節(jié)點(diǎn)在層間位移角為5%時角鋼開始屈服耗能,梁柱保持彈性,震后自復(fù)位性能良好。蘇州科技大學(xué)的李啟才等[19]對蝴蝶形鋼板剪力墻-自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究,得出了有益的設(shè)計(jì)建議。蘭州理工大學(xué)的杜永峰等[20]將自復(fù)位耗能支撐與輕型搖擺架結(jié)合,提出了輕型消能搖擺架,能夠有效改善結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài),降低結(jié)構(gòu)的震后殘余變形。蘭州理工大學(xué)的韓建平等[21]對設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索和角鋼的自復(fù)位鋼框架以及僅設(shè)置角鋼的傳統(tǒng)鋼框架進(jìn)行了對比研究,表明自復(fù)位鋼框架滯回曲線呈現(xiàn)“雙旗幟”型特點(diǎn),震后殘余位移小,而傳統(tǒng)鋼框架產(chǎn)生了較大的殘余位移。西安建筑科技大學(xué)的惠寬堂等[22]對頂?shù)捉卿摰念A(yù)應(yīng)力自復(fù)位鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行了研究,提出了其實(shí)用計(jì)算方法。

2.2 預(yù)應(yīng)力拉索結(jié)合摩擦阻尼器的自復(fù)位鋼框架

Rojas等[23]開發(fā)了適合抗彎鋼框架的后張拉預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)與之前的后張拉預(yù)應(yīng)力拉索結(jié)合金屬阻尼器的節(jié)點(diǎn)原理相同,將鋼屈服耗能裝置替換成了摩擦阻尼耗能裝置,該摩擦阻尼裝置包括兩根T型截面板,用來連接柱翼緣與梁的上下翼緣并充當(dāng)摩擦耗能板,上下T型板分別夾在兩塊銅板之間產(chǎn)生摩擦阻力,提供穩(wěn)定飽滿的滯回耗能性能。Iyama和Wolski等[24-25]對Rojas等提出的自復(fù)位摩擦耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn),僅在梁的下翼緣設(shè)置摩擦耗能裝置,主要是為了避免上翼緣設(shè)置摩擦耗能裝置對樓板產(chǎn)生影響,但由于耗能裝置的非對稱設(shè)置,節(jié)點(diǎn)的滯回曲線是非對稱的。試驗(yàn)表明,只要PT拉索保持彈性且摩擦耗能裝置的高強(qiáng)螺栓的失效為滑槽端部的剪切破壞,該連接能夠提供穩(wěn)定的強(qiáng)度和耗能性能。同時他們也提出了該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法和分析模型,與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

Tsai等[26]研發(fā)了預(yù)應(yīng)力自復(fù)位腹板摩擦耗能裝置,與之前的翼緣耗能裝置不同,摩擦耗能板設(shè)置在腹板上,通過4個節(jié)點(diǎn)試件的擬靜力試驗(yàn)研究(變化參數(shù)包括:PT拉索的初始預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)螺栓的數(shù)量、彈簧墊片的類型)表明,經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)具備穩(wěn)定的滯回性能和較好的自復(fù)位性能。Lin等[27]也對自復(fù)位腹板摩擦耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了擬動力試驗(yàn)研究,裝置構(gòu)造與Tsai等[26]的類似,不同之處是將焊接在柱子上的鋼摩擦板替換成槽鋼摩擦裝置,在槽鋼與梁腹板之間設(shè)置摩擦銅板。提出了基于性能的設(shè)計(jì)方法,性能等級為在設(shè)防地震下震后功能立即恢復(fù),在最大考慮地震下,防止倒塌。通過4層2跨大比例模型的擬動力試驗(yàn)研究表明,該結(jié)構(gòu)的最大殘余變形小于0.2%。Kim 等[28]對后張拉自復(fù)位梁柱摩擦耗能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究,自復(fù)位能力仍然由與梁平行的后張拉預(yù)應(yīng)力棒提供,在梁的上下翼緣設(shè)置垂直于翼緣的摩擦耗能裝置,摩擦力由不銹鋼-非石棉有機(jī)制動襯片之間產(chǎn)生,耗能裝置表現(xiàn)出穩(wěn)定的、無強(qiáng)度退化的耗能性能,試驗(yàn)后的殘余變形很小,表現(xiàn)出優(yōu)良的自復(fù)位性能(如圖3所示)。

圖3 SCFR節(jié)點(diǎn)[28]Fig.3 Proposed SCFR connection[28]

Khoo等[29]提出了一種滑動鉸接節(jié)點(diǎn)(Sliding Hinging Joint,SHG),這是一種低損傷連接方式,能夠以較小的破壞來實(shí)現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)動(圖4),并且在梁的下翼緣底部安裝環(huán)形彈簧以提高節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位能力,減少節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度退化。Dowden等[30]在自復(fù)位鋼板剪力墻的梁柱節(jié)點(diǎn)采用了預(yù)應(yīng)力拉索和摩擦耗能裝置組合型連接,摩擦耗能裝置采用兩種形式:一種是節(jié)點(diǎn)以梁的上翼緣為轉(zhuǎn)動點(diǎn);另一種是以梁的上下翼緣都作為轉(zhuǎn)動中心。作者通過地震模擬振動臺試驗(yàn)研究表明,兩種方式都能夠?qū)崿F(xiàn)良好的自復(fù)位性能。前一種方式實(shí)質(zhì)上消除了梁柱節(jié)點(diǎn)張開過程中框架的擴(kuò)張效應(yīng)。

基于預(yù)應(yīng)力拉索與摩擦耗能節(jié)點(diǎn)的組合形成的自復(fù)位鋼框架,國內(nèi)學(xué)者的主要研究包括北京建筑大學(xué)的張艷霞等[31]在梁的腹板設(shè)置摩擦阻尼器,沿梁的水平方向設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線提供自復(fù)位力,對此自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較詳細(xì)的抗震性能研究。研究表明,相比同等條件下的傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu),自復(fù)位鋼框架能夠有效減輕結(jié)構(gòu)的震后殘余變形和基底剪力。河北工程大學(xué)的史三元等[32]將兩片槽鋼焊接在柱子翼緣,并且兩片槽鋼與梁的腹板通過高強(qiáng)螺栓形成腹板摩擦耗能節(jié)點(diǎn),水平布置的預(yù)應(yīng)力拉索提供自復(fù)位,研究表明該節(jié)點(diǎn)抗震性能良好。同濟(jì)大學(xué)的孫飛飛等[33]對轉(zhuǎn)動型阻尼器及轉(zhuǎn)動型耗能節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)歸納和總結(jié),并指出了未來的發(fā)展方向。

圖4 滑動鉸接節(jié)點(diǎn)[29]Fig.4 Sliding Hinging Joint[29]

2.3 基于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力拉索的自復(fù)位耗能支撐

基于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力拉索提供自復(fù)位力的耗能支撐及其結(jié)構(gòu)研究方面,Christopoulos等[34]提出了一種自復(fù)位耗能支撐(圖5),在內(nèi)、外鋼管之間安裝摩擦耗能元件,通過預(yù)應(yīng)力筋提供自復(fù)位力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉璐等[35]的研究表明,自復(fù)位防屈曲支撐鋼框架的最大位移和殘余位移角均小于防屈曲支撐鋼框架。河北工程大學(xué)的譚燕秋等[36]通過結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的分析表明,自復(fù)位防屈曲支撐鋼框架在頂點(diǎn)位移、層間位移角和殘余變形等方面均小于防屈曲支撐鋼框架和鋼框架。南京工業(yè)大學(xué)的池沛等[37]提出了一種新型自復(fù)位耗能拉索支撐,數(shù)值分析表明支撐具有良好的自復(fù)位能力。蘇州科技大學(xué)的方有珍等[38]對新型卷邊PEC柱-鋼梁部分自復(fù)位連接的抗震性能進(jìn)行了深入研究,表明該連接較好地實(shí)現(xiàn)了自復(fù)位功效。

圖5 自復(fù)位耗能支撐[34]Fig.5 Embodiment of SCED system[34]

3 國內(nèi)外研究動態(tài)綜合分析

總體而言,基于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力提供自復(fù)位力的鋼框架在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用較多,但已有研究指出[9-10],為獲得足夠初始剛度而對鋼絞線施加較大的初始預(yù)應(yīng)力會在一定程度上使鋼梁或鋼柱的設(shè)計(jì)截面尺寸增大,并在搖擺過程中可能造成節(jié)點(diǎn)壓力過大,產(chǎn)生局部屈曲而喪失自復(fù)位性能。

強(qiáng)震后可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為國際地震工程領(lǐng)域研究的重要方向,以搖擺/自復(fù)位結(jié)構(gòu)和耗能裝置相結(jié)合的可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)體系為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)震后快速恢復(fù)其正常使用功能提供了有效途徑。展望未來,還需進(jìn)一步加強(qiáng)自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)體系的研發(fā),改進(jìn)其整體和細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì),優(yōu)化其整體和細(xì)部受力性能;研發(fā)和應(yīng)用耗能性能強(qiáng)而損傷較小的消能裝置,實(shí)現(xiàn)震后無須修復(fù)即可繼續(xù)正常使用。