淺析自復(fù)位耗能結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

晁貝貝

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225127)

一、前言

我國(guó)位于世界兩大地震帶之間，地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、是一個(gè)震災(zāi)嚴(yán)重的國(guó)家[1]。唐山大地震的慘痛教訓(xùn)引起了人們的反思，意識(shí)到建筑抗震的重要性。

目前國(guó)際上還沒有對(duì)自復(fù)位耗能結(jié)構(gòu)做出公認(rèn)的分類，各國(guó)學(xué)者對(duì)自復(fù)位的分類繁多，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，本文主要對(duì)基于搖擺效應(yīng)的自復(fù)位系統(tǒng)(SCEDS)進(jìn)行探討。

二、基于搖擺復(fù)位效應(yīng)的SCEDS體系

(一)基于整體搖擺復(fù)位的SCEDS體系

搖擺(rocking)效應(yīng)是指在地震作用下，結(jié)構(gòu)向上抬升的趨勢(shì)可對(duì)結(jié)構(gòu)本身起到保護(hù)作用[2]，且在地震后通過重力或預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的恢復(fù)力實(shí)現(xiàn)自復(fù)位的效應(yīng)。

搖擺效應(yīng)研究始于1960年的智利大地震，震后人們發(fā)現(xiàn)許多可搖擺的瘦高結(jié)構(gòu)物比一些看似穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)受到的震害輕?；谶@一現(xiàn)象，加州理工學(xué)院的Housner教授[3]于1963年建立了搖擺剛體的力學(xué)模型并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)與理論分析，論證了搖擺結(jié)構(gòu)有著良好的抗震性能。

2008年，Eatherton等人[4]首先研究了一種新型受控框架搖擺自復(fù)位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由鋼支撐框架、豎向后張預(yù)應(yīng)力筋、與蝶形剪切耗能件組成。系統(tǒng)主要由蝶形耗能件消耗地震能量，后張預(yù)應(yīng)力筋可以起到輔助耗能與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的作用。兩年后，在其前期研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了單框與雙框兩種結(jié)構(gòu)體系，并對(duì)雙框結(jié)果系統(tǒng)進(jìn)行了2:3縮尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可以保持充足的韌性并有較小的殘余變形，驗(yàn)證了有限元模型對(duì)層間位移比3%的預(yù)測(cè)。

2019年，Xiangri Geng等研究一種在柱與基礎(chǔ)之間開槽的自復(fù)位混凝土框架，細(xì)節(jié)圖如圖2所示，為保證復(fù)位能力，將后張預(yù)應(yīng)力鋼筋布置在柱的中心線位置，并在槽口中設(shè)置縱向鋼筋進(jìn)行耗能。設(shè)置槽口可使框架在地震中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)耗能，又能消除在柱底端形成的集中力將柱腳壓碎的危害。實(shí)驗(yàn)表明，該框架具有較好的復(fù)位能力，試件在2%的側(cè)向位移下均能保證殘余位移在1%以下。

2000年，Kurama等提出一種搖擺混凝土剪力墻附加粘滯阻尼器的被動(dòng)耗能系統(tǒng)，將粘滯阻尼器斜置于剪力墻和支撐柱之間，大約呈45度角。結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺時(shí)，剪力墻與屋面產(chǎn)生間隙激勵(lì)粘滯阻尼器工作，從而達(dá)到耗散地震能量與控制結(jié)構(gòu)變形的目的。并對(duì)其進(jìn)行了有限元模型分析，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以將屋面位移降低到理想的范圍內(nèi)。

2009年，A.wade等對(duì)日本東京理工大學(xué)津田校區(qū)的G3樓進(jìn)行加固改造，將預(yù)應(yīng)力混凝土搖擺墻通過阻尼器附著在抗彎框架上，從而減小結(jié)構(gòu)在震中的變形，并基于ABAQUS軟件對(duì)該樓進(jìn)行抗震性能評(píng)估，結(jié)果顯示，經(jīng)過改造后的G3樓具有較好的地震響應(yīng)。

2017年，孫志國(guó)等[5]提出一種搖擺-自復(fù)位雙柱墩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由安裝在梁柱接縫處的角鋼耗能，由豎向設(shè)置的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋提供復(fù)位力，針對(duì)單層雙柱墩結(jié)構(gòu)建立了普通混凝土雙柱墩(RC試件)、含角鋼的搖擺-自復(fù)位雙柱墩(RSC-B-A試件)、含角鋼與耗能鋼筋的搖擺-自復(fù)位雙柱墩(RSC-B-AS試件)3種數(shù)值模型并進(jìn)行抗震性能分析，結(jié)果表明RSC-B-AS試件具有較好的耗能能力，且具有較小的殘余位移，有利于柱墩的震后修復(fù)。

2019年，Dayang Wu等改進(jìn)了傳統(tǒng)自復(fù)位鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建立了一種同時(shí)考慮核心剛度、粘性阻尼和復(fù)位裝置的參數(shù)模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，該模型的各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，為后面的初步設(shè)計(jì)階段奠定了良好的基礎(chǔ)。

(二)基于節(jié)點(diǎn)搖擺復(fù)位原理的SCEDS體系

在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置后張預(yù)應(yīng)力鋼筋，允許節(jié)點(diǎn)發(fā)生一定的轉(zhuǎn)角變形，耗散地震能量，可以在節(jié)點(diǎn)或其他位置設(shè)置摩擦或屈服機(jī)制，增加節(jié)點(diǎn)的耗能能力。

1993年P(guān)riestley和Tao提出在預(yù)制混凝土框架中采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的連接方法，該結(jié)構(gòu)允許梁柱節(jié)點(diǎn)在震中發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)抵消地震能量，并在震后通過預(yù)應(yīng)力筋將其復(fù)位。

2005年，P.rojas等介紹了一種帶摩擦阻尼器的后張預(yù)應(yīng)力耗能鋼框架(PFDC-MRF)，當(dāng)梁柱因震動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變形，從而帶動(dòng)錨固在梁翼緣上的摩擦阻尼器產(chǎn)生摩擦耗能，對(duì)PFDC-MRF框架體系進(jìn)行了非線性時(shí)程分析，結(jié)果表明，PFDC-MRF具有良好的耗能能力與自復(fù)位能力，且具有較好的的強(qiáng)度。

2013年，Liang-long song等[13]提出一種新型腹板摩擦式自復(fù)位預(yù)應(yīng)力混凝土(scpc)梁柱節(jié)點(diǎn)體系，對(duì)兩個(gè)全尺度scpc梁柱節(jié)點(diǎn)體系進(jìn)行10次循環(huán)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明該體系具有良好的抗?fàn)幮阅堋?/p>

為改善自復(fù)位預(yù)制混凝土框架耗能能力較差的缺點(diǎn)，2019年，Yangdong Li提出一種在梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)置滯回阻尼器的預(yù)制混凝土框架(SCPCHD)體系，并建立雙跨框架進(jìn)行了有限元彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析。結(jié)果表明，在考慮最大地震動(dòng)的情況下，SCPCHD梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力是SCPC框架的3.8倍，并可保證框架的自復(fù)位功能。

2016年，莊鵬等提出一種新型的滑動(dòng)隔震支座(SFB)，并利用等頻三角法對(duì)該試件在不同條件下進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，SFB具有較好的耗能能力與自位復(fù)位能力，且具有飽滿的滯回曲線。

2018年，李燦軍將非石棉摩擦耗能器引入設(shè)置了超彈性形狀記憶合金桿的框架節(jié)點(diǎn)中，可以有效的提高節(jié)點(diǎn)的耗能性能與抗彎能力，梁柱節(jié)點(diǎn)的復(fù)位關(guān)鍵在于對(duì)SMA桿的預(yù)應(yīng)力?；谟邢拊浖﨩penSees對(duì)該自復(fù)位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明該摩擦耗能型SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能性能與復(fù)位性能。

2019年，Xian Xu等將SMA筋與傳統(tǒng)鋼筋連接形成SMA復(fù)合鋼筋束，使剛連梁系統(tǒng)具有再次對(duì)中能力，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)。結(jié)果表明，自復(fù)位連桿梁的殘余變形小于0.16%。

三、結(jié)論與展望

對(duì)基于搖擺效應(yīng)的SCEDS進(jìn)行了闡述其研究現(xiàn)狀。需要指出得是，自復(fù)位自復(fù)位耗能框架還處于研究的理論階段，有待于應(yīng)用于實(shí)體結(jié)構(gòu)，并對(duì)其觀察研究，這需要一定的時(shí)間。還需對(duì)自復(fù)位耗能框架進(jìn)行深入研究，豐富其耗能與復(fù)位系統(tǒng)。有待研究出一些價(jià)格低、耐久性與抗疲勞好的材料。相信自復(fù)位耗能框架的研發(fā)會(huì)是建筑上的一種轉(zhuǎn)折點(diǎn)，讓抗震設(shè)計(jì)進(jìn)入新的時(shí)代。