可恢復(fù)功能的抗震結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

范 文 杰

(山西省介休市建筑設(shè)計(jì)院，山西 介休 032000)

1 概述

由于我國(guó)位于歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶的交界處，因此是地震活動(dòng)最為頻繁的地區(qū)之一[1]。我國(guó)所有地區(qū)都位于6度及以上，在發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，將會(huì)面臨著相當(dāng)嚴(yán)重的震害風(fēng)險(xiǎn)[2]。與此同時(shí)，地震過(guò)后還會(huì)造成巨大危害，例如：建筑物的倒塌、山洪、海嘯等，嚴(yán)重威脅人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

21世紀(jì)以來(lái)，地震的次數(shù)越來(lái)越多。由于當(dāng)前技術(shù)的不足，地震無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，我們應(yīng)該做的是提高自身房屋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，做好相應(yīng)的防護(hù)措施。由于地震會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的次生災(zāi)害，導(dǎo)致建筑物破壞，因此會(huì)造成較大損失[3]。正是由于地震帶來(lái)了巨大的災(zāi)難，人們不斷從悲痛中總結(jié)規(guī)律，進(jìn)一步加大對(duì)地震方面的研究，取得了不少合理控制地震的方法。這些不僅要求在大震中不能倒塌，還要求結(jié)構(gòu)在震后的救援工作中能夠?qū)崿F(xiàn)快速恢復(fù)其使用功能的作用，這對(duì)于震后的重建和社會(huì)的穩(wěn)定有著舉足輕重的作用[4]。在地震造成的損失中，很多因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，只能拆除重建或者需要花費(fèi)大量人力物力去修復(fù)，這造成了巨大財(cái)產(chǎn)損失[5]。因此，如何使建筑在大震后具備快速恢復(fù)使用功能的目的已經(jīng)成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)抗震的研究熱點(diǎn)。

2011年，可恢復(fù)功能的概念首次被提出[6]。主要的實(shí)現(xiàn)方法有：自復(fù)位結(jié)構(gòu)、搖擺墻結(jié)構(gòu)、可更換構(gòu)件結(jié)構(gòu)等[7-9]。由此可見(jiàn)，這種可恢復(fù)結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前研究的主要發(fā)展方向，本研究根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)于可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的不同實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)這種結(jié)構(gòu)未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行分析研究，為今后可恢復(fù)功能的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 梁柱自復(fù)位結(jié)構(gòu)

自復(fù)位結(jié)構(gòu)是將自復(fù)位、耗能、裝配式三種理念融合起來(lái)的一種設(shè)計(jì)理念[10]。自復(fù)位顧名思義就是物體在受到外力的作用下，無(wú)需借助外力憑借自身的能力就可以恢復(fù)原來(lái)的形狀和位置。耗能能力通常是構(gòu)件對(duì)地震能量消耗的能力，一般結(jié)構(gòu)的滯回曲線飽滿程度越高，耗能性能越好。這種自復(fù)位裝配式耗能結(jié)構(gòu)有靈活度高、操作方便、工期短、對(duì)環(huán)境影響較小的優(yōu)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)在地震破壞后因?yàn)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)快速更換，迅速恢復(fù)其使用功能而成為當(dāng)前發(fā)展的主要潮流。20世紀(jì)90年代，Stone[11]和Priestley[12]通過(guò)在梁中添加預(yù)應(yīng)力筋使梁柱具有自復(fù)位的能力；2008年，Lin等[13]采用在梁柱節(jié)點(diǎn)處增設(shè)阻尼器的手段使節(jié)點(diǎn)在變形后能夠恢復(fù)到初始位置。近年來(lái)，我國(guó)的自復(fù)位梁柱也有了較好發(fā)展，張艷霞和葉吉健等[14]研究了帶阻尼器的鋼框架，利用有限元模擬的方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：這種有限元模擬方法較為可靠，自復(fù)位框架各層的速度、加速度、周期與剛框架較為接近，震后殘余位移較小，自復(fù)位效果較好，優(yōu)勢(shì)比較明顯。

呂西林、陳云、王先鐵等[9，15，16]設(shè)計(jì)了一個(gè)雙層自復(fù)位混凝土框架結(jié)構(gòu)，用預(yù)應(yīng)力筋將上部結(jié)構(gòu)和承臺(tái)連接，梁采用螺栓和角鋼連接在柱子上，中間用鋼板隔開(kāi)，在梁中設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線，具體模型示意圖如圖1所示，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明：這種自復(fù)位框架的抗震性能和自復(fù)位能力較好，延性和變形能力較強(qiáng)，殘余位移較小，自復(fù)位能力能夠得到有效發(fā)揮，但是在較大地震下，結(jié)構(gòu)的耗能能力有所降低，因此可以適當(dāng)?shù)募哟蠛哪軜?gòu)件的數(shù)量，但是也不宜過(guò)多，否則會(huì)影響結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力。

因此，在地震后，梁柱的自復(fù)位構(gòu)件能夠作為一種可更換的抗震結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)是通過(guò)結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力，使得結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)生在耗能構(gòu)件上，然后對(duì)損壞的耗能構(gòu)件進(jìn)行更換，從而能夠達(dá)到快速恢復(fù)其使用功能的目的，結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)得到了保護(hù)，但是當(dāng)前研究的主要方面是耗能構(gòu)件的快速更換，并沒(méi)有對(duì)耗能構(gòu)件的形式進(jìn)行系統(tǒng)的研究，也是今后需要繼續(xù)研究的方向。

3 帶可更換構(gòu)件的結(jié)構(gòu)

帶可更換的結(jié)構(gòu)[17]，是將節(jié)點(diǎn)某處強(qiáng)度削弱，或者在節(jié)點(diǎn)某處設(shè)置耗能構(gòu)件，這種耗能構(gòu)件為可更換結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，并且這種裝配方法方便拆卸[18-22]。在地震作用下，主要是可更換構(gòu)件發(fā)生破壞，利用這些構(gòu)件對(duì)地震產(chǎn)生的多余能量進(jìn)行消耗，因此，結(jié)構(gòu)的主體基本不會(huì)發(fā)生破壞，也容易在震后進(jìn)行修復(fù)和更換。

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)可更換構(gòu)件

彭康林等[23]提出了一種新的橋梁加固方法，這種加固方法通過(guò)預(yù)應(yīng)力筋來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要介紹了三方面的內(nèi)容：1)介紹了在荷載作用下橋梁的力學(xué)性能；2)介紹了混凝土的疲勞現(xiàn)象，作為這種新的加固方法的研究基礎(chǔ)；3)系統(tǒng)的介紹了這種新的加固方法，并進(jìn)行了公式推導(dǎo)和驗(yàn)算。結(jié)果表明：這種新的加固方法具有一定的指導(dǎo)意義，為研究出新的加固方法提供了依據(jù)。

橋梁工程中最早使用了可更換構(gòu)件，2001年Tang和Manzanarez[24]設(shè)計(jì)了一種可更換的鋼構(gòu)件，一些學(xué)者[25，26]對(duì)這種新型構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：這種塑性鋼構(gòu)件的連接方法降低了結(jié)構(gòu)的位移與彎矩，使得結(jié)構(gòu)始終為彈性狀態(tài)，也可以通過(guò)拆卸來(lái)快速更換構(gòu)件，從而實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)。

2009年Marriott等[27]提出了一種預(yù)制結(jié)構(gòu)外置的可更換阻尼器，這種阻尼器材料價(jià)格低廉，具體形式如圖2所示，Marriott等對(duì)這附加新型阻尼器的橋墩進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)和雙向擬靜力試驗(yàn)[28],結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的破壞大部分集中在這種新型阻尼器上，其余結(jié)構(gòu)裂縫較少，并且這種新型阻尼器也可以快速更換，具有一定的指導(dǎo)意義。

3.2 框架結(jié)構(gòu)可更換構(gòu)件

Oh等[29]提出了一種可更換的帶縫阻尼器，如圖3所示，通過(guò)高強(qiáng)螺栓與鋼梁下部連接，通過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果表明：這種阻尼器滯回性能良好，能夠?qū)Χ嘤嗟哪芰窟M(jìn)行消耗，構(gòu)件在加載過(guò)程中保持彈性，能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的變形能力。

Castiglioni等[30，31]提出了一種可更換保險(xiǎn)絲構(gòu)件，這種構(gòu)件的連接方式為：在連接節(jié)點(diǎn)處將鋼梁斷開(kāi)，再通過(guò)一塊鋼板將斷開(kāi)的梁與腹板進(jìn)行連接，對(duì)8個(gè)橋墩模型進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明：這種新型構(gòu)件耗能能力強(qiáng)，試驗(yàn)完成后，很少的工人在很短的時(shí)間內(nèi)就能對(duì)破壞了的保險(xiǎn)絲進(jìn)行更換。

在柱腳的可更換結(jié)構(gòu)中，2016年，劉其舟等[32]設(shè)計(jì)了一種新型鋼管混凝土可更換墻腳構(gòu)件，該構(gòu)件的主體部分由斜鋼托、預(yù)緊線圈、抗壓鋼墊片、軟鋼內(nèi)芯、混凝土和鋼管套組成，軟鋼內(nèi)芯和混凝土之間沒(méi)有粘結(jié)。通過(guò)有限元軟件對(duì)安裝該種可更換構(gòu)件剪力墻(新型剪力墻)和傳統(tǒng)剪力墻抗震能力做了對(duì)比分析，得出新型剪力墻的承載力和耗能性能均優(yōu)于傳統(tǒng)剪力墻，且在分析過(guò)程中新型剪力墻的非更換區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞。

3.3 剪力墻結(jié)構(gòu)可更換構(gòu)件

2011年Cortes和Lin研究了一種帶豎縫的鋼板墻框架，構(gòu)件中有豎縫的鋼板墻只承受較小的側(cè)向力，而普通剪力墻承受大部分水平荷載，這種帶豎縫的剪力墻比普通剪力墻要大，高寬比接近2∶1，所以空間較大，通過(guò)試驗(yàn)分析表明：這種結(jié)構(gòu)耗能能力強(qiáng)，破壞均發(fā)生在連接處。

Hebdon等[33]研究了鋼板墻結(jié)構(gòu)樓層強(qiáng)度的退化情況，通過(guò)數(shù)值模擬可得：框架梁柱的剛度與鋼板墻的強(qiáng)度隨著樓層的加大而退化明顯，試驗(yàn)還指出，通過(guò)調(diào)整螺栓的連接位置能夠調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的殘余位移角。

3.4 發(fā)展前景概述

目前，這種可更換結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中運(yùn)用廣泛，能夠在地震后實(shí)現(xiàn)快速更換以達(dá)到快速恢復(fù)其使用功能的目的，目前對(duì)于可更換墻角的剪力墻結(jié)構(gòu)研究比較少，因?yàn)槠渌问降倪B梁剪力墻結(jié)構(gòu)的可更換形式相對(duì)簡(jiǎn)單，而相對(duì)于柱腳的可更換結(jié)構(gòu)，由較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成，如：橡膠、軟鋼、混凝土等工藝，對(duì)于組裝的工藝有著比較高的要求，因此設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗震性能好、安裝方便的可更換墻角是接下來(lái)需要研究的方向。

4 搖擺墻結(jié)構(gòu)

在地震中，搖擺墻結(jié)構(gòu)[34]也是一種在地震破壞后能夠快速恢復(fù)其使用功能的構(gòu)件。其中搖擺墻是一種剪力墻，這種剪力墻與搖擺方向一致，底部通過(guò)鉸接與結(jié)構(gòu)連接起來(lái)，轉(zhuǎn)動(dòng)能力較好。在地震中通過(guò)一定幅度的擺動(dòng)消耗能量，使得結(jié)構(gòu)主體免于破壞，搖擺墻結(jié)構(gòu)一般有兩種形式，分為受控?fù)u擺墻和自由搖擺墻兩種。

4.1 受控?fù)u擺墻

搖擺墻最初源于后張法無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土墻的研究，Preti等[35]進(jìn)行了搖擺墻低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明：這種剪力墻滯回曲線為旗幟型，Zibaei等[36]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比了10層以及20層的混凝土框架、框架剪力墻、框架搖擺墻，結(jié)果表明：搖擺墻延性最好，層間位移更為均勻。

受控?fù)u擺墻也是一種加固方法，吳守君等提出了一種框架分布參數(shù)模型，通過(guò)動(dòng)力時(shí)程分析方法，對(duì)比了有搖擺剪力墻的結(jié)構(gòu)和無(wú)搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)果表明：這種搖擺墻加固方法使得塑性鉸更加均勻，設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋和阻尼器可以提高結(jié)構(gòu)的耗能效果，從而降低了結(jié)構(gòu)的殘余變形。

4.2 自由控?fù)u擺墻

與受控?fù)u擺墻不同，自由搖擺墻不是結(jié)構(gòu)而是機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也是允許在地震作用下，墻體下部和基礎(chǔ)之間能夠進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠自身的重力和相連結(jié)構(gòu)的約束來(lái)完成墻體的自恢復(fù)，并不依靠預(yù)應(yīng)力筋來(lái)恢復(fù)自由搖擺墻也有兩種類型，分別為外掛式搖擺墻和內(nèi)嵌式搖擺墻兩種形式，外掛式顧名思義在結(jié)構(gòu)外部，通過(guò)阻尼器等各種連接構(gòu)件相連，內(nèi)嵌式在結(jié)構(gòu)內(nèi)部將梁柱連接。

對(duì)于外掛式搖擺墻，楊樹標(biāo)等研究了外掛式搖擺墻對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能，對(duì)一個(gè)四層框架進(jìn)行了靜力分析，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的抗震性能和變形與搖擺墻剛度有關(guān)，一定范圍內(nèi)剛度越大，性能越優(yōu)，但進(jìn)一步增大結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)抗震性能的提高不明顯，并且得出搖擺墻與框架的剛度比在2.48%～6.81%之間時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形在合理的變化范圍之內(nèi)。

4.3 發(fā)展前景概述

目前，搖擺墻結(jié)構(gòu)仍處于理論和探索階段，對(duì)于實(shí)際工程中的應(yīng)用還比較少，主要還是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)研究的，相較于受控?fù)u擺墻和自由搖擺墻，受控剪力墻因?yàn)橛蓄A(yù)應(yīng)力筋的作用，具有較好的自我恢復(fù)能力，但預(yù)應(yīng)力筋的施工工藝較為復(fù)雜；自由式搖擺墻主要通過(guò)墻體自重來(lái)提供，恢復(fù)力沒(méi)有受控?fù)u擺墻效果好，但是整個(gè)結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，施工較為方便。相比較外掛式搖擺墻和內(nèi)嵌式搖擺墻的加固應(yīng)用，兩者均可為作為加固構(gòu)件用到實(shí)際工程中去，目前搖擺墻的理論已經(jīng)越來(lái)越成熟，但是如何將搖擺墻運(yùn)用到實(shí)際中去，成為以后研究的主要方向。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)可更換構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、搖擺墻結(jié)構(gòu)以及梁柱自復(fù)位結(jié)構(gòu)近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)可以得到以下結(jié)論：

1)人們對(duì)震后可恢復(fù)越來(lái)越重視，雖然可恢復(fù)功能的抗震結(jié)構(gòu)在研究上取得了一定的進(jìn)展，但是作為一個(gè)新興的概念，值得我們進(jìn)一步研究和學(xué)習(xí)，可恢復(fù)功能的構(gòu)件也可以與其他防震結(jié)構(gòu)結(jié)合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)城市的發(fā)展。

2)可恢復(fù)功能最大的優(yōu)點(diǎn)就是在地震后，能夠小修或者不修就能夠快速恢復(fù)其使用功能，并且更換速度較快，是以后結(jié)構(gòu)抗震的主要研究方向。

3)實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的方法有自復(fù)位結(jié)構(gòu)、可更換和耗能結(jié)構(gòu)、搖擺墻結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和計(jì)算，能夠?yàn)橐院蠼Y(jié)構(gòu)的防震設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)。