功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

收稿日期：20230102

通信作者：劉陽(yáng)（1982），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)研究。Email： lyliuyang@hqu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52378157， 51878304）

摘要：鋼筋混凝土柱鋼梁（RCS）混合框架結(jié)構(gòu)以其結(jié)合了混凝土優(yōu)異的抗壓性能及鋼材優(yōu)異的抗彎性能而受到廣泛關(guān)注，而可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)以其震后快速恢復(fù)使用功能的能力，也成為地震工程界研究的新熱點(diǎn)。功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)可以在彎矩較大的梁端和柱腳部位設(shè)置可更換構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能可恢復(fù)能力。文中簡(jiǎn)述了近年來(lái)功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注各類型功能可恢復(fù)鋼梁、功能可恢復(fù)搖擺柱腳的構(gòu)造研究，介紹了功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)性能分析研究進(jìn)展。最后，對(duì)功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)仍需深入研究的問題進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土柱鋼梁（RCS）混合框架結(jié)構(gòu)； 可恢復(fù)功能； 防震結(jié)構(gòu)； 鋼板阻尼器； 柱腳； 梁柱節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TU 352.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10005013（2024）02012115

框架結(jié)構(gòu)常使用鋼筋混凝土或鋼材作為主要建筑材料，但兩種材料具有不同的特性。混凝土的抗壓強(qiáng)度高，材料獲取成本低，但自重大、抗開裂性能差，適用于結(jié)構(gòu)豎向受力構(gòu)件［1］；鋼材具有優(yōu)異的彈塑性性能，延性好、自重輕，允許材料變形大，但抗火性能差、材料獲取成本高，受壓時(shí)需考慮穩(wěn)定性問題，適用于大跨度抗彎構(gòu)件［2］?；谏鲜霾牧系奶攸c(diǎn)，為充分利用混凝土材料和鋼材的性能，鋼筋混凝土柱鋼梁（reinforced concrete columnsteel beam，RCS）混合框架結(jié)構(gòu)［3］應(yīng)運(yùn)而生并受到廣泛關(guān)注［47］。

近年來(lái)，隨著“城市韌性”［89］受到重視，需要提升城市在遭受重大災(zāi)害后的恢復(fù)能力。建筑作為組成城市的基礎(chǔ)，需要具備一定的功能可恢復(fù)能力。一般而言，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)具有致命打擊的災(zāi)害為地震、颶風(fēng)等，這些災(zāi)害主要以水平作用的形式施加到結(jié)構(gòu)中，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的梁端、柱腳造成損傷。功能可恢復(fù)構(gòu)造大多基于“損傷控制+震損可替換”技術(shù)，通過合理設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)受到的損傷集中于可拆卸更換的部位，損傷發(fā)生后僅更換受損部位進(jìn)行即可恢復(fù)建筑性能。在構(gòu)件層面賦予結(jié)構(gòu)受損部位功能可恢復(fù)能力是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可恢復(fù)的基礎(chǔ)。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，其在水平作用下易受損的部位集中在彎矩較大處，即各層框架梁端部位及框架底層柱腳部位。因此，學(xué)者們針對(duì)這些易受損部位研發(fā)了大量的功能可恢復(fù)構(gòu)造。此外，鋼梁與混凝土樓板形成的組合樓板，需要針對(duì)應(yīng)用功能可恢復(fù)構(gòu)造導(dǎo)致的邊界條件變化進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)?；诖耍疚目偨Y(jié)了RCS混合框架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)，歸納現(xiàn)有RCS混合框架結(jié)構(gòu)功能可恢復(fù)構(gòu)造的研究，探究研究脈絡(luò)，分析各構(gòu)造存在的問題。同時(shí)，列舉針對(duì)功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)的分析方法，并展望功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)研究方向。

1RCS混合框架結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土柱鋼梁（RCS）混合框架結(jié)構(gòu)采用混凝土柱、鋼梁組成框架，而樓面板則采用鋼混凝土組合樓板，如圖1所示。相較于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)體系，RCS混合框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下4個(gè)主要方面。

1） 結(jié)構(gòu)梁材料從鋼筋混凝土替換為型鋼，在提供相同承載力水平時(shí)可有效降低生產(chǎn)過程中的碳排放。

2） 鋼梁的使用易于發(fā)揮鋼構(gòu)件性能優(yōu)越、設(shè)計(jì)靈活和連接方便的特性。使用螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件天然具有易于替換的特性，很多學(xué)者基于型鋼梁提出各類功能可恢復(fù)構(gòu)造，直接應(yīng)用于RCS混合框架結(jié)構(gòu)體系，形成功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)［1015］。

3） 采用鋼材作為結(jié)構(gòu)梁的材料易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷控制，直接避免了混凝土梁易開裂的缺點(diǎn)，減少了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在反復(fù)作用下的損傷，加大功能可恢復(fù)構(gòu)造的適用性。

4） RCS混合框架結(jié)構(gòu)采用預(yù)制型鋼梁，可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)拼裝，易于推進(jìn)結(jié)構(gòu)裝配化施工，縮短施工周期。建造時(shí)，RCS結(jié)構(gòu)在鋼梁現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成后即可進(jìn)行上層框架柱施工；而樓板的安裝或澆筑工作可安排在框架柱施工到上部樓層后進(jìn)行，避免了傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需等待混凝土達(dá)到強(qiáng)度導(dǎo)致加長(zhǎng)施工周期的問題，從而達(dá)到縮短結(jié)構(gòu)總體施工周期的目的。同時(shí)，可規(guī)避施工過程中危險(xiǎn)性較大的樓板高支模工藝［16］。

RCS混合框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)作為框架的主要傳力構(gòu)件，決定了鋼梁與混凝土柱連接的可靠性，是RCS混合框架結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵問題［17］?，F(xiàn)有RCS混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造主要包括梁貫通型［18］、柱貫通型［19］、高強(qiáng)螺栓端板連接型［20］等。

郭子雄等［2123］提出一種新型裝配式RCS混合框架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，如圖2（a）所示。該構(gòu)造在節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置綴板和加勁腹板焊接形成的鋼板桶，作為一個(gè)整體對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土形成有效約束，并在節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼梁腹板上開孔或焊接栓釘，以增強(qiáng)加勁腹板與節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土之間的整體性。研究表明，該種節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)為梁鉸機(jī)制破壞，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造滿足抗震設(shè)計(jì)中的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”要求。

Alizadeh等［24］改進(jìn)了梁貫通型RCS混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，在現(xiàn)有構(gòu)造的基礎(chǔ)上采用加寬面承板的尺寸并在鋼梁翼緣與節(jié)點(diǎn)交界部位增設(shè)附加支承板，如圖2（b）所示。研究表明，兩處改進(jìn)加強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)區(qū)域的約束，提升了節(jié)點(diǎn)的的承載力和抗剪強(qiáng)度。

門進(jìn)杰等［25］通過改進(jìn)柱貫通型節(jié)點(diǎn)，提出腹板貫通型鋼梁節(jié)點(diǎn)，如圖2（c）所示。研究表明，試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)最終發(fā)生剪切破壞，RCS組合框架節(jié)點(diǎn)的滯回曲線具有輕微的捏縮現(xiàn)象，其形狀介于紡錘形與倒S形之間。此外，門進(jìn)杰等［26］對(duì)帶有該種形式RCS節(jié)點(diǎn)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該種RCS框架結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的破壞機(jī)制，抗震性能良好。為準(zhǔn)確反應(yīng)RCS組合框架節(jié)點(diǎn)半剛性連接的受力和變形模式，門進(jìn)杰等［27］進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并建立和分析有限元模型，最終提出彎矩轉(zhuǎn)角曲線四折線模型，為組合結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供參考。

（a） 高強(qiáng)螺栓端板連接型（b） 梁貫通型（c） 柱貫通型

張錫治等［28］對(duì)高強(qiáng)螺栓端板連接型節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中存在間隙的問題進(jìn)行改進(jìn)，在梁端與柱面間增加灌漿層；然后針對(duì)灌漿層的設(shè)置進(jìn)行試驗(yàn)研究并建立有限元模型，分析其破壞模式、受力機(jī)理，提出相應(yīng)的建議灌漿層厚度。研究表明，混凝土柱通過與鋼材形成組合柱，其性能得到了提升。

劉陽(yáng)等［1，2931］在鋼筋混凝土柱中配置核心型鋼以提高柱的軸壓性能及抗震性能。研究表明，在軸壓性能有明顯提高的同時(shí)，由于核心型鋼配鋼率較低，截面高度較小梁的縱筋可方便的在節(jié)點(diǎn)區(qū)貫通，核心型鋼混凝土柱能夠降低施工難度，又兼具抗火性能好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，成為提高柱抗震性能的合理組合結(jié)構(gòu)形式之一。此后，劉陽(yáng)等［3234］對(duì)所提出的核心型鋼混凝土柱提出相應(yīng)的裝配式構(gòu)造，進(jìn)行了軸壓性能及受力機(jī)理研究，證明了技術(shù)可行性。張藝欣等［3536］針對(duì)裝配式核心鋼管混凝土（PCSTRC）柱進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)，基于其受力機(jī)理提出分析模型并給予驗(yàn)證。該種裝配柱在連接部位設(shè)有傳統(tǒng)的鋼筋套筒連接及核心鋼管的榫卯連接，如圖3所示。研究表明，該種構(gòu)造能夠提升裝配部位抗剪性能和裝配部位整體性，裝配式核心鋼管混凝土柱與現(xiàn)澆柱的滯回曲線形狀基本相同，承載能力、剛度和耗能能力相當(dāng)，延性略有增加。門進(jìn)杰等［37］在混凝土柱中加入螺栓法蘭連接，形成可拆卸型鋼混凝土柱（圖4）；然后通過建立有限元模型和進(jìn)行參數(shù)分析，歸納螺栓法蘭連接柱的破壞模式，分析其性能并提出螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)建議。

2功能可恢復(fù)構(gòu)造

2.1功能可恢復(fù)鋼梁

基于“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)，水平作用施加后，梁端會(huì)最先受到影響發(fā)生損傷并參與結(jié)構(gòu)耗能，且結(jié)構(gòu)中梁端數(shù)量遠(yuǎn)大于柱腳數(shù)量。因此，學(xué)者們率先針對(duì)梁端的可恢復(fù)構(gòu)造進(jìn)行研究。

2.1.1帶T型連接板的功能可恢復(fù)鋼梁T型連接板作為鋼梁與柱的連接組件具有穩(wěn)定的性能，其塑性變形主要集中在連接板上［38］。不少學(xué)者在雙T型（double split tee，DST）梁柱連接的基礎(chǔ)上改進(jìn)功能可恢復(fù)鋼梁［11］。

早在2009年，Oh等［39］就提出一種在鋼梁端部下翼緣處設(shè)有可更換帶縫鋼板阻尼器的功能可恢復(fù)鋼梁構(gòu)造，并在鋼梁上翼緣側(cè)設(shè)置T型連接板，其構(gòu)造如圖5（a）所示。此外，Oh等［39］還對(duì)構(gòu)件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，并提出了理論計(jì)算模型。Koken等［40］針對(duì)相似的構(gòu)造進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析。結(jié)果均表明：該種鋼梁通過剪切型金屬阻尼器實(shí)現(xiàn)耗能，具有良好的耗能能力且損傷主要集中在可替換的帶縫隙鋼板阻尼器上，可實(shí)現(xiàn)震后快速恢復(fù)至震前水平。門進(jìn)杰等［4142］也對(duì)T型鋼連接的可拆換鋼梁進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明T型鋼連接可以集中產(chǎn)生塑性變形并消耗地震能量，震后可以通過更換T型鋼實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的快速恢復(fù)。

有學(xué)者探究摩擦型阻尼器及拉壓型金屬阻尼器在帶T型連接板的功能可恢復(fù)鋼梁中的應(yīng)用。Latour等［10，43］在傳統(tǒng)T型連接板與鋼梁翼緣間設(shè)置摩擦耗能板，其構(gòu)造如圖5（b）所示。對(duì)比傳統(tǒng)狗骨型T型連接板連接的功能可恢復(fù)鋼梁［44］，設(shè)置摩擦耗能板的節(jié)點(diǎn)具有極強(qiáng)的耗能能力和穩(wěn)定的力學(xué)性能。試驗(yàn)過程中只有摩擦墊的磨損，沒有出現(xiàn)連接部件的損傷。因此，設(shè)置摩擦耗能板的T型連接板功能可恢復(fù)鋼梁連接，在經(jīng)受反復(fù)的地震后僅需更換摩擦板，并再次擰緊螺栓達(dá)到所需的預(yù)壓水平即可恢復(fù)性能。Tagawa等［45］在鋼梁下翼緣設(shè)置防屈曲圓鋼阻尼器，上翼緣部位由于樓板的附著僅設(shè)置L型連接板，傳遞結(jié)構(gòu)剪力，其構(gòu)造如圖5（c）所示。在圓鋼阻尼器外側(cè)使用矩形實(shí)心鋼作為屈曲約束構(gòu)件。通過試驗(yàn)研究及有限元分析，結(jié)果表明圓鋼阻尼器能夠參與梁端耗能，為結(jié)構(gòu)提供較強(qiáng)的耗能能力，但梁端豎向抗剪能力較弱。

（a） 設(shè)有剪切型金屬阻尼器（b） 設(shè)有摩擦耗能板（c） 設(shè)有拉壓型金屬阻尼器

2.1.2帶預(yù)應(yīng)力筋的功能可恢復(fù)鋼梁僅設(shè)置阻尼器會(huì)導(dǎo)致鋼梁自復(fù)位能力較弱，發(fā)生損傷后有較大的殘余變形，使得結(jié)構(gòu)無(wú)法復(fù)位，損傷構(gòu)件的替換難以進(jìn)行。在構(gòu)件中設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋可以顯著提升自復(fù)位能力。Song等［4648］提出一種摩擦型腹板自定心預(yù)應(yīng)力混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行系列研究。在結(jié)構(gòu)梁兩側(cè)設(shè)置摩擦耗能連接件，將梁連接到混凝土柱上，設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，提出理論分析模型后通過擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，增加預(yù)應(yīng)力筋可以顯著提升其自復(fù)位能力。

Lu等［49］將預(yù)應(yīng)力筋提供節(jié)點(diǎn)自復(fù)位能力的理念應(yīng)用于功能可恢復(fù)鋼梁，將耗能角鋼作為梁端耗能元件，提出了新型可替換強(qiáng)化角鋼連接可恢復(fù)鋼梁，其構(gòu)造如圖6（a）所示。耗能角鋼設(shè)有加勁肋，設(shè)置在梁端翼緣外側(cè)，通過螺栓連接梁柱，在鋼梁腹板部位設(shè)置連接板傳遞結(jié)構(gòu)剪力。結(jié)果表明，提出的耗能角鋼構(gòu)件比傳統(tǒng)角鋼構(gòu)件具有更高的強(qiáng)度和耗能性能。此外，耗能角鋼構(gòu)件在地震發(fā)生后可快速更換，保證了結(jié)構(gòu)的快速修復(fù)，滿足了抗震恢復(fù)要求。Wang等［50］將竹型鋼制消能器置于梁端，其構(gòu)造如圖6（b）所示。使用的竹形消能器［51］包括耗能段與控制阻尼器變形的結(jié)頭段。研究表明，竹形消能器提供結(jié)構(gòu)耗能能力，預(yù)應(yīng)力筋提供自復(fù)位能力。梁端構(gòu)造具有穩(wěn)定的滯回性能和良好的自復(fù)位能力。

（a） 設(shè)有耗能角鋼連接（b） 設(shè)有竹型消能器連接

2.1.3 帶可替換梁段的功能可恢復(fù)鋼梁將鋼梁塑性鉸部位人為設(shè)置一段易屈服的可替換梁段，易屈服的梁段設(shè)計(jì)可參考早期狗骨型削弱的鋼梁構(gòu)造［12，52］，如圖7（a）所示。在鋼梁受到損傷時(shí)，控制破壞集中于易屈服的可替換梁段，而其他梁保持彈性。在進(jìn)行修復(fù)時(shí)將整段鋼梁進(jìn)行替換即可實(shí)現(xiàn)鋼梁的功能可恢復(fù)。然而，由于維修不便導(dǎo)致更高的更換成本，導(dǎo)致該種構(gòu)造在應(yīng)用時(shí)存在局限。

Montuori等［53］對(duì)比了在可替換梁段應(yīng)用翼緣削弱型梁段（RBSF）及腹板削弱型梁段（RDSF）的可恢復(fù)鋼梁性能，其構(gòu)造如圖7（a）所示。通過對(duì)比兩類梁段的擬靜力試驗(yàn)結(jié)果，表明梁端的損傷能夠集中在削弱的梁段上，且腹板削弱型梁段在延性、耗能能力、低周疲勞性能方面優(yōu)于翼緣削弱型梁段，但提供的承載力較低。

Feng等［13］在翼緣削弱型梁段的基礎(chǔ)上，將鋼梁腹板改為機(jī)械鉸節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)造如圖7（b）所示。結(jié)果表明，鉸節(jié)點(diǎn)的加入使得鋼梁的滯回性能更加穩(wěn)定。進(jìn)一步研究表明，對(duì)耗能鋼板施加合理的約束能夠有效提升鋼梁的耗能能力。

（a） 削弱型梁段連接 （b） 應(yīng)用機(jī)械鉸節(jié)點(diǎn)

2.1.4帶可替換連接板的功能可恢復(fù)鋼梁為克服整個(gè)梁段作為可更換構(gòu)件實(shí)際難以替換的問題，將削弱的鋼梁連接板作為鋼梁的可更換構(gòu)件成為學(xué)者們研究的新方向。邵鐵峰等［54］提出了一種采用角鋼連接的部件可更換鋼梁，在梁預(yù)期塑性鉸的位置將鋼梁斷開，采用角鋼作為耗能構(gòu)件連接兩段鋼梁，其構(gòu)造如圖8（a）所示。單調(diào)和滯回試驗(yàn)結(jié)果表明，通過合理設(shè)計(jì)，該種可更換梁與傳統(tǒng)鋼梁具有相同的彈性抗彎剛度，耗能能力較好，更換損傷的耗能角鋼后，鋼梁的性能得以恢復(fù)。但在鋼梁腹板部位未設(shè)置連接構(gòu)造，其傳遞梁端剪力的性能有待驗(yàn)證。

Jiang等［5560］針對(duì)裝配式可恢復(fù)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一系列的研究，其構(gòu)造如圖8（b）所示。討論了翼緣板形狀、翼緣板連接形式、腹板連接形式、是否配置預(yù)應(yīng)力筋等參數(shù)對(duì)梁柱邊節(jié)點(diǎn)、中節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。研究表明，未配置防屈曲裝置的翼緣連接板極易發(fā)生屈曲變形，配置預(yù)應(yīng)力筋可有效提升節(jié)點(diǎn)自復(fù)位能力。

（a） 設(shè)有剪切型金屬阻尼器（b） 設(shè)有摩擦耗能板

Lu等［15］提出了一種帶防屈曲蓋板震損可更換鋼梁，該鋼梁通過翼緣和腹板部位的可更換連接板連接梁端及梁中不可更換段，在翼緣連接板外側(cè)設(shè)有防屈曲蓋板，其構(gòu)造如圖9（a）所示。為保證結(jié)構(gòu)損傷集中在可更換連接板上，提出了“強(qiáng)度比”的概念，即可更換段薄弱處與不可更換梁段塑性極限抗彎承載力的比值，該數(shù)值小于1表示可更換段承載力小于不可更換梁段。試驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)度比小于0.8時(shí)，所有試件的塑性變形均集中在可更換連接板上，其他不可更換梁段均處于彈性狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束后可更換構(gòu)件可輕易地進(jìn)行更換。得益于防屈曲蓋板的設(shè)置，震損可更換鋼梁擁有好的變形能力和穩(wěn)定的滯回耗能能力。通過精細(xì)化有限元分析及鋼梁受力分析，Lu等［15］將鋼梁的受力過程劃分為彈性段、塑性段、滑移段及強(qiáng)化段，提出相應(yīng)的恢復(fù)力模型，如所圖9（b）示?？梢钥闯?，鋼梁在變形過程中有明確的受力機(jī)制，在前期通過金屬拉壓變形提供較大的剛度；隨著變形加大，摩擦機(jī)制賦予結(jié)構(gòu)較大的耗能能力；在大變形下，螺栓滑移結(jié)束，不可更換鋼梁進(jìn)入塑性，為鋼梁提供額外的承載能力防止結(jié)構(gòu)倒塌。

（a） 構(gòu)造示意圖（b） 恢復(fù)力模型

2.1.5帶機(jī)械鉸節(jié)點(diǎn)的功能可恢復(fù)鋼梁Peng等［6162］在前述研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種梁端防屈曲鋼板耗能鉸節(jié)點(diǎn)，由中間的銷軸傳遞剪力，上下翼緣設(shè)置的防屈曲鋼板傳遞彎矩，其構(gòu)造如圖10（a）所示。研究表明，該型節(jié)點(diǎn)具有良好的性能并可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的快速修復(fù)。但在實(shí)際工程中，應(yīng)用機(jī)械鉸的對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加工精度有較高要求。

陳云等［63］提出一種用于裝配式自復(fù)位搖擺鋼框架的帶外部BRB支撐的可恢復(fù)鉸接鋼梁，其鋼梁端部設(shè)計(jì)有梁鉸，而梁鉸外部平行設(shè)置碟形彈簧與BRB組合支撐，與梁鉸內(nèi)設(shè)置的摩擦耗能版共同作用，提供結(jié)構(gòu)耗能能力，其構(gòu)造如圖10（b）所示。研究表明，通過合理配置的碟形彈簧與BRB組合支撐，能夠?yàn)榱憾颂峁┓€(wěn)定的耗能能力和可靠的自復(fù)位性能。

鐘沛杰等［64］提出一種帶防屈曲蓋板的功能可恢復(fù)鉸接鋼梁，在鋼梁腹板部位設(shè)置機(jī)械鉸節(jié)點(diǎn)，與設(shè)置在下翼緣的翼緣連接板共同作用，其構(gòu)造如圖10（c）所示。該種構(gòu)造可為鋼梁可恢復(fù)部位提供明確的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制，地震后僅需替換下翼緣損壞的翼緣連接板，即可實(shí)現(xiàn)震后快速修復(fù)。

（a） 設(shè)有拉壓型金屬阻尼器（b） 設(shè)有外部BRB支撐（c） 設(shè)有帶防屈曲蓋板的連接板

2.1.6考慮樓板構(gòu)造的功能可恢復(fù)鋼梁目前可恢復(fù)鋼梁研究大多局限于鋼梁本身，然而混凝土樓板對(duì)鋼梁的約束作用明顯［25，65］，會(huì)減緩鋼梁剛度退化，增大承載力。功能可恢復(fù)結(jié)構(gòu)中梁的變形模式不同于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，劉永［66］對(duì)比了是否設(shè)置整澆樓板的功能可恢復(fù)鋼梁，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，設(shè)置功能可恢復(fù)鋼梁的現(xiàn)澆樓板上出現(xiàn)明顯開裂，對(duì)結(jié)構(gòu)總體性能造成影響，如圖11所示。因此，可恢復(fù)鋼梁研究需考慮樓板的影響。

（a） 樓板示意圖（b） 裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)

Castiglioni等［67］在進(jìn)行可更換鋼梁試驗(yàn)研究時(shí)，將可更換段的樓板斷開并預(yù)留50 mm縫隙，其構(gòu)造如圖12（a）所示。在確保梁端轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可更換段兩側(cè)的樓板不接觸，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，未觀察到樓板損傷。賀修樟等［68］在針對(duì)角鋼連接的可恢復(fù)鋼梁［54］基礎(chǔ)上，考慮混凝土樓板的影響，削弱上翼緣角鋼為連接板，其構(gòu)造如圖12（b）所示。研究表明，通過合理的設(shè)計(jì)，可以控制梁端中性軸位于梁上翼緣附近，震后僅需更換下翼緣角鋼。相陽(yáng)等［69］在鋼梁與混凝土樓板間設(shè)置黏彈性材料夾層，形成黏彈性減震樓蓋，其構(gòu)造如圖12（c）所示。研究表明，樓板與鋼梁之間的柔性連接隔離其不協(xié)調(diào)的相對(duì)變形，為解決可恢復(fù)結(jié)構(gòu)中樓板的損傷問題提供解決思路。此外，也有學(xué)者針對(duì)裝配式可更換組合樓板構(gòu)造進(jìn)行研究［7072］，為樓板損傷后替換提供可能。

（a） 樓板斷開構(gòu)造（b） 削弱鋼梁上翼緣角鋼構(gòu)造（c） 設(shè)有黏彈性材料夾層構(gòu)造

鐘沛杰等［73］提出一種裝配式鋼混凝土組合梁樓蓋結(jié)構(gòu)。該種樓蓋結(jié)構(gòu)可用于鋼梁端部設(shè)置有可恢復(fù)節(jié)點(diǎn)的框架結(jié)構(gòu)。在鋼梁和型鋼次梁上鋪設(shè)有預(yù)制樓蓋板，根據(jù)是否與框架梁連接分為有連接樓板與滑移樓板，如圖13（a）所示。有連接樓板通過預(yù)埋栓釘與對(duì)應(yīng)框架梁的上翼緣板固定連接，形成鋼混凝土組合樓蓋?；茦前迮c框架梁、框架柱間設(shè)置黏彈性材料，設(shè)置在可恢復(fù)節(jié)點(diǎn)部位，防止地震作用下結(jié)構(gòu)可恢復(fù)節(jié)點(diǎn)變形集中導(dǎo)致的樓板開裂破壞，如圖13（b）所示。

（a） 樓蓋構(gòu)造示意圖

（b） 預(yù)制樓蓋板與鋼梁連接構(gòu)造

2.2功能可恢復(fù)柱腳

框架結(jié)構(gòu)的豎向荷載都通過柱傳遞到基礎(chǔ)上，柱構(gòu)件承擔(dān)巨大的軸力作用。對(duì)于功能可恢復(fù)柱腳，學(xué)者們提出的構(gòu)造都基于搖擺柱的思想：將柱底與承臺(tái)完全脫開，在柱側(cè)面設(shè)置耗能構(gòu)件與承臺(tái)相連。在水平作用下，功能可恢復(fù)柱發(fā)生搖擺變形，損傷集中在耗能構(gòu)件上。由于軸力的作用，功能可恢復(fù)柱具有良好的自復(fù)位能力。

Chi等［74］設(shè)計(jì)了一種自復(fù)位的預(yù)應(yīng)力柱腳。柱腳外圍帶有防屈曲鋼板，提供柱腳耗能能力；防屈曲鋼板外側(cè)設(shè)有加強(qiáng)蓋板；預(yù)應(yīng)力鋼筋提供柱腳的復(fù)位能力；在地梁上設(shè)置限位板提供柱腳的水平方向阻力，其構(gòu)造如圖14（a）所示。通過縮尺模型的擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明，此種自復(fù)位柱腳的損傷集中在防屈曲鋼板上，顯示出了良好的滯回耗能能力和自復(fù)位能力，驗(yàn)證了功能可恢復(fù)柱腳的可行性。

Freddi等［75］在柱腳側(cè)面設(shè)置摩擦耗能裝置，預(yù)應(yīng)力筋提供自復(fù)位能力，其構(gòu)造如圖14（b）所示。柱發(fā)生搖擺導(dǎo)致柱身連接板相對(duì)黃銅摩擦板和基礎(chǔ)連接板的發(fā)生滑動(dòng)，產(chǎn)生摩擦耗能，連接部位的摩擦力通過四個(gè)螺栓的預(yù)緊力來(lái)調(diào)節(jié)。針對(duì)提出的構(gòu)造進(jìn)行理論分析并建立OpenSees簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行自復(fù)位框架的非線性動(dòng)力分析，充分驗(yàn)證了可恢復(fù)柱腳對(duì)結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用。

（a） 設(shè)有防屈曲鋼板（b） 設(shè)有摩擦耗能裝置（c） 設(shè)有剪切型阻尼器

（d） 設(shè)有帶約束的豎向鋼條帶板（e） 設(shè)有外置可恢復(fù)耗能裝置

劉陽(yáng)等［7679］在搖擺柱腳設(shè)置可更換的剪切型阻尼器，形成震后可恢復(fù)功能搖擺柱（ERR柱），針對(duì)該構(gòu)造進(jìn)行系列研究。搖擺柱柱身放置在承臺(tái)上，通過布置在柱腳側(cè)面的剪切型水平條帶板金屬阻尼器與承臺(tái)連接，其構(gòu)造如圖14（c）所示。所用的阻尼器在搖擺柱就位后從上方插入即可，阻尼器連接螺栓的方向呈正交分布，容許誤差大，便于施工。搖擺柱采用“強(qiáng)柱，強(qiáng)連接，弱阻尼器”的設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)剪切型阻尼器發(fā)生塑性變形時(shí)，柱身仍保持彈性，表現(xiàn)出明顯的搖擺機(jī)制，以及穩(wěn)定的滯回性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及有限元參數(shù)分析，

提出了搖擺柱的恢復(fù)力模型，將搖擺柱受力階段劃分為彈性段、強(qiáng)化段和衰減段；考慮到軸力對(duì)搖擺柱自復(fù)位能力的貢獻(xiàn)，恢復(fù)力模型中存在反向加載剛度突增點(diǎn)Pt，搖擺柱恢復(fù)力模型如圖15所示。在后續(xù)研究中，考慮了雙向地震下?lián)u擺柱的性能。

呂英婷等［8081］在混凝土搖擺柱腳外側(cè)設(shè)置帶約束的豎向鋼條帶板，內(nèi)部空隙設(shè)置填充塊，其構(gòu)造如圖14（d）所示。該柱腳利用條帶板拉壓及填充塊壓潰耗散地震能量。通過試驗(yàn)研究并建立二維纖維模型，明確搖擺柱的水平承載能力與軸向荷載、鋼保險(xiǎn)絲和填充塊的性能有關(guān)。試驗(yàn)過程中，混凝土出現(xiàn)細(xì)微彎曲裂縫，至加載結(jié)束，裂縫發(fā)展不明顯；柱內(nèi)縱筋應(yīng)變僅在替換后的試件出現(xiàn)屈服。由于未設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，該搖擺柱在小軸壓比下的自復(fù)位能力較弱。

Zhang等［82］提出一種新型預(yù)制交叉鉸柱腳節(jié)點(diǎn)，在柱腳底部設(shè)置十字鉸，柱腳側(cè)面外置可恢復(fù)耗能裝置，如圖14（e）所示。這種柱腳的損傷集中在外置可恢復(fù)耗能裝置上。然而，柱底十字鉸的設(shè)置對(duì)柱豎向承載能力的影響有待進(jìn)一步研究。

2.3功能可恢復(fù)耗能連梁

帶耗能框架和主框架的RCS混合框架結(jié)構(gòu)，如圖16所示。這種框架在傳統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，新增一跨耗能框架，該耗能框架柱間距較小，兩柱間設(shè)置有可更換耗能梁。柱間耗能梁具有與聯(lián)肢剪力墻中連梁［83］類似的受力機(jī)理及破壞特征，在地震作用下，連梁發(fā)生變形并最先進(jìn)入塑性，參與結(jié)構(gòu)耗能。

門進(jìn)杰等［8485］對(duì)不同構(gòu)造的可更換鋼連梁（圖17）的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并提出了以殘余層間位移角和梁端殘余轉(zhuǎn)角作為鋼梁可更換能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究結(jié)果還表明，使用擴(kuò)孔螺栓連接可以有效增強(qiáng)鋼梁的耗能能力，降低鋼梁損傷后更換的難度。

3功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)性能分析

為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，學(xué)者們建立各類分析模型對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行分析研究。Chou等［86］對(duì)預(yù)應(yīng)力自復(fù)位鋼框架建立了簡(jiǎn)化分析模型，考慮樓板及次梁的作用組建三維分析模型，進(jìn)行單調(diào)、循環(huán)推覆和時(shí)程分析。徐燁等［87］對(duì)功能可恢復(fù)（ERMR）鋼框架建立簡(jiǎn)化力學(xué)模型并進(jìn)行性能分析。ERMR鋼框架采用ERR柱［76］及RBRF鋼梁［15］，其構(gòu)造如圖18所示。根據(jù)建立的簡(jiǎn)化力學(xué)模型，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制，并針對(duì)框架中的鋼柱及鋼梁給出推薦強(qiáng)構(gòu)件阻尼系數(shù)。

陳云等［8890］對(duì)預(yù)制自復(fù)位鋼框架進(jìn)行試驗(yàn)研究。該框架采用可恢復(fù)搖擺柱腳［91］，通過高強(qiáng)錨桿與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)連接，在高強(qiáng)錨桿上設(shè)置碟形彈簧，為結(jié)構(gòu)提供自復(fù)位能力。梁端部分采用帶外部BRB支撐的可恢復(fù)鉸接鋼梁，其構(gòu)造如圖19所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，框架試件具有良好的自定心能力和良好的耗能能力，呈現(xiàn)出完整的雙旗形滯回曲線。梁、柱在整個(gè)加載過程中均保持著彈塑性損傷，而彈塑性損傷僅限于梁端BRB支撐。

針對(duì)RCS混合框架結(jié)構(gòu)的整體性能，門進(jìn)杰等［9294］進(jìn)行RCS混合框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法和量化指標(biāo)研究，結(jié)合混凝土柱和鋼梁的性能特點(diǎn)，重新定義其性能水平?？紤]樓板組合作用的影響，建立了適用于RCS混合框架結(jié)構(gòu)的地震損傷模型，得到RCS混合框架結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)混凝土框架具有更好的結(jié)構(gòu)變形性能的結(jié)論。楚留聲等［7］使用Abaqus對(duì)型鋼混凝土柱－鋼梁混合框架進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，研究結(jié)構(gòu)相應(yīng)，分析混凝土樓板對(duì)鋼梁的應(yīng)力分布變化影響。

對(duì)于帶耗能框架和主框架的RCS混合框架結(jié)構(gòu)（圖16），門進(jìn)杰等［9596］對(duì)其功能可恢復(fù)的受力特征進(jìn)行分析，結(jié)合框架的屈服機(jī)制和預(yù)期受力狀態(tài)提出其抗震設(shè)計(jì)方法。為控制結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制，將耗能構(gòu)件屈服與結(jié)構(gòu)屈服時(shí)的剛度比和位移比作為結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計(jì)時(shí)的控制參數(shù)?；谒岢龅脑O(shè)計(jì)方法，對(duì)一幢帶可更換構(gòu)件的RCS混合框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，并進(jìn)行非線性靜力分析以及動(dòng)力時(shí)程分析。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的RCS混合框架結(jié)構(gòu)具有預(yù)期的屈服機(jī)制，滿足結(jié)構(gòu)在不同地震作用水平下預(yù)期的受力狀態(tài)和性能水準(zhǔn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。

4結(jié)論與展望

4.1結(jié)論

1） 近年來(lái)，針對(duì)RCS混合框架結(jié)構(gòu)已有深入研究。RCS混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)整體性強(qiáng)，混凝土柱性能不斷提高，組合梁性能優(yōu)異，具有施工周期快、減少碳排放、鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)勢(shì)。

2） 功能可恢復(fù)構(gòu)造基于“損傷控制+震損可替換”技術(shù)，通過合理設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)的損傷集中于可拆卸更換的部位，損傷發(fā)生后僅針對(duì)受損部位進(jìn)行更換即可恢復(fù)建筑性能。RCS混合框架結(jié)構(gòu)使用鋼結(jié)構(gòu)梁，其使用螺栓裝配連接、不易開裂的特點(diǎn)，可以很好地與可恢復(fù)構(gòu)造結(jié)合。

3） 由于鋼梁的加入，RCS混合框架結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)混凝土框架具有更好的結(jié)構(gòu)變形性能。功能可恢復(fù)技術(shù)應(yīng)用于RCS混合框架結(jié)構(gòu)后，該優(yōu)勢(shì)能否進(jìn)一步發(fā)揮值得深入研究。

4.2展望

1） 對(duì)于功能可恢復(fù)鋼梁的研究已較為深入，然而可更換鋼梁的上翼緣部位構(gòu)造復(fù)雜，往往需要占用較大空間，導(dǎo)致該部位樓板被削弱。下一步研究應(yīng)更多考慮可更換構(gòu)造與混凝土樓板間相互沖突問題，簡(jiǎn)化可更換鋼梁上翼緣構(gòu)造。此外，當(dāng)前研究主要著眼于其平面內(nèi)抗彎性能，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，還應(yīng)考慮功能可恢復(fù)鋼梁受扭的貢獻(xiàn)，需對(duì)該部分性能進(jìn)一步研究。

2） 對(duì)于功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)中的組合樓板，研究人員應(yīng)進(jìn)一步考慮其與可恢復(fù)鋼梁的耦合作用?？紤]樓板對(duì)結(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)的同時(shí)，應(yīng)解決其受損后如何進(jìn)行性能恢復(fù)的問題，研發(fā)裝配式組合樓板，賦予樓板可替換能力。另一種思路是，在樓板與鋼梁之間設(shè)置柔性連接，隔離相對(duì)變形，保護(hù)樓板不受損傷，但該種構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響需另行考慮。

3） 在框架中設(shè)置自復(fù)位耗能支撐或耗能墻板可以控制結(jié)構(gòu)地震相應(yīng)，減小殘余變形。因此，可在RCS混合框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用自復(fù)位耗能支撐、耗能墻板，作為RCS混合框架結(jié)構(gòu)耗能的第一道防線。

4） 在功能可恢復(fù)構(gòu)件層面研究的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步進(jìn)行功能可恢復(fù)框架性能試驗(yàn)。探究框架中可恢復(fù)鋼梁及可恢復(fù)柱腳協(xié)同工作情況，驗(yàn)證功能可恢復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；進(jìn)行不同加載路徑的框架性能測(cè)試，驗(yàn)證功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)在三維空間內(nèi)的性能表現(xiàn)。

5） 功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)在地震作用下變形較大，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性不同于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。為保證結(jié)構(gòu)損傷集中在耗能板上，需通過合理設(shè)計(jì)控制各構(gòu)件的屈服順序；而為保證結(jié)構(gòu)可恢復(fù)能力，需對(duì)結(jié)構(gòu)殘余變形進(jìn)行嚴(yán)格限定。因此，需在深入研究后提出適用于功能可恢復(fù)RCS混合框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

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（責(zé)任編輯： "黃仲一英文審校： 方德平）