搖擺耗能自復(fù)位鋼結(jié)構(gòu)研究發(fā)展

朱非白

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

0 引言

目前關(guān)于地震的研究和經(jīng)驗(yàn)表明對(duì)于地震后難損壞、易修復(fù)建筑物的需求越來(lái)越大。為此發(fā)明出一種新型搖擺耗能自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)體系，首先通過弱化結(jié)構(gòu)部件以減小地震反應(yīng);其次耗能構(gòu)件集中在結(jié)構(gòu)損傷位置，實(shí)現(xiàn)耗能功能并且易于修復(fù)或更換;最后無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋提供結(jié)構(gòu)的自復(fù)位功能。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)于此類結(jié)構(gòu)體系的研究進(jìn)展和成果，主要包括抗震性能和自復(fù)位性能［1］。

1 節(jié)點(diǎn)搖擺耗能

2002年，Constantin［2］在無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力鋼框架結(jié)構(gòu)中，針對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼梁梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)和模型分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示，由于預(yù)應(yīng)力筋的高強(qiáng)度特性提供接頭自復(fù)位能力，節(jié)點(diǎn)無(wú)殘余變形發(fā)生，裝設(shè)的消能鋼棒也發(fā)揮了耗能作用。

2002年以來(lái)，Ricles等［3］進(jìn)行了自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)研究，進(jìn)行了9個(gè)大比例節(jié)點(diǎn)的抗震試驗(yàn)，后張預(yù)應(yīng)力自復(fù)位鋼框架節(jié)點(diǎn)如圖1，圖2所示，其基本構(gòu)成包括框架梁、柱、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件、角鋼或摩擦件等構(gòu)件。其中，水平布置的鋼絞線對(duì)框架梁產(chǎn)生壓力并承受彎矩，梁端的剪力由梁柱接觸面上的摩擦力和梁端的角鋼共同承擔(dān)。當(dāng)?shù)卣鹱饔眠_(dá)到一定程度時(shí)，梁柱的接觸面張開，角鋼出現(xiàn)塑性變形并耗能，從而避免了梁柱等主體構(gòu)件的損壞。地震作用后，結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下恢復(fù)到原位置。研究表明，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行自復(fù)位鋼框架未出現(xiàn)殘余變形。可見，合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)鋼框架結(jié)構(gòu)的“可恢復(fù)功能”。

圖1 帶消能鋼棒的自復(fù)位鋼節(jié)點(diǎn)

圖2 自復(fù)位鋼框架節(jié)點(diǎn)

2005年，Rojas等［4］在上述研究基礎(chǔ)上，在鋼框架梁柱連接轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)處引入摩擦板(見圖3)，既允許節(jié)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，又使節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦消能。文獻(xiàn)同時(shí)對(duì)6層4跨消能節(jié)點(diǎn)自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)震作用下的計(jì)算分析，結(jié)果表明該框架具有良好的耗能能力、自復(fù)位能力和足夠的強(qiáng)度，其抗震性能優(yōu)于傳統(tǒng)焊接鋼框架結(jié)構(gòu)。

Garlock等［5］于2007年提出了后張預(yù)應(yīng)力自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和步驟。

圖3 消能節(jié)點(diǎn)自復(fù)位鋼框架

2 整體搖擺耗能

整體搖擺耗能鋼結(jié)構(gòu)體系放棄在節(jié)點(diǎn)設(shè)置無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋弱化節(jié)點(diǎn)，而是通過柱腳提離，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體搖擺耗能功能。

2.1 柱腳弱化框架

Midorikawa 等［6］(2003，2006)通過在提離鋼柱腳與基礎(chǔ)之間設(shè)置耗能翼板(見圖4，圖5)，利用搖擺鋼框架在柱腳的集中變形來(lái)耗散地震能量，并通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證了這種搖擺耗能結(jié)構(gòu)體系的減震效果。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，小震下，固定柱腳與帶有耗能翼板提離柱腳的鋼框架的最大樓層剪力基本相當(dāng);大震下，帶有耗能翼板提離柱腳框架的樓層剪力顯著減小，最大減小了52%，而兩者上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)位移及頂點(diǎn)位移卻很接近。分析表明，提離后耗能翼板屈服導(dǎo)致鋼柱中拉力持續(xù)增大并達(dá)到穩(wěn)定值，并且比固定柱腳的拉力值小;而最大壓力和固定柱腳幾乎一樣。同時(shí)數(shù)據(jù)表明，搖擺過程中柱底所受剪力通過耗能翼板傳遞到基礎(chǔ)，搖擺運(yùn)動(dòng)并沒有削弱耗能翼板的抗剪能力。

圖4 帶有耗能翼板的搖擺結(jié)構(gòu)

圖5 帶有耗能翼板的鋼柱腳

Pollino和Bruneau［7］提出一種針對(duì)橋梁鋼桁架橋墩的搖擺控制體系，其中在結(jié)構(gòu)的基底設(shè)置耗能消散器，以控制搖擺體系的地震反應(yīng)。設(shè)計(jì)這樣的裝置是用來(lái)減小對(duì)結(jié)構(gòu)保持彈性的需求，為提高抗震性能提供了一種加固方案，同時(shí)損傷全部都可以發(fā)生在方便更換的結(jié)構(gòu)元件上，如圖6所示。設(shè)計(jì)者能夠預(yù)測(cè)搖擺過程中結(jié)構(gòu)的最大恢復(fù)力，從而構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)都可以設(shè)計(jì)成保持彈性。

圖6 采用搖擺機(jī)制的鋼桁架橋墩加固方案

2.2 搖擺支撐框架

Sause，Roke等［8］針對(duì)傳統(tǒng)同心支撐框架體系(SC-CBF)屈服前變形能力有限以及屈服后剛度強(qiáng)度急劇降低等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種具有自復(fù)位能力的同心支撐搖擺框架。該體系通過豎向的預(yù)應(yīng)力來(lái)控制框架圍繞其旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)并提供恢復(fù)力，從而實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能。側(cè)向力較小時(shí)，結(jié)構(gòu)的彈性變形與傳統(tǒng)的CBF框架相似。側(cè)向力較大時(shí)，框架底的傾覆力矩足夠大而能使柱腳發(fā)生提離。當(dāng)柱腳提離后，框架圍繞“受壓”柱底發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，柱中后張預(yù)應(yīng)力筋在框架提離運(yùn)動(dòng)中拉伸，應(yīng)力增加，這為框架提供了積極的側(cè)向剛度。在此過程中，結(jié)構(gòu)可通過耗能元件進(jìn)行耗能。研究表明，采用合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，主體結(jié)構(gòu)可控制在彈性變形范圍內(nèi)。

圖7給出了三種SC-CBF形式，其中圖7a)中的預(yù)應(yīng)力施加在兩側(cè)的框架柱上，框架柱同時(shí)承擔(dān)豎向的重力荷載和預(yù)應(yīng)力。搖擺過程中既有預(yù)應(yīng)力筋提供的恢復(fù)力，又有重力荷載提供的反傾覆力矩。

圖7b)兩套柱系統(tǒng)分別承受豎向荷載和水平地震作用，并在兩柱之間設(shè)耗能元件，以加強(qiáng)高階振型下的耗能效果，豎向預(yù)應(yīng)力施加于跨中的支撐節(jié)點(diǎn)部位。

圖7c)則是圖7b)的改進(jìn)形式，通過在上部樓層中設(shè)置一定數(shù)量的豎向支撐，以改善豎向預(yù)應(yīng)力的傳遞，避免了應(yīng)力集中。

圖7 三種SC-CBF形式

2010年2月完成的大比例試驗(yàn)表明，在最大預(yù)計(jì)地震作用下，頂點(diǎn)位移角達(dá)到4%，此時(shí)SC-CBF體系仍表現(xiàn)出良好的自復(fù)位性能，主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性范圍。

Deierlein等［9］于2009年設(shè)計(jì)了由鋼支撐框架、豎向后張預(yù)應(yīng)力鋼筋以及可更換耗能元件組成的搖擺結(jié)構(gòu)體系，提出一種既抗震效果顯著又經(jīng)濟(jì)安全的結(jié)構(gòu)形式。此鋼支撐框架與Roke設(shè)計(jì)的搖擺支撐框架類似(見圖8)，預(yù)應(yīng)力筋安裝在跨中的支撐節(jié)點(diǎn)部位，耗能裝置位于基礎(chǔ)與框架之間，作為預(yù)期損傷部件(見圖9)。這一預(yù)期損傷機(jī)制在E-Defence進(jìn)行的足尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

Eatherton等［10］于2009年將兩個(gè)搖擺鋼支撐框架并排組成雙框架結(jié)構(gòu)，兩個(gè)框架之間用沿高度布置的耗能元件連接(見圖10)。兩個(gè)支撐框架在水平地震作用下發(fā)生搖擺后，框架之間的豎向錯(cuò)動(dòng)使耗能元件屈服耗能，從而降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。這種帶有便于更換耗能元件的自復(fù)位搖擺結(jié)構(gòu)體系更易于震后的修復(fù)。1/2比例擬動(dòng)力試驗(yàn)中，此雙鋼框架保持彈性，損傷僅集中在耗能元件上。同時(shí)，結(jié)構(gòu)其余部分非線性滯回性能提供了結(jié)構(gòu)的自復(fù)位功能。研究還表明，即使傾覆力沒有使耗能元件屈服，自復(fù)位系統(tǒng)仍能控制結(jié)構(gòu)殘余變形。

圖8 自復(fù)位的搖擺支撐框架體系

圖9 搖擺支撐框架體系耗能元件

圖10 搖擺鋼雙框架

3 結(jié)語(yǔ)

搖擺耗能鋼框架把結(jié)構(gòu)的損壞集中在可恢復(fù)減震耗能元件上，此元件可以在結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接的部位，也可以在梁柱節(jié)點(diǎn)處，以及結(jié)構(gòu)體之間的連接部位。搖擺耗能鋼框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性能特點(diǎn)比如，自復(fù)位，柱底搖擺，以及損傷控制都在試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，并具有較好的工程使用前景。現(xiàn)在對(duì)自復(fù)位結(jié)構(gòu)的研究仍在繼續(xù)開展，同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室正在進(jìn)行受控?fù)u擺式鋼筋混凝土框架的研究。隨著各國(guó)學(xué)者的努力研究，具有自復(fù)位與耗能能力的結(jié)構(gòu)體系必將在抗震結(jié)構(gòu)中得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］郭 彤，宋良龍.自定心鋼框架抗震性能研究進(jìn)展［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2010，30(5):10，51-54.

［2］Christopoulos C，F(xiàn)iliatrault A，Uang C M，et al.Post-tensioned energy dissipating connections for moment-resisting steel frames［J］.J.Struct.Eng.，2002，128(9):1111-1120.

［3］Ricles，J.M.，R.Sause，M.Garlock，et al.Post-Tensioned Seismic-Resistant Connections for Steel Frames［J］.Journal of Structural Engineering，2010，127(2):113-121.

［4］Rojas P，Ricles J M，Sause R.Seismic performance of post-tensioned steel moment resisting frames with friction devices［J］.Journal of structural engineering，2005(131):529.

［5］Garlock M M，Sause R，Ricles J M.Behavior and design of posttensioned steel frame systems［J］.Journal of structural engineering，2007(133):389.

［6］Midorikawa，M.，Azuhata，T.，Ishihara，T.and Wada，A..Shaking table tests on seismic response of steel braced frames with column uplift.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2010，35(14):1767-1785.

［7］Pollino M，Bruneau M.Seismic retrofit of bridge steel truss piers using a controlled rocking approach.J Bridge Eng ASCE，2007，12(5):60-63.

［8］Roke，D.，R.Sause，J.，mRicles，C.Y.Seo and K.S.Lee.Self-Ce-ntering Seismic-Resistant Steel Concentrically-Braced Frames，Proceedings，Eighth U.S.National Conference on Earthquake Engineering，San Francisco，April，EERI.

［9］Deierlein，G.G.，Hajjar，J.F.，Eatherton，M.，Billington，S.，Krawinkler，H.and Ma，X..Seismically Resilient Steel Braced Frame Systems with Controlled Rocking and Energy Dissipating Fuses，George E Brown Jr.Network for Earthquake Engineering Simulation(NEES)7th Annual Meeting，June 23-25，2009，Honolulu，Hawaii.

［10］Eatherton，M.，Hajjar，J.F.，Deierlein，G.G.，Krawinkler，H.，Billington，S.and Ma，X..Controlled Rocking of Steel-Framed Buildings with Replaceable Energy-Dissipating Fuses，Proceedings of the 14th World Conference on Earthquake Engineering，Beijing，China，October，2008:12-17.