搖擺減震框架結構抗震性能試驗研究*

張國偉 趙紫薇 吳繼豐 陳 鵬

(北京建筑大學，北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044)

我國保存至今的多數古代木質結構立柱與礎石通常采用平擺浮擱的連接形式，地震作用下柱腳與礎石產生相對滑移，伴隨立柱抬起回落，使結構發生搖擺運動，并利用結構自重使柱腳不斷復位，進而延長結構的自振周期以降低結構地震作用。這種“以柔克剛、滑移隔震”的抗震思想對于現代建筑的減震及隔震具有一定的借鑒和指導意義［1］。

近代學者通過對實際結構震害的研究分析，發現結構搖擺有利于減輕結構的地震作用，并提出了結構搖擺的概念［2］。國內外學者針對不同形式搖擺結構的抗震性能進行了分析和評估：Huckelbridge等通過振動臺試驗證明柱腳抬起可降低結構基底剪力，減輕結構地震響應［3］;Midorikawa等將鋼支撐框架柱腳設計為翼板與基礎栓接，利用翼板屈服變形消耗地震能量［4］;魯亮等通過將混凝土框架柱腳與梁柱節點均設置為鉸接，并采用阻尼器控制結構變形，振動臺試驗結果表明：8度抗震設防烈度下結構可實現搖擺，罕遇地震下主體框架承重構件保存完好［5-6］;文獻［7-9］研究了搖擺墻結構體系的抗震性能，通過鋼阻尼器將搖擺墻與原框架相連，對某建筑采用附加搖擺墻進行抗震加固以提高結構整體變形能力，并在地震中通過剪切阻尼器耗散地震能量。上述研究結果表明：結構搖擺能有效降低地震作用且在損傷位置布置耗能構件以保護主體結構。因此，研究搖擺結構對框架結構抗震性能及破壞模式的影響具有重要意義。

在防屈曲支撐框架結構體系中，防屈曲支撐(BRB)具有拉壓性能基本一致、提高抗側剛度和耗能能力等優點，使其在各國的建筑工程中得到廣泛應用［10-12］。當與支撐相連一側的框架底柱承受的豎向壓力不足以抵消支撐累積的豎向拉力時(圖1)，將對框架柱和混凝土基礎造成嚴重破壞，可能導致與支撐相連的框架底層柱變形嚴重，并先于支撐破壞，影響支撐耗能作用的發揮，從而限制防屈曲支撐在高層建筑中的應用［13-15］。

圖1 結構受力分析示意Fig.1 Structural mechanical analysis diagram

鑒于搖擺結構的性能優點，提出柱腳可抬起的搖擺防屈曲支撐-鋼筋混凝土框架結構，該結構將與支撐相連的框架柱腳從基礎斷開，并在柱腳兩側布置阻尼器。設計了一榀固接防屈曲支撐-鋼筋混凝土框架(BRBF)、一榀搖擺防屈曲中心支撐-鋼筋混凝土框架(RBRBF1)和一榀搖擺防屈曲單斜支撐-鋼筋混凝土框架(RBRBF2)，對其進行擬靜力試驗，研究搖擺防屈曲支撐-鋼筋混凝土框架抗震性能、損傷分布及不同支撐布置方式對抗震性能的影響，并驗證搖擺耗能柱腳的可行性，為搖擺防屈曲支撐-框架結構的進一步研究提供試驗依據。

1 試驗概況

1.1 框架設計

試驗原模型為10層防屈曲中心支撐-鋼筋混凝土框架，設計滿足 GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》［16］的要求。選取其中一榀橫向框架的底部3層作為試驗模型，根據試驗場地及設備情況，確定縮尺模型比例為1∶3。框架梁、柱采用強度等級為C30的細石混凝土，保護層厚度為15 mm，梁、柱縱向受力筋為HRB400級，箍筋為 HPB300級，主體結構BRBF、RBRBF1和RBRBF2的具體尺寸及梁柱配筋如圖2所示。

1.2 防屈曲支撐設計

依據GB 50011—2010中鋼筋混凝土框架彈性層間位移角限值1/550及多道抗震防線需求，防屈曲支撐作為第一道抗震防線先于框架屈服，保護主體框架。因此，防屈曲支撐鋼芯的屈服層間位移角設為1/600。防屈曲支撐核心段采用一字型截面，約束單元由方鋼管內填強度等級為C30細石混凝土組成，鋼材均采用Q235級。防屈曲中心支撐與梁軸線夾角為48°，防屈曲單斜支撐與梁軸線夾角29°，以焊接的方式與預埋件進行連接，為防止約束單元由于鋼芯軸向變形發生相對錯動影響約束性能，在鋼芯中部設置限位卡，如圖3所示。防屈曲支撐具體尺寸見表1。

圖3 防屈曲支撐構造Fig.3 Configuration of BRB

表1 防屈曲支撐設計參數Table 1 Design parameters of BRB

1.3 搖擺耗能柱腳

試驗設計的搖擺柱通過摩擦阻尼器與底梁相連，耗能柱腳采用SBC(Slotted Bolted Conn-ections)節點［17］，由柱底主板、底梁副板、摩擦片3部分組成(圖4)，選用滯回性能較為穩定的黃銅-鋼摩擦面［18］。通過扭矩扳手使鋼板與摩擦片之間產生預緊力。多遇地震作用下，柱腳耗能阻尼器提供足夠的抗拉約束，柱端與底梁連接等同固接;設防烈度和罕遇地震作用下，柱底主板與底梁副板之間沿著槽孔可以發生錯動，柱腳抬起釋放柱中豎向拉力，柱腳抬起與回落過程中阻尼器可摩擦耗能并保護柱腳。

圖4 搖擺柱腳節點Fig.4 Rocking column-base joint

1.4 材性試驗結果

澆筑混凝土框架的同時，澆筑混凝土標準立方體試塊，在28 d標準養護條件下，測得立方體抗壓強度平均值為 34.88 MPa。按照 GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》［19］測得鋼筋的力學性能試驗結果如表2所示。

表2 鋼筋材性試驗結果Table 2 Test results of steel properties

對防屈曲中心支撐框架和防屈曲單斜支撐框架對應的支撐分別進行低周往復試驗，得到中心支撐和單斜支撐構件的試驗荷載-位移曲線，如圖5所示。可以看出：兩者滯回曲線均飽滿圓潤，耗能性能良好。

1.5 試驗裝置及加載方案

試驗在北京建筑大學結構實驗室進行，水平往復荷載通過3個1 000 kN水平電液伺服作動器施加，加載點為各層梁形心所在高度，往復荷載中拉力(向西側加載)通過各層梁兩側水平絲杠傳遞。采用球面鉸支座作動器對每根柱頂施加180 kN豎向壓力，模擬上部結構傳遞的豎向荷載，框架柱由西側至東側依次為A、B、C、D柱，加載裝置如圖6所示。

圖5 支撐荷載-位移曲線Fig.5 Hysteresis curves of BRB specimens

框架兩側布置限位桿以防止加載過程中發生面外失穩，如圖7所示，限位桿前端為圓鋼珠，以減少限位桿與梁擠壓所產生的摩擦力。

試驗加載采用位移控制，1～3層位移比例為0.36∶0.68∶1，每級循環 3 圈，加載制度如圖 8 所示，其中以作動器伸長為正，反之為負。

圖6 試驗加載裝置與測點布置Fig.6 Test loading set-up and measuring-point layout

圖7 側向防失穩裝置Fig.7 Lateral instability-prevented set-up

圖8 試驗加載方案Fig.8 Test loading protocol

1.6 測試內容與測點布置

通過DH3820數據采集系統實時采集作動器水平力、框架側移、支撐軸向變形、阻尼器間預緊力變化及鋼筋應變。試驗采用20個接觸式位移計測量試驗構件的變形情況，測點布置如圖6b所示。其中，位移計D1—D6分別測量1～3層防屈曲支撐軸向變形，D7—D9分別測量1～3層框架水平位移，D10測量加載過程中底梁滑移，D11、D12布置在2、3層中跨梁中部以監測框架在加載過程中的面外位移情況，D13—D16和 D17—D20用于測量兩搖擺柱抬起高度。壓力傳感器布置在每個摩擦阻尼器螺栓桿上以監測阻尼器鋼板之間預緊力的變化;應變片測量梁、柱節點處縱向鋼筋及節點核心區箍筋應變。

2 試驗現象

三榀框架均經歷了彈性階段、開裂階段、屈服階段，由試驗數據和現象得到各結構構件試驗現象及屈服順序，各構件損傷次序如表3所示。

表3 結構損傷次序Table 3 Damage sequence of the structure

加載初期，荷載較小，支撐軸力豎向分力小于柱豎向壓力與摩擦力之和，搖擺柱腳未抬起等同于固接柱腳，固接模型與搖擺模型試驗現象基本一致，框架基本處于彈性狀態。隨結構側移增加，BRBF中防屈曲支撐先于結構構件屈服，梁端出現少量細微裂縫，其拉伸情況見圖9a。罕遇地震位移下，預埋件附近出現大量豎向裂縫，梁底面混凝土開始掉落，BRBF和RBRBF1分別在層間位移角達1/60、1/100時于預埋件處出現塑性鉸，如圖9b、圖10b所示。圖11為RBRBF2層間位移角達到1/50時，底層柱損傷情況及整體裂縫分布情況。

三榀防屈曲支撐框架的試驗破壞特征相同之處：層間位移角達到1/400時，構件基本無新裂縫出現，結構處于彈性狀態。整個加載過程中，防屈曲支撐先于框架梁屈服，隨后各層梁兩端出現彎曲裂縫，柱出現裂縫比梁稍晚且寬度相對較小。柱側面以水平裂縫為主，雖出現了斜裂縫，但并未發生剪切破壞，實現了“強柱弱梁、強剪弱彎”的抗震要求。層間位移角達到1/50時，支撐未出現鋼芯被拉斷，支撐連接段及兩端連接板未出現扭轉失穩現象，與框架預埋件連接良好，為支撐與框架的協同工作及充分發揮支撐耗能作用提供了保障。不同之處：試驗過程中兩榀搖擺結構 RBRBF1、RBRBF2分別在層間位移角為1/150、1/200時柱腳抬起，釋放了柱中拉力。通過對比 RBRBF1(圖10c)與BRBF裂縫分布情況(圖9c)，可看出：RBRBF1框架搖擺柱 B、C柱裂縫數量均減少;底層搖擺柱出現裂縫晚于固減小。正向加載時，C柱抬起高度大于B柱，支撐跨梁對C柱有約束作用，因此D柱柱腳和C柱頂層梁柱節點區裂縫數量相對增多。RBRBF2邊跨由于設置防屈曲支撐剛度相對較大，搖擺柱抬起導致邊跨梁端轉角加大，塑性變形較大，從裂縫分布(圖11d)可看出：中跨裂縫分布在梁端，邊跨裂縫主要分布在梁端預埋件處。

圖9 BRBF構件損傷Fig.9 BRBF specimen damage

圖10 RBRBF1構件損傷Fig.10 RBRBF1 specimen damage

圖11 RBRBF2構件損傷Fig.11 RBRBF2 member damage

3 試驗結果及分析

3.1 滯回曲線

三榀框架的基底剪力-頂點位移曲線如圖12所示，整體上看，三者滯回曲線形狀都比較飽滿，搖擺與固接防屈曲支撐框架均具有良好的耗能能力。

層間位移角達到1/400時，基底剪力與頂點位移基本呈線性關系，搖擺柱未抬起等同固接，BRBF滯回曲線與RBRBF1滯回曲線基本一致，框架處于彈性狀態。隨結構側移增加，防屈曲支撐逐漸屈服耗能，整體結構剛度逐漸減小，變形不斷增大，滯回曲線斜率逐漸變緩，滯回環面積不斷增加。層間位移角達到1/60時，框架變形增大，梁、柱豎向裂縫增多，鋼筋逐漸屈服，承載力略微下降，因此第二、三圈加載曲線與第一圈加載曲線相比，滯回環面積相對減小。RBRBF2滯回曲線出現“捏縮”現象，主要因其柱腳抬起高度比RBRBF1的大，柱腳約束的放松使得部分損傷轉移到與支撐框架柱相連的框架梁端，鋼筋出現反復滑移。

圖12 滯回曲線Fig.12 Hysteretic curves

圖13 骨架曲線Fig.13 Skeleton curves

圖14 RBRBF1柱腳抬起高度Fig.14 Uplift heights of RBRBF1 column base

3.2 骨架曲線和柱腳抬起高度

將滯回曲線中每級目標位移下的基底剪力峰值點相連得到骨架曲線，如圖13所示。初始加載階段，框架基底剪力隨頂點位移呈線性增長;隨著側移增大，防屈曲支撐率先屈服耗能，框架梁端彎矩相應增大，開始出現裂縫，承載力增速變緩，骨架曲線接近水平，說明此階段防屈曲支撐屈服、梁端混凝土開裂，消耗了大部分的能量。對RBRBF1與 BRBF骨架曲線的對比發現：RBRBF1柱腳抬起使其基底剪力比BRBF有所減小，表明搖擺結構能夠減小地震作用。層間位移角達到1/50時，RBRBF1基底剪力基本不變，骨架曲線為平臺段，但BRBF由于一層框架反向加載時損傷嚴重，基底剪力在達到最大值后急劇下降，骨架曲線下降段為較短且較陡的曲線，說明搖擺結構的延性相對較好，適應變形能力強。

RBRBF1和RBRBF2搖擺柱腳抬起高度分別如圖14、圖15所示。RBRBF1加載過程中骨架曲線出現不對稱現象，即正向加載基底剪力大于反向加載基底剪力，主要是由于B柱柱腳阻尼器安裝精度不夠，使得主副板、摩擦片之間預壓力過大，B柱抬起高度小于C柱，因此正向加載時剛度相對較大，基底剪力較大。同一搖擺柱東西兩側抬起高度不同是由于加載過程中主、副板與摩擦片之間發生轉動摩擦，搖擺柱發生轉動;柱腳一側混凝土因搖擺柱轉動而導致柱底部分混凝土保護層壓潰，因此柱腳抬起高度出現負值。RBRBF2出現骨架曲線不對稱現象是由于作動器連接A柱，對柱的抬起過程產生一定約束作用，導致A柱抬起高度小于D柱。RBRBF2比RBRBF1的抬起高度更大，主要因為RBRBF2邊柱柱底傾覆彎矩較大且僅一側梁對其抬起程度有約束作用。

圖15 RBRBF2柱腳抬起高度Fig.15 Uplift heights of RBRBF2 column base

3.3 等效剛度

圖16 比較了各框架等效剛度退化曲線。加載初期，防屈曲支撐提供較大剛度，結構初始剛度大;位移加載至柱腳抬起階段，搖擺柱腳阻尼器提供足夠的抗拉約束，柱端與底梁等同固接，BRBF與RBRBF1等效剛度退化趨勢基本一致，此階段防屈曲支撐逐漸屈服，結構等效剛度不斷減小。層間位移角達到1/150時 C柱抬起，RBRBF1等效剛度退化速度快于BRBF，表明柱腳抬起降低了結構剛度。由圖14可看出：C柱抬起高度大于B柱，因此反向加載時剛度降低更加明顯，RBRBF1與 BRBF等效剛度差值更大。RBRBF2初始剛度退化規律與RBRBF1基本一致，由圖15可看出：D柱抬起高度大于A柱，反向加載時的結構剛度較正向加載時的等效剛度低，表明搖擺柱柱腳抬起有利于降低結構剛度，從而減小結構損傷。

圖16 等效剛度退化曲線Fig.16 Equivalent stiffness degradation curves

3.4 等效黏滯阻尼比

圖17 比較了各框架等效黏滯阻尼比。多遇地震作用下，結構基本呈彈性，等效黏滯阻尼比較小。搖擺柱腳抬起前，柱端與基礎底梁等同于固接，因此RBRBF1與BRBF等效黏滯阻尼比基本相同，此階段防屈曲支撐屈服耗能，等效黏滯阻尼比不斷增大。層間位移角達到1/150時，RBRBF1搖擺柱C開始抬起，柱腳阻尼器主副板與摩擦片摩擦耗能，等效黏滯阻尼比大于BRBF的，耗能能力比BRBF的更好。與RBRBF2相比，RBRBF1的黏滯阻尼比更大，表明采用中心布置的搖擺防屈曲支撐框架耗能能力更好。

圖17 等效黏滯阻尼比Fig.17 Equivalent viscous damping ratios

4 結束語

通過對防屈曲中心支撐-鋼筋混凝土框架、搖擺防屈曲中心支撐-鋼筋混凝土框架和搖擺防屈曲單斜支撐-鋼筋混凝土框架的擬靜力對比試驗及分析，得出以下結論：

1)試驗證明了搖擺防屈曲支撐框架具有良好的抗震性能。罕遇地震作用下，搖擺減震結構承載能力基本不變，延性相對較好，可以更好地發揮防屈曲支撐減震性能，防屈曲支撐采用中心布置滯回曲線更為飽滿。

2)設置的搖擺柱柱腳釋放了柱中過大的軸力，降低了基底剪力，減小了地震對框架柱的損傷，試驗證明底層搖擺柱裂縫明顯減少，表明搖擺結構適應變形的能力較強。

3)柱腳未抬起時，柱腳阻尼器提供足夠的抗拉約束，支撐框架的柱端相當于固接;RBRBF1與RBRBF2分別在層間位移角達到1/150、1/200時柱腳抬起，阻尼器在柱腳抬起與回落過程中保護柱腳，實現防屈曲支撐—梁—阻尼器—柱的屈服機制，具備多道抗震防線。

4)采用防屈曲支撐中心布置時，與支撐相鄰跨的梁柱節點區裂縫數量未明顯減少，單斜支撐邊跨布置導致中跨損傷較為嚴重。建議通過合理的構造設計，適當加強支撐角部預埋件梁端及相鄰跨梁柱端的約束，降低其損傷。