淺析自復位耗能結構研究進展

晁貝貝

(揚州大學 江蘇 揚州 225127)

一、前言

我國位于世界兩大地震帶之間，地震活動頻度高、強度大、是一個震災嚴重的國家[1]。唐山大地震的慘痛教訓引起了人們的反思，意識到建筑抗震的重要性。

目前國際上還沒有對自復位耗能結構做出公認的分類，各國學者對自復位的分類繁多，根據國內外研究進展，本文主要對基于搖擺效應的自復位系統(SCEDS)進行探討。

二、基于搖擺復位效應的SCEDS體系

(一)基于整體搖擺復位的SCEDS體系

搖擺(rocking)效應是指在地震作用下，結構向上抬升的趨勢可對結構本身起到保護作用[2]，且在地震后通過重力或預應力筋產生的恢復力實現自復位的效應。

搖擺效應研究始于1960年的智利大地震，震后人們發(fā)現許多可搖擺的瘦高結構物比一些看似穩(wěn)固的結構受到的震害輕。基于這一現象，加州理工學院的Housner教授[3]于1963年建立了搖擺剛體的力學模型并進行了一系列實驗與理論分析，論證了搖擺結構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位系統，該系統主要由鋼支撐框架、豎向后張預應力筋、與蝶形剪切耗能件組成。系統主要由蝶形耗能件消耗地震能量，后張預應力筋可以起到輔助耗能與加強結構恢復力的作用。兩年后，在其前期研究基礎上設計了單框與雙框兩種結構體系，并對雙框結果系統進行了2:3縮尺振動臺試驗，結果表明，該結構可以保持充足的韌性并有較小的殘余變形，驗證了有限元模型對層間位移比3%的預測。

2019年，Xiangri Geng等研究一種在柱與基礎之間開槽的自復位混凝土框架，細節(jié)圖如圖2所示，為保證復位能力，將后張預應力鋼筋布置在柱的中心線位置，并在槽口中設置縱向鋼筋進行耗能。設置槽口可使框架在地震中發(fā)生轉動耗能，又能消除在柱底端形成的集中力將柱腳壓碎的危害。實驗表明，該框架具有較好的復位能力，試件在2%的側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耗能系統，將粘滯阻尼器斜置于剪力墻和支撐柱之間，大約呈45度角。結構發(fā)生搖擺時，剪力墻與屋面產生間隙激勵粘滯阻尼器工作，從而達到耗散地震能量與控制結構變形的目的。并對其進行了有限元模型分析，結果表明，該系統可以將屋面位移降低到理想的范圍內。

2009年，A.wade等對日本東京理工大學津田校區(qū)的G3樓進行加固改造，將預應力混凝土搖擺墻通過阻尼器附著在抗彎框架上，從而減小結構在震中的變形，并基于ABAQUS軟件對該樓進行抗震性能評估，結果顯示，經過改造后的G3樓具有較好的地震響應。

2017年，孫志國等[5]提出一種搖擺-自復位雙柱墩結構，該結構主要由安裝在梁柱接縫處的角鋼耗能，由豎向設置的無粘結預應力筋提供復位力，針對單層雙柱墩結構建立了普通混凝土雙柱墩(RC試件)、含角鋼的搖擺-自復位雙柱墩(RSC-B-A試件)、含角鋼與耗能鋼筋的搖擺-自復位雙柱墩(RSC-B-AS試件)3種數值模型并進行抗震性能分析，結果表明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。

2019年，Dayang Wu等改進了傳統自復位鋼筋混凝土框架結構，建立了一種同時考慮核心剛度、粘性阻尼和復位裝置的參數模型，并對該模型進行了模擬分析。結果表明，該模型的各項指標均能達到預期的目標，為后面的初步設計階段奠定了良好的基礎。

(二)基于節(jié)點搖擺復位原理的SCEDS體系

在預制裝配式結構的梁柱節(jié)點位置設置后張預應力鋼筋，允許節(jié)點發(fā)生一定的轉角變形，耗散地震能量，可以在節(jié)點或其他位置設置摩擦或屈服機制，增加節(jié)點的耗能能力。

1993年Priestley和Tao提出在預制混凝土框架中采用無粘結預應力筋的連接方法，該結構允許梁柱節(jié)點在震中發(fā)生一定的轉動來抵消地震能量，并在震后通過預應力筋將其復位。

2005年，P.rojas等介紹了一種帶摩擦阻尼器的后張預應力耗能鋼框架(PFDC-MRF)，當梁柱因震動產生轉角變形，從而帶動錨固在梁翼緣上的摩擦阻尼器產生摩擦耗能，對PFDC-MRF框架體系進行了非線性時程分析，結果表明，PFDC-MRF具有良好的耗能能力與自復位能力，且具有較好的的強度。

2013年，Liang-long song等[13]提出一種新型腹板摩擦式自復位預應力混凝土(scpc)梁柱節(jié)點體系，對兩個全尺度scpc梁柱節(jié)點體系進行10次循環(huán)加載試驗，結果表明該體系具有良好的抗爭性能。

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

2016年，莊鵬等提出一種新型的滑動隔震支座(SFB)，并利用等頻三角法對該試件在不同條件下進行循環(huán)加載試驗，實驗表明，SFB具有較好的耗能能力與自位復位能力，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置了超彈性形狀記憶合金桿的框架節(jié)點中，可以有效的提高節(jié)點的耗能性能與抗彎能力，梁柱節(jié)點的復位關鍵在于對SMA桿的預應力。基于有限元軟件OpenSees對該自復位節(jié)點進行模擬。結果表明該摩擦耗能型SMA桿自復位梁柱節(jié)點具有良好的耗能性能與復位性能。

2019年，Xian Xu等將SMA筋與傳統鋼筋連接形成SMA復合鋼筋束，使剛連梁系統具有再次對中能力，并對該系統進行了靜態(tài)試驗。結果表明，自復位連桿梁的殘余變形小于0.16%。

三、結論與展望

對基于搖擺效應的SCEDS進行了闡述其研究現狀。需要指出得是，自復位自復位耗能框架還處于研究的理論階段，有待于應用于實體結構，并對其觀察研究，這需要一定的時間。還需對自復位耗能框架進行深入研究，豐富其耗能與復位系統。有待研究出一些價格低、耐久性與抗疲勞好的材料。相信自復位耗能框架的研發(fā)會是建筑上的一種轉折點，讓抗震設計進入新的時代。