可恢復功能的抗震結構研究進展

范 文 杰

(山西省介休市建筑設計院，山西 介休 032000)

1 概述

由于我國位于歐亞地震帶和環太平洋地震帶的交界處，因此是地震活動最為頻繁的地區之一[1]。我國所有地區都位于6度及以上，在發生地震災害時，將會面臨著相當嚴重的震害風險[2]。與此同時，地震過后還會造成巨大危害，例如：建筑物的倒塌、山洪、海嘯等，嚴重威脅人類的生命和財產安全。

21世紀以來，地震的次數越來越多。由于當前技術的不足，地震無法準確預測，我們應該做的是提高自身房屋結構的穩定性，做好相應的防護措施。由于地震會帶來嚴重的次生災害，導致建筑物破壞，因此會造成較大損失[3]。正是由于地震帶來了巨大的災難，人們不斷從悲痛中總結規律，進一步加大對地震方面的研究，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，還要求結構在震后的救援工作中能夠實現快速恢復其使用功能的作用，這對于震后的重建和社會的穩定有著舉足輕重的作用[4]。在地震造成的損失中，很多因為結構破壞嚴重，只能拆除重建或者需要花費大量人力物力去修復，這造成了巨大財產損失[5]。因此，如何使建筑在大震后具備快速恢復使用功能的目的已經成為當今結構抗震的研究熱點。

2011年，可恢復功能的概念首次被提出[6]。主要的實現方法有：自復位結構、搖擺墻結構、可更換構件結構等[7-9]。由此可見，這種可恢復結構成為當前研究的主要發展方向，本研究根據國內外對于可恢復結構的不同實現方法進行總結，并對這種結構未來的發展前景進行分析研究，為今后可恢復功能的研究提供一定的理論基礎。

2 梁柱自復位結構

自復位結構是將自復位、耗能、裝配式三種理念融合起來的一種設計理念[10]。自復位顧名思義就是物體在受到外力的作用下，無需借助外力憑借自身的能力就可以恢復原來的形狀和位置。耗能能力通常是構件對地震能量消耗的能力，一般結構的滯回曲線飽滿程度越高，耗能性能越好。這種自復位裝配式耗能結構有靈活度高、操作方便、工期短、對環境影響較小的優點，這種結構在地震破壞后因為能夠實現快速更換，迅速恢復其使用功能而成為當前發展的主要潮流。20世紀90年代，Stone[11]和Priestley[12]通過在梁中添加預應力筋使梁柱具有自復位的能力；2008年，Lin等[13]采用在梁柱節點處增設阻尼器的手段使節點在變形后能夠恢復到初始位置。近年來，我國的自復位梁柱也有了較好發展，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行了研究，結果表明：這種有限元模擬方法較為可靠，自復位框架各層的速度、加速度、周期與剛框架較為接近，震后殘余位移較小，自復位效果較好，優勢比較明顯。

呂西林、陳云、王先鐵等[9，15，16]設計了一個雙層自復位混凝土框架結構，用預應力筋將上部結構和承臺連接，梁采用螺栓和角鋼連接在柱子上，中間用鋼板隔開，在梁中設置預應力鋼絞線，具體模型示意圖如圖1所示，對結構進行了振動臺試驗，結果表明：這種自復位框架的抗震性能和自復位能力較好，延性和變形能力較強，殘余位移較小，自復位能力能夠得到有效發揮，但是在較大地震下，結構的耗能能力有所降低，因此可以適當的加大耗能構件的數量，但是也不宜過多，否則會影響結構的自復位能力。

因此，在地震后，梁柱的自復位構件能夠作為一種可更換的抗震結構，這種結構的重點是通過結構的自復位能力，使得結構的破壞發生在耗能構件上，然后對損壞的耗能構件進行更換，從而能夠達到快速恢復其使用功能的目的，結構的主體結構得到了保護，但是當前研究的主要方面是耗能構件的快速更換，并沒有對耗能構件的形式進行系統的研究，也是今后需要繼續研究的方向。

3 帶可更換構件的結構

帶可更換的結構[17]，是將節點某處強度削弱，或者在節點某處設置耗能構件，這種耗能構件為可更換結構。這種結構可以與主體結構進行裝配，并且這種裝配方法方便拆卸[18-22]。在地震作用下，主要是可更換構件發生破壞，利用這些構件對地震產生的多余能量進行消耗，因此，結構的主體基本不會發生破壞，也容易在震后進行修復和更換。

3.1 橋梁結構可更換構件

彭康林等[23]提出了一種新的橋梁加固方法，這種加固方法通過預應力筋來實現，主要介紹了三方面的內容：1)介紹了在荷載作用下橋梁的力學性能；2)介紹了混凝土的疲勞現象，作為這種新的加固方法的研究基礎；3)系統的介紹了這種新的加固方法，并進行了公式推導和驗算。結果表明：這種新的加固方法具有一定的指導意義，為研究出新的加固方法提供了依據。

橋梁工程中最早使用了可更換構件，2001年Tang和Manzanarez[24]設計了一種可更換的鋼構件，一些學者[25，26]對這種新型構件進行了試驗，結果表明：這種塑性鋼構件的連接方法降低了結構的位移與彎矩，使得結構始終為彈性狀態，也可以通過拆卸來快速更換構件，從而實現快速恢復。

2009年Marriott等[27]提出了一種預制結構外置的可更換阻尼器，這種阻尼器材料價格低廉，具體形式如圖2所示，Marriott等對這附加新型阻尼器的橋墩進行了擬靜力試驗和雙向擬靜力試驗[28],結果表明：結構的破壞大部分集中在這種新型阻尼器上，其余結構裂縫較少，并且這種新型阻尼器也可以快速更換，具有一定的指導意義。

3.2 框架結構可更換構件

Oh等[29]提出了一種可更換的帶縫阻尼器，如圖3所示，通過高強螺栓與鋼梁下部連接，通過試驗，結果表明：這種阻尼器滯回性能良好，能夠對多余的能量進行消耗，構件在加載過程中保持彈性，能充分發揮結構的變形能力。

Castiglioni等[30，31]提出了一種可更換保險絲構件，這種構件的連接方式為：在連接節點處將鋼梁斷開，再通過一塊鋼板將斷開的梁與腹板進行連接，對8個橋墩模型進行擬靜力試驗，結果表明：這種新型構件耗能能力強，試驗完成后，很少的工人在很短的時間內就能對破壞了的保險絲進行更換。

在柱腳的可更換結構中，2016年，劉其舟等[32]設計了一種新型鋼管混凝土可更換墻腳構件，該構件的主體部分由斜鋼托、預緊線圈、抗壓鋼墊片、軟鋼內芯、混凝土和鋼管套組成，軟鋼內芯和混凝土之間沒有粘結。通過有限元軟件對安裝該種可更換構件剪力墻(新型剪力墻)和傳統剪力墻抗震能力做了對比分析，得出新型剪力墻的承載力和耗能性能均優于傳統剪力墻，且在分析過程中新型剪力墻的非更換區域沒有出現明顯的破壞。

3.3 剪力墻結構可更換構件

2011年Cortes和Lin研究了一種帶豎縫的鋼板墻框架，構件中有豎縫的鋼板墻只承受較小的側向力，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，通過試驗分析表明：這種結構耗能能力強，破壞均發生在連接處。

Hebdon等[33]研究了鋼板墻結構樓層強度的退化情況，通過數值模擬可得：框架梁柱的剛度與鋼板墻的強度隨著樓層的加大而退化明顯，試驗還指出，通過調整螺栓的連接位置能夠調節結構的殘余位移角。

3.4 發展前景概述

目前，這種可更換結構在地震過程中運用廣泛，能夠在地震后實現快速更換以達到快速恢復其使用功能的目的，目前對于可更換墻角的剪力墻結構研究比較少，因為其他形式的連梁剪力墻結構的可更換形式相對簡單，而相對于柱腳的可更換結構，由較為復雜的結構組成，如：橡膠、軟鋼、混凝土等工藝，對于組裝的工藝有著比較高的要求，因此設計出一種結構簡單、抗震性能好、安裝方便的可更換墻角是接下來需要研究的方向。

4 搖擺墻結構

在地震中，搖擺墻結構[34]也是一種在地震破壞后能夠快速恢復其使用功能的構件。其中搖擺墻是一種剪力墻，這種剪力墻與搖擺方向一致，底部通過鉸接與結構連接起來，轉動能力較好。在地震中通過一定幅度的擺動消耗能量，使得結構主體免于破壞，搖擺墻結構一般有兩種形式，分為受控搖擺墻和自由搖擺墻兩種。

4.1 受控搖擺墻

搖擺墻最初源于后張法無粘結預應力混凝土墻的研究，Preti等[35]進行了搖擺墻低周反復荷載試驗，結果表明：這種剪力墻滯回曲線為旗幟型，Zibaei等[36]通過數值模擬對比了10層以及20層的混凝土框架、框架剪力墻、框架搖擺墻，結果表明：搖擺墻延性最好，層間位移更為均勻。

受控搖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模型，通過動力時程分析方法，對比了有搖擺剪力墻的結構和無搖擺剪力墻結構的抗震性能，結果表明：這種搖擺墻加固方法使得塑性鉸更加均勻，設置預應力筋和阻尼器可以提高結構的耗能效果，從而降低了結構的殘余變形。

4.2 自由控搖擺墻

與受控搖擺墻不同，自由搖擺墻不是結構而是機構，這種結構也是允許在地震作用下，墻體下部和基礎之間能夠進行一定角度的轉動，依靠自身的重力和相連結構的約束來完成墻體的自恢復，并不依靠預應力筋來恢復自由搖擺墻也有兩種類型，分別為外掛式搖擺墻和內嵌式搖擺墻兩種形式，外掛式顧名思義在結構外部，通過阻尼器等各種連接構件相連，內嵌式在結構內部將梁柱連接。

對于外掛式搖擺墻，楊樹標等研究了外掛式搖擺墻對結構的抗震性能，對一個四層框架進行了靜力分析，結果表明：結構的抗震性能和變形與搖擺墻剛度有關，一定范圍內剛度越大，性能越優，但進一步增大結構的剛度，結構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，結構的變形在合理的變化范圍之內。

4.3 發展前景概述

目前，搖擺墻結構仍處于理論和探索階段，對于實際工程中的應用還比較少，主要還是通過實驗室進行試驗研究的，相較于受控搖擺墻和自由搖擺墻，受控剪力墻因為有預應力筋的作用，具有較好的自我恢復能力，但預應力筋的施工工藝較為復雜；自由式搖擺墻主要通過墻體自重來提供，恢復力沒有受控搖擺墻效果好，但是整個結構形式較為簡單，施工較為方便。相比較外掛式搖擺墻和內嵌式搖擺墻的加固應用，兩者均可為作為加固構件用到實際工程中去，目前搖擺墻的理論已經越來越成熟，但是如何將搖擺墻運用到實際中去，成為以后研究的主要方向。

5 結語

通過對可更換構件的結構、搖擺墻結構以及梁柱自復位結構近年來的發展趨勢總結可以得到以下結論：

1)人們對震后可恢復越來越重視，雖然可恢復功能的抗震結構在研究上取得了一定的進展，但是作為一個新興的概念，值得我們進一步研究和學習，可恢復功能的構件也可以與其他防震結構結合，進一步實現可恢復城市的發展。

2)可恢復功能最大的優點就是在地震后，能夠小修或者不修就能夠快速恢復其使用功能，并且更換速度較快，是以后結構抗震的主要研究方向。

3)實現可恢復結構的方法有自復位結構、可更換和耗能結構、搖擺墻結構，通過合理的設計和計算，能夠為以后結構的防震設計提供一定的理論基礎。