可恢復功能的搖擺結構體系研究綜述

徐帥

（青島理工大學土木工程學院，山東青島 266033）

0 引言

傳統抗震設計理念通過延性設計方法實現保護生命財產的抗震目標，但會使結構產生難以修復的損傷變形，喪失使用功能，影響震后的生產及生活。為此，國內外學者將結構震后的快速恢復功能作為重要抗震研究方向并進行了大量研究，目前形成了搖擺結構、自復位結構、可更換構件結構及復合自復位結構四種可恢復功能抗震結構體系[1，2]。其中，搖擺結構通過釋放約束和增設耗能裝置等措施降低結構響應、耗散地震輸入能量，對提高建筑的抗震性能、實現震后快速恢復生產生活具有重要意義。國內外學者對搖擺框架、搖擺墻、消能搖擺架及搖擺橋墩等形式的搖擺結構體系進行了大量理論研究與試驗分析，并對節點和連接形式進行了優化設計，奠定了理論與應用基礎，實現了搖擺結構在建筑、橋梁領域的工程應用[3-5]。

1 搖擺結構簡介

搖擺結構是通過釋放基礎對整體框架、結構柱、剪力墻、橋墩等結構構件或組件的部分自由度的約束，形成搖擺界面，在地震作用下，搖擺界面上部構件或組件發生搖擺，產生允許范圍內的豎向抬升或無抬升的轉動變形模式，并可設置可更換耗能構件及自復位裝置，進一步通過結構在地震作用下的搖擺及耗能構件耗散地震輸入能量，達到提高結構抗震性能的目的。文中主要針對搖擺鋼筋混凝土框架結構、搖擺鋼框架結構、搖擺墻結構及搖擺橋墩結構等搖擺結構的主要研究方向進行了總結和梳理。

2 搖擺結構體系研究進展

1963 年，Housner[6]受到了在地震作用下通過基礎弱化處理的高位水槽具有更好抗震性能的啟發，首先提出了搖擺結構的概念，建立了搖擺質量塊剛體理論模型，如圖1 所示，分析了搖擺質量塊的周期和耗能，通過對搖擺質量塊在水平地震動激勵下的穩定性研究，指出搖擺質量塊能夠具有良好的穩定性能。在不同的結構體系中，搖擺質量塊剛體理論模型為通過搖擺機制提高結構抗震性能的研究提供了理論基礎。

圖1 Housner 搖擺質量塊剛體理論模型

2.1 搖擺鋼筋混凝土框架結構

RC 框架結構是應用最廣泛的結構形式，目前對混凝土搖擺結構的研究主要集中在搖擺柱、搖擺防屈曲支撐及消能搖擺架等方面。2007 年，Roh[7]通過放松基礎與框架柱之間的約束，允許框架柱產生有限搖擺運動而形成搖擺柱，并附加了粘滯阻尼器形成搖擺-耗能機制，實現了框架結構的振動控制。2010 年，Roh等[8]進一步研究了搖擺-耗能機制的單榀RC 框架結構的抗震性能，如圖2 所示，數值分析結果表明結構的加速度和位移響應有所降低，抗震性就能得到了提高。

圖2 搖擺-耗能機制的鋼筋混凝土框架

2013 年，杜永鋒等[9，10]提出了一種輕型搖擺架（LRF）與自復位消能支撐（SCED）聯合應用的輕型消能搖擺架（EDLRF），如圖3 所示，LRF 是一種帶支撐的鋼框架或鋼管混凝土框架，經剛性鏈桿與主體結構連接，并在基礎與搖擺架連接處設置SCED，既能有效地消耗地震能量還能實現自復位功能。其6 層輕型搖擺RC 框架結構模型的非線性動力時程分析結果表明，EDLRF 結構的自身剛度能夠改變結構層間變形模式，使層間位移分布更加均勻，避免了結構局部損傷，同時能有效降低整體結構位移峰值和殘余位移，提高結構的抗震性能。

圖3 輕型消能搖擺架（EDLRF）構造

2015 年，魯亮等[11]提出了一種受控搖擺式鋼筋混凝土框架結構（CR-RCF），并對搖擺節點及整體框架進行了低周往復加載試驗，搖擺節點構造形式如圖4所示，結合有限元分析發現，與RC 框架結構相比，CRRCF 結構使樓層剪力與位移分布更加均勻，并有效降低結構整體響應。隨后，魯亮等[12，13]分別提出了柱端（CR-RCFc）、梁端（CR-RCFb）鉸接節點搖擺框架結構形式，并對CR-RCFc 結構進行振動臺試驗研究與有限元分析，結果顯示CR-RCFc 結構可降低結構的基底剪力、加速度響應以及結構的整體位移；并發現CR-RCFc 結構在罕遇地震作用下的損傷更多的集中于阻尼器，易于震后更換，是一種“免損傷，易修復”的抗震結構體系。

圖4 新型搖擺節點構造

2018 年，張國偉等[14，15]提出了一種搖擺防屈曲支撐-RC 框架的搖擺結構體系，通過對其進行擬靜力試驗與數值模擬發現，該結構體系耗能能力與變形能力均有所增強，其原因為防屈曲支撐、耗能阻尼器、框架梁、柱等構件組成了結構體系的多道抗震防線，使結構抗震性能得到提高。

2020 年，張文津等[16]提出了雙段消能搖擺結構體系（DRD），如圖5 所示，包括主體結構、位移型阻尼器及兩段串聯的搖擺結構。通過有限元分析可以發現，在高層建筑中，DRD 可以有效降低下段結構的彈性地震響應，結構層間變形更加均勻，提高了結構整體抗震性能，但上段結構地震響應相對較大。為此，李國強等[17]在DRD 的分段樓層位置增設勁性支撐，提出消能搖擺高位隔震結構體系（IRF），時程分析的結果表明，IRF 能在發揮DRD 優點的基礎上，降低上段結構的地震響應。

圖5 雙段消能搖擺結構

搖擺體系能夠改變RC 框架結構的變形模式，減小地震響應，提高結構的抗震性能。但目前研究仍存在一定的不足，對于搖擺柱腳節點及梁柱節點的研究設計依據相對較少，形式比較單一，構造比較復雜，難以生成公認的設計標準。此外，外附消能搖擺架的研究主要集中在二維平面模型，三維模型的整體性抗震性能研究相對不足，外附形式的設計方法是否適用也仍需進一步研究討論。

2.2 搖擺鋼框架結構

2006 年，Midorikawa 等[18，19]設計了底板屈服型鋼框架搖擺結構，如圖6 所示，鋼柱底端通過屈服型底板與基礎連接，在地震作用下，底板發生屈服后使鋼柱抬升、上部結構隨之發生搖擺。通過振動臺試驗與有限元分析發現，底板屈服型搖擺結構能夠顯著降低基底最大剪力，上部結構響應變形小于或幾乎等于固定基礎結構體系的彈性響應值；柱腳抬升后，其框架柱的最大拉力小于固定基礎結構體系中框架柱的最大拉力，且最大壓力小于或幾乎等于固定基礎結構體系中框架柱的最大壓力，但震后損傷不可控，修復難度大。

圖6 底板屈服型鋼框架搖擺結構

Bell 和Ramhormozian 等[20，21]提出了一種損傷可控的中心支撐框架搖擺結構體系，為實現框架柱底與基礎之間的反復抬升與復位，二者之間通過附加彈簧元件的滑移鉸接節點連接，梁柱之間同樣采用滑移鉸接節點連接，能夠滿足損傷集中、摩擦耗能及震后可更換的需求。此外，相關學者[22-24]將可更換熔斷器、阻尼器等消能減震裝置引入搖擺鋼框架結構，發現引入消能減震裝置降低了搖擺界面的殘余變形，使搖擺鋼框架結構體系具有更好的抗震性能。

2017 年，賈明明等[25，26]提出了一種通過設置較大延性屈曲支撐構件（BRB）的搖擺桁架-BRB-鋼框架體系，有限元分析結果表明，該結構整體參與耗能的能力加強，結構側向位移更加均勻，殘余變形得到有效降低。2018 年，楊曉燕等[27]對搖擺桁架-BRB-鋼框架體系進行了小震、中震和大震下的擬動力加載試驗及位移控制的擬靜力加載試驗，進一步驗證了該結構體系的良好抗震性能。

目前，搖擺鋼框架結構主要通過對節點的構造設計，耗能裝置的設置來提高搖擺性能和耗能能力，搖擺結構與耗能裝置二者的聯合使用能進一步提高鋼框架結構的抗震性能，使得鋼框架結構沿高度方向的損傷、位移分布更加均勻，避免了損傷集中所導致的局部薄弱層的出現。但在結構的耗能設計中大量運用阻尼器，經濟成本較高，且阻尼器的維護難度較大；此外，結構柱腳設計也較為復雜，設計方法并不完善，有待進一步研究。

2.3 搖擺墻結構

2004 年，Ajrab 等[28]首次提出框架-搖擺墻結構的概念，基于“避免損傷設計”的設計理念，設計了一種在剪力墻兩側附加預應力索的搖擺剪力墻結構，如圖7 所示，預應力索兩端分別與剪力墻頂部和地面阻尼器相連，非線性時程分析結果表明，該搖擺結構具有良好的抗震性能，但施工難度較大，難以推廣應用。

圖7 附加預應力索的框架搖擺墻結構

隨后，Panian 和Wada 等[29，30]成功將搖擺墻應用在整體結構的抗震加固工程中，并取得了較為顯著的效果。此后，國內相關學者開展了對搖擺墻結構的研究。2010 年，潘鵬等[31]首先對框架搖擺墻結構體系抗震性能進行研究，通過對6 層RC 框架增設搖擺墻前后的抗震性能進行對比分析，發現增設搖擺墻后的框架結構能有效控制結構層間變形的集中，更有利于結構發揮整體抗震及耗能能力。

2012 年，曹海韻等[32]首先對搖擺墻與框架的連接節點進行了研究，節點連接構造如圖8 所示，其中墻體通過鋼棍與基礎連接，并通過搖擺墻底兩側的鈍角設計控制墻體的擺動中心，樓層連接節點為一種凸齒與凹齒相咬合的構造，試驗結果表明，節點水平力傳遞可靠，搖擺墻-框架結構層間變形更為均勻。2015年，張富文等[33]設計了工字形軟鋼與圓柱形軟鋼兩種搖擺墻與框架柱的延性連接件，并對鋼筋混凝土框架模型進行擬靜力試驗，結果發現失效部位均在延性連接件上，有利于實現震后的快速恢復。

圖8 連接節點構造

2015 年，吳守君等[34]提出了一種搖擺填充墻-框架結構，如圖9 所示，填充墻與框架柱組成剛性填充墻，墻體兩側的柱與基礎接觸但不連接，允許柱底抬起以實現填充墻搖擺。與外置搖擺墻框架結構相比，該結構能有效避免搖擺墻對建筑功能的影響。對該結構進行了靜力彈塑性推覆分析，結果表明搖擺填充墻-框架結構的側向承載力得到了提高，結構的延性得到了改善。2017 年，楊樹標等[35]對搖擺填充墻框架結構的抗震性能進行了研究，利用SAP2000 進行非線性分析，發現搖擺填充墻能使主體結構破壞機制由層破壞機制轉變為整體破壞機制。

圖9 搖擺填充墻-框架結構立面示意圖

搖擺墻結構能夠在地震作用下，有效降低墻體的破壞程度，同時，能使結構層間位移分布更加均勻，提高結構整體耗能能力。但搖擺墻與主體結構之間的鉸接計算模型與實際工程實踐仍有較大差距，同時，墻體與結構主體連接空間有限，耗能構件施工難度大。因此，搖擺墻結構中節點的連接設計仍需深入研究。

2.4 搖擺橋梁結構

1974 年，Beck 等[36]首次將搖擺結構應用在橋梁結構的抗震設計中，如圖10 所示，通過斷開橋墩與基礎，并使用方形銷與橡膠墊連接的方式實現了橋墩與基礎之間的有限提離和搖擺，并附加阻尼器和限位板防止搖擺位移過大，提高了橋梁結構的抗震穩定性。

圖10 搖擺橋墩連接示意圖

1997 年，Mander[37]提出了無損傷的自復位搖擺橋墩抗震設計理念，并設計了無損搖擺橋墩結構，如圖11 所示。通過斷開橋墩與基礎之間的縱筋，并使用無黏結預應力筋連接橋墩與基礎，實現了橋墩的有限搖擺與自復位功能。擬靜力試驗結果表明，該結構彈性滯回性能呈現明顯的雙線性，其承載能力在發生較大位移時仍保持線性關系，自復位能力突出，但耗能能力較差，且預應力鋼筋易產生預應力損失等問題。

圖11 預應力自復位搖擺橋墩結構示意圖

2005 年，Palermo[38]提出了如圖12 所示的無粘結預應力筋和耗能裝置聯合應用的搖擺橋墩，擬靜力試驗結果表明，該搖擺橋墩具有明顯的旗幟形滯回性能，表明兼具良好的自復位能力與耗能能力但內置耗能鋼筋發生屈曲損壞時，更換難度大。Marriott[39]首次在搖擺橋墩中設置外置阻尼器，解決了內置耗能鋼筋發生屈曲破壞后更換困難，震后快速恢復能力差的問題，但外置阻尼器的維護、使用條件限制等問題有待進一步解決。

圖12 無粘結預應力筋和耗能裝置聯合應用的搖擺橋墩

2019 年，周雨龍等[40-42]通過動力試驗方法，分別對自由搖擺橋墩、預應力搖擺橋墩及預應力和耗能裝置聯合應用的搖擺橋墩進行了振動臺實驗研究，進一步驗證了3 種搖擺橋墩的動力性能。

3 搖擺結構體系研究展望

針對不同結構體系，國內外學者對通過搖擺機制提高結構抗震性能的設計方法進行了大量的有限元分析和試驗研究，但也存在著不足之處。文中針對相關研究中的不足之處提出了對于未來的展望。

（1）目前搖擺結構的研究大多集中在有限元分析、擬靜力試驗以及局部結構的擬動力試驗研究，需根據整體結構的動力試驗，進一步探究其動力學性能。

（2）目前搖擺結構的設計方法和性能指標尚未形成統一的定量化標準。復雜的結構形式增加了施工困難和施工成本，不利于搖擺結構的廣泛應用，簡化結構體系和節點形式可能是搖擺結構今后的研究方向之一。

（3）未來研究中，應注重搖擺結構與可更換構件、自復位結構體系聯合應用，更好的將“抗震”、“消震”、“隔震”理念融合，更加注重整體結構全方面的抗震性能。

4 結語

文中介紹了搖擺結構的概念，總結了國內外搖擺結構的研究方向、研究歷程及存在的相關問題，得到了以下結論：

（1）搖擺機制能夠有效降低原結構地震響應，使結構具有良好的抗震性能與震后快速恢復能力。

（2）搖擺結構與阻尼器等可更換耗能件、自復位裝置的聯合應用，其抗震性能更好，更有利于震后的快速恢復，在抗震設計中具有良好的應用前景。

（3）目前搖擺結構的抗震性能評價指標還需進一步明確定性化指標與定量化指標，以補充完善相關設計規范。