可恢復(fù)功能的搖擺結(jié)構(gòu)體系研究綜述

徐帥

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

0 引言

傳統(tǒng)抗震設(shè)計理念通過延性設(shè)計方法實現(xiàn)保護(hù)生命財產(chǎn)的抗震目標(biāo)，但會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生難以修復(fù)的損傷變形，喪失使用功能，影響震后的生產(chǎn)及生活。為此，國內(nèi)外學(xué)者將結(jié)構(gòu)震后的快速恢復(fù)功能作為重要抗震研究方向并進(jìn)行了大量研究，目前形成了搖擺結(jié)構(gòu)、自復(fù)位結(jié)構(gòu)、可更換構(gòu)件結(jié)構(gòu)及復(fù)合自復(fù)位結(jié)構(gòu)四種可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)體系[1，2]。其中，搖擺結(jié)構(gòu)通過釋放約束和增設(shè)耗能裝置等措施降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)、耗散地震輸入能量，對提高建筑的抗震性能、實現(xiàn)震后快速恢復(fù)生產(chǎn)生活具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)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(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了大量理論研究與試驗分析，并對節(jié)點和連接形式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，奠定了理論與應(yīng)用基礎(chǔ)，實現(xiàn)了搖擺結(jié)構(gòu)在建筑、橋梁領(lǐng)域的工程應(yīng)用[3-5]。

1 搖擺結(jié)構(gòu)簡介

搖擺結(jié)構(gòu)是通過釋放基礎(chǔ)對整體框架、結(jié)構(gòu)柱、剪力墻、橋墩等結(jié)構(gòu)構(gòu)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(gòu)件或組件發(fā)生搖擺，產(chǎn)生允許范圍內(nèi)的豎向抬升或無抬升的轉(zhuǎn)動變形模式，并可設(shè)置可更換耗能構(gòu)件及自復(fù)位裝置，進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)在地震作用下的搖擺及耗能構(gòu)件耗散地震輸入能量，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。文中主要針對搖擺鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、搖擺鋼框架結(jié)構(gòu)、搖擺墻結(jié)構(gòu)及搖擺橋墩結(jié)構(gòu)等搖擺結(jié)構(gòu)的主要研究方向進(jìn)行了總結(jié)和梳理。

2 搖擺結(jié)構(gòu)體系研究進(jìn)展

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

圖1 Housner 搖擺質(zhì)量塊剛體理論模型

2.1 搖擺鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

RC 框架結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式，目前對混凝土搖擺結(jié)構(gòu)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(chǔ)與框架柱之間的約束，允許框架柱產(chǎn)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(jī)制，實現(xiàn)了框架結(jié)構(gòu)的振動控制。2010 年，Roh等[8]進(jìn)一步研究了搖擺-耗能機(jī)制的單榀RC 框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，如圖2 所示，數(shù)值分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的加速度和位移響應(yīng)有所降低，抗震性就能得到了提高。

圖2 搖擺-耗能機(jī)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(fù)位消能支撐（SCED）聯(lián)合應(yīng)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(jīng)剛性鏈桿與主體結(jié)構(gòu)連接，并在基礎(chǔ)與搖擺架連接處設(shè)置SCED，既能有效地消耗地震能量還能實現(xiàn)自復(fù)位功能。其6 層輕型搖擺RC 框架結(jié)構(gòu)模型的非線性動力時程分析結(jié)果表明，EDLRF 結(jié)構(gòu)的自身剛度能夠改變結(jié)構(gòu)層間變形模式，使層間位移分布更加均勻，避免了結(jié)構(gòu)局部損傷，同時能有效降低整體結(jié)構(gòu)位移峰值和殘余位移，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖3 輕型消能搖擺架（EDLRF）構(gòu)造

2015 年，魯亮等[11]提出了一種受控?fù)u擺式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（CR-RCF），并對搖擺節(jié)點及整體框架進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗，搖擺節(jié)點構(gòu)造形式如圖4所示，結(jié)合有限元分析發(fā)現(xiàn)，與RC 框架結(jié)構(gòu)相比，CRRCF 結(jié)構(gòu)使樓層剪力與位移分布更加均勻，并有效降低結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)。隨后，魯亮等[12，13]分別提出了柱端（CR-RCFc）、梁端（CR-RCFb）鉸接節(jié)點搖擺框架結(jié)構(gòu)形式，并對CR-RCFc 結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動臺試驗研究與有限元分析，結(jié)果顯示CR-RCFc 結(jié)構(gòu)可降低結(jié)構(gòu)的基底剪力、加速度響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)的整體位移；并發(fā)現(xiàn)CR-RCFc 結(jié)構(gòu)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(fù)”的抗震結(jié)構(gòu)體系。

圖4 新型搖擺節(jié)點構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，通過對其進(jìn)行擬靜力試驗與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)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(gòu)件組成了結(jié)構(gòu)體系的多道抗震防線，使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系（DRD），如圖5 所示，包括主體結(jié)構(gòu)、位移型阻尼器及兩段串聯(lián)的搖擺結(jié)構(gòu)。通過有限元分析可以發(fā)現(xiàn)，在高層建筑中，DRD 可以有效降低下段結(jié)構(gòu)的彈性地震響應(yīng)，結(jié)構(gòu)層間變形更加均勻，提高了結(jié)構(gòu)整體抗震性能，但上段結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)相對較大。為此，李國強等[17]在DRD 的分段樓層位置增設(shè)勁性支撐，提出消能搖擺高位隔震結(jié)構(gòu)體系（IRF），時程分析的結(jié)果表明，IRF 能在發(fā)揮DRD 優(yōu)點的基礎(chǔ)上，降低上段結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

圖5 雙段消能搖擺結(jié)構(gòu)

搖擺體系能夠改變RC 框架結(jié)構(gòu)的變形模式，減小地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)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(jié)點及梁柱節(jié)點的研究設(shè)計依據(jù)相對較少，形式比較單一，構(gòu)造比較復(fù)雜，難以生成公認(rèn)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)計方法是否適用也仍需進(jìn)一步研究討論。

2.2 搖擺鋼框架結(jié)構(gòu)

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

圖6 底板屈服型鋼框架搖擺結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)體系，為實現(xiàn)框架柱底與基礎(chǔ)之間的反復(fù)抬升與復(fù)位，二者之間通過附加彈簧元件的滑移鉸接節(jié)點連接，梁柱之間同樣采用滑移鉸接節(jié)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(guān)學(xué)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(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shè)置較大延性屈曲支撐構(gòu)件（BRB）的搖擺桁架-BRB-鋼框架體系，有限元分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)整體參與耗能的能力加強，結(jié)構(gòu)側(cè)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(jìn)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(jìn)一步驗證了該結(jié)構(gòu)體系的良好抗震性能。

目前，搖擺鋼框架結(jié)構(gòu)主要通過對節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計，耗能裝置的設(shè)置來提高搖擺性能和耗能能力，搖擺結(jié)構(gòu)與耗能裝置二者的聯(lián)合使用能進(jìn)一步提高鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，使得鋼框架結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的局部薄弱層的出現(xiàn)。但在結(jié)構(gòu)的耗能設(shè)計中大量運用阻尼器，經(jīng)濟(jì)成本較高，且阻尼器的維護(hù)難度較大；此外，結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計也較為復(fù)雜，設(shè)計方法并不完善，有待進(jìn)一步研究。

2.3 搖擺墻結(jié)構(gòu)

2004 年，Ajrab 等[28]首次提出框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)的概念，基于“避免損傷設(shè)計”的設(shè)計理念，設(shè)計了一種在剪力墻兩側(cè)附加預(yù)應(yīng)力索的搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)，如圖7 所示，預(yù)應(yīng)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(jié)果表明，該搖擺結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，但施工難度較大，難以推廣應(yīng)用。

圖7 附加預(yù)應(yīng)力索的框架搖擺墻結(jié)構(gòu)

隨后，Panian 和Wada 等[29，30]成功將搖擺墻應(yīng)用在整體結(jié)構(gòu)的抗震加固工程中，并取得了較為顯著的效果。此后，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者開展了對搖擺墻結(jié)構(gòu)的研究。2010 年，潘鵬等[31]首先對框架搖擺墻結(jié)構(gòu)體系抗震性能進(jìn)行研究，通過對6 層RC 框架增設(shè)搖擺墻前后的抗震性能進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)增設(shè)搖擺墻后的框架結(jié)構(gòu)能有效控制結(jié)構(gòu)層間變形的集中，更有利于結(jié)構(gòu)發(fā)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(jié)點進(jìn)行了研究，節(jié)點連接構(gòu)造如圖8 所示，其中墻體通過鋼棍與基礎(chǔ)連接，并通過搖擺墻底兩側(cè)的鈍角設(shè)計控制墻體的擺動中心，樓層連接節(jié)點為一種凸齒與凹齒相咬合的構(gòu)造，試驗結(jié)果表明，節(jié)點水平力傳遞可靠，搖擺墻-框架結(jié)構(gòu)層間變形更為均勻。2015年，張富文等[33]設(shè)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(jìn)行擬靜力試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)失效部位均在延性連接件上，有利于實現(xiàn)震后的快速恢復(fù)。

圖8 連接節(jié)點構(gòu)造

2015 年，吳守君等[34]提出了一種搖擺填充墻-框架結(jié)構(gòu)，如圖9 所示，填充墻與框架柱組成剛性填充墻，墻體兩側(cè)的柱與基礎(chǔ)接觸但不連接，允許柱底抬起以實現(xiàn)填充墻搖擺。與外置搖擺墻框架結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)能有效避免搖擺墻對建筑功能的影響。對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力彈塑性推覆分析，結(jié)果表明搖擺填充墻-框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載力得到了提高，結(jié)構(gòu)的延性得到了改善。2017 年，楊樹標(biāo)等[35]對搖擺填充墻框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了研究，利用SAP2000 進(jìn)行非線性分析，發(fā)現(xiàn)搖擺填充墻能使主體結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制由層破壞機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)檎w破壞機(jī)制。

圖9 搖擺填充墻-框架結(jié)構(gòu)立面示意圖

搖擺墻結(jié)構(gòu)能夠在地震作用下，有效降低墻體的破壞程度，同時，能使結(jié)構(gòu)層間位移分布更加均勻，提高結(jié)構(gòu)整體耗能能力。但搖擺墻與主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主體連接空間有限，耗能構(gòu)件施工難度大。因此，搖擺墻結(jié)構(gòu)中節(jié)點的連接設(shè)計仍需深入研究。

2.4 搖擺橋梁結(jié)構(gòu)

1974 年，Beck 等[36]首次將搖擺結(jié)構(gòu)應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，如圖10 所示，通過斷開橋墩與基礎(chǔ)，并使用方形銷與橡膠墊連接的方式實現(xiàn)了橋墩與基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)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(fù)位搖擺橋墩抗震設(shè)計理念，并設(shè)計了無損搖擺橋墩結(jié)構(gòu)，如圖11 所示。通過斷開橋墩與基礎(chǔ)之間的縱筋，并使用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋連接橋墩與基礎(chǔ)，實現(xiàn)了橋墩的有限搖擺與自復(fù)位功能。擬靜力試驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)彈性滯回性能呈現(xiàn)明顯的雙線性，其承載能力在發(fā)生較大位移時仍保持線性關(guān)系，自復(fù)位能力突出，但耗能能力較差，且預(yù)應(yīng)力鋼筋易產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失等問題。

圖11 預(yù)應(yīng)力自復(fù)位搖擺橋墩結(jié)構(gòu)示意圖

2005 年，Palermo[38]提出了如圖12 所示的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和耗能裝置聯(lián)合應(yīng)用的搖擺橋墩，擬靜力試驗結(jié)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(fù)位能力與耗能能力但內(nèi)置耗能鋼筋發(fā)生屈曲損壞時，更換難度大。Marriott[39]首次在搖擺橋墩中設(shè)置外置阻尼器，解決了內(nèi)置耗能鋼筋發(fā)生屈曲破壞后更換困難，震后快速恢復(fù)能力差的問題，但外置阻尼器的維護(hù)、使用條件限制等問題有待進(jìn)一步解決。

圖12 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和耗能裝置聯(lián)合應(yīng)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(yù)應(yīng)力搖擺橋墩及預(yù)應(yīng)力和耗能裝置聯(lián)合應(yīng)用的搖擺橋墩進(jìn)行了振動臺實驗研究，進(jìn)一步驗證了3 種搖擺橋墩的動力性能。

3 搖擺結(jié)構(gòu)體系研究展望

針對不同結(jié)構(gòu)體系，國內(nèi)外學(xué)者對通過搖擺機(jī)制提高結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計方法進(jìn)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(guān)研究中的不足之處提出了對于未來的展望。

（1）目前搖擺結(jié)構(gòu)的研究大多集中在有限元分析、擬靜力試驗以及局部結(jié)構(gòu)的擬動力試驗研究，需根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的動力試驗，進(jìn)一步探究其動力學(xué)性能。

（2）目前搖擺結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和性能指標(biāo)尚未形成統(tǒng)一的定量化標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式增加了施工困難和施工成本，不利于搖擺結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，簡化結(jié)構(gòu)體系和節(jié)點形式可能是搖擺結(jié)構(gòu)今后的研究方向之一。

（3）未來研究中，應(yīng)注重?fù)u擺結(jié)構(gòu)與可更換構(gòu)件、自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系聯(lián)合應(yīng)用，更好的將“抗震”、“消震”、“隔震”理念融合，更加注重整體結(jié)構(gòu)全方面的抗震性能。

4 結(jié)語

文中介紹了搖擺結(jié)構(gòu)的概念，總結(jié)了國內(nèi)外搖擺結(jié)構(gòu)的研究方向、研究歷程及存在的相關(guān)問題，得到了以下結(jié)論：

（1）搖擺機(jī)制能夠有效降低原結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能與震后快速恢復(fù)能力。

（2）搖擺結(jié)構(gòu)與阻尼器等可更換耗能件、自復(fù)位裝置的聯(lián)合應(yīng)用，其抗震性能更好，更有利于震后的快速恢復(fù)，在抗震設(shè)計中具有良好的應(yīng)用前景。

（3）目前搖擺結(jié)構(gòu)的抗震性能評價指標(biāo)還需進(jìn)一步明確定性化指標(biāo)與定量化指標(biāo)，以補充完善相關(guān)設(shè)計規(guī)范。