功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)研究進展

收稿日期：20230102

通信作者：劉陽（1982），男，教授，博士，博士生導師，主要從事鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)研究。Email： lyliuyang@hqu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（52378157， 51878304）

摘要：鋼筋混凝土柱鋼梁（RCS）混合框架結(jié)構(gòu)以其結(jié)合了混凝土優(yōu)異的抗壓性能及鋼材優(yōu)異的抗彎性能而受到廣泛關注，而可恢復功能結(jié)構(gòu)以其震后快速恢復使用功能的能力，也成為地震工程界研究的新熱點。功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)可以在彎矩較大的梁端和柱腳部位設置可更換構(gòu)件，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能可恢復能力。文中簡述了近年來功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)研究進展，重點關注各類型功能可恢復鋼梁、功能可恢復搖擺柱腳的構(gòu)造研究，介紹了功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)性能分析研究進展。最后，對功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)仍需深入研究的問題進行了展望。

關鍵詞：鋼筋混凝土柱鋼梁（RCS）混合框架結(jié)構(gòu)； 可恢復功能； 防震結(jié)構(gòu)； 鋼板阻尼器； 柱腳； 梁柱節(jié)點

中圖分類號：TU 352.1文獻標志碼：A文章編號：10005013（2024）02012115

框架結(jié)構(gòu)常使用鋼筋混凝土或鋼材作為主要建筑材料，但兩種材料具有不同的特性。混凝土的抗壓強度高，材料獲取成本低，但自重大、抗開裂性能差，適用于結(jié)構(gòu)豎向受力構(gòu)件［1］；鋼材具有優(yōu)異的彈塑性性能，延性好、自重輕，允許材料變形大，但抗火性能差、材料獲取成本高，受壓時需考慮穩(wěn)定性問題，適用于大跨度抗彎構(gòu)件［2］。基于上述材料的特點，為充分利用混凝土材料和鋼材的性能，鋼筋混凝土柱鋼梁（reinforced concrete columnsteel beam，RCS）混合框架結(jié)構(gòu)［3］應運而生并受到廣泛關注［47］。

近年來，隨著“城市韌性”［89］受到重視，需要提升城市在遭受重大災害后的恢復能力。建筑作為組成城市的基礎，需要具備一定的功能可恢復能力。一般而言，對建筑結(jié)構(gòu)具有致命打擊的災害為地震、颶風等，這些災害主要以水平作用的形式施加到結(jié)構(gòu)中，對框架結(jié)構(gòu)的梁端、柱腳造成損傷。功能可恢復構(gòu)造大多基于“損傷控制+震損可替換”技術(shù)，通過合理設計將結(jié)構(gòu)受到的損傷集中于可拆卸更換的部位，損傷發(fā)生后僅更換受損部位進行即可恢復建筑性能。在構(gòu)件層面賦予結(jié)構(gòu)受損部位功能可恢復能力是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可恢復的基礎。對于框架結(jié)構(gòu)，其在水平作用下易受損的部位集中在彎矩較大處，即各層框架梁端部位及框架底層柱腳部位。因此，學者們針對這些易受損部位研發(fā)了大量的功能可恢復構(gòu)造。此外，鋼梁與混凝土樓板形成的組合樓板，需要針對應用功能可恢復構(gòu)造導致的邊界條件變化進行特殊設計。基于此，本文總結(jié)了RCS混合框架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢，歸納現(xiàn)有RCS混合框架結(jié)構(gòu)功能可恢復構(gòu)造的研究，探究研究脈絡，分析各構(gòu)造存在的問題。同時，列舉針對功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)的分析方法，并展望功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)研究方向。

1RCS混合框架結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土柱鋼梁（RCS）混合框架結(jié)構(gòu)采用混凝土柱、鋼梁組成框架，而樓面板則采用鋼混凝土組合樓板，如圖1所示。相較于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)體系，RCS混合框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下4個主要方面。

1） 結(jié)構(gòu)梁材料從鋼筋混凝土替換為型鋼，在提供相同承載力水平時可有效降低生產(chǎn)過程中的碳排放。

2） 鋼梁的使用易于發(fā)揮鋼構(gòu)件性能優(yōu)越、設計靈活和連接方便的特性。使用螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件天然具有易于替換的特性，很多學者基于型鋼梁提出各類功能可恢復構(gòu)造，直接應用于RCS混合框架結(jié)構(gòu)體系，形成功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)［1015］。

3） 采用鋼材作為結(jié)構(gòu)梁的材料易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷控制，直接避免了混凝土梁易開裂的缺點，減少了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在反復作用下的損傷，加大功能可恢復構(gòu)造的適用性。

4） RCS混合框架結(jié)構(gòu)采用預制型鋼梁，可實現(xiàn)工廠預制現(xiàn)場拼裝，易于推進結(jié)構(gòu)裝配化施工，縮短施工周期。建造時，RCS結(jié)構(gòu)在鋼梁現(xiàn)場拼裝完成后即可進行上層框架柱施工；而樓板的安裝或澆筑工作可安排在框架柱施工到上部樓層后進行，避免了傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需等待混凝土達到強度導致加長施工周期的問題，從而達到縮短結(jié)構(gòu)總體施工周期的目的。同時，可規(guī)避施工過程中危險性較大的樓板高支模工藝［16］。

RCS混合框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點作為框架的主要傳力構(gòu)件，決定了鋼梁與混凝土柱連接的可靠性，是RCS混合框架結(jié)構(gòu)研究的關鍵問題［17］。現(xiàn)有RCS混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造主要包括梁貫通型［18］、柱貫通型［19］、高強螺栓端板連接型［20］等。

郭子雄等［2123］提出一種新型裝配式RCS混合框架節(jié)點構(gòu)造，如圖2（a）所示。該構(gòu)造在節(jié)點區(qū)設置綴板和加勁腹板焊接形成的鋼板桶，作為一個整體對節(jié)點區(qū)混凝土形成有效約束，并在節(jié)點區(qū)鋼梁腹板上開孔或焊接栓釘，以增強加勁腹板與節(jié)點區(qū)混凝土之間的整體性。研究表明，該種節(jié)點破壞形態(tài)為梁鉸機制破壞，節(jié)點構(gòu)造滿足抗震設計中的“強節(jié)點”要求。

Alizadeh等［24］改進了梁貫通型RCS混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點，在現(xiàn)有構(gòu)造的基礎上采用加寬面承板的尺寸并在鋼梁翼緣與節(jié)點交界部位增設附加支承板，如圖2（b）所示。研究表明，兩處改進加強了節(jié)點區(qū)域的約束，提升了節(jié)點的的承載力和抗剪強度。

門進杰等［25］通過改進柱貫通型節(jié)點，提出腹板貫通型鋼梁節(jié)點，如圖2（c）所示。研究表明，試驗節(jié)點最終發(fā)生剪切破壞，RCS組合框架節(jié)點的滯回曲線具有輕微的捏縮現(xiàn)象，其形狀介于紡錘形與倒S形之間。此外，門進杰等［26］對帶有該種形式RCS節(jié)點的框架結(jié)構(gòu)進行了試驗研究，結(jié)果表明該種RCS框架結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)強柱弱梁的破壞機制，抗震性能良好。為準確反應RCS組合框架節(jié)點半剛性連接的受力和變形模式，門進杰等［27］進一步分析實驗結(jié)果并建立和分析有限元模型，最終提出彎矩轉(zhuǎn)角曲線四折線模型，為組合結(jié)點的設計提供參考。

（a） 高強螺栓端板連接型（b） 梁貫通型（c） 柱貫通型

張錫治等［28］對高強螺栓端板連接型節(jié)點在實際工程中存在間隙的問題進行改進，在梁端與柱面間增加灌漿層；然后針對灌漿層的設置進行試驗研究并建立有限元模型，分析其破壞模式、受力機理，提出相應的建議灌漿層厚度。研究表明，混凝土柱通過與鋼材形成組合柱，其性能得到了提升。

劉陽等［1，2931］在鋼筋混凝土柱中配置核心型鋼以提高柱的軸壓性能及抗震性能。研究表明，在軸壓性能有明顯提高的同時，由于核心型鋼配鋼率較低，截面高度較小梁的縱筋可方便的在節(jié)點區(qū)貫通，核心型鋼混凝土柱能夠降低施工難度，又兼具抗火性能好、造價低等優(yōu)點，成為提高柱抗震性能的合理組合結(jié)構(gòu)形式之一。此后，劉陽等［3234］對所提出的核心型鋼混凝土柱提出相應的裝配式構(gòu)造，進行了軸壓性能及受力機理研究，證明了技術(shù)可行性。張藝欣等［3536］針對裝配式核心鋼管混凝土（PCSTRC）柱進行抗震性能試驗，基于其受力機理提出分析模型并給予驗證。該種裝配柱在連接部位設有傳統(tǒng)的鋼筋套筒連接及核心鋼管的榫卯連接，如圖3所示。研究表明，該種構(gòu)造能夠提升裝配部位抗剪性能和裝配部位整體性，裝配式核心鋼管混凝土柱與現(xiàn)澆柱的滯回曲線形狀基本相同，承載能力、剛度和耗能能力相當，延性略有增加。門進杰等［37］在混凝土柱中加入螺栓法蘭連接，形成可拆卸型鋼混凝土柱（圖4）；然后通過建立有限元模型和進行參數(shù)分析，歸納螺栓法蘭連接柱的破壞模式，分析其性能并提出螺栓法蘭連接設計建議。

2功能可恢復構(gòu)造

2.1功能可恢復鋼梁

基于“強柱弱梁”設計的框架結(jié)構(gòu)，水平作用施加后，梁端會最先受到影響發(fā)生損傷并參與結(jié)構(gòu)耗能，且結(jié)構(gòu)中梁端數(shù)量遠大于柱腳數(shù)量。因此，學者們率先針對梁端的可恢復構(gòu)造進行研究。

2.1.1帶T型連接板的功能可恢復鋼梁T型連接板作為鋼梁與柱的連接組件具有穩(wěn)定的性能，其塑性變形主要集中在連接板上［38］。不少學者在雙T型（double split tee，DST）梁柱連接的基礎上改進功能可恢復鋼梁［11］。

早在2009年，Oh等［39］就提出一種在鋼梁端部下翼緣處設有可更換帶縫鋼板阻尼器的功能可恢復鋼梁構(gòu)造，并在鋼梁上翼緣側(cè)設置T型連接板，其構(gòu)造如圖5（a）所示。此外，Oh等［39］還對構(gòu)件進行擬靜力試驗，并提出了理論計算模型。Koken等［40］針對相似的構(gòu)造進行試驗和有限元分析。結(jié)果均表明：該種鋼梁通過剪切型金屬阻尼器實現(xiàn)耗能，具有良好的耗能能力且損傷主要集中在可替換的帶縫隙鋼板阻尼器上，可實現(xiàn)震后快速恢復至震前水平。門進杰等［4142］也對T型鋼連接的可拆換鋼梁進行了抗震性能試驗研究，結(jié)果表明T型鋼連接可以集中產(chǎn)生塑性變形并消耗地震能量，震后可以通過更換T型鋼實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的快速恢復。

有學者探究摩擦型阻尼器及拉壓型金屬阻尼器在帶T型連接板的功能可恢復鋼梁中的應用。Latour等［10，43］在傳統(tǒng)T型連接板與鋼梁翼緣間設置摩擦耗能板，其構(gòu)造如圖5（b）所示。對比傳統(tǒng)狗骨型T型連接板連接的功能可恢復鋼梁［44］，設置摩擦耗能板的節(jié)點具有極強的耗能能力和穩(wěn)定的力學性能。試驗過程中只有摩擦墊的磨損，沒有出現(xiàn)連接部件的損傷。因此，設置摩擦耗能板的T型連接板功能可恢復鋼梁連接，在經(jīng)受反復的地震后僅需更換摩擦板，并再次擰緊螺栓達到所需的預壓水平即可恢復性能。Tagawa等［45］在鋼梁下翼緣設置防屈曲圓鋼阻尼器，上翼緣部位由于樓板的附著僅設置L型連接板，傳遞結(jié)構(gòu)剪力，其構(gòu)造如圖5（c）所示。在圓鋼阻尼器外側(cè)使用矩形實心鋼作為屈曲約束構(gòu)件。通過試驗研究及有限元分析，結(jié)果表明圓鋼阻尼器能夠參與梁端耗能，為結(jié)構(gòu)提供較強的耗能能力，但梁端豎向抗剪能力較弱。

（a） 設有剪切型金屬阻尼器（b） 設有摩擦耗能板（c） 設有拉壓型金屬阻尼器

2.1.2帶預應力筋的功能可恢復鋼梁僅設置阻尼器會導致鋼梁自復位能力較弱，發(fā)生損傷后有較大的殘余變形，使得結(jié)構(gòu)無法復位，損傷構(gòu)件的替換難以進行。在構(gòu)件中設置預應力筋可以顯著提升自復位能力。Song等［4648］提出一種摩擦型腹板自定心預應力混凝土梁柱節(jié)點并進行系列研究。在結(jié)構(gòu)梁兩側(cè)設置摩擦耗能連接件，將梁連接到混凝土柱上，設置預應力筋，提出理論分析模型后通過擬靜力試驗進行驗證。研究結(jié)果表明，增加預應力筋可以顯著提升其自復位能力。

Lu等［49］將預應力筋提供節(jié)點自復位能力的理念應用于功能可恢復鋼梁，將耗能角鋼作為梁端耗能元件，提出了新型可替換強化角鋼連接可恢復鋼梁，其構(gòu)造如圖6（a）所示。耗能角鋼設有加勁肋，設置在梁端翼緣外側(cè)，通過螺栓連接梁柱，在鋼梁腹板部位設置連接板傳遞結(jié)構(gòu)剪力。結(jié)果表明，提出的耗能角鋼構(gòu)件比傳統(tǒng)角鋼構(gòu)件具有更高的強度和耗能性能。此外，耗能角鋼構(gòu)件在地震發(fā)生后可快速更換，保證了結(jié)構(gòu)的快速修復，滿足了抗震恢復要求。Wang等［50］將竹型鋼制消能器置于梁端，其構(gòu)造如圖6（b）所示。使用的竹形消能器［51］包括耗能段與控制阻尼器變形的結(jié)頭段。研究表明，竹形消能器提供結(jié)構(gòu)耗能能力，預應力筋提供自復位能力。梁端構(gòu)造具有穩(wěn)定的滯回性能和良好的自復位能力。

（a） 設有耗能角鋼連接（b） 設有竹型消能器連接

2.1.3 帶可替換梁段的功能可恢復鋼梁將鋼梁塑性鉸部位人為設置一段易屈服的可替換梁段，易屈服的梁段設計可參考早期狗骨型削弱的鋼梁構(gòu)造［12，52］，如圖7（a）所示。在鋼梁受到損傷時，控制破壞集中于易屈服的可替換梁段，而其他梁保持彈性。在進行修復時將整段鋼梁進行替換即可實現(xiàn)鋼梁的功能可恢復。然而，由于維修不便導致更高的更換成本，導致該種構(gòu)造在應用時存在局限。

Montuori等［53］對比了在可替換梁段應用翼緣削弱型梁段（RBSF）及腹板削弱型梁段（RDSF）的可恢復鋼梁性能，其構(gòu)造如圖7（a）所示。通過對比兩類梁段的擬靜力試驗結(jié)果，表明梁端的損傷能夠集中在削弱的梁段上，且腹板削弱型梁段在延性、耗能能力、低周疲勞性能方面優(yōu)于翼緣削弱型梁段，但提供的承載力較低。

Feng等［13］在翼緣削弱型梁段的基礎上，將鋼梁腹板改為機械鉸節(jié)點，其構(gòu)造如圖7（b）所示。結(jié)果表明，鉸節(jié)點的加入使得鋼梁的滯回性能更加穩(wěn)定。進一步研究表明，對耗能鋼板施加合理的約束能夠有效提升鋼梁的耗能能力。

（a） 削弱型梁段連接 （b） 應用機械鉸節(jié)點

2.1.4帶可替換連接板的功能可恢復鋼梁為克服整個梁段作為可更換構(gòu)件實際難以替換的問題，將削弱的鋼梁連接板作為鋼梁的可更換構(gòu)件成為學者們研究的新方向。邵鐵峰等［54］提出了一種采用角鋼連接的部件可更換鋼梁，在梁預期塑性鉸的位置將鋼梁斷開，采用角鋼作為耗能構(gòu)件連接兩段鋼梁，其構(gòu)造如圖8（a）所示。單調(diào)和滯回試驗結(jié)果表明，通過合理設計，該種可更換梁與傳統(tǒng)鋼梁具有相同的彈性抗彎剛度，耗能能力較好，更換損傷的耗能角鋼后，鋼梁的性能得以恢復。但在鋼梁腹板部位未設置連接構(gòu)造，其傳遞梁端剪力的性能有待驗證。

Jiang等［5560］針對裝配式可恢復鋼框架梁柱節(jié)點進行了一系列的研究，其構(gòu)造如圖8（b）所示。討論了翼緣板形狀、翼緣板連接形式、腹板連接形式、是否配置預應力筋等參數(shù)對梁柱邊節(jié)點、中節(jié)點抗震性能的影響。研究表明，未配置防屈曲裝置的翼緣連接板極易發(fā)生屈曲變形，配置預應力筋可有效提升節(jié)點自復位能力。

（a） 設有剪切型金屬阻尼器（b） 設有摩擦耗能板

Lu等［15］提出了一種帶防屈曲蓋板震損可更換鋼梁，該鋼梁通過翼緣和腹板部位的可更換連接板連接梁端及梁中不可更換段，在翼緣連接板外側(cè)設有防屈曲蓋板，其構(gòu)造如圖9（a）所示。為保證結(jié)構(gòu)損傷集中在可更換連接板上，提出了“強度比”的概念，即可更換段薄弱處與不可更換梁段塑性極限抗彎承載力的比值，該數(shù)值小于1表示可更換段承載力小于不可更換梁段。試驗結(jié)果表明，強度比小于0.8時，所有試件的塑性變形均集中在可更換連接板上，其他不可更換梁段均處于彈性狀態(tài)，試驗結(jié)束后可更換構(gòu)件可輕易地進行更換。得益于防屈曲蓋板的設置，震損可更換鋼梁擁有好的變形能力和穩(wěn)定的滯回耗能能力。通過精細化有限元分析及鋼梁受力分析，Lu等［15］將鋼梁的受力過程劃分為彈性段、塑性段、滑移段及強化段，提出相應的恢復力模型，如所圖9（b）示。可以看出，鋼梁在變形過程中有明確的受力機制，在前期通過金屬拉壓變形提供較大的剛度；隨著變形加大，摩擦機制賦予結(jié)構(gòu)較大的耗能能力；在大變形下，螺栓滑移結(jié)束，不可更換鋼梁進入塑性，為鋼梁提供額外的承載能力防止結(jié)構(gòu)倒塌。

（a） 構(gòu)造示意圖（b） 恢復力模型

2.1.5帶機械鉸節(jié)點的功能可恢復鋼梁Peng等［6162］在前述研究基礎上設計了一種梁端防屈曲鋼板耗能鉸節(jié)點，由中間的銷軸傳遞剪力，上下翼緣設置的防屈曲鋼板傳遞彎矩，其構(gòu)造如圖10（a）所示。研究表明，該型節(jié)點具有良好的性能并可實現(xiàn)節(jié)點的快速修復。但在實際工程中，應用機械鉸的對鋼結(jié)構(gòu)加工精度有較高要求。

陳云等［63］提出一種用于裝配式自復位搖擺鋼框架的帶外部BRB支撐的可恢復鉸接鋼梁，其鋼梁端部設計有梁鉸，而梁鉸外部平行設置碟形彈簧與BRB組合支撐，與梁鉸內(nèi)設置的摩擦耗能版共同作用，提供結(jié)構(gòu)耗能能力，其構(gòu)造如圖10（b）所示。研究表明，通過合理配置的碟形彈簧與BRB組合支撐，能夠為梁端提供穩(wěn)定的耗能能力和可靠的自復位性能。

鐘沛杰等［64］提出一種帶防屈曲蓋板的功能可恢復鉸接鋼梁，在鋼梁腹板部位設置機械鉸節(jié)點，與設置在下翼緣的翼緣連接板共同作用，其構(gòu)造如圖10（c）所示。該種構(gòu)造可為鋼梁可恢復部位提供明確的轉(zhuǎn)動機制，地震后僅需替換下翼緣損壞的翼緣連接板，即可實現(xiàn)震后快速修復。

（a） 設有拉壓型金屬阻尼器（b） 設有外部BRB支撐（c） 設有帶防屈曲蓋板的連接板

2.1.6考慮樓板構(gòu)造的功能可恢復鋼梁目前可恢復鋼梁研究大多局限于鋼梁本身，然而混凝土樓板對鋼梁的約束作用明顯［25，65］，會減緩鋼梁剛度退化，增大承載力。功能可恢復結(jié)構(gòu)中梁的變形模式不同于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，劉永［66］對比了是否設置整澆樓板的功能可恢復鋼梁，并進行試驗研究。結(jié)果表明，設置功能可恢復鋼梁的現(xiàn)澆樓板上出現(xiàn)明顯開裂，對結(jié)構(gòu)總體性能造成影響，如圖11所示。因此，可恢復鋼梁研究需考慮樓板的影響。

（a） 樓板示意圖（b） 裂縫發(fā)展狀態(tài)

Castiglioni等［67］在進行可更換鋼梁試驗研究時，將可更換段的樓板斷開并預留50 mm縫隙，其構(gòu)造如圖12（a）所示。在確保梁端轉(zhuǎn)動時可更換段兩側(cè)的樓板不接觸，整個實驗過程中，未觀察到樓板損傷。賀修樟等［68］在針對角鋼連接的可恢復鋼梁［54］基礎上，考慮混凝土樓板的影響，削弱上翼緣角鋼為連接板，其構(gòu)造如圖12（b）所示。研究表明，通過合理的設計，可以控制梁端中性軸位于梁上翼緣附近，震后僅需更換下翼緣角鋼。相陽等［69］在鋼梁與混凝土樓板間設置黏彈性材料夾層，形成黏彈性減震樓蓋，其構(gòu)造如圖12（c）所示。研究表明，樓板與鋼梁之間的柔性連接隔離其不協(xié)調(diào)的相對變形，為解決可恢復結(jié)構(gòu)中樓板的損傷問題提供解決思路。此外，也有學者針對裝配式可更換組合樓板構(gòu)造進行研究［7072］，為樓板損傷后替換提供可能。

（a） 樓板斷開構(gòu)造（b） 削弱鋼梁上翼緣角鋼構(gòu)造（c） 設有黏彈性材料夾層構(gòu)造

鐘沛杰等［73］提出一種裝配式鋼混凝土組合梁樓蓋結(jié)構(gòu)。該種樓蓋結(jié)構(gòu)可用于鋼梁端部設置有可恢復節(jié)點的框架結(jié)構(gòu)。在鋼梁和型鋼次梁上鋪設有預制樓蓋板，根據(jù)是否與框架梁連接分為有連接樓板與滑移樓板，如圖13（a）所示。有連接樓板通過預埋栓釘與對應框架梁的上翼緣板固定連接，形成鋼混凝土組合樓蓋。滑移樓板與框架梁、框架柱間設置黏彈性材料，設置在可恢復節(jié)點部位，防止地震作用下結(jié)構(gòu)可恢復節(jié)點變形集中導致的樓板開裂破壞，如圖13（b）所示。

（a） 樓蓋構(gòu)造示意圖

（b） 預制樓蓋板與鋼梁連接構(gòu)造

2.2功能可恢復柱腳

框架結(jié)構(gòu)的豎向荷載都通過柱傳遞到基礎上，柱構(gòu)件承擔巨大的軸力作用。對于功能可恢復柱腳，學者們提出的構(gòu)造都基于搖擺柱的思想：將柱底與承臺完全脫開，在柱側(cè)面設置耗能構(gòu)件與承臺相連。在水平作用下，功能可恢復柱發(fā)生搖擺變形，損傷集中在耗能構(gòu)件上。由于軸力的作用，功能可恢復柱具有良好的自復位能力。

Chi等［74］設計了一種自復位的預應力柱腳。柱腳外圍帶有防屈曲鋼板，提供柱腳耗能能力；防屈曲鋼板外側(cè)設有加強蓋板；預應力鋼筋提供柱腳的復位能力；在地梁上設置限位板提供柱腳的水平方向阻力，其構(gòu)造如圖14（a）所示。通過縮尺模型的擬靜力試驗，結(jié)果表明，此種自復位柱腳的損傷集中在防屈曲鋼板上，顯示出了良好的滯回耗能能力和自復位能力，驗證了功能可恢復柱腳的可行性。

Freddi等［75］在柱腳側(cè)面設置摩擦耗能裝置，預應力筋提供自復位能力，其構(gòu)造如圖14（b）所示。柱發(fā)生搖擺導致柱身連接板相對黃銅摩擦板和基礎連接板的發(fā)生滑動，產(chǎn)生摩擦耗能，連接部位的摩擦力通過四個螺栓的預緊力來調(diào)節(jié)。針對提出的構(gòu)造進行理論分析并建立OpenSees簡化模型，進行自復位框架的非線性動力分析，充分驗證了可恢復柱腳對結(jié)構(gòu)的保護作用。

（a） 設有防屈曲鋼板（b） 設有摩擦耗能裝置（c） 設有剪切型阻尼器

（d） 設有帶約束的豎向鋼條帶板（e） 設有外置可恢復耗能裝置

劉陽等［7679］在搖擺柱腳設置可更換的剪切型阻尼器，形成震后可恢復功能搖擺柱（ERR柱），針對該構(gòu)造進行系列研究。搖擺柱柱身放置在承臺上，通過布置在柱腳側(cè)面的剪切型水平條帶板金屬阻尼器與承臺連接，其構(gòu)造如圖14（c）所示。所用的阻尼器在搖擺柱就位后從上方插入即可，阻尼器連接螺栓的方向呈正交分布，容許誤差大，便于施工。搖擺柱采用“強柱，強連接，弱阻尼器”的設計方法。試驗結(jié)果表明，當剪切型阻尼器發(fā)生塑性變形時，柱身仍保持彈性，表現(xiàn)出明顯的搖擺機制，以及穩(wěn)定的滯回性能。根據(jù)試驗結(jié)果及有限元參數(shù)分析，

提出了搖擺柱的恢復力模型，將搖擺柱受力階段劃分為彈性段、強化段和衰減段；考慮到軸力對搖擺柱自復位能力的貢獻，恢復力模型中存在反向加載剛度突增點Pt，搖擺柱恢復力模型如圖15所示。在后續(xù)研究中，考慮了雙向地震下?lián)u擺柱的性能。

呂英婷等［8081］在混凝土搖擺柱腳外側(cè)設置帶約束的豎向鋼條帶板，內(nèi)部空隙設置填充塊，其構(gòu)造如圖14（d）所示。該柱腳利用條帶板拉壓及填充塊壓潰耗散地震能量。通過試驗研究并建立二維纖維模型，明確搖擺柱的水平承載能力與軸向荷載、鋼保險絲和填充塊的性能有關。試驗過程中，混凝土出現(xiàn)細微彎曲裂縫，至加載結(jié)束，裂縫發(fā)展不明顯；柱內(nèi)縱筋應變僅在替換后的試件出現(xiàn)屈服。由于未設置預應力筋，該搖擺柱在小軸壓比下的自復位能力較弱。

Zhang等［82］提出一種新型預制交叉鉸柱腳節(jié)點，在柱腳底部設置十字鉸，柱腳側(cè)面外置可恢復耗能裝置，如圖14（e）所示。這種柱腳的損傷集中在外置可恢復耗能裝置上。然而，柱底十字鉸的設置對柱豎向承載能力的影響有待進一步研究。

2.3功能可恢復耗能連梁

帶耗能框架和主框架的RCS混合框架結(jié)構(gòu)，如圖16所示。這種框架在傳統(tǒng)框架的基礎上，新增一跨耗能框架，該耗能框架柱間距較小，兩柱間設置有可更換耗能梁。柱間耗能梁具有與聯(lián)肢剪力墻中連梁［83］類似的受力機理及破壞特征，在地震作用下，連梁發(fā)生變形并最先進入塑性，參與結(jié)構(gòu)耗能。

門進杰等［8485］對不同構(gòu)造的可更換鋼連梁（圖17）的力學性能進行了試驗研究，并提出了以殘余層間位移角和梁端殘余轉(zhuǎn)角作為鋼梁可更換能力的評價指標。研究結(jié)果還表明，使用擴孔螺栓連接可以有效增強鋼梁的耗能能力，降低鋼梁損傷后更換的難度。

3功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)性能分析

為進一步研究結(jié)構(gòu)的力學性能，學者們建立各類分析模型對結(jié)構(gòu)的地震響應進行分析研究。Chou等［86］對預應力自復位鋼框架建立了簡化分析模型，考慮樓板及次梁的作用組建三維分析模型，進行單調(diào)、循環(huán)推覆和時程分析。徐燁等［87］對功能可恢復（ERMR）鋼框架建立簡化力學模型并進行性能分析。ERMR鋼框架采用ERR柱［76］及RBRF鋼梁［15］，其構(gòu)造如圖18所示。根據(jù)建立的簡化力學模型，驗證結(jié)構(gòu)破壞機制，并針對框架中的鋼柱及鋼梁給出推薦強構(gòu)件阻尼系數(shù)。

陳云等［8890］對預制自復位鋼框架進行試驗研究。該框架采用可恢復搖擺柱腳［91］，通過高強錨桿與結(jié)構(gòu)基礎連接，在高強錨桿上設置碟形彈簧，為結(jié)構(gòu)提供自復位能力。梁端部分采用帶外部BRB支撐的可恢復鉸接鋼梁，其構(gòu)造如圖19所示。試驗結(jié)果表明，框架試件具有良好的自定心能力和良好的耗能能力，呈現(xiàn)出完整的雙旗形滯回曲線。梁、柱在整個加載過程中均保持著彈塑性損傷，而彈塑性損傷僅限于梁端BRB支撐。

針對RCS混合框架結(jié)構(gòu)的整體性能，門進杰等［9294］進行RCS混合框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設計方法和量化指標研究，結(jié)合混凝土柱和鋼梁的性能特點，重新定義其性能水平。考慮樓板組合作用的影響，建立了適用于RCS混合框架結(jié)構(gòu)的地震損傷模型，得到RCS混合框架結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)混凝土框架具有更好的結(jié)構(gòu)變形性能的結(jié)論。楚留聲等［7］使用Abaqus對型鋼混凝土柱－鋼梁混合框架進行動力時程分析，研究結(jié)構(gòu)相應，分析混凝土樓板對鋼梁的應力分布變化影響。

對于帶耗能框架和主框架的RCS混合框架結(jié)構(gòu)（圖16），門進杰等［9596］對其功能可恢復的受力特征進行分析，結(jié)合框架的屈服機制和預期受力狀態(tài)提出其抗震設計方法。為控制結(jié)構(gòu)的屈服機制，將耗能構(gòu)件屈服與結(jié)構(gòu)屈服時的剛度比和位移比作為結(jié)構(gòu)彈性設計時的控制參數(shù)。基于所提出的設計方法，對一幢帶可更換構(gòu)件的RCS混合框架結(jié)構(gòu)進行抗震設計，并進行非線性靜力分析以及動力時程分析。結(jié)果表明，設計的RCS混合框架結(jié)構(gòu)具有預期的屈服機制，滿足結(jié)構(gòu)在不同地震作用水平下預期的受力狀態(tài)和性能水準，驗證了設計方法的有效性。

4結(jié)論與展望

4.1結(jié)論

1） 近年來，針對RCS混合框架結(jié)構(gòu)已有深入研究。RCS混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點整體性強，混凝土柱性能不斷提高，組合梁性能優(yōu)異，具有施工周期快、減少碳排放、鋼構(gòu)件設計靈活的優(yōu)勢。

2） 功能可恢復構(gòu)造基于“損傷控制+震損可替換”技術(shù)，通過合理設計將結(jié)構(gòu)的損傷集中于可拆卸更換的部位，損傷發(fā)生后僅針對受損部位進行更換即可恢復建筑性能。RCS混合框架結(jié)構(gòu)使用鋼結(jié)構(gòu)梁，其使用螺栓裝配連接、不易開裂的特點，可以很好地與可恢復構(gòu)造結(jié)合。

3） 由于鋼梁的加入，RCS混合框架結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)混凝土框架具有更好的結(jié)構(gòu)變形性能。功能可恢復技術(shù)應用于RCS混合框架結(jié)構(gòu)后，該優(yōu)勢能否進一步發(fā)揮值得深入研究。

4.2展望

1） 對于功能可恢復鋼梁的研究已較為深入，然而可更換鋼梁的上翼緣部位構(gòu)造復雜，往往需要占用較大空間，導致該部位樓板被削弱。下一步研究應更多考慮可更換構(gòu)造與混凝土樓板間相互沖突問題，簡化可更換鋼梁上翼緣構(gòu)造。此外，當前研究主要著眼于其平面內(nèi)抗彎性能，在進行結(jié)構(gòu)分析時，還應考慮功能可恢復鋼梁受扭的貢獻，需對該部分性能進一步研究。

2） 對于功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)中的組合樓板，研究人員應進一步考慮其與可恢復鋼梁的耦合作用。考慮樓板對結(jié)構(gòu)性能貢獻的同時，應解決其受損后如何進行性能恢復的問題，研發(fā)裝配式組合樓板，賦予樓板可替換能力。另一種思路是，在樓板與鋼梁之間設置柔性連接，隔離相對變形，保護樓板不受損傷，但該種構(gòu)造對結(jié)構(gòu)整體性能的影響需另行考慮。

3） 在框架中設置自復位耗能支撐或耗能墻板可以控制結(jié)構(gòu)地震相應，減小殘余變形。因此，可在RCS混合框架結(jié)構(gòu)中應用自復位耗能支撐、耗能墻板，作為RCS混合框架結(jié)構(gòu)耗能的第一道防線。

4） 在功能可恢復構(gòu)件層面研究的基礎上，需進一步進行功能可恢復框架性能試驗。探究框架中可恢復鋼梁及可恢復柱腳協(xié)同工作情況，驗證功能可恢復結(jié)構(gòu)設計方法；進行不同加載路徑的框架性能測試，驗證功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)在三維空間內(nèi)的性能表現(xiàn)。

5） 功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)在地震作用下變形較大，結(jié)構(gòu)動力特性不同于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。為保證結(jié)構(gòu)損傷集中在耗能板上，需通過合理設計控制各構(gòu)件的屈服順序；而為保證結(jié)構(gòu)可恢復能力，需對結(jié)構(gòu)殘余變形進行嚴格限定。因此，需在深入研究后提出適用于功能可恢復RCS混合框架結(jié)構(gòu)的設計方法。

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（責任編輯： "黃仲一英文審校： 方德平）