搖擺耗能自復位鋼結構研究發展

朱非白

(同濟大學結構工程與防災研究所，上海 200092)

0 引言

目前關于地震的研究和經驗表明對于地震后難損壞、易修復建筑物的需求越來越大。為此發明出一種新型搖擺耗能自復位鋼框架結構體系，首先通過弱化結構部件以減小地震反應;其次耗能構件集中在結構損傷位置，實現耗能功能并且易于修復或更換;最后無粘結預應力筋提供結構的自復位功能。本文總結了國內外對于此類結構體系的研究進展和成果，主要包括抗震性能和自復位性能［1］。

1 節點搖擺耗能

2002年，Constantin［2］在無粘結預應力筋預應力鋼框架結構中，針對預應力鋼梁梁柱節點進行了試驗和模型分析。試驗結果顯示，由于預應力筋的高強度特性提供接頭自復位能力，節點無殘余變形發生，裝設的消能鋼棒也發揮了耗能作用。

2002年以來，Ricles等［3］進行了自復位鋼框架結構研究，進行了9個大比例節點的抗震試驗，后張預應力自復位鋼框架節點如圖1，圖2所示，其基本構成包括框架梁、柱、預應力構件、角鋼或摩擦件等構件。其中，水平布置的鋼絞線對框架梁產生壓力并承受彎矩，梁端的剪力由梁柱接觸面上的摩擦力和梁端的角鋼共同承擔。當地震作用達到一定程度時，梁柱的接觸面張開，角鋼出現塑性變形并耗能，從而避免了梁柱等主體構件的損壞。地震作用后，結構在預應力作用下恢復到原位置。研究表明，隨著試驗的進行自復位鋼框架未出現殘余變形。可見，合理設計可實現鋼框架結構的“可恢復功能”。

圖1 帶消能鋼棒的自復位鋼節點

圖2 自復位鋼框架節點

2005年，Rojas等［4］在上述研究基礎上，在鋼框架梁柱連接轉動節點處引入摩擦板(見圖3)，既允許節點發生轉動，又使節點在轉動時摩擦消能。文獻同時對6層4跨消能節點自復位鋼框架結構進行了強震作用下的計算分析，結果表明該框架具有良好的耗能能力、自復位能力和足夠的強度，其抗震性能優于傳統焊接鋼框架結構。

Garlock等［5］于2007年提出了后張預應力自復位鋼框架結構的設計方法和步驟。

圖3 消能節點自復位鋼框架

2 整體搖擺耗能

整體搖擺耗能鋼結構體系放棄在節點設置無粘結預應力筋弱化節點，而是通過柱腳提離，實現結構整體搖擺耗能功能。

2.1 柱腳弱化框架

Midorikawa 等［6］(2003，2006)通過在提離鋼柱腳與基礎之間設置耗能翼板(見圖4，圖5)，利用搖擺鋼框架在柱腳的集中變形來耗散地震能量，并通過振動臺試驗驗證了這種搖擺耗能結構體系的減震效果。

試驗結果顯示，小震下，固定柱腳與帶有耗能翼板提離柱腳的鋼框架的最大樓層剪力基本相當;大震下，帶有耗能翼板提離柱腳框架的樓層剪力顯著減小，最大減小了52%，而兩者上部結構反應位移及頂點位移卻很接近。分析表明，提離后耗能翼板屈服導致鋼柱中拉力持續增大并達到穩定值，并且比固定柱腳的拉力值小;而最大壓力和固定柱腳幾乎一樣。同時數據表明，搖擺過程中柱底所受剪力通過耗能翼板傳遞到基礎，搖擺運動并沒有削弱耗能翼板的抗剪能力。

圖4 帶有耗能翼板的搖擺結構

圖5 帶有耗能翼板的鋼柱腳

Pollino和Bruneau［7］提出一種針對橋梁鋼桁架橋墩的搖擺控制體系，其中在結構的基底設置耗能消散器，以控制搖擺體系的地震反應。設計這樣的裝置是用來減小對結構保持彈性的需求，為提高抗震性能提供了一種加固方案，同時損傷全部都可以發生在方便更換的結構元件上，如圖6所示。設計者能夠預測搖擺過程中結構的最大恢復力，從而構件和節點都可以設計成保持彈性。

圖6 采用搖擺機制的鋼桁架橋墩加固方案

2.2 搖擺支撐框架

Sause，Roke等［8］針對傳統同心支撐框架體系(SC-CBF)屈服前變形能力有限以及屈服后剛度強度急劇降低等缺點，設計出一種具有自復位能力的同心支撐搖擺框架。該體系通過豎向的預應力來控制框架圍繞其旋轉中心旋轉并提供恢復力，從而實現自復位功能。側向力較小時，結構的彈性變形與傳統的CBF框架相似。側向力較大時，框架底的傾覆力矩足夠大而能使柱腳發生提離。當柱腳提離后，框架圍繞“受壓”柱底發生剛體轉動，柱中后張預應力筋在框架提離運動中拉伸，應力增加，這為框架提供了積極的側向剛度。在此過程中，結構可通過耗能元件進行耗能。研究表明，采用合適的設計參數，主體結構可控制在彈性變形范圍內。

圖7給出了三種SC-CBF形式，其中圖7a)中的預應力施加在兩側的框架柱上，框架柱同時承擔豎向的重力荷載和預應力。搖擺過程中既有預應力筋提供的恢復力，又有重力荷載提供的反傾覆力矩。

圖7b)兩套柱系統分別承受豎向荷載和水平地震作用，并在兩柱之間設耗能元件，以加強高階振型下的耗能效果，豎向預應力施加于跨中的支撐節點部位。

圖7c)則是圖7b)的改進形式，通過在上部樓層中設置一定數量的豎向支撐，以改善豎向預應力的傳遞，避免了應力集中。

圖7 三種SC-CBF形式

2010年2月完成的大比例試驗表明，在最大預計地震作用下，頂點位移角達到4%，此時SC-CBF體系仍表現出良好的自復位性能，主體結構基本處于彈性范圍。

Deierlein等［9］于2009年設計了由鋼支撐框架、豎向后張預應力鋼筋以及可更換耗能元件組成的搖擺結構體系，提出一種既抗震效果顯著又經濟安全的結構形式。此鋼支撐框架與Roke設計的搖擺支撐框架類似(見圖8)，預應力筋安裝在跨中的支撐節點部位，耗能裝置位于基礎與框架之間，作為預期損傷部件(見圖9)。這一預期損傷機制在E-Defence進行的足尺模型振動臺試驗中得到了驗證。

Eatherton等［10］于2009年將兩個搖擺鋼支撐框架并排組成雙框架結構，兩個框架之間用沿高度布置的耗能元件連接(見圖10)。兩個支撐框架在水平地震作用下發生搖擺后，框架之間的豎向錯動使耗能元件屈服耗能，從而降低結構的地震響應。這種帶有便于更換耗能元件的自復位搖擺結構體系更易于震后的修復。1/2比例擬動力試驗中，此雙鋼框架保持彈性，損傷僅集中在耗能元件上。同時，結構其余部分非線性滯回性能提供了結構的自復位功能。研究還表明，即使傾覆力沒有使耗能元件屈服，自復位系統仍能控制結構殘余變形。

圖8 自復位的搖擺支撐框架體系

圖9 搖擺支撐框架體系耗能元件

圖10 搖擺鋼雙框架

3 結語

搖擺耗能鋼框架把結構的損壞集中在可恢復減震耗能元件上，此元件可以在結構與基礎連接的部位，也可以在梁柱節點處，以及結構體之間的連接部位。搖擺耗能鋼框架結構的關鍵性能特點比如，自復位，柱底搖擺，以及損傷控制都在試驗中得到了驗證，并具有較好的工程使用前景。現在對自復位結構的研究仍在繼續開展，同濟大學結構試驗室正在進行受控搖擺式鋼筋混凝土框架的研究。隨著各國學者的努力研究，具有自復位與耗能能力的結構體系必將在抗震結構中得到更加廣泛的應用。

［1］郭 彤，宋良龍.自定心鋼框架抗震性能研究進展［J］.地震工程與工程振動，2010，30(5):10，51-54.

［2］Christopoulos C，Filiatrault A，Uang C M，et al.Post-tensioned energy dissipating connections for moment-resisting steel frames［J］.J.Struct.Eng.，2002，128(9):1111-1120.

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［4］Rojas P，Ricles J M，Sause R.Seismic performance of post-tensioned steel moment resisting frames with friction devices［J］.Journal of structural engineering，2005(131):529.

［5］Garlock M M，Sause R，Ricles J M.Behavior and design of posttensioned steel frame systems［J］.Journal of structural engineering，2007(133):389.

［6］Midorikawa，M.，Azuhata，T.，Ishihara，T.and Wada，A..Shaking table tests on seismic response of steel braced frames with column uplift.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2010，35(14):1767-1785.

［7］Pollino M，Bruneau M.Seismic retrofit of bridge steel truss piers using a controlled rocking approach.J Bridge Eng ASCE，2007，12(5):60-63.

［8］Roke，D.，R.Sause，J.，mRicles，C.Y.Seo and K.S.Lee.Self-Ce-ntering Seismic-Resistant Steel Concentrically-Braced Frames，Proceedings，Eighth U.S.National Conference on Earthquake Engineering，San Francisco，April，EERI.

［9］Deierlein，G.G.，Hajjar，J.F.，Eatherton，M.，Billington，S.，Krawinkler，H.and Ma，X..Seismically Resilient Steel Braced Frame Systems with Controlled Rocking and Energy Dissipating Fuses，George E Brown Jr.Network for Earthquake Engineering Simulation(NEES)7th Annual Meeting，June 23-25，2009，Honolulu，Hawaii.

［10］Eatherton，M.，Hajjar，J.F.，Deierlein，G.G.，Krawinkler，H.，Billington，S.and Ma，X..Controlled Rocking of Steel-Framed Buildings with Replaceable Energy-Dissipating Fuses，Proceedings of the 14th World Conference on Earthquake Engineering，Beijing，China，October，2008:12-17.