新型自復位鋼結構體系研究進展

韓建平王曉燕

（1．蘭州理工大學甘肅省土木工程防災減災重點實驗室，蘭州730050；2．蘭州理工大學西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，蘭州730050）

新型自復位鋼結構體系研究進展

韓建平1，2，王曉燕1，2

（1．蘭州理工大學甘肅省土木工程防災減災重點實驗室，蘭州730050；2．蘭州理工大學西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，蘭州730050）

摘 要自復位鋼結構體系不僅可減少甚至消除結構震后的殘余變形，還可聯合消能減震裝置增加結構耗散地震能量的能力，因而具有很好的工程應用前景。在對自復位鋼結構體系的構成與特點進行簡單介紹的基礎上，系統地對已經提出的多種新型自復位鋼結構體系進行歸類總結，重點從自復位鋼框架體系、自復位鋼框架支撐體系、自復位鋼板剪力墻體系以及自復位消能減震裝置4個方面闡述了不同結構體系的構造形式、基本原理及其研究現狀，最后指出了自復位鋼結構體系發展中需進一步研究的問題。

關鍵詞自復位，消能，預應力，殘余變形，鋼結構

State of the art of New Self centering Steel Structural Systems

HAN Jianping1，2，WANG Xiaoyan1，2
（1．Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2．Western Engineering Research Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry of Education，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Abstract Self－centering steel structural systems not only can reduce even eliminate the post-earthquake residual deformation，but also can increase the energy dissipation capacity by combining with the energy-dissipation devices．Therefore，this type of systems are promising for engineering application．Components and basic characteristics of the self-centering steel structural systems were introduced briefly．New proposed self-centering steel structural systems were categorized as self-centering steel frame system，self-centering steel braced-frame system，self-centering steel plate shear wall system and self-centering energy-dissipation devices．Configurations，rationale and current research status of each system were summarized detailedly．Further research issues that are necessary for the development of self-centering steel structural systems are recommended．

Keywords self-centering，energy dissipation，pre-stress，residual deformation，steel structures

1 引 言

傳統的鋼結構體系通過自身材料特性和結構變形來抵抗地震動，耗散地震能量，可能震后沒有倒塌但卻往往有很大的殘余變形，或者在結構的某些薄弱部位發生脆性破壞。這些變形以及破壞，增加了震后結構加固及修復的難度。1994年美國Northridge地震和1995年日本Kobe地震中，鋼結構焊接梁柱節點出現了大量的脆性破壞，北嶺地震及震后修復造成了超過150億美元的損失，這使得人們不得不重新審視并尋求更好的鋼結構梁柱連接節點［1－2］。

基于此，Ricles等設計了一種具有自復位（Self-Centering，SC）能力的鋼框架梁柱節點——后張預應力節點（Post-Tensioned Connection，PT Connection）。研究表明，采用后張預應力節點的鋼框架具有足夠的強度、剛度、延性及自復位能力，經歷很大變形后仍能保證梁柱不損傷，結構幾乎沒有殘余變形，這種結構不僅具有良好的抗震性能，還減少了震后結構的修復難度［3－4］。近幾年，國內外研究者們紛紛致力于自復位鋼結構體系的開發研究，提出了自復位鋼框架、自復位鋼框架－支撐、自復位鋼板剪力墻等結構體系，也開發研究了具有自復位能力的消能減震裝置。

國內從2010年起開始自復位結構體系的研究。郭彤等介紹了自定心（自復位）鋼框架抗震性能的研究進展，并進行了自定心預應力混凝土框架節點的試驗研究工作［1，5－7］。潘振華等在國內外關于自復位新型鋼結構體系研究的基礎上，對其結構體系與受力特點進行了總結與分析，并模擬分析了一種具有自復位能力的鋼框架節點的力學性能［8－9］。呂西林等提出了結構抗震設計的新概念——可恢復功能結構，周穎等綜述了搖擺結構和自復位結構的研究進展［10－11］。劉璐等提出了一種自復位防屈曲支撐，并對其進行了擬靜力試驗研究［12］。

本文在對自復位鋼結構體系構成進行簡要分析的基礎上，重點對國外近幾年提出的新型自復位鋼結構體系，包括自復位鋼框架體系、自復位鋼框架－支撐體系、自復位鋼板剪力墻體系、自復位消能減震裝置，圍繞各體系的構造形式、基本原理和研究現狀等方面進行綜述，最后指出自復位鋼結構體系發展中需進一步深入研究的問題。

2 自復位鋼結構體系構成及基本特征

周穎等將自復位結構定義為：如果放松約束的結構在地震作用下首先發生一定的彎曲變形，超過一定限值后發生搖擺，通過預應力使結構回復到原有位置的結構［11］。自復位結構體系需具備三部分：①可發生搖擺的連接或構件，如梁柱連接節點；②復位元件，如預應力鋼絞線、形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）等；③耗能元件或裝置，如角鋼、耗能鋼筋、阻尼器等。結構自復位的實現，這三部分缺一不可。在傳統抗震結構（已有耗能元件）的基礎上，放松結構基礎或連接處的約束，加入復位元件，使結構的滯回曲線呈現“旗型”，則形成自復位結構［11，13－14］。同時，若改變其中一個或多個組成部分的形式或材料，即可形成文中所述不同的新型自復位結構體系。如根據結構的變形特征，改變放松約束的位置；通過開發高性能材料，選擇適合結構體系的預應力材料；在結構體系中加入不同的耗能元件或裝置。不同的自復位結構體系歸根結底是三種基本組成部分結合的產物。

自復位鋼結構體系具有以下基本特征：

（1）以傳統抗震結構為基礎，以預應力為途徑，以減少甚至消除結構的殘余變形和增加結構的耗能能力為目標；

（2）可根據結構抗震需求，通過改變復位元件與耗能元件或裝置而調整結構剛度，使結構具有不同的自復位能力；

（3）結構的塑性變形及破壞集中在耗能元件或裝置，可保證主體結構（梁、柱）保持彈性，減少結構震后修復的難度；

（4）耗能部分可實現可更換，減少結構震后修復困難與周期；

（5）自復位鋼結構形式多樣，大部分構件可在工廠預制加工，減少了現場焊接的麻煩。

當然，后張預應力節點需要現場張拉預應力鋼絞線，同時為減少預應力損失，提高了對鋼絞線錨固的需求。

3 自復位鋼框架體系

3．1 自復位鋼節點

自后張預應力節點——PT節點提出后，研究者們開始探究PT節點的構造、力學性能與設計方法等，并進行了大量的試驗與分析研究，主要集中于：①PT節點的參數分析［8，12］；②在PT節點中引入不同的耗能元件，如角鋼、耗能鋼筋及摩擦件等［4－7，15－20］。特別地，文獻［15－20］將摩擦件分別置于梁的上下翼緣、只置于下翼緣和置于梁腹板處，形成了具有不同力學性能的PT節點，也提出了更適用于框架結構的節點形式。文獻［1，2，8，10－11，21］已對自復位鋼框架節點做了較為系統完整的綜述。

3．2 自復位鋼框架的框架擴展特性

近年來，自復位鋼框架（Self-Centering Moment-Resisting Frame，SC MRF）的研究重點已逐漸從節點轉移至整體結構體系上。在地震作用下，SC MRF通過PT節點繞梁上、下翼緣的轉動實現結構的自復位與耗能，但由于PT節點的繞動，梁柱接觸面交替開合，引起SC MRF擴展（frame expansion）現象，此現象對自復位鋼框架體系的設計是不可忽略的，這就要求對結構進行必要的特殊設計來與框架擴展協調變形或者完全消除框架擴展現象。

一方面，研究者們提出了特殊的樓板體系設計以協調框架擴展變形。2007年，Garlock等提出通過集合梁（collector elements）將PT框架與樓板體系連接，集合梁可將樓面慣性力傳遞給抗側力框架［22］。這種體系中，僅以集合梁代表樓板體系。Garlock等提出了考慮樓板體系對框架影響的PT鋼框架基于性能的抗震設計方法，分析了樓板強度、剛度以及集合梁數量等對SC MRF地震響應的影響，提出了表征樓板體系對框架梁內力影響的方程表達式，并討論了將該連接措施應用于工程實際應考慮的問題［23］。2011年，Chou等提出了圖1所示的可滑移組合樓板的樓板連接方案以消除樓板對SC MRF擴展的約束［24－25］。該方案中，PT框架的框架柱為預應力鋼管混凝土組合柱，梁為鋼梁。對于兩跨的PT框架，壓型鋼板組合樓板僅與其一跨剛性連接，而在PT框架的另一跨與樓板次梁的連接處安裝滑移裝置，樓板再與次梁剛接，以允許PT框架與樓板體系的相對滑移。文中對包含一榀PT框架、兩榀重力框架（gravity frame）的單層2×2跨的縮尺模型進行了振動臺試驗，主要研究了樓板對框架擴展的影響、模型結構的地震響應及PT梁中的壓力變化。試驗結果表明，試件具有自復位能力，殘余變形僅為0．01%。不同于僅采用PT節點的自復位鋼框架體系，上述PT框架的框架柱沒有采用固定基礎，而是放松柱底基礎，利用預應力鋼筋將框架柱與基礎夾緊。這一做法是基于柱的約束條件來影響自復位框架的地震響應，因為限制自復位鋼框架擴展的因素除了樓板還有柱，而且當柱底固定時框架底層的殘余變形較大。

圖1　樓板體系詳圖［25］Fig．1 Details of the slab system［25］

除此之外，2009年，Kim等提出了考慮框架擴展因素的裝有摩擦耗能裝置的PT框架的設計方法，并將其推廣運用于其它自復位框架結構體系［26］。2010年，Chou等提出了一種計算柱抗彎剛度與梁內壓力大小的分析方法并對其進行了驗證，該方法模擬了與各層梁柱節點開口相協調的柱變形模式［27］。由于柱變形模式取自于低層鋼框架的柱變形，所以該方法僅適用于中低層和低層結構。另外，Chou等將自復位技術同時應用于節點與框架柱，即形成PT節點和PT柱，對PT框架進行了構件試驗。同時對試件的PT節點和PT柱底采用轉動彈簧模型提出試件的三維分析模型。采用數值模擬與試驗相結合的方法，研究了柱底約束對框架抗震性能的影響，結果表明，PT框架的底層殘余變形減小而最大層位移增大，相比于柱底固定，PT框架中柱對底層樓板的約束大大減小［28］。

另一方面，研究者們提出了不產生框架擴展現象的自復位鋼框架體系。2011年，在自復位鋼板剪力墻的研究中，Dowden等提出了如圖2所示的兩種新型節點：繞梁中心線轉動的PT節點與New Z-BREAKSS節點［29－30］。

圖2　SC SPSW的兩種新型PT節點［30］Fig．2 Two types of PT connection of SC SPSW［30］

這兩種節點同樣可以應用于SC MRF中。與繞梁翼緣轉動的節點不同，這兩種節點的預應力鋼絞線均在梁跨內截斷。而且，在這兩種節點中，梁柱接觸面間預留有一定間距以供節點受力時繞動，不會額外增加柱間間距而使框架擴展。另外，2013年，Darling等還提出一種新型的具有自復位能力的鋼梁，其構造如圖3所示［31］。采用這種自復位鋼梁的鋼框架（Self-Centering Beam Moment Frames，SCB MFs）在地震作用下柱間間距保持不變，消除了框架擴展現象。SCB MF不僅在大震下可幾乎完全消除殘余變形還可將結構的損傷集中于圖中所示的“保險絲”，便于結構震后修復。

圖3　SCB MF構造［31］Fig．3 SCB MF configurations［31］

4 自復位鋼框架－支撐體系

4．1 自復位框架中心支撐體系

潘振華等將常規材料支撐分為兩類：一類是Roke等提出的自復位中心支撐框架體系（Self-Centering Concentrically-Braced Frame，SC CBF），通過豎向布置的預應力直接對支撐體系整體施加預應力，實現結構的自復位性能［32－33］；另一類是支撐本身具有自復位與耗能能力［8］。Christopoulos等提出由鋼支撐元件——內部元件（inner steel member）與外部元件（outer steel member）、耗能組件及預應力構件組成的自復位耗能支撐體系（Self-Centering Energy Dissipative bracing system，SCED），并對其進行理論分析與試驗驗證，驗證結果表明該支撐體系在循環荷載作用下滯回性能穩定，但在預應力鋼絞線變形超過彈性極限后，體系會喪失自復位能力［34］。

為提升自復位支撐的變形能力，周中哲等提出了鋼雙核芯自復位斜撐（steel dual-core self-centering braces），第一核芯構件由H型鋼構成，第二核芯構件由兩方形鋼管組成，放置于由長方形鋼管組成的外圍構件內，各構件的長度皆相同，并于構件兩端蓋上內層與外層端板。該支撐通過界面的相對位移產生摩擦消能，通過兩組核芯受壓構件與兩組預應力構件，使斜撐的變形量在拉力構件相同應變下大幅增加（或在相同斜撐變形量下，斜撐的拉力構件應變量減少一半）。對該支撐應用復合纖維材料棒為預應力構件進行抗震試驗。試驗結果表明，鋼雙核芯自復位斜撐不僅具有耗能與自復位能力，在相同層間位移角下，其預應力構件的變形量是傳統單核芯自復位斜撐預應力構件的一半［35］。

Erochko等提出了圖4所示伸縮式自復位耗能支撐（Enhanced-elongation Telescoping Self-Centering Energy Dissipative Brace，T SCED）［36］。其原理與周中哲等提出的鋼雙核芯自復位斜撐一樣，只是構造形式不同。該新型支撐在傳統SCED支撐的基礎上加入了與內外元件平行放置的中間滑移元件（‘floating’intermediate steel member），使其允許再加入一組預應力構件，因此，改進的支撐就由兩組預應力構件共同平均地承受支撐的變形。如果每組預應力構件的變形能力與傳統的SCED支撐的相同，則T SCED支撐的最終伸長能力為傳統SCED支撐的兩倍。另外，文中還指出可以在此種改進體系中加入2個或更多的中間元件以增加SCED支撐的變形能力。多倫多大學對裝有加入1個中間元件的T SCED支撐的足尺框架系統進行了偽靜力與擬動力試驗，并對其進行混合模擬試驗，試驗中T SCED能夠發生位移為層高的3．9%，并可實現完全自復位。因此，鋼雙核芯自復位斜撐和T SCED支撐的變形范圍增大，滿足了大變形結構的需求。

圖4　T SCED支撐設計［36］Fig．4 T SCED brace design［36］

不同于Roke等提出的支撐，O’Reilly等提出了圖5所示的自復位中心支撐，它將自復位鋼框架結構中的預應力節點與普通鋼管支撐結合，在地震作用下通過梁柱節點的搖擺由預應力元件提供回復力，通過鋼管支撐的塑性變形耗能［37］。該支撐體系還有一個關鍵的特點是支撐與梁柱通過角板連接，角板在轉動節點（rocking connection）處并沒有和梁、柱都焊接，而只與梁焊接以允許節點轉動。利用OpenSees對該體系進行數值模擬，驗證其響應方程，并對設計實例進行時程分析，結果表明該體系具有自復位特性，殘余變形滿足設計要求，梁、柱和預應力構件均保持彈性，支撐延性也滿足要求。

圖5　SC CBF的總體布置［37］Fig．5 General configuration of a SC CBF［37］

4．2 自復位框架偏心支撐體系

偏心支撐體系的消能段在地震作用下發生塑性變形，為減少震后消能段的殘余變形，Cheng等將自復位思想運用到偏心支撐中，形成自復位偏心支撐體系（Self-Centering Eccentrically Braced Frame，SC EBF）［38］。在這種體系中，放松消能梁段與相鄰梁段的接觸面約束，結構發生位移時預應力鋼筋提供回復力，形成了類似于PT節點的轉動節點。首先，Cheng等對5個足尺的單層單跨偏心支撐體系進行了側向循環加載試驗，并加入了耗能元件摩擦阻尼器或角鋼來提高體系的耗能能力。試驗變量為耗能裝置類型、阻尼器的夾緊力和角鋼規格。其次，對該體系的力－位移關系進行了理論推導。最后，將分析結果與試驗結果進行了對比。結果表明，該體系可以實現結構自復位，利用文中提出的分析模型也可以得到EBF的力－位移關系。在體系中加入耗能裝置可改善自復位偏心支撐體系的抗震性能。

4．3 自復位屈曲約束支撐

2011年，Miller等研究了自復位屈曲約束支撐（Self-Centering Buckling-Restrained Brace，SC BRB）的基本原理與抗震性能，如圖6所示［39］。SC BRB是在傳統的屈曲約束支撐基礎上引入超彈性材料形狀記憶合金（SMA），其設計與制作可直接利用已有的普通屈曲約束支撐的設計方法和構造方法。在地震作用下，SC BRB結構主要通過屈曲約束支撐的變形耗能、預應力SMA提供回復力來控制變形。研究人員設計了1／2縮尺模型對SC BRB的數值模擬模型進行驗證與改進，以進一步對體系進行非線性動力分析，尋求最適合自復位屈曲約束支撐框架體系的設計方法、構造要求與分析模擬方法。

圖6　SC BRB組成元件［39］Fig．6 SC BRB components［39］

5 自復位鋼板剪力墻體系

自復位鋼板剪力墻體系（Self-Centering Steel Plate Shear Walls，SC SPSW）是將薄鋼板剪力墻與PT節點相結合形成的高性能抗震體系，如圖7所示。鋼板墻結構單元由內嵌鋼板（Web Plate）及邊緣框架梁（Horizontal Boundary Element，HBE）、柱（Vertical Boundary Element，VBE）組成。其中，梁柱在目標位移下基本保持彈性，結構損傷集中于鋼板，將其作為可更換的耗能“保險絲”［40－41］。為研究開發自復位鋼板剪力墻體系，美國開展了由國家科學基金會資助的“NEESR-SG：Smart and Resilient Steel Plate Shear Walls”的研究項目，該項目著眼于兩個主要問題：①開發研究自復位鋼板剪力墻體系；②解決鋼板剪力墻的實際應用問題。

2010年，Berman等根據基于性能的抗震設計方法初步設計了一個含PT節點的三層SC SPSW結構，并提出了一種分析模型，運用OpenSees軟件對所設計的原型結構進行分析［42］。非線性時程分析結果表明，SC SPSW不僅具有自復位能力，還能滿足所有關鍵的特定性能目標，包括小震下保持彈性、中震下可自復位、大震下不倒。2012年，Dowden等關注了SC SPSW中梁的行為與設計方法［40］。根據承載能力設計原理，以框架梁（HBE）為隔離體，分析其受力特性，基于鋼板墻的屈服得到了HBE所受彎矩、剪力和軸力的表達式，最終提出了SC SPSW體系中HBE和PT節點的設計方法，且節點的設計方法適用于任何繞梁翼緣轉動的PT節點（圖7（b））。同時，Clayton、Berman和Lowes等基于結構的性能目標擬定了SC SPSW的抗震設計方法和建模的分析方法。運用提出的抗震設計流程，設計了一系列位于加利福尼亞州高烈度地震區的3層和9層的建筑物，并對這些建筑物輸入分別代表大中小三種地震作用的地震動記錄進行非線性動力時程分析，各項性能目標表明SC SPSW體系不僅可以自復位，還可達到理想的抗震性能目標［41］。

圖7　自復位鋼板剪力墻體系簡圖［41］Fig．7 Schematic diagram of a SC SPSW［41］

SC SPSW體系和構件的抗震響應還通過一系列偽靜力試驗和振動臺試驗進行了驗證。目前，Winkley等對4個SC SPSW的子構件進行子結構偽靜力試驗，研究了不同設計參數對整體結構在循環荷載下響應的影響以及對構件的設計需求［43－44］。試驗結果與理論分析結果符合，設計合理的SC SPSW體系可以自復位，具有較高的強度、剛度及耗能能力。在子結構試驗的基礎上，為研究驗證SC SPSW結構整體性能，Clayton等對3 層1／3縮尺的SC SPSW體系進行了偽靜力試驗和振動臺試驗［45］。由于框架擴展（frame expansion）的影響，造成樓板的嚴重破壞，同時樓板對柱擴展的制約會對梁的軸向要求增高，因此，在本次研究中，還采用了如圖2所示的兩種新型PT節點［30，45］。

6 自復位消能減震裝置

被動消能減震裝置，如阻尼器，在地震作用下自身也會發生永久變形，從而影響其減震效果的發揮或影響結構的正常使用。為此，具自復位功能的消能減震裝置的研究日益增多，其核心思想是在被動消能減震裝置中引入智能材料（如SMA）或預應力元件，減少甚至消除其殘余變形，形成自復位消能減震裝置。

6．1 自復位阻尼器

1995年，Clark等首先提出了基于SMA的阻尼器，將超彈性材料SMA引入阻尼器，使其具有很好的耗能能力［46］。在此基礎上，Dolce等又加入了一組SMA作為復位裝置，使阻尼器同時具有自復位與耗能能力［47］。隨后，出現了各種構造形式的自復位SMA阻尼器，主要由SMA提供回復力［48－50］。

2008年，Ma等提出了一種由兩組預應力SMA和兩個預壓彈簧組成的自復位SMA阻尼器，如圖8所示［51］。

圖8　SMA阻尼器的原理圖［51］Fig．8 Schematic diagram of the SMA damper［51］

不同于之前的SMA阻尼器，預壓彈簧用來提供回復力，是有效可靠的回位組，而SMA束用作耗能。研究分析結果表明，裝有自復位阻尼器的結構的層間位移可有效減小［50，52－53］。2011年，Ma等為得到準確描述自復位SMA阻尼器的力－位移關系的模型，對Ma和Cho提出的SMA阻尼器進行了模擬［54］。文中耗能組（SMA）采用BoucWen模型，回位組（彈簧）采用剛－彈性模型進行模擬，提出了一種自復位阻尼器的數學建模方法并對其可行性驗證，表明該方法簡單有效，可以準確預測阻尼器的力－位移關系。然后，對2個底層裝有所提出的阻尼器的鋼框架進行振動臺試驗，縮尺比例為1／4，并采用所提出的數學模型對其進行動力時程分析，結果表明，自復位阻尼器可有效減少結構的樓層位移和層間位移角，在結構抗震應用中具有很高的價值。

6．2 自復位混合裝置

2010年，Yang等對支撐框架所提出的一種同時具有耗能與自復位能力的混合裝置進行研究與評估［55］。該混合裝置主要有三部分：提供回復力的SMA束、耗能撐桿和引導裝置運動的高強鋼管。該裝置可以裝配在結構的梁和支撐之間或者作為結構的支撐，如圖9所示。研究者還提出了此種裝置的設計方法，并據其設計了裝有此裝置的三層結構，分別對其進行彈塑性與動力分析，結果表明該體系不僅具有與屈曲約束支撐體系相同的耗能能力，而且具有自復位性。

2011年，Karavasilis等將自復位構件與黏彈性阻尼器組裝成自復位粘彈性阻尼裝置（Self-Centering Viscoelastic Damping Device，SCVDs）［56］。其可能的構造形式如圖10所示。第一種構造形式相似于Christopoulos提出的SCED支撐［34］，第二種構造形式為Zhu等提出的自復位摩擦阻尼支撐［48］。對裝有此裝置的鋼框架進行分析研究，發現由于殘余變形的顯著減小和樓層位移、加速度和速度的減小，框架的結構和非結構性能均得到提高。Cesare等對分別裝有屈服型阻尼器（hysteretic dampers）和黏滯復位裝置（visco-recentring devices，SMA＋VD）的鋼框架體系進行了試驗分析與數值模擬［57］。SMA＋VD裝置是由黏滯阻尼器和SMA組成的混合裝置，如圖11所示。另外，Ozbulut等提出了一種用于抵抗近場地震的復位變摩擦裝置（Re-centering Variable Friction Device，RVFD）。該混合裝置由兩部分構成：SMA和變摩擦阻尼器（Variable Friction Damper，VFD）。SMA用來耗能與提供震后裝置的復位，VFD通過調整電壓實現智能控制以使其自適應半主動響應。裝有該混合裝置的三層結構的分析結果表明，近場地震作用下該裝置可以減小結構的最大位移響應，還可以顯著減小結構的殘余變形［58］。

圖10　SCVD的構造形式［56］Fig．10 Configurations of the SCVD［56］

圖11　SMA＋VD裝置［57］Fig．11 Overview of the SMA＋VD device［57］

2012年，Braconi等提出一種新型的自復位鋼裝置（Steel Self-Centering Device，SSCD），如圖12所示［59］。該裝置主要有三個組成部分：骨架（skeleton）、耗能元件（dissipative elements）和預應力元件（pretension elements）。與Christopoulos等提出SCED的原理一樣，該裝置也是將屈曲耗能體系與鋼預應力體系結合，預應力體系提供回復力以實現結構的自復位［33］。整個裝置完全為鋼材，耗能元件也是由鋼保險絲制作，震后很容易更換。文獻［59］首次闡述了該裝置的工作機理，通過改變各元件的機械性能，對該裝置進行了參數分析，還研究了不同等級的鋼材對耗能元件性能的影響，目的是選擇最適合該裝置的小規格易更換的鋼保險絲，最后對足尺SSCD進行了試驗以研究其整體性能。

圖12　SSCD的主要組成元件［59］Fig．12 Main elements of the SSCD［59］

7 結論與展望

作為高性能抗震體系的一種有效形式，自復位鋼結構體系還具有修復快、可更換的特點，具有很好的工程應用前景。目前，國內外在這一領域已有一些研究成果，但總體而言尚處于起步階段，特別是國內，還未對此進行更深入、系統地研究。為推進自復位鋼結構體系的發展，尚需對下列問題進行進一步的探究：

（1）研究各類自復位鋼結構體系的整體抗震性能，細化研究自復位節點與裝置在結構體系中的響應。文中所述的大部分自復位鋼結構體系的研究處于對結構子構件的初步試驗與理論分析階段，部分體系也僅限于概念認識，對結構體系層面的研究還很少。對于新提出的兩種消除框架擴展的新型節點與各種自復位消能減震裝置在體系中的響應也只有初步的試驗與分析研究，一些結構構造細節尚需進一步改進。

（2）研究體系基于性能和可靠度的概率設計方法。目前的研究大多屬于確定性分析，基本上未考慮地震輸入和結構自身的不確定性。基于性能和可靠度的概率設計理念已逐步被納入到結構設計體系中，因此有必要開展自復位體系在不同設防烈度、不同性能水準要求下的抗震可靠度研究，以更加科學合理地評估各類自復位鋼結構體系的性能。

（3）研究基于殘余側移的結構抗震性能評估與設計方法。目前各國規范基本均以最大層間側移角作為抗震性能評估和設計的主要指標，但震后調查和理論研究均表明，在基于性能的抗震設計中，應該引入殘余層間側移作為抗震性能評估的補充指標，特別是涉及結構震后可修性評估時這一指標就顯得更加重要。

（4）研究主體結構與非結構構件的相互作用與影響。自復位結構中存在可轉動的連接部位，對結構整體帶來很多不可預知的影響，這就需要協調主體結構與非結構構件的相互作用，合理設計非結構構件，避免非結構構件給結構構件帶來不利的約束，如樓板構造對自復位鋼框架體系的框架擴展的約束。

（5）提高自復位結構的實用性和經濟性。目前提出的多種自復位結構消能裝置都需要使用智能材料SMA，這種材料價格昂貴，很難在工程應用中普遍推廣。同時，很多自復位鋼支撐與混合裝置構造還比較復雜，也較難直接應用于實際工程。基于此，需要進一步開發研究構造簡單、造價低廉的自復位鋼結構體系與裝置，同時盡量實現結構構件的可更換，降低結構震后的修復難度。

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基金項目：甘肅省科技支撐計劃項目（1204FKCA126）；甘肅省建設科技攻關資助項目（2011-18）聯系作者，Email：jphan＠lut．cn

收稿日期：2015－03－31