摇摆耗能自复位钢结构研究发展

朱非白

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

0 引言

目前关于地震的研究和经验表明对于地震后难损坏、易修复建筑物的需求越来越大。为此发明出一种新型摇摆耗能自复位钢框架结构体系，首先通过弱化结构部件以减小地震反应;其次耗能构件集中在结构损伤位置，实现耗能功能并且易于修复或更换;最后无粘结预应力筋提供结构的自复位功能。本文总结了国内外对于此类结构体系的研究进展和成果，主要包括抗震性能和自复位性能［1］。

1 节点摇摆耗能

2002年，Constantin［2］在无粘结预应力筋预应力钢框架结构中，针对预应力钢梁梁柱节点进行了试验和模型分析。试验结果显示，由于预应力筋的高强度特性提供接头自复位能力，节点无残余变形发生，装设的消能钢棒也发挥了耗能作用。

2002年以来，Ricles等［3］进行了自复位钢框架结构研究，进行了9个大比例节点的抗震试验，后张预应力自复位钢框架节点如图1，图2所示，其基本构成包括框架梁、柱、预应力构件、角钢或摩擦件等构件。其中，水平布置的钢绞线对框架梁产生压力并承受弯矩，梁端的剪力由梁柱接触面上的摩擦力和梁端的角钢共同承担。当地震作用达到一定程度时，梁柱的接触面张开，角钢出现塑性变形并耗能，从而避免了梁柱等主体构件的损坏。地震作用后，结构在预应力作用下恢复到原位置。研究表明，随着试验的进行自复位钢框架未出现残余变形。可见，合理设计可实现钢框架结构的“可恢复功能”。

图1 带消能钢棒的自复位钢节点

图2 自复位钢框架节点

2005年，Rojas等［4］在上述研究基础上，在钢框架梁柱连接转动节点处引入摩擦板(见图3)，既允许节点发生转动，又使节点在转动时摩擦消能。文献同时对6层4跨消能节点自复位钢框架结构进行了强震作用下的计算分析，结果表明该框架具有良好的耗能能力、自复位能力和足够的强度，其抗震性能优于传统焊接钢框架结构。

Garlock等［5］于2007年提出了后张预应力自复位钢框架结构的设计方法和步骤。

图3 消能节点自复位钢框架

2 整体摇摆耗能

整体摇摆耗能钢结构体系放弃在节点设置无粘结预应力筋弱化节点，而是通过柱脚提离，实现结构整体摇摆耗能功能。

2.1 柱脚弱化框架

Midorikawa 等［6］(2003，2006)通过在提离钢柱脚与基础之间设置耗能翼板(见图4，图5)，利用摇摆钢框架在柱脚的集中变形来耗散地震能量，并通过振动台试验验证了这种摇摆耗能结构体系的减震效果。

试验结果显示，小震下，固定柱脚与带有耗能翼板提离柱脚的钢框架的最大楼层剪力基本相当;大震下，带有耗能翼板提离柱脚框架的楼层剪力显著减小，最大减小了52%，而两者上部结构反应位移及顶点位移却很接近。分析表明，提离后耗能翼板屈服导致钢柱中拉力持续增大并达到稳定值，并且比固定柱脚的拉力值小;而最大压力和固定柱脚几乎一样。同时数据表明，摇摆过程中柱底所受剪力通过耗能翼板传递到基础，摇摆运动并没有削弱耗能翼板的抗剪能力。

图4 带有耗能翼板的摇摆结构

图5 带有耗能翼板的钢柱脚

Pollino和Bruneau［7］提出一种针对桥梁钢桁架桥墩的摇摆控制体系，其中在结构的基底设置耗能消散器，以控制摇摆体系的地震反应。设计这样的装置是用来减小对结构保持弹性的需求，为提高抗震性能提供了一种加固方案，同时损伤全部都可以发生在方便更换的结构元件上，如图6所示。设计者能够预测摇摆过程中结构的最大恢复力，从而构件和节点都可以设计成保持弹性。

图6 采用摇摆机制的钢桁架桥墩加固方案

2.2 摇摆支撑框架

Sause，Roke等［8］针对传统同心支撑框架体系(SC-CBF)屈服前变形能力有限以及屈服后刚度强度急剧降低等缺点，设计出一种具有自复位能力的同心支撑摇摆框架。该体系通过竖向的预应力来控制框架围绕其旋转中心旋转并提供恢复力，从而实现自复位功能。侧向力较小时，结构的弹性变形与传统的CBF框架相似。侧向力较大时，框架底的倾覆力矩足够大而能使柱脚发生提离。当柱脚提离后，框架围绕“受压”柱底发生刚体转动，柱中后张预应力筋在框架提离运动中拉伸，应力增加，这为框架提供了积极的侧向刚度。在此过程中，结构可通过耗能元件进行耗能。研究表明，采用合适的设计参数，主体结构可控制在弹性变形范围内。

图7给出了三种SC-CBF形式，其中图7a)中的预应力施加在两侧的框架柱上，框架柱同时承担竖向的重力荷载和预应力。摇摆过程中既有预应力筋提供的恢复力，又有重力荷载提供的反倾覆力矩。

图7b)两套柱系统分别承受竖向荷载和水平地震作用，并在两柱之间设耗能元件，以加强高阶振型下的耗能效果，竖向预应力施加于跨中的支撑节点部位。

图7c)则是图7b)的改进形式，通过在上部楼层中设置一定数量的竖向支撑，以改善竖向预应力的传递，避免了应力集中。

图7 三种SC-CBF形式

2010年2月完成的大比例试验表明，在最大预计地震作用下，顶点位移角达到4%，此时SC-CBF体系仍表现出良好的自复位性能，主体结构基本处于弹性范围。

Deierlein等［9］于2009年设计了由钢支撑框架、竖向后张预应力钢筋以及可更换耗能元件组成的摇摆结构体系，提出一种既抗震效果显著又经济安全的结构形式。此钢支撑框架与Roke设计的摇摆支撑框架类似(见图8)，预应力筋安装在跨中的支撑节点部位，耗能装置位于基础与框架之间，作为预期损伤部件(见图9)。这一预期损伤机制在E-Defence进行的足尺模型振动台试验中得到了验证。

Eatherton等［10］于2009年将两个摇摆钢支撑框架并排组成双框架结构，两个框架之间用沿高度布置的耗能元件连接(见图10)。两个支撑框架在水平地震作用下发生摇摆后，框架之间的竖向错动使耗能元件屈服耗能，从而降低结构的地震响应。这种带有便于更换耗能元件的自复位摇摆结构体系更易于震后的修复。1/2比例拟动力试验中，此双钢框架保持弹性，损伤仅集中在耗能元件上。同时，结构其余部分非线性滞回性能提供了结构的自复位功能。研究还表明，即使倾覆力没有使耗能元件屈服，自复位系统仍能控制结构残余变形。

图8 自复位的摇摆支撑框架体系

图9 摇摆支撑框架体系耗能元件

图10 摇摆钢双框架

3 结语

摇摆耗能钢框架把结构的损坏集中在可恢复减震耗能元件上，此元件可以在结构与基础连接的部位，也可以在梁柱节点处，以及结构体之间的连接部位。摇摆耗能钢框架结构的关键性能特点比如，自复位，柱底摇摆，以及损伤控制都在试验中得到了验证，并具有较好的工程使用前景。现在对自复位结构的研究仍在继续开展，同济大学结构试验室正在进行受控摇摆式钢筋混凝土框架的研究。随着各国学者的努力研究，具有自复位与耗能能力的结构体系必将在抗震结构中得到更加广泛的应用。

［1］郭 彤，宋良龙.自定心钢框架抗震性能研究进展［J］.地震工程与工程振动，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.

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［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.