浅析自复位耗能结构研究进展

晁贝贝

(扬州大学 江苏 扬州 225127)

一、前言

我国位于世界两大地震带之间，地震活动频度高、强度大、是一个震灾严重的国家[1]。唐山大地震的惨痛教训引起了人们的反思，意识到建筑抗震的重要性。

目前国际上还没有对自复位耗能结构做出公认的分类，各国学者对自复位的分类繁多，根据国内外研究进展，本文主要对基于摇摆效应的自复位系统(SCEDS)进行探讨。

二、基于摇摆复位效应的SCEDS体系

(一)基于整体摇摆复位的SCEDS体系

摇摆(rocking)效应是指在地震作用下，结构向上抬升的趋势可对结构本身起到保护作用[2]，且在地震后通过重力或预应力筋产生的恢复力实现自复位的效应。

摇摆效应研究始于1960年的智利大地震，震后人们发现许多可摇摆的瘦高结构物比一些看似稳固的结构受到的震害轻。基于这一现象，加州理工学院的Housner教授[3]于1963年建立了摇摆刚体的力学模型并进行了一系列实验与理论分析，论证了摇摆结构有着良好的抗震性能。

2008年，Eatherton等人[4]首先研究了一种新型受控框架摇摆自复位系统，该系统主要由钢支撑框架、竖向后张预应力筋、与蝶形剪切耗能件组成。系统主要由蝶形耗能件消耗地震能量，后张预应力筋可以起到辅助耗能与加强结构恢复力的作用。两年后，在其前期研究基础上设计了单框与双框两种结构体系，并对双框结果系统进行了2:3缩尺振动台试验，结果表明，该结构可以保持充足的韧性并有较小的残余变形，验证了有限元模型对层间位移比3%的预测。

2019年，Xiangri Geng等研究一种在柱与基础之间开槽的自复位混凝土框架，细节图如图2所示，为保证复位能力，将后张预应力钢筋布置在柱的中心线位置，并在槽口中设置纵向钢筋进行耗能。设置槽口可使框架在地震中发生转动耗能，又能消除在柱底端形成的集中力将柱脚压碎的危害。实验表明，该框架具有较好的复位能力，试件在2%的侧向位移下均能保证残余位移在1%以下。

2000年，Kurama等提出一种摇摆混凝土剪力墙附加粘滞阻尼器的被动耗能系统，将粘滞阻尼器斜置于剪力墙和支撑柱之间，大约呈45度角。结构发生摇摆时，剪力墙与屋面产生间隙激励粘滞阻尼器工作，从而达到耗散地震能量与控制结构变形的目的。并对其进行了有限元模型分析，结果表明，该系统可以将屋面位移降低到理想的范围内。

2009年，A.wade等对日本东京理工大学津田校区的G3楼进行加固改造，将预应力混凝土摇摆墙通过阻尼器附着在抗弯框架上，从而减小结构在震中的变形，并基于ABAQUS软件对该楼进行抗震性能评估，结果显示，经过改造后的G3楼具有较好的地震响应。

2017年，孙志国等[5]提出一种摇摆-自复位双柱墩结构，该结构主要由安装在梁柱接缝处的角钢耗能，由竖向设置的无粘结预应力筋提供复位力，针对单层双柱墩结构建立了普通混凝土双柱墩(RC试件)、含角钢的摇摆-自复位双柱墩(RSC-B-A试件)、含角钢与耗能钢筋的摇摆-自复位双柱墩(RSC-B-AS试件)3种数值模型并进行抗震性能分析，结果表明RSC-B-AS试件具有较好的耗能能力，且具有较小的残余位移，有利于柱墩的震后修复。

2019年，Dayang Wu等改进了传统自复位钢筋混凝土框架结构，建立了一种同时考虑核心刚度、粘性阻尼和复位装置的参数模型，并对该模型进行了模拟分析。结果表明，该模型的各项指标均能达到预期的目标，为后面的初步设计阶段奠定了良好的基础。

(二)基于节点摇摆复位原理的SCEDS体系

在预制装配式结构的梁柱节点位置设置后张预应力钢筋，允许节点发生一定的转角变形，耗散地震能量，可以在节点或其他位置设置摩擦或屈服机制，增加节点的耗能能力。

1993年Priestley和Tao提出在预制混凝土框架中采用无粘结预应力筋的连接方法，该结构允许梁柱节点在震中发生一定的转动来抵消地震能量，并在震后通过预应力筋将其复位。

2005年，P.rojas等介绍了一种带摩擦阻尼器的后张预应力耗能钢框架(PFDC-MRF)，当梁柱因震动产生转角变形，从而带动锚固在梁翼缘上的摩擦阻尼器产生摩擦耗能，对PFDC-MRF框架体系进行了非线性时程分析，结果表明，PFDC-MRF具有良好的耗能能力与自复位能力，且具有较好的的强度。

2013年，Liang-long song等[13]提出一种新型腹板摩擦式自复位预应力混凝土(scpc)梁柱节点体系，对两个全尺度scpc梁柱节点体系进行10次循环加载试验，结果表明该体系具有良好的抗争性能。

为改善自复位预制混凝土框架耗能能力较差的缺点，2019年，Yangdong Li提出一种在梁柱节点设置滞回阻尼器的预制混凝土框架(SCPCHD)体系，并建立双跨框架进行了有限元弹塑性动力时程分析。结果表明，在考虑最大地震动的情况下，SCPCHD梁柱节点的耗能能力是SCPC框架的3.8倍，并可保证框架的自复位功能。

2016年，庄鹏等提出一种新型的滑动隔震支座(SFB)，并利用等频三角法对该试件在不同条件下进行循环加载试验，实验表明，SFB具有较好的耗能能力与自位复位能力，且具有饱满的滞回曲线。

2018年，李灿军将非石棉摩擦耗能器引入设置了超弹性形状记忆合金杆的框架节点中，可以有效的提高节点的耗能性能与抗弯能力，梁柱节点的复位关键在于对SMA杆的预应力。基于有限元软件OpenSees对该自复位节点进行模拟。结果表明该摩擦耗能型SMA杆自复位梁柱节点具有良好的耗能性能与复位性能。

2019年，Xian Xu等将SMA筋与传统钢筋连接形成SMA复合钢筋束，使刚连梁系统具有再次对中能力，并对该系统进行了静态试验。结果表明，自复位连杆梁的残余变形小于0.16%。

三、结论与展望

对基于摇摆效应的SCEDS进行了阐述其研究现状。需要指出得是，自复位自复位耗能框架还处于研究的理论阶段，有待于应用于实体结构，并对其观察研究，这需要一定的时间。还需对自复位耗能框架进行深入研究，丰富其耗能与复位系统。有待研究出一些价格低、耐久性与抗疲劳好的材料。相信自复位耗能框架的研发会是建筑上的一种转折点，让抗震设计进入新的时代。