可恢复功能的抗震结构研究进展

2021-02-27范文杰

山西建筑 2021年5期

范文杰

(山西省介休市建筑设计院，山西介休 032000)

1 概述

由于我国位于欧亚地震带和环太平洋地震带的交界处，因此是地震活动最为频繁的地区之一[1]。我国所有地区都位于6度及以上，在发生地震灾害时，将会面临着相当严重的震害风险[2]。与此同时，地震过后还会造成巨大危害，例如：建筑物的倒塌、山洪、海啸等，严重威胁人类的生命和财产安全。

21世纪以来，地震的次数越来越多。由于当前技术的不足，地震无法准确预测，我们应该做的是提高自身房屋结构的稳定性，做好相应的防护措施。由于地震会带来严重的次生灾害，导致建筑物破坏，因此会造成较大损失[3]。正是由于地震带来了巨大的灾难，人们不断从悲痛中总结规律，进一步加大对地震方面的研究，取得了不少合理控制地震的方法。这些不仅要求在大震中不能倒塌，还要求结构在震后的救援工作中能够实现快速恢复其使用功能的作用，这对于震后的重建和社会的稳定有着举足轻重的作用[4]。在地震造成的损失中，很多因为结构破坏严重，只能拆除重建或者需要花费大量人力物力去修复，这造成了巨大财产损失[5]。因此，如何使建筑在大震后具备快速恢复使用功能的目的已经成为当今结构抗震的研究热点。

2011年，可恢复功能的概念首次被提出[6]。主要的实现方法有：自复位结构、摇摆墙结构、可更换构件结构等[7-9]。由此可见，这种可恢复结构成为当前研究的主要发展方向，本研究根据国内外对于可恢复结构的不同实现方法进行总结，并对这种结构未来的发展前景进行分析研究，为今后可恢复功能的研究提供一定的理论基础。

2 梁柱自复位结构

自复位结构是将自复位、耗能、装配式三种理念融合起来的一种设计理念[10]。自复位顾名思义就是物体在受到外力的作用下，无需借助外力凭借自身的能力就可以恢复原来的形状和位置。耗能能力通常是构件对地震能量消耗的能力，一般结构的滞回曲线饱满程度越高，耗能性能越好。这种自复位装配式耗能结构有灵活度高、操作方便、工期短、对环境影响较小的优点，这种结构在地震破坏后因为能够实现快速更换，迅速恢复其使用功能而成为当前发展的主要潮流。20世纪90年代，Stone[11]和Priestley[12]通过在梁中添加预应力筋使梁柱具有自复位的能力；2008年，Lin等[13]采用在梁柱节点处增设阻尼器的手段使节点在变形后能够恢复到初始位置。近年来，我国的自复位梁柱也有了较好发展，张艳霞和叶吉健等[14]研究了带阻尼器的钢框架，利用有限元模拟的方法进行了研究，结果表明：这种有限元模拟方法较为可靠，自复位框架各层的速度、加速度、周期与刚框架较为接近，震后残余位移较小，自复位效果较好，优势比较明显。

吕西林、陈云、王先铁等[9，15，16]设计了一个双层自复位混凝土框架结构，用预应力筋将上部结构和承台连接，梁采用螺栓和角钢连接在柱子上，中间用钢板隔开，在梁中设置预应力钢绞线，具体模型示意图如图1所示，对结构进行了振动台试验，结果表明：这种自复位框架的抗震性能和自复位能力较好，延性和变形能力较强，残余位移较小，自复位能力能够得到有效发挥，但是在较大地震下，结构的耗能能力有所降低，因此可以适当的加大耗能构件的数量，但是也不宜过多，否则会影响结构的自复位能力。

因此，在地震后，梁柱的自复位构件能够作为一种可更换的抗震结构，这种结构的重点是通过结构的自复位能力，使得结构的破坏发生在耗能构件上，然后对损坏的耗能构件进行更换，从而能够达到快速恢复其使用功能的目的，结构的主体结构得到了保护，但是当前研究的主要方面是耗能构件的快速更换，并没有对耗能构件的形式进行系统的研究，也是今后需要继续研究的方向。

3 带可更换构件的结构

带可更换的结构[17]，是将节点某处强度削弱，或者在节点某处设置耗能构件，这种耗能构件为可更换结构。这种结构可以与主体结构进行装配，并且这种装配方法方便拆卸[18-22]。在地震作用下，主要是可更换构件发生破坏，利用这些构件对地震产生的多余能量进行消耗，因此，结构的主体基本不会发生破坏，也容易在震后进行修复和更换。

3.1 桥梁结构可更换构件

彭康林等[23]提出了一种新的桥梁加固方法，这种加固方法通过预应力筋来实现，主要介绍了三方面的内容：1)介绍了在荷载作用下桥梁的力学性能；2)介绍了混凝土的疲劳现象，作为这种新的加固方法的研究基础；3)系统的介绍了这种新的加固方法，并进行了公式推导和验算。结果表明：这种新的加固方法具有一定的指导意义，为研究出新的加固方法提供了依据。

桥梁工程中最早使用了可更换构件，2001年Tang和Manzanarez[24]设计了一种可更换的钢构件，一些学者[25，26]对这种新型构件进行了试验，结果表明：这种塑性钢构件的连接方法降低了结构的位移与弯矩，使得结构始终为弹性状态，也可以通过拆卸来快速更换构件，从而实现快速恢复。

2009年Marriott等[27]提出了一种预制结构外置的可更换阻尼器，这种阻尼器材料价格低廉，具体形式如图2所示，Marriott等对这附加新型阻尼器的桥墩进行了拟静力试验和双向拟静力试验[28],结果表明：结构的破坏大部分集中在这种新型阻尼器上，其余结构裂缝较少，并且这种新型阻尼器也可以快速更换，具有一定的指导意义。

3.2 框架结构可更换构件

Oh等[29]提出了一种可更换的带缝阻尼器，如图3所示，通过高强螺栓与钢梁下部连接，通过试验，结果表明：这种阻尼器滞回性能良好，能够对多余的能量进行消耗，构件在加载过程中保持弹性，能充分发挥结构的变形能力。

Castiglioni等[30，31]提出了一种可更换保险丝构件，这种构件的连接方式为：在连接节点处将钢梁断开，再通过一块钢板将断开的梁与腹板进行连接，对8个桥墩模型进行拟静力试验，结果表明：这种新型构件耗能能力强，试验完成后，很少的工人在很短的时间内就能对破坏了的保险丝进行更换。

在柱脚的可更换结构中，2016年，刘其舟等[32]设计了一种新型钢管混凝土可更换墙脚构件，该构件的主体部分由斜钢托、预紧线圈、抗压钢垫片、软钢内芯、混凝土和钢管套组成，软钢内芯和混凝土之间没有粘结。通过有限元软件对安装该种可更换构件剪力墙(新型剪力墙)和传统剪力墙抗震能力做了对比分析，得出新型剪力墙的承载力和耗能性能均优于传统剪力墙，且在分析过程中新型剪力墙的非更换区域没有出现明显的破坏。

3.3 剪力墙结构可更换构件

2011年Cortes和Lin研究了一种带竖缝的钢板墙框架，构件中有竖缝的钢板墙只承受较小的侧向力，而普通剪力墙承受大部分水平荷载，这种带竖缝的剪力墙比普通剪力墙要大，高宽比接近2∶1，所以空间较大，通过试验分析表明：这种结构耗能能力强，破坏均发生在连接处。

Hebdon等[33]研究了钢板墙结构楼层强度的退化情况，通过数值模拟可得：框架梁柱的刚度与钢板墙的强度随着楼层的加大而退化明显，试验还指出，通过调整螺栓的连接位置能够调节结构的残余位移角。

3.4 发展前景概述

目前，这种可更换结构在地震过程中运用广泛，能够在地震后实现快速更换以达到快速恢复其使用功能的目的，目前对于可更换墙角的剪力墙结构研究比较少，因为其他形式的连梁剪力墙结构的可更换形式相对简单，而相对于柱脚的可更换结构，由较为复杂的结构组成，如：橡胶、软钢、混凝土等工艺，对于组装的工艺有着比较高的要求，因此设计出一种结构简单、抗震性能好、安装方便的可更换墙角是接下来需要研究的方向。

4 摇摆墙结构

在地震中，摇摆墙结构[34]也是一种在地震破坏后能够快速恢复其使用功能的构件。其中摇摆墙是一种剪力墙，这种剪力墙与摇摆方向一致，底部通过铰接与结构连接起来，转动能力较好。在地震中通过一定幅度的摆动消耗能量，使得结构主体免于破坏，摇摆墙结构一般有两种形式，分为受控摇摆墙和自由摇摆墙两种。

4.1 受控摇摆墙

摇摆墙最初源于后张法无粘结预应力混凝土墙的研究，Preti等[35]进行了摇摆墙低周反复荷载试验，结果表明：这种剪力墙滞回曲线为旗帜型，Zibaei等[36]通过数值模拟对比了10层以及20层的混凝土框架、框架剪力墙、框架摇摆墙，结果表明：摇摆墙延性最好，层间位移更为均匀。

受控摇摆墙也是一种加固方法，吴守君等提出了一种框架分布参数模型，通过动力时程分析方法，对比了有摇摆剪力墙的结构和无摇摆剪力墙结构的抗震性能，结果表明：这种摇摆墙加固方法使得塑性铰更加均匀，设置预应力筋和阻尼器可以提高结构的耗能效果，从而降低了结构的残余变形。

4.2 自由控摇摆墙

与受控摇摆墙不同，自由摇摆墙不是结构而是机构，这种结构也是允许在地震作用下，墙体下部和基础之间能够进行一定角度的转动，依靠自身的重力和相连结构的约束来完成墙体的自恢复，并不依靠预应力筋来恢复自由摇摆墙也有两种类型，分别为外挂式摇摆墙和内嵌式摇摆墙两种形式，外挂式顾名思义在结构外部，通过阻尼器等各种连接构件相连，内嵌式在结构内部将梁柱连接。

对于外挂式摇摆墙，杨树标等研究了外挂式摇摆墙对结构的抗震性能，对一个四层框架进行了静力分析，结果表明：结构的抗震性能和变形与摇摆墙刚度有关，一定范围内刚度越大，性能越优，但进一步增大结构的刚度，结构抗震性能的提高不明显，并且得出摇摆墙与框架的刚度比在2.48%～6.81%之间时，结构的变形在合理的变化范围之内。

4.3 发展前景概述

目前，摇摆墙结构仍处于理论和探索阶段，对于实际工程中的应用还比较少，主要还是通过实验室进行试验研究的，相较于受控摇摆墙和自由摇摆墙，受控剪力墙因为有预应力筋的作用，具有较好的自我恢复能力，但预应力筋的施工工艺较为复杂；自由式摇摆墙主要通过墙体自重来提供，恢复力没有受控摇摆墙效果好，但是整个结构形式较为简单，施工较为方便。相比较外挂式摇摆墙和内嵌式摇摆墙的加固应用，两者均可为作为加固构件用到实际工程中去，目前摇摆墙的理论已经越来越成熟，但是如何将摇摆墙运用到实际中去，成为以后研究的主要方向。