1、书书书建筑结构学报 Journal of Building Structures第 32 卷 第 9 期 2011 年 9 月Vol. 32 No. 9 Sep 2011001文章编号 : 1000-6869( 2011) 09-0001-10摇摆结构及自复位结构研究综述周 颖 , 吕西林( 同济大学 土木工程防灾国家重点实验室 , 上海 200092)摘要 : 放松结构与基础间约束或构件间约束 , 使结构与基础或构件间接触面处仅有受压能力而无受拉能力 , 则结构在地震作用下发生摇摆 , 通过自重或预应力使结构复位 , 形成摇摆结构及自复位结构 。已有研究表明 , 结构的摇摆降低了地震作用和结
2、构本身的延性设计需求 , 减小了地震破坏 , 节约了结构造价 。本文首先回顾了摇摆及自复位结构的发展历史 , 简要介绍了摇摆及自复位结构的基本原理 , 综述了摇摆桥墩 、摇摆及自复位钢筋混凝土框架结构 、摇摆及自复位钢框架结构 、摇摆及自复位剪力墙结构 、摇摆框架 -核心筒结构等不同结构体系的发展现状 , 总结了摇摆及自复位结构发展趋势 , 并指出后张预应力和消能减震等多种技术的联合应用为摇摆及自复位结构的未来发展方向之一 。关键词 : 抗震结构 ; 摇摆 ; 自复位 ; 综述中图分类号 : TU352. 1 文献标志码 : AState-of-the-art on rocking and s
3、elf-centering structuresZHOU Ying, LU Xilin( State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract: When the restraints at the structural foundation or between specific structural members are released, thestructure will rock back and fort
4、h under earthquake inputs Restoring the original position through self-weight or pre-stressing forces, this kind of structures is defined as a rocking or self-centering building structure Previous researchhas shown that the rocking of structures can reduce the seismic effect and the ductility demand
5、 for the design and thussave the structural cost This paper reviewed the development history and basic mechanism of rocking and self-centering structures The state of the art of various rocking and self-centering structures, including bridge piers, RCframes, steel frames, shear walls, frame-core wal
6、ls, was introduced It is pointed out that one of the trends of rockingand self-centering structures will be the incorporation of technologies such as post-tensioning and energy dissipationKeywords: seismic structure; rocking; self-centering; state-of-the-art基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 51078274, 51022140006)
7、 , 北京市科技计划重大项目 ( D09050600370000) 。作者简介 : 周颖 ( 1978 ) , 女 , 甘肃古浪人 , 副研究员 。E-mail: yingzhou tongji. edu. cn收稿日期 : 2011 年 3 月10 前言从上世纪 90 年代开始 , 基于性能的建筑抗震设计成为结构抗震研究的主流方向之一 , 到目前为止已经历了第一代基于性能抗震设计 ( FEMA 273) 1、第二代基于性能抗震设计 ( FEMA 356) 2、下一代基于性能抗震设计 ( FEMA 445) 3等几个发展过程 。基于性能的抗震设计是指根据建筑物的用途和重要性以及地震设防水准确定
8、建筑物的抗震性能目标 ,按照该目标进行建筑抗震设计 , 使设计的建筑在未来可能发生的地震作用下具有预期的抗震性能和安全度 , 从而将建筑的震害损失控制在预期的范围内 。然而 , 如何在地震发生后 , 使整建筑物乃至整个城市甚至整个社会具有恢复功能 ( Resilience) , 近几年来引起了地震工程界的密切关注与广泛讨论 。2009 年 1 月在 NEES/E-Defense 美日地震工程第二阶段合作研究计划会议上 , 美日学者首次提出将“可恢复功能城市 ”( resilient city) 作为地震工程合作的大方向 4。如何设计出地震中不发生破坏或是仅发生可以迅速修复破坏的结构 , 将成为
9、可持续发展工程抗震的重要研究方向之一 。回顾建筑结构抗震技术的发展史 , 可以将其划分为 “抗 ”、“消 ”、“隔 ”三种方式 。所谓 “抗 ”, 即从改善结构自身抗震性能着手 , 开发高性能结构材料 , 如高强度混凝土 、高强度钢筋 、高强度钢材等 ; 开发高性能结构构件 , 如型钢混凝土柱 、钢管混凝土柱 、暗埋型钢剪力墙 、钢板剪力墙 、暗埋桁架式剪力墙等 ;开发高性能结构体系 , 如筒中筒 、框筒束结构体系等 。所谓 “消 ”, 即利用结构抗震控制思想 , 在结构中加入消能元件帮助结构消耗地震能量 , 消能元件如金属阻尼器 、摩擦阻尼器 、粘弹性阻尼器 、粘滞阻尼器 、调谐质量阻尼器
10、、调谐液体阻尼器等 。所谓 “隔 ”是将地震动作用与建筑物通过隔震层部分隔离开来 , 从而减小输入建筑物的地震动加速度 , 减小建筑物的破坏 。通过开发高性能结构材料 、结构构件 、结构体系“强化 ”结构的做法 , 在地震发生时导致结构相对薄弱环节的破坏 。而如果能够 “弱化 ”结构体系的某些部位 , 并在这些部位处集中消能 , 实现 “消 ”与 “隔 ”的联合应用 , 必将有效控制结构在地震作用下的破坏 ,保证结构的可恢复功能能力 。这种思想的一个典型做法即将基础隔震与阻尼器联合使用 , 通过隔震降低上部结构的地震动加速度响应 , 通过阻尼器减小隔震层位置的位移 。2007 年 Roh 将这
11、一思想逐渐延伸到上部结构体系 , 通过放松框架结构体系约束构成摇摆柱 ( rocking column) , 并加入粘滞阻尼器消能 5。到目前为止 , 国外学者已经开展了摇摆及自复位结构体系的一系列研究 , 而我国在这一领域的研究甚少 。本文首先回顾了摇摆及自复位结构的发展历史 , 介绍了摇摆及自复位结构的基本原理 , 综述了美国 、日本 、欧洲国家的摇摆及自复位结构的发展现状 , 总结了摇摆及自复位结构发展趋势 , 并对摇摆及自复位结构的发展方向进行了展望 。1 摇摆及自复位结构发展历史及基本原理1. 1 摇摆及自复位结构发展历史在地震作用下 , 建筑物向上抬升趋势 ( uplift) 对结
12、构本身的有利保护作用于 1963 年引起 Housner 的关注 6。他首次报道了由于对高位水槽的基础不经意做了弱化处理 , 允许整体结构发生摇摆 ( rocking) ,使高位水槽结构在 1960 年智利大地震中的免遭破坏 。他分析了摇摆质量块 ( 图 1) 在自由激励下的周期和耗能 , 计算了摇摆刚体在常水平加速度 、正弦波及水平地震激励下的倾覆力 , 认为体量大的摇摆结构比体量小的摇摆结构更稳定 , 且摇摆结构在地震作用下的稳定性要好于其在常水平加速度激励下的稳定性 。图 1 摇摆质量块 6Fig1 Rocking block 61977 年 , Huckelbridge 和 Cloug
13、h 7-8分别对 3 层和 9 层摇摆钢框架模型结构进行了模拟地震振动台试验 ( 图 2) 。试验中柱脚设置为铰接且在侧向设置滚轴 , 以考察结构的抬升效果 ; 柱间设有支撑 , 以增强上部结构整体刚度 。试验证明了结构摇摆对于减小钢框架强度和延性需求的有益作用 。Priestley 等 9于 1978 年对一摇摆模型结构进行了模拟地震振动台试验 ( 图 3) , 验证了 Housner 提出的摇摆结构的耗能机理 , 并提出了计算摇摆结构最大地震反应的反应谱法 。但 后 来 Makris 和Konstantinidis 的研究表明 , 单自由度摆的动力响应与2( a) 3 层模型( b) 9
14、层模型( c) 柱脚构造图 2 摇摆钢框架结构振动台试验模型 7-8Fig2 Shaking table test on rocking steel frame models 7-8摇摆刚体块的动力响应有明显差别 , 将反应谱分析法用于摇摆结构地震反应分析是不合理的 10。同年 , Meek 11采用简化的单振型模型对不同高宽比的摇摆核心筒结构进行了分析 ( 图 4) 。研究表明 , 对于自振频率在 0. 5 4 Hz 之间的结构 , 与固定基础核心筒相比 , 摇摆核心筒可大幅减小结构的动力反应 , 且高宽比越大 , 动力反应减小效果越明显 。进入 20 世纪 80 年代 , Yim 等 12
15、和 Aslam 等 13进行了位于刚性地基上的刚体在地震动激励下的摇摆反应分析 , 分析表明 , 刚体的摇摆反应对体量 、高宽比以及地震动类型非常敏感 。Psycharis 等 14进行图 3 摇摆结构振动台试验模型 9Fig3 Shaking table test on rocking model 9图 4 摇摆核心筒结构 11Fig4 Rocking of core buildings 11了 Winkler 地基和双弹簧地基上细长刚体结构的摇摆反应分析 , 研究表明 : 可以建立 Winkler 地基与双弹簧地基在摇摆反应分析上的等效关系 , 即可将简化的双弹簧地基用于结构摇摆分析 ;
16、结构摇摆周期随着摇摆提升量的增加而增大等 。1. 2 摇摆及自复位结构的基本原理在早期的摇摆建筑结构中 , 一般做法为放松结构与基础之间的约束 , 即上部结构与基础交界面可以受压但几乎没有受拉能力 , 在水平倾覆力矩作用下 , 允许上部结构在与基础交界面处发生一定的抬升 。地震作用下上部结构的反复抬升和回位就造成了上部结构的摇摆 , 一方面降低了强地震作用下上部结构本身的延性设计需求 , 减小了地震破坏 , 节约了上部结构造价 ; 另一方面 , 减小了基础在倾覆力矩作用下的抗拉设计需求 , 节约了基础造价 。进入 20 世纪 90 年代 , 除了放松基础约束构成摇摆结构设计外 , 美 、欧 、
17、日学者也开展了放松构件间约束的结构设计 , 例如后张预应力预制框架结构 , 通过放松梁柱节点约束允许框架梁的转动使结构发生摇摆 , 而通过预应力使结构自复位 。一般来说 , 放松结构与基础交界面处或结构构件间交界面处的约束 , 使该界面仅有受压能力而无受拉能力 , 结构在地震作用下发生摇摆 ( rocking) 而结构本身并没有太大弯曲变形 ( bending) , 最终回复3到原有位置时没有永久残余变形 , 这样的结构称为自由摇摆结构 ( free rocking structure) ; 如果对自由摇摆结构施加预应力以保证其结构体系稳定 , 这样的结构可称为受控摇摆结构 ( control
18、led rockingstructure) ; 如果放松约束的结构在地震作用下首先发生一定的弯曲变形 ( bending) , 超过一定限值后发生摇摆 ( rocking) , 通过预应力使结构回复到原有位置 , 这 样 的 结 构 称 为 自 复 位 结 构 ( self-centeringstructure) 。可见 , 自复位结构介于摇摆结构和传统结构之间 。在反复荷载作用下 , 摇摆结构的力 -位移关系曲线将呈现 “多线性 ”( 图 5a) , 自复位结构的力 -位移关系曲线将呈现 “旗帜型 ( flag-shape) ”( 图 5b) 。注意到这两种方式并非完全独立 , 有时可联合起
19、来进行设计 。下面按建筑结构类型对其发展现状进行介绍 。图 5 摇摆及自复位结构力 -位移关系示意图Fig5 Force-displacement curve of rocking andself-centering structures2 摇摆及自复位结构发展现状2. 1 摇摆桥墩摇摆结构最早期应用多限于短周期的刚性结构体系 15, 如摇摆桥梁桥墩的研究 。Astaneh-Asl 和 Shen 16进行了半刚性摇摆桥墩的研究 , 允许桥墩与基础间有限摇摆 , 这一研究已用于美国旧金山 -奥克兰海湾大桥改造的加固设计中 。Priestley 等 17将摇摆桥墩作为桥梁抗震设计与加固的一种方法
20、。Mander 和 Cheng 18进行了基于免损伤破坏的摇摆桥墩设计研究 。为使桥墩在地震作用下具有复位能力从而减小残余变形 , 研究人员在摇摆桥墩中引入无粘结后张预应力 ( unbounded post-tensioning) 。Palermo 等 19研究表明后张预应力使桥墩与基础交界面处的抗侧力小于传统固定基础桥墩 , 但大于无预应力的摇摆桥墩 , 并为桥墩的摇摆提供一定的复位能力 。2. 2 摇摆及自复位钢筋混凝土框架结构2. 2. 1 自复位钢筋混凝土框架结构1993 年 Priestley 和 Tao 20提出允许预制框架结构中框架梁发生转动 , 构成自复位框架的概念 。框架梁通
21、过预应力筋与框架柱相连 , 在梁柱接触面处允许一定的转动而消耗地震动能量 ( 图 6) 。Cheok和 Lew 21进行了 8 个 1 3 钢筋混凝土框架预应力转动节点的低周反复荷载试验 ( 图 7、图 8) , 试验结果表明 : 8 个节点的破坏均表现为后张预应力筋屈服 、接触面混凝土压碎 、梁柱节点区张开 ; 部分试件的位移延性可以达到 14, 与 Priestley 和 Tao 20预计位移延性 15. 6 较一致 。1996 年 , Priestley 和 MacRae 22又进行了无粘结预应力自复位钢筋混凝土框架节点的抗震性能试验研究 。1999 年 El-Sheikh 等 23进行
22、了 6层无粘结预应力自复位钢筋混凝土结构的 Pushover分析和时程分析 , 提出的纤维模型和弹簧模型可用于该类结构的分析 。图 6 自复位钢筋混凝土框架节点 20Fig6 Self-centering RC frames 20图 7 自复位钢筋混凝土框架节点静力试验 21Fig7 Static test on self-centering RCframe connections 212. 2. 2 带摇摆柱与阻尼器的钢筋混凝土框架结构2007 年 , Roh 通过放松框架柱基础约束构成摇摆柱 ( rocking column) , 及加入粘滞阻尼器消能 , 实现框架结构的振动控制 5。Ro
23、h 和 Reinhorn 首先提出适用于摇摆柱计算分析的宏观模型 ( 图 9) 24, 为适用于 IDARC2D 计算分析 , 摇摆柱的弯矩 -曲率关系被简化为四折线关系 , 其 4 个关键点分别对应开裂点cr、屈服点 y、摇摆起始点 r、倾覆点 ot( 图 9) , 摇摆柱在摇摆发生后 , 其弯矩 -曲率呈直线下降关系 。Roh 和 Reinhorn 又进行了 1 3 摇摆柱模型的静4图 8 自复位钢筋混凝土框架节点静力试验滞回曲线 21Fig8 Hysteresis curve for self-centering RCframe connections 21图 9 理想摇摆框架柱弯矩 -
24、曲率关系 24Fig9 Idealized moment-curvature relationship ofrocking columns 24力荷载试验 , 结合 IDARC2D 计算分析验证提出的模型 25。图 10 为摇摆柱静力试验照片 , 注意到为防止试验过程中摇摆柱的滑动 ( 而不是摇摆 ) , 试件设计时特别在力传感器顶部钢板两侧加设两块小钢板 ,如图 11 所示 。图 10 摇摆柱静力荷载试验 25Fig10 Static test on a rocking column 25随后 Roh 和 Reinhorn 将摇摆柱和粘滞阻尼器结合 , 进行了单榀框架的抗震性能分析 ( 图
25、12) , 分析结果表明 , 附加阻尼器可以有效减小结构的位移响应 ,验证摇摆结构作为抗震结构的有效性 26。图 11 摇摆柱脚处的防滑钢板 25Fig11 Steel plate to prevent sliding ofrocking columns 25图 12 附加粘滞阻尼器摇摆框架 26Fig12 Rocking frame with supplementalviscous dampers 262. 3 摇摆及自复位钢框架结构2. 3. 1 自复位钢框架结构2002 年以来 , 美国里海大学 Ricles 等 27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 ,
26、 后张预应力自复位钢框架如图 13a 所示 ,钢框架节点详图如图 13b 所示 。研究表明 , 钢框架在试验初期的性能可以达到焊接钢框架的性能 , 且随着试验的进行自复位钢框架未出现残余变形 。可见 , 合理设计可实现框架结构的 “可恢复功能 ”。2005 年 , Rojas 等 28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 ( 图 14) , 既允许节点发生转动 , 又使节点在转动时摩擦消能 。文献 28 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
27、结构 。2007 年 , Garlock等 29提出了后张预应力自复位钢框架结构的设计方法和步骤 。2. 3. 2 带消能抗剪件的后张预应力摇摆钢框架结构2005 年 , 美国斯坦福大学 Deierlein 和伊利诺伊大学香槟分校 Hajjar 等开始了后张预应力摇摆钢框架结构研究 , 并引入竖向消能装置 , 如图 15 所示 。在5( a) 框架立面 ( b) 框架节点图 13 自复位钢框架 27Fig13 Self-centering steel moment frames 27图 14 消能节点自复位钢框架 28Fig14 Rocking of steel moment frames w
28、ithfriction plates 28这种摇摆结构体系中 , 框架柱允许其与基础的交界面处发生摇摆 , 通过后张预应力提供摇摆后整体结构的复位能力 , 并附有竖向消能抗剪键 ( 图 15) 帮助耗散地震动能量 。针对这种摇摆后张预应力钢框架结构 , 2009 年Midorikawa 等 31进行了三向模拟地震振动台试验研究 , 结果表明 : 摇摆钢框架的最大基底剪力较固定基础钢框架明显减小 ; 摇摆钢框架上部结构的变形等于或略小于固定基础钢框架弹性阶段的变形 ; 摇摆框架柱的最大拉力在柱发生摇摆后基本保持定值 ,且小于固定基础框架柱 ; 摇摆框架柱的最大压力则小于或等于固定基础框架柱 。2
29、010 年 Ma 等 30在日本 E-defence 振动台上进行了一个 23 比例的模型结构模拟地震振动台试验 ( 图 15) , 研究表明结构在大震作用下仍未发生破坏 。Eatherton 等 32在美国伊利诺伊大学香槟分校 MUST-SIM 试验机上进行了该类钢框架结构体系的静力试验和混合试验 , 结果表明结构中的后张预应力筋和抗剪消能件可以保证结构的自复位从而达到控制结构残余变形的目的 。2. 4 摇摆及自复位剪力墙结构2. 4. 1 自复位剪力墙结构1999 年 , Kurama 等 33系统地研究了无粘结预应力混凝土自复位剪力墙的工作性能 , 它由钢筋混凝土剪力墙与内置竖向无粘结预
30、应力钢绞线组成 , 墙( a) 单跨框架( b) 双跨框架图 15 带竖向消能装置的摇摆钢框架结构 30Fig15 Rocking of steel moment frames withvertical shear fuse 30体与基础没有固接 , 在水平荷载作用下 , 墙体可以绕中轴转动 , 通过预应力钢绞线提供恢复力 , 如图 16 所示 。这种剪力墙表现出了令人满意的抗震性能 , 它在较大侧向变形时几乎没有破坏 , 具有良好的自复位能力 。2000 年 Kurama 34又针对这种自复位剪力墙提出了改进措施 , 增加了粘滞阻尼器 ( 图 17) , 在侧向变形时能够耗能 。2007 年
31、 , Restrepo 和 Rahman 35对上述自复位剪力墙作出了进一步改进 , 在墙体与基础之间增加了一种软钢钢筋型阻尼器 ( 图 18) , 在墙体产生一定的侧向变形时通过软钢的塑性变形来耗能 。2. 4. 2 摇摆剪力墙结构2001 年 , 美国加州旧金山 Tipping and Mar 公司在伯克利市的一座 14 层建筑的改造中首次采用摇摆剪力墙结构 。2008 年 , Hitaka 和 Sakino 36针对摇摆联肢剪力墙 ( 图 19a) , 提出摇摆联肢剪力墙结构体系 , 如图 19b 所示 。该体系中变形较集中的部位为边界单元 , 边界单元由钢连梁 、钢筋混凝土墙肢 、钢管
32、混凝土边柱组成 , 并设计了钢连梁屈曲 、钢管混凝土边柱剪切 、墙肢剪切 、墙肢压碎 4 种不同破坏模式的边界单元进行了静力荷载试验 ( 图 20) 。2009 年 , Wada 等 37在对东京工业大学津田校区6图 16 自复位剪力墙结构 33Fig16 Self-centering shear wall 33图 17 带粘滞阻尼器自复位剪力墙结构 34Fig17 Self-centering shear wall withviscous dampers 34图 18 带软钢阻尼器自复位剪力墙结构 35Fig18 Self-centering shear wall withmild stee
33、l dampers 35G3 楼结构加固中 , 采用了摇摆墙与钢阻尼器联合加固技术 ( 图 21) 。计算分析表明 , 经摇摆墙和钢阻尼器加固后 , 结构在不同地震输入下的平均地震响应得到了有效的降低 。图 19 摇摆联肢剪力墙结构 36Fig19 Rocking of hybrid coupled walls 36图 20 摇摆联肢剪力墙结构边界单元 36Fig20 Boundary element of rocking hybridcoupled walls 362. 5 摇摆框架 -核心筒结构2010 年 , Nielsen 等人 38针对一 50 层 、高 200 m框架 -核心筒结构
34、 ( 图 22) , 进行了摇摆核心筒与固定基础核心筒结构强震作用下的对比分析 , 结果表明 ,由于自重作用摇摆核心筒结构具有自复位能力 ; 摇摆核心筒结构的基底弯矩较固定基础核心筒结构小30%。3 摇摆及自复位结构发展趋势及展望从 1963 年 Housner 发现摇摆对上部结构抗震性能的有利作用以来 , 摇摆及自复位结构已有了摇摆桥墩 、摇摆及自复位钢筋混凝土框架结构 、摇摆及自复位钢框架结构 、摇摆及自复位剪力墙结构 、摇摆框架 -核心筒结构等不同结构体系 , 其基本发展趋势可以总结为 :( 1) 摇摆及自复位结构中既可以将竖向构件设计为摇摆构件 , 如摇摆框架柱 , 又可以将水平构件设
35、计为摇摆构件 , 如自复位框架梁等 。( 2) 可以在竖向或水平构件上引入后张预应力技术 , 以解决摇摆及自复位结构的残余变形问题 。7( a) 结构加固示意图( b) 结构加固节点示意图( c) 结构加固后节点照片图 21 东京工业大学摇摆墙加固工程 37Fig21 Structural retrofitting of rocking walls andsteel dampers in Tokyo Institute of Technology( 3) 为更好地控制结构在地震作用下的摇摆幅值 , 可在摇摆及自复位结构中引入消能减震部件 , 如粘滞阻尼器 、软钢阻尼器等 。( 4) 摇摆及自复
36、位结构发展初期多采用单一技术 、应用于一种构件 , 随着建筑结构抗震技术的发展 , 逐步在摇摆结构中采用多种技术 , 如后张预应力 、消能部件的联合应用等 , 以控制整体结构在强震作用下的性能 。因而 , 摇摆及自复位结构的未来发展趋势将更强调整体结构抗震的概念设计 。( 5) 为使摇摆及自复位结构得以推广应用 , 需建立一整套摇摆及自复位结构设计方法 。在该方法的研究中 , 需对摇摆及自复位结构的整体及局部变形 、( a) 平面布置( b) 固定基础 ( 左 ) 与摇摆墙体 ( 右 ) 应变对比图 22 摇摆框架 -核心筒 38Fig22 Rocking of frame-core wall
37、s 38变形限值 、附加阻尼比 、构造措施等关键问题展开充分研究 。4 结语发展建筑结构抗震技术的最终目的是控制或尽量避免结构在强震作用下可能的破坏 , 实现建筑的可恢复功能 。其核心技术经过开发高性能结构材料 、高性能结构构件 、高性能结构体系等进行 “抗震 ”、采用隔震层 “隔震 ”、引入消能元件 “消震 ”等几个阶段后 , 逐步进入 “抗震 ”、“消震 ”、“隔震 ”联合应用的发展阶段 。摇摆及自复位结构放松特定位置约束 , 联合使用后张预应力和消能减震技术来控制变形与破坏 , 值得我国工程抗震研究人员和技术人员学习与研究 。参 考 文 献 1 FEMA 273 NEHRP guidel
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