地震工程从抗震减隔震到可恢复性(3)
表2 地震可恢复功能结构设防目标Table 2 Seismic fortification objectives for earthquake resilient structures结构体系 抗震性能水准第一水准 第二水准 第三水准 第四水准传统结构 完全可用 修复后可用 生命安全 —可恢复功能结构 完全可用 完全可用 更换后使用/修复后使用 生命安全
表3 各级抗震性能水准描述Table 3 Description of different seismic performance levels抗震性能水准 性能描述完全可使用剪力墙结构变形均在弹性范围内,结构功能完整,残余变形在不用修复范围内,阻尼器部件不需要更换,不需修理即可继续使用更换后使用剪力墙结构变形均在弹性范围内,结构功能完整,残余变形在不需修复范围内,更换阻尼器部件之后,不需修理即可继续使用修复后使用剪力墙结构遭受一定损伤,功能受到影响,残余变形在可修复范围内,短期无法恢复,花费合理的费用能修复生命安全 剪力墙结构有较重破坏但不影响承重,功能受到较大影响,人员安全
按目前正在编写的《罕遇地震后可恢复功能建筑结构设计规程》对可恢复功能结构从结构体系上进行分类,主要包括设置摇摆构件的结构体系、自复位结构体系、设置可更换构件的结构体系这三大类,以下将简单介绍这三类可恢复功能结构体系的特点和研究进展。
2.2.2 设置摇摆构件的结构体系
设置摇摆构件的结构体系是指在结构中选择一定比例的结构构件或组件,放松其与基础连接处的竖向自由度约束,使其在一定范围内可以竖向抬起;或者放松转动自由度约束,使其可以发生无抬起转动,从而在地震作用下产生摇摆,并通过摇摆变形耗散地震能量,限制上部结构的变形模式。
摇摆结构根据摇摆体有无竖向抬起可分为两类。一类是如图3所示摇摆框架,利用框架整体刚性摇摆和附加耗能装置实现结构的无损设计[23]。另一类如图4所示,摇摆体铰接于基础,形成无竖向抬起的摇摆结构。后面这种摇摆结构避免了由于摇摆体在基础界面发生抬起带来的构造上的复杂性,以及摇摆体与基础间碰撞引起的损伤。此外,这种摇摆结构利用摇摆体的刚体转动变形模式,限制结构整体变形模式,从而使结构的层间变形分布趋于均匀。已有研究结果表明,这种摇摆结构能有效提高结构的抗震性能,具备震后可恢复功能性[24-28]。另一种无抬起摇摆墙如图5所示,称为塑性铰支墙[29]。这种摇摆墙将墙肢的抗弯与抗剪能力分离,降低弯剪耦合,使力学需求更加明确,有利于性能化设计和实现预期的损伤模式。同时,图5中将摇摆墙的塑性损伤集中于专门的消能减震装置,提高结构震后可恢复能力。除上述摇摆框架结构外,摇摆结构还包括摇摆预制剪力墙结构[30-32],摇摆砌体墙结构[33-34],摇摆混凝土桥墩结构[35]等。
图3 可控摇摆框架结构Fig.3 Controlled rocking frame structure
图4 摇摆核结构Fig.4 Rocking core structure
2.2.3 自复位结构体系
自复位结构体系在摇摆结构基础上,额外增加可使结构或构件恢复到初始位置的装置(如预应力筋、蝶形弹簧等),从而减小结构或构件的震后残余变形。自复位结构有多种实现形式,以自复位框架结构为例,在保证梁端剪力和轴力传递基础上,将原本梁柱节点处的刚性连接放松,通过设计使得梁端可以在界面处张开,并通过自复位装置和耗能装置共同抵抗节点弯矩;同理,通过放松柱脚约束,使得柱底在受力达到一定程度后可以抬起,以进一步降低地震作用,避免柱脚塑性变形。
图5 损伤可控塑性铰支墙Fig.5 Damage-controlled plastic-hinge-supported wall
自复位框架结构有针对性地解决了传统框架结构的缺点,将损伤集中于可更换的耗能装置中,提高了结构震后可恢复性[36]。图6为典型自复位钢筋混凝土框架,框架在梁柱节点和框架柱-基础界面处断开,可以自由抬起或摇摆,试验结果表明该体系具有较好的抗震能力和自复位效果[37-38];在双向自复位基础之上,又提出了三向自复位框架[39],双向梁柱节点和柱与基础界面在地震作用下可以自由张开,由此形成竖向和两个水平方向的自复位结构,振动台试验结果表明该体系在地震动作用下无损伤且具备较好的自复位能力。国内郭彤等[40]、毛晨曦等[41]亦对不同形式的自复位框架柱及梁柱节点的性能进行了相关理论分析和试验研究。
文献[42]提出受控摇摆钢筋混凝土框架结构,将柱底和梁柱节点铰接,梁柱内设置无黏结后张预应力筋提供弹性恢复力,同时设置耗能装置控制结构整体位移和消耗地震能量。通过对梁端铰接型受控摇摆式钢筋混凝土框架进行振动台试验,结果表明该体系可有效控制加速度和位移响应,且在罕遇地震作用下主体结构无损伤,表现出免损伤的特征。在自复位框架概念上,Darling[43]提出桁架式自复位框架结构,如图7所示。该结构体系以桁架作为框架梁,桁架下弦采用预应力装置连接框架柱和桁架梁,从而实现自复位。此外,将结构损伤集中于可更换的软钢阻尼器,震后阻尼器可更换。除上述自复位混凝土框架结构和自复位桁架梁框架结构外,其他的自复位结构体系还包括:自复位预制混凝土剪力墙[44-48],自复位现浇剪力墙[49],自复位抗弯钢框架[50-51],自复位支撑框架[52-53],自复位框架-剪力墙结构[54]等。
文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0722/491.html
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