可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系和減震節(jié)點應(yīng)用技術(shù)研究

趙一鳴 夏巨偉

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080

1 研究背景

近年來，隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，在抗震減震技術(shù)領(lǐng)域逐漸出現(xiàn)了針對可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系的研究熱點：如何通過功能可恢復(fù)的理念指導(dǎo)抗震減震設(shè)計和施工，從根源上提升建筑結(jié)構(gòu)尤其是高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震減震能力，逐漸引起了研究人員的廣泛重視。

可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計理念與我國抗震設(shè)計規(guī)范中涉及的“三水準”的設(shè)防目標有所不同，相對“三水準”設(shè)防要求的“小震不壞、中震可修、大震不倒”提出了更高級別的要求，即盡可能通過有效的結(jié)構(gòu)可恢復(fù)功能特征設(shè)計和施工，使得結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生過程中最大限度達到減震目的，在地震結(jié)束后能夠快速恢復(fù)既有功能。甚至，在設(shè)計良好的可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系中，由于局部可恢復(fù)功能節(jié)點的可置換性，通過節(jié)點更換可使得建筑結(jié)構(gòu)的抗震減震能力得到進一步增強，結(jié)構(gòu)功能也能夠得到進一步改善。

本文將對現(xiàn)有的地震工程領(lǐng)域可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系進行探索研究，并給出一種用于高層建筑結(jié)構(gòu)體系的減震節(jié)點的設(shè)計、施工、監(jiān)控方法，以期為今后類似工程的施工提供借鑒。

2 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系

2.1 設(shè)計原理

相比于傳統(tǒng)抗震設(shè)計理念，可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系具有更優(yōu)的抗震性能，需要將目標從傳統(tǒng)的抗倒塌設(shè)防轉(zhuǎn)向震后可恢復(fù)目標[1]。

國內(nèi)有學(xué)者為更好地適應(yīng)可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計要求，在傳統(tǒng)“三水準”抗震設(shè)防的基礎(chǔ)上提出了“四水準”抗震設(shè)防目標[2]，即地震可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系應(yīng)達到“小震及中震不壞，大震可修復(fù)、可更換，巨震不倒塌”的抗震設(shè)防要求。

為達到上述要求，需要可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系應(yīng)至少具備如下一項或多項特征：

1）具有耗能阻尼構(gòu)件。為達到“小震及中震不壞”的要求，需要結(jié)構(gòu)具有一定的耗能能力。一般可通過耗能阻尼構(gòu)件為結(jié)構(gòu)提供足夠的耗能能力，從而使得結(jié)構(gòu)主體/關(guān)鍵構(gòu)件在地震過程中受力和變形始終處于彈性范圍內(nèi)。常見的耗能阻尼構(gòu)件有防屈曲支撐、減震隔震橡膠支座等。

2）局部結(jié)構(gòu)應(yīng)可進行修復(fù)，且修復(fù)后的使用功能不小于原使用功能。為達到大震可修復(fù)的要求，需要結(jié)構(gòu)主體/關(guān)鍵構(gòu)件在受振動損壞后（如進入塑性狀態(tài)）具備修復(fù)的條件和可能性。如設(shè)計和施工時考慮為后期進行明顯裂縫的修補、建筑立柱/支座移位后的回調(diào)等提供條件。

3）局部構(gòu)件應(yīng)可進行更換，且更換后的使用功能不小于原使用功能。同樣為達到大震可修復(fù)的要求，其原理同上，但可用于更換的局部構(gòu)件主要指可更換的耗能阻尼構(gòu)件和節(jié)點構(gòu)造等。

4）整體抗震性能需達到巨震不倒塌的要求。所有耗能構(gòu)件及減震、隔震措施的效能等按照有效系數(shù)的加權(quán)和應(yīng)當能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)在巨震作用下的不倒塌耗能要求，使巨震條件下不致出現(xiàn)影響人民生命安全的重大倒塌災(zāi)害事件。

2.2 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系分類

可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段就將地震災(zāi)害條件下功能可恢復(fù)需求納入結(jié)構(gòu)設(shè)計需求中，提前賦予建筑結(jié)構(gòu)在抗震減震方面一定的富余度，使之能夠更好地應(yīng)對地震災(zāi)害[3]?；诳苫謴?fù)功能結(jié)構(gòu)體系的特點，可以將可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系劃分為結(jié)構(gòu)構(gòu)件修復(fù)/更換型結(jié)構(gòu)體系和耗能構(gòu)件修復(fù)/更換型結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件修復(fù)/更換型結(jié)構(gòu)體系，是指在地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)損傷，強度、剛度發(fā)生折減，通過對損傷后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行修復(fù)、更換，從而達到功能可恢復(fù)的目的。

針對此類結(jié)構(gòu)體系，在設(shè)計時需要考慮將地震荷載作用導(dǎo)致的損傷集中到可更換/修復(fù)的部位，在施工時需要考慮提供預(yù)留更換/修復(fù)的條件。

針對高層建筑結(jié)構(gòu)，隔震方面可以通過釋放結(jié)構(gòu)主體柱、墻與底部基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動約束，并設(shè)置為可更換的轉(zhuǎn)動約束形式來形成可恢復(fù)模式；減震方面可以通過體外預(yù)應(yīng)力、連梁耗能等方式進行設(shè)計和施工。

耗能構(gòu)件修復(fù)/更換型結(jié)構(gòu)體系，是指在地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件始終處于彈性受力狀態(tài)，所有的地震能量均傳遞至耗能構(gòu)件進行消除。

耗能構(gòu)件修復(fù)/更換型結(jié)構(gòu)體系是目前采用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)體系，其原因在于耗能構(gòu)件天然具有可修復(fù)/更換性，且修復(fù)/更換后的性能不低于原有性能。常見的耗能構(gòu)件包括前文所提及的防屈曲支撐結(jié)構(gòu)、隔震橡膠支座以及各種形式的耗能緩沖節(jié)點。

在實際工程設(shè)計和施工中，普遍采用兩種類型結(jié)構(gòu)體系結(jié)合的設(shè)計方式；針對抗震設(shè)計要求較高的結(jié)構(gòu)，一般以耗能構(gòu)件修復(fù)/更換型結(jié)構(gòu)體系為主。

2.3 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系的恢復(fù)性指標

建筑結(jié)構(gòu)體系性能評價一般從作用、響應(yīng)角度著手，以評價結(jié)構(gòu)的抗震性能，針對可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系，本文提出2類恢復(fù)性指標，以對可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系的恢復(fù)性進行一定程度的定性定量評價。

從響應(yīng)角度進行評價，可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系普遍通過大變形來實現(xiàn)能量消耗，分為整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的大變形和局部構(gòu)件（如防屈曲支撐）在地震作用下的大變形。

因此，可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系可以采用基于位移大變形的設(shè)計方法，也可以將恢復(fù)性指標定義為在不同等級地震荷載作用下修復(fù)前后的建筑結(jié)構(gòu)整體理論位移值的比值。從定義上可以得出結(jié)論，基于位移響應(yīng)的恢復(fù)性指標隨地震震級的增大而逐漸降低；可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系的恢復(fù)性指標應(yīng)確保在強震作用下仍處于一定的安全界限內(nèi)，在大震、中震、小震作用下的恢復(fù)性指標應(yīng)不小于1。

從作用、響應(yīng)角度進行評價，即直接從結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)構(gòu)件在恢復(fù)前后的性能評價上進行對比分析。可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系可以按照設(shè)計中重點考慮的恢復(fù)性措施進行拆分，并賦予每個恢復(fù)性措施一定的權(quán)重值和效應(yīng)值；而總體的可恢復(fù)指標可定義為每個恢復(fù)性措施的權(quán)重值與效應(yīng)值乘積的累加和。

從該定義中可以得出結(jié)論，完整的恢復(fù)操作，其總體可恢復(fù)性指標保持不變；而非完整的恢復(fù)操作，其總體可恢復(fù)性指標將下降，且下降參數(shù)不僅僅指恢復(fù)性措施的效應(yīng)值，還應(yīng)當包括其權(quán)重值。實際情況中，由于各種恢復(fù)性措施共同配合發(fā)揮抗震作用，因此隨著單一可恢復(fù)措施效應(yīng)值下降而存在權(quán)重重分配的問題。

3 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系的減震節(jié)點

針對可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系，本文給出一種減震節(jié)點的設(shè)計、施工及監(jiān)控方法，該減震節(jié)點預(yù)留了變形空間和監(jiān)測用傳感器，是一種功能性較強的節(jié)點構(gòu)造。

3.1 減震節(jié)點設(shè)計方法

可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系的減震節(jié)點剖面如圖1和圖2所示。該減震節(jié)點主要用于兩端梁體之間或者兩端桿之間，通過壓縮彈簧1和壓縮彈簧2提供兩端梁體的大變形位移空間，同時通過鍵來使得兩端梁體不會發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)變形，通過導(dǎo)梁確保兩端梁體在該節(jié)點位置處不會出現(xiàn)彎曲折角和應(yīng)力增大現(xiàn)象。

圖1 減震節(jié)點構(gòu)造縱向剖面

圖2 減震節(jié)點構(gòu)造橫向剖面

為便于修復(fù)和更換，該減震節(jié)點設(shè)置了壓縮彈簧滑套空間，用于壓縮彈簧1的更換，其中蓋板和緊固螺釘可進行拆卸，在壓縮彈簧1發(fā)生較大的塑性變形時，可方便地進行拆卸更換，不影響整體減震節(jié)點的工作性能。

壓縮彈簧2的修復(fù)和更換，需要進行該節(jié)點的整體拆卸，具體步驟為：拆卸壓縮彈簧1，將左側(cè)導(dǎo)梁的焊接固定點拆除；向左移動左側(cè)導(dǎo)梁，使得左側(cè)、右側(cè)導(dǎo)梁分離；移動右側(cè)導(dǎo)梁并進行拆除；更換壓縮彈簧2，并重新安裝右側(cè)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)。至此，完成壓縮彈簧2的更換。同樣，可以采取上述方式進行整體梁節(jié)點的更換作業(yè)。

設(shè)計過程中，需要根據(jù)各級地震作用下以及結(jié)構(gòu)常規(guī)荷載（如風(fēng)荷載）作用下的實際變形量估算壓縮彈簧的剛度參數(shù)，并按照剛度參數(shù)進行壓縮彈簧的定制和節(jié)點的制作。

3.2 減震節(jié)點施工方法

在上述減震節(jié)點施工過程中，需重點對節(jié)點中壓縮彈簧的施工工藝進行控制。其主要施工步驟包括：

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)各級地震荷載情況下的兩側(cè)梁端相對位移，選擇相應(yīng)的壓縮彈簧1和壓縮彈簧2的理論行程。

2）將壓縮彈簧2安裝在左側(cè)導(dǎo)梁的右側(cè)，將右側(cè)導(dǎo)梁插入至左側(cè)導(dǎo)梁內(nèi)，兩側(cè)導(dǎo)梁之間通過減摩套相接觸，形成低摩阻狀態(tài)下的自由滑動。

3）臨時壓縮彈簧，將拼裝好后的節(jié)點放置在兩側(cè)梁段之間，并釋放彈簧，使得拼裝好的節(jié)點與兩側(cè)梁段相搭接。

4）將節(jié)點與左側(cè)導(dǎo)梁相焊接，即進行左側(cè)固定約束處理。

5）安裝壓縮彈簧1，并封住蓋板和緊固螺釘，確保壓縮彈簧端部受力。

6）在節(jié)點兩側(cè)導(dǎo)梁之間安裝鍵，限制其發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)變形。

對于減震節(jié)點施工后的驗收，應(yīng)注意導(dǎo)梁鍵所在的位置，其應(yīng)當滿足理論計算的結(jié)果，即此處應(yīng)進行施工控制，確保壓縮彈簧1和壓縮彈簧2的初始位置滿足設(shè)計要求，為后期減震提供足夠的量程空間。

3.3 減震節(jié)點監(jiān)控方法

為實現(xiàn)減震效果的評價，并對是否需要置換彈簧、是否需要修復(fù)節(jié)點進行定量判斷，在該節(jié)點內(nèi)部內(nèi)置了壓力傳感器，用于測量兩側(cè)導(dǎo)梁之間通過壓縮彈簧2傳遞的壓力值；在壓縮彈簧1位置設(shè)置了位移傳感器，用于測量壓縮彈簧1的彈性變形量。當兩側(cè)導(dǎo)梁距離接近時，壓縮彈簧2受壓，壓力傳感器測量得到的壓力值將增大；而壓縮彈簧1必然釋放掉一定的壓力，甚至有可能達到空載狀態(tài)。相反的，當兩側(cè)導(dǎo)梁距離變遠時，壓縮彈簧2釋放壓力，壓力傳感器測量得到的壓力值將減小；而壓縮彈簧2將呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，其壓力值增大。正常功能狀態(tài)下，兩個壓縮彈簧承受的總壓力應(yīng)當一致，且變形協(xié)調(diào)；而在地震荷載作用下，如節(jié)點可恢復(fù)性受到損傷，則必然會導(dǎo)致在總壓力一致的情況下，變形出現(xiàn)增大或縮小的狀態(tài)，為是否更換彈簧或修復(fù)節(jié)點提供決策依據(jù)。

4 結(jié)語

可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系作為我國地震工程未來發(fā)展的重點方向之一，需要引起廣泛重視。本文對可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系進行了原理、分類、設(shè)計方法、恢復(fù)性指標等研究，并給出了一種用于梁段減震的減震節(jié)點的設(shè)計、施工、監(jiān)控方法，以期形成對可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系的整體認識。應(yīng)當注意到，在不同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計時，均存在不同的可恢復(fù)功能設(shè)計需求，但總體上需滿足結(jié)構(gòu)釋放變形、耗散能量的要求，靈活采用各種不同的可恢復(fù)構(gòu)件、節(jié)點、阻尼器等措施組合運用，從而真正實現(xiàn)高水平的抗震減震設(shè)防目標。