可恢復功能結構體系和減震節點應用技術研究

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研究中心 上海 200080

1 研究背景

近年來，隨著我國經濟社會的高速發展，在抗震減震技術領域逐漸出現了針對可恢復功能結構體系的研究熱點：如何通過功能可恢復的理念指導抗震減震設計和施工，從根源上提升建筑結構尤其是高層建筑結構的抗震減震能力，逐漸引起了研究人員的廣泛重視。

可恢復功能結構體系的設計理念與我國抗震設計規范中涉及的“三水準”的設防目標有所不同，相對“三水準”設防要求的“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構可恢復功能特征設計和施工，使得結構在地震發生過程中最大限度達到減震目的，在地震結束后能夠快速恢復既有功能。甚至，在設計良好的可恢復功能結構體系中，由于局部可恢復功能節點的可置換性，通過節點更換可使得建筑結構的抗震減震能力得到進一步增強，結構功能也能夠得到進一步改善。

本文將對現有的地震工程領域可恢復功能結構體系進行探索研究，并給出一種用于高層建筑結構體系的減震節點的設計、施工、監控方法，以期為今后類似工程的施工提供借鑒。

2 可恢復功能結構體系

2.1 設計原理

相比于傳統抗震設計理念，可恢復功能結構體系具有更優的抗震性能，需要將目標從傳統的抗倒塌設防轉向震后可恢復目標[1]。

國內有學者為更好地適應可恢復功能結構體系的設計要求，在傳統“三水準”抗震設防的基礎上提出了“四水準”抗震設防目標[2]，即地震可恢復功能結構體系應達到“小震及中震不壞，大震可修復、可更換，巨震不倒塌”的抗震設防要求。

為達到上述要求，需要可恢復功能結構體系應至少具備如下一項或多項特征：

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

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

3）局部構件應可進行更換，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的要求，其原理同上，但可用于更換的局部構件主要指可更換的耗能阻尼構件和節點構造等。

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

2.2 可恢復功能結構體系分類

可恢復功能結構在設計階段就將地震災害條件下功能可恢復需求納入結構設計需求中，提前賦予建筑結構在抗震減震方面一定的富余度，使之能夠更好地應對地震災害[3]?；诳苫謴凸δ芙Y構體系的特點，可以將可恢復功能結構體系劃分為結構構件修復/更換型結構體系和耗能構件修復/更換型結構體系。

結構構件修復/更換型結構體系，是指在地震荷載作用下，結構構件出現損傷，強度、剛度發生折減，通過對損傷后的結構構件進行修復、更換，從而達到功能可恢復的目的。

針對此類結構體系，在設計時需要考慮將地震荷載作用導致的損傷集中到可更換/修復的部位，在施工時需要考慮提供預留更換/修復的條件。

針對高層建筑結構，隔震方面可以通過釋放結構主體柱、墻與底部基礎的轉動約束，并設置為可更換的轉動約束形式來形成可恢復模式；減震方面可以通過體外預應力、連梁耗能等方式進行設計和施工。

耗能構件修復/更換型結構體系，是指在地震荷載作用下，結構構件始終處于彈性受力狀態，所有的地震能量均傳遞至耗能構件進行消除。

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

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

2.3 可恢復功能結構體系的恢復性指標

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

從響應角度進行評價，可恢復功能結構體系普遍通過大變形來實現能量消耗，分為整體結構在地震作用下的大變形和局部構件（如防屈曲支撐）在地震作用下的大變形。

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

從作用、響應角度進行評價，即直接從結構的可恢復構件在恢復前后的性能評價上進行對比分析?？苫謴凸δ芙Y構體系可以按照設計中重點考慮的恢復性措施進行拆分，并賦予每個恢復性措施一定的權重值和效應值；而總體的可恢復指標可定義為每個恢復性措施的權重值與效應值乘積的累加和。

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

3 可恢復功能結構體系的減震節點

針對可恢復功能結構體系，本文給出一種減震節點的設計、施工及監控方法，該減震節點預留了變形空間和監測用傳感器，是一種功能性較強的節點構造。

3.1 減震節點設計方法

可恢復功能結構體系的減震節點剖面如圖1和圖2所示。該減震節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生相對扭轉變形，通過導梁確保兩端梁體在該節點位置處不會出現彎曲折角和應力增大現象。

圖1 減震節點構造縱向剖面

圖2 減震節點構造橫向剖面

為便于修復和更換，該減震節點設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，不影響整體減震節點的工作性能。

壓縮彈簧2的修復和更換，需要進行該節點的整體拆卸，具體步驟為：拆卸壓縮彈簧1，將左側導梁的焊接固定點拆除；向左移動左側導梁，使得左側、右側導梁分離；移動右側導梁并進行拆除；更換壓縮彈簧2，并重新安裝右側導梁結構。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點的更換作業。

設計過程中，需要根據各級地震作用下以及結構常規荷載（如風荷載）作用下的實際變形量估算壓縮彈簧的剛度參數，并按照剛度參數進行壓縮彈簧的定制和節點的制作。

3.2 減震節點施工方法

在上述減震節點施工過程中，需重點對節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）根據結構各級地震荷載情況下的兩側梁端相對位移，選擇相應的壓縮彈簧1和壓縮彈簧2的理論行程。

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

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

4）將節點與左側導梁相焊接，即進行左側固定約束處理。

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）在節點兩側導梁之間安裝鍵，限制其發生相對扭轉變形。

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

3.3 減震節點監控方法

為實現減震效果的評價，并對是否需要置換彈簧、是否需要修復節點進行定量判斷，在該節點內部內置了壓力傳感器，用于測量兩側導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。當兩側導梁距離接近時，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。相反的，當兩側導梁距離變遠時，壓縮彈簧2釋放壓力，壓力傳感器測量得到的壓力值將減??；而壓縮彈簧2將呈現受壓狀態，其壓力值增大。正常功能狀態下，兩個壓縮彈簧承受的總壓力應當一致，且變形協調；而在地震荷載作用下，如節點可恢復性受到損傷，則必然會導致在總壓力一致的情況下，變形出現增大或縮小的狀態，為是否更換彈簧或修復節點提供決策依據。

4 結語

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