可恢复功能结构体系和减震节点应用技术研究

赵一鸣 夏巨伟

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心 上海 200080

1 研究背景

近年来，随着我国经济社会的高速发展，在抗震减震技术领域逐渐出现了针对可恢复功能结构体系的研究热点：如何通过功能可恢复的理念指导抗震减震设计和施工，从根源上提升建筑结构尤其是高层建筑结构的抗震减震能力，逐渐引起了研究人员的广泛重视。

可恢复功能结构体系的设计理念与我国抗震设计规范中涉及的“三水准”的设防目标有所不同，相对“三水准”设防要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”提出了更高级别的要求，即尽可能通过有效的结构可恢复功能特征设计和施工，使得结构在地震发生过程中最大限度达到减震目的，在地震结束后能够快速恢复既有功能。甚至，在设计良好的可恢复功能结构体系中，由于局部可恢复功能节点的可置换性，通过节点更换可使得建筑结构的抗震减震能力得到进一步增强，结构功能也能够得到进一步改善。

本文将对现有的地震工程领域可恢复功能结构体系进行探索研究，并给出一种用于高层建筑结构体系的减震节点的设计、施工、监控方法，以期为今后类似工程的施工提供借鉴。

2 可恢复功能结构体系

2.1 设计原理

相比于传统抗震设计理念，可恢复功能结构体系具有更优的抗震性能，需要将目标从传统的抗倒塌设防转向震后可恢复目标[1]。

国内有学者为更好地适应可恢复功能结构体系的设计要求，在传统“三水准”抗震设防的基础上提出了“四水准”抗震设防目标[2]，即地震可恢复功能结构体系应达到“小震及中震不坏，大震可修复、可更换，巨震不倒塌”的抗震设防要求。

为达到上述要求，需要可恢复功能结构体系应至少具备如下一项或多项特征：

1）具有耗能阻尼构件。为达到“小震及中震不坏”的要求，需要结构具有一定的耗能能力。一般可通过耗能阻尼构件为结构提供足够的耗能能力，从而使得结构主体/关键构件在地震过程中受力和变形始终处于弹性范围内。常见的耗能阻尼构件有防屈曲支撑、减震隔震橡胶支座等。

2）局部结构应可进行修复，且修复后的使用功能不小于原使用功能。为达到大震可修复的要求，需要结构主体/关键构件在受振动损坏后（如进入塑性状态）具备修复的条件和可能性。如设计和施工时考虑为后期进行明显裂缝的修补、建筑立柱/支座移位后的回调等提供条件。

3）局部构件应可进行更换，且更换后的使用功能不小于原使用功能。同样为达到大震可修复的要求，其原理同上，但可用于更换的局部构件主要指可更换的耗能阻尼构件和节点构造等。

4）整体抗震性能需达到巨震不倒塌的要求。所有耗能构件及减震、隔震措施的效能等按照有效系数的加权和应当能够满足建筑结构在巨震作用下的不倒塌耗能要求，使巨震条件下不致出现影响人民生命安全的重大倒塌灾害事件。

2.2 可恢复功能结构体系分类

可恢复功能结构在设计阶段就将地震灾害条件下功能可恢复需求纳入结构设计需求中，提前赋予建筑结构在抗震减震方面一定的富余度，使之能够更好地应对地震灾害[3]。基于可恢复功能结构体系的特点，可以将可恢复功能结构体系划分为结构构件修复/更换型结构体系和耗能构件修复/更换型结构体系。

结构构件修复/更换型结构体系，是指在地震荷载作用下，结构构件出现损伤，强度、刚度发生折减，通过对损伤后的结构构件进行修复、更换，从而达到功能可恢复的目的。

针对此类结构体系，在设计时需要考虑将地震荷载作用导致的损伤集中到可更换/修复的部位，在施工时需要考虑提供预留更换/修复的条件。

针对高层建筑结构，隔震方面可以通过释放结构主体柱、墙与底部基础的转动约束，并设置为可更换的转动约束形式来形成可恢复模式；减震方面可以通过体外预应力、连梁耗能等方式进行设计和施工。

耗能构件修复/更换型结构体系，是指在地震荷载作用下，结构构件始终处于弹性受力状态，所有的地震能量均传递至耗能构件进行消除。

耗能构件修复/更换型结构体系是目前采用最为广泛的一种结构体系，其原因在于耗能构件天然具有可修复/更换性，且修复/更换后的性能不低于原有性能。常见的耗能构件包括前文所提及的防屈曲支撑结构、隔震橡胶支座以及各种形式的耗能缓冲节点。

在实际工程设计和施工中，普遍采用两种类型结构体系结合的设计方式；针对抗震设计要求较高的结构，一般以耗能构件修复/更换型结构体系为主。

2.3 可恢复功能结构体系的恢复性指标

建筑结构体系性能评价一般从作用、响应角度着手，以评价结构的抗震性能，针对可恢复功能结构体系，本文提出2类恢复性指标，以对可恢复功能结构体系的恢复性进行一定程度的定性定量评价。

从响应角度进行评价，可恢复功能结构体系普遍通过大变形来实现能量消耗，分为整体结构在地震作用下的大变形和局部构件（如防屈曲支撑）在地震作用下的大变形。

因此，可恢复功能结构体系可以采用基于位移大变形的设计方法，也可以将恢复性指标定义为在不同等级地震荷载作用下修复前后的建筑结构整体理论位移值的比值。从定义上可以得出结论，基于位移响应的恢复性指标随地震震级的增大而逐渐降低；可恢复功能结构体系的恢复性指标应确保在强震作用下仍处于一定的安全界限内，在大震、中震、小震作用下的恢复性指标应不小于1。

从作用、响应角度进行评价，即直接从结构的可恢复构件在恢复前后的性能评价上进行对比分析。可恢复功能结构体系可以按照设计中重点考虑的恢复性措施进行拆分，并赋予每个恢复性措施一定的权重值和效应值；而总体的可恢复指标可定义为每个恢复性措施的权重值与效应值乘积的累加和。

从该定义中可以得出结论，完整的恢复操作，其总体可恢复性指标保持不变；而非完整的恢复操作，其总体可恢复性指标将下降，且下降参数不仅仅指恢复性措施的效应值，还应当包括其权重值。实际情况中，由于各种恢复性措施共同配合发挥抗震作用，因此随着单一可恢复措施效应值下降而存在权重重分配的问题。

3 可恢复功能结构体系的减震节点

针对可恢复功能结构体系，本文给出一种减震节点的设计、施工及监控方法，该减震节点预留了变形空间和监测用传感器，是一种功能性较强的节点构造。

3.1 减震节点设计方法

可恢复功能结构体系的减震节点剖面如图1和图2所示。该减震节点主要用于两端梁体之间或者两端杆之间，通过压缩弹簧1和压缩弹簧2提供两端梁体的大变形位移空间，同时通过键来使得两端梁体不会发生相对扭转变形，通过导梁确保两端梁体在该节点位置处不会出现弯曲折角和应力增大现象。

图1 减震节点构造纵向剖面

图2 减震节点构造横向剖面

为便于修复和更换，该减震节点设置了压缩弹簧滑套空间，用于压缩弹簧1的更换，其中盖板和紧固螺钉可进行拆卸，在压缩弹簧1发生较大的塑性变形时，可方便地进行拆卸更换，不影响整体减震节点的工作性能。

压缩弹簧2的修复和更换，需要进行该节点的整体拆卸，具体步骤为：拆卸压缩弹簧1，将左侧导梁的焊接固定点拆除；向左移动左侧导梁，使得左侧、右侧导梁分离；移动右侧导梁并进行拆除；更换压缩弹簧2，并重新安装右侧导梁结构。至此，完成压缩弹簧2的更换。同样，可以采取上述方式进行整体梁节点的更换作业。

设计过程中，需要根据各级地震作用下以及结构常规荷载（如风荷载）作用下的实际变形量估算压缩弹簧的刚度参数，并按照刚度参数进行压缩弹簧的定制和节点的制作。

3.2 减震节点施工方法

在上述减震节点施工过程中，需重点对节点中压缩弹簧的施工工艺进行控制。其主要施工步骤包括：

1）根据结构各级地震荷载情况下的两侧梁端相对位移，选择相应的压缩弹簧1和压缩弹簧2的理论行程。

2）将压缩弹簧2安装在左侧导梁的右侧，将右侧导梁插入至左侧导梁内，两侧导梁之间通过减摩套相接触，形成低摩阻状态下的自由滑动。

3）临时压缩弹簧，将拼装好后的节点放置在两侧梁段之间，并释放弹簧，使得拼装好的节点与两侧梁段相搭接。

4）将节点与左侧导梁相焊接，即进行左侧固定约束处理。

5）安装压缩弹簧1，并封住盖板和紧固螺钉，确保压缩弹簧端部受力。

6）在节点两侧导梁之间安装键，限制其发生相对扭转变形。

对于减震节点施工后的验收，应注意导梁键所在的位置，其应当满足理论计算的结果，即此处应进行施工控制，确保压缩弹簧1和压缩弹簧2的初始位置满足设计要求，为后期减震提供足够的量程空间。

3.3 减震节点监控方法

为实现减震效果的评价，并对是否需要置换弹簧、是否需要修复节点进行定量判断，在该节点内部内置了压力传感器，用于测量两侧导梁之间通过压缩弹簧2传递的压力值；在压缩弹簧1位置设置了位移传感器，用于测量压缩弹簧1的弹性变形量。当两侧导梁距离接近时，压缩弹簧2受压，压力传感器测量得到的压力值将增大；而压缩弹簧1必然释放掉一定的压力，甚至有可能达到空载状态。相反的，当两侧导梁距离变远时，压缩弹簧2释放压力，压力传感器测量得到的压力值将减小；而压缩弹簧2将呈现受压状态，其压力值增大。正常功能状态下，两个压缩弹簧承受的总压力应当一致，且变形协调；而在地震荷载作用下，如节点可恢复性受到损伤，则必然会导致在总压力一致的情况下，变形出现增大或缩小的状态，为是否更换弹簧或修复节点提供决策依据。

4 结语

可恢复功能结构体系作为我国地震工程未来发展的重点方向之一，需要引起广泛重视。本文对可恢复功能结构体系进行了原理、分类、设计方法、恢复性指标等研究，并给出了一种用于梁段减震的减震节点的设计、施工、监控方法，以期形成对可恢复功能结构体系的整体认识。应当注意到，在不同类型结构设计时，均存在不同的可恢复功能设计需求，但总体上需满足结构释放变形、耗散能量的要求，灵活采用各种不同的可恢复构件、节点、阻尼器等措施组合运用，从而真正实现高水平的抗震减震设防目标。