可恢复功能的摇摆结构体系研究综述

徐帅

（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

0 引言

传统抗震设计理念通过延性设计方法实现保护生命财产的抗震目标，但会使结构产生难以修复的损伤变形，丧失使用功能，影响震后的生产及生活。为此，国内外学者将结构震后的快速恢复功能作为重要抗震研究方向并进行了大量研究，目前形成了摇摆结构、自复位结构、可更换构件结构及复合自复位结构四种可恢复功能抗震结构体系[1，2]。其中，摇摆结构通过释放约束和增设耗能装置等措施降低结构响应、耗散地震输入能量，对提高建筑的抗震性能、实现震后快速恢复生产生活具有重要意义。国内外学者对摇摆框架、摇摆墙、消能摇摆架及摇摆桥墩等形式的摇摆结构体系进行了大量理论研究与试验分析，并对节点和连接形式进行了优化设计，奠定了理论与应用基础，实现了摇摆结构在建筑、桥梁领域的工程应用[3-5]。

1 摇摆结构简介

摇摆结构是通过释放基础对整体框架、结构柱、剪力墙、桥墩等结构构件或组件的部分自由度的约束，形成摇摆界面，在地震作用下，摇摆界面上部构件或组件发生摇摆，产生允许范围内的竖向抬升或无抬升的转动变形模式，并可设置可更换耗能构件及自复位装置，进一步通过结构在地震作用下的摇摆及耗能构件耗散地震输入能量，达到提高结构抗震性能的目的。文中主要针对摇摆钢筋混凝土框架结构、摇摆钢框架结构、摇摆墙结构及摇摆桥墩结构等摇摆结构的主要研究方向进行了总结和梳理。

2 摇摆结构体系研究进展

1963 年，Housner[6]受到了在地震作用下通过基础弱化处理的高位水槽具有更好抗震性能的启发，首先提出了摇摆结构的概念，建立了摇摆质量块刚体理论模型，如图1 所示，分析了摇摆质量块的周期和耗能，通过对摇摆质量块在水平地震动激励下的稳定性研究，指出摇摆质量块能够具有良好的稳定性能。在不同的结构体系中，摇摆质量块刚体理论模型为通过摇摆机制提高结构抗震性能的研究提供了理论基础。

图1 Housner 摇摆质量块刚体理论模型

2.1 摇摆钢筋混凝土框架结构

RC 框架结构是应用最广泛的结构形式，目前对混凝土摇摆结构的研究主要集中在摇摆柱、摇摆防屈曲支撑及消能摇摆架等方面。2007 年，Roh[7]通过放松基础与框架柱之间的约束，允许框架柱产生有限摇摆运动而形成摇摆柱，并附加了粘滞阻尼器形成摇摆-耗能机制，实现了框架结构的振动控制。2010 年，Roh等[8]进一步研究了摇摆-耗能机制的单榀RC 框架结构的抗震性能，如图2 所示，数值分析结果表明结构的加速度和位移响应有所降低，抗震性就能得到了提高。

图2 摇摆-耗能机制的钢筋混凝土框架

2013 年，杜永锋等[9，10]提出了一种轻型摇摆架（LRF）与自复位消能支撑（SCED）联合应用的轻型消能摇摆架（EDLRF），如图3 所示，LRF 是一种带支撑的钢框架或钢管混凝土框架，经刚性链杆与主体结构连接，并在基础与摇摆架连接处设置SCED，既能有效地消耗地震能量还能实现自复位功能。其6 层轻型摇摆RC 框架结构模型的非线性动力时程分析结果表明，EDLRF 结构的自身刚度能够改变结构层间变形模式，使层间位移分布更加均匀，避免了结构局部损伤，同时能有效降低整体结构位移峰值和残余位移，提高结构的抗震性能。

图3 轻型消能摇摆架（EDLRF）构造

2015 年，鲁亮等[11]提出了一种受控摇摆式钢筋混凝土框架结构（CR-RCF），并对摇摆节点及整体框架进行了低周往复加载试验，摇摆节点构造形式如图4所示，结合有限元分析发现，与RC 框架结构相比，CRRCF 结构使楼层剪力与位移分布更加均匀，并有效降低结构整体响应。随后，鲁亮等[12，13]分别提出了柱端（CR-RCFc）、梁端（CR-RCFb）铰接节点摇摆框架结构形式，并对CR-RCFc 结构进行振动台试验研究与有限元分析，结果显示CR-RCFc 结构可降低结构的基底剪力、加速度响应以及结构的整体位移；并发现CR-RCFc 结构在罕遇地震作用下的损伤更多的集中于阻尼器，易于震后更换，是一种“免损伤，易修复”的抗震结构体系。

图4 新型摇摆节点构造

2018 年，张国伟等[14，15]提出了一种摇摆防屈曲支撑-RC 框架的摇摆结构体系，通过对其进行拟静力试验与数值模拟发现，该结构体系耗能能力与变形能力均有所增强，其原因为防屈曲支撑、耗能阻尼器、框架梁、柱等构件组成了结构体系的多道抗震防线，使结构抗震性能得到提高。

2020 年，张文津等[16]提出了双段消能摇摆结构体系（DRD），如图5 所示，包括主体结构、位移型阻尼器及两段串联的摇摆结构。通过有限元分析可以发现，在高层建筑中，DRD 可以有效降低下段结构的弹性地震响应，结构层间变形更加均匀，提高了结构整体抗震性能，但上段结构地震响应相对较大。为此，李国强等[17]在DRD 的分段楼层位置增设劲性支撑，提出消能摇摆高位隔震结构体系（IRF），时程分析的结果表明，IRF 能在发挥DRD 优点的基础上，降低上段结构的地震响应。

图5 双段消能摇摆结构

摇摆体系能够改变RC 框架结构的变形模式，减小地震响应，提高结构的抗震性能。但目前研究仍存在一定的不足，对于摇摆柱脚节点及梁柱节点的研究设计依据相对较少，形式比较单一，构造比较复杂，难以生成公认的设计标准。此外，外附消能摇摆架的研究主要集中在二维平面模型，三维模型的整体性抗震性能研究相对不足，外附形式的设计方法是否适用也仍需进一步研究讨论。

2.2 摇摆钢框架结构

2006 年，Midorikawa 等[18，19]设计了底板屈服型钢框架摇摆结构，如图6 所示，钢柱底端通过屈服型底板与基础连接，在地震作用下，底板发生屈服后使钢柱抬升、上部结构随之发生摇摆。通过振动台试验与有限元分析发现，底板屈服型摇摆结构能够显著降低基底最大剪力，上部结构响应变形小于或几乎等于固定基础结构体系的弹性响应值；柱脚抬升后，其框架柱的最大拉力小于固定基础结构体系中框架柱的最大拉力，且最大压力小于或几乎等于固定基础结构体系中框架柱的最大压力，但震后损伤不可控，修复难度大。

图6 底板屈服型钢框架摇摆结构

Bell 和Ramhormozian 等[20，21]提出了一种损伤可控的中心支撑框架摇摆结构体系，为实现框架柱底与基础之间的反复抬升与复位，二者之间通过附加弹簧元件的滑移铰接节点连接，梁柱之间同样采用滑移铰接节点连接，能够满足损伤集中、摩擦耗能及震后可更换的需求。此外，相关学者[22-24]将可更换熔断器、阻尼器等消能减震装置引入摇摆钢框架结构，发现引入消能减震装置降低了摇摆界面的残余变形，使摇摆钢框架结构体系具有更好的抗震性能。

2017 年，贾明明等[25，26]提出了一种通过设置较大延性屈曲支撑构件（BRB）的摇摆桁架-BRB-钢框架体系，有限元分析结果表明，该结构整体参与耗能的能力加强，结构侧向位移更加均匀，残余变形得到有效降低。2018 年，杨晓燕等[27]对摇摆桁架-BRB-钢框架体系进行了小震、中震和大震下的拟动力加载试验及位移控制的拟静力加载试验，进一步验证了该结构体系的良好抗震性能。

目前，摇摆钢框架结构主要通过对节点的构造设计，耗能装置的设置来提高摇摆性能和耗能能力，摇摆结构与耗能装置二者的联合使用能进一步提高钢框架结构的抗震性能，使得钢框架结构沿高度方向的损伤、位移分布更加均匀，避免了损伤集中所导致的局部薄弱层的出现。但在结构的耗能设计中大量运用阻尼器，经济成本较高，且阻尼器的维护难度较大；此外，结构柱脚设计也较为复杂，设计方法并不完善，有待进一步研究。

2.3 摇摆墙结构

2004 年，Ajrab 等[28]首次提出框架-摇摆墙结构的概念，基于“避免损伤设计”的设计理念，设计了一种在剪力墙两侧附加预应力索的摇摆剪力墙结构，如图7 所示，预应力索两端分别与剪力墙顶部和地面阻尼器相连，非线性时程分析结果表明，该摇摆结构具有良好的抗震性能，但施工难度较大，难以推广应用。

图7 附加预应力索的框架摇摆墙结构

随后，Panian 和Wada 等[29，30]成功将摇摆墙应用在整体结构的抗震加固工程中，并取得了较为显著的效果。此后，国内相关学者开展了对摇摆墙结构的研究。2010 年，潘鹏等[31]首先对框架摇摆墙结构体系抗震性能进行研究，通过对6 层RC 框架增设摇摆墙前后的抗震性能进行对比分析，发现增设摇摆墙后的框架结构能有效控制结构层间变形的集中，更有利于结构发挥整体抗震及耗能能力。

2012 年，曹海韵等[32]首先对摇摆墙与框架的连接节点进行了研究，节点连接构造如图8 所示，其中墙体通过钢棍与基础连接，并通过摇摆墙底两侧的钝角设计控制墙体的摆动中心，楼层连接节点为一种凸齿与凹齿相咬合的构造，试验结果表明，节点水平力传递可靠，摇摆墙-框架结构层间变形更为均匀。2015年，张富文等[33]设计了工字形软钢与圆柱形软钢两种摇摆墙与框架柱的延性连接件，并对钢筋混凝土框架模型进行拟静力试验，结果发现失效部位均在延性连接件上，有利于实现震后的快速恢复。

图8 连接节点构造

2015 年，吴守君等[34]提出了一种摇摆填充墙-框架结构，如图9 所示，填充墙与框架柱组成刚性填充墙，墙体两侧的柱与基础接触但不连接，允许柱底抬起以实现填充墙摇摆。与外置摇摆墙框架结构相比，该结构能有效避免摇摆墙对建筑功能的影响。对该结构进行了静力弹塑性推覆分析，结果表明摇摆填充墙-框架结构的侧向承载力得到了提高，结构的延性得到了改善。2017 年，杨树标等[35]对摇摆填充墙框架结构的抗震性能进行了研究，利用SAP2000 进行非线性分析，发现摇摆填充墙能使主体结构破坏机制由层破坏机制转变为整体破坏机制。

图9 摇摆填充墙-框架结构立面示意图

摇摆墙结构能够在地震作用下，有效降低墙体的破坏程度，同时，能使结构层间位移分布更加均匀，提高结构整体耗能能力。但摇摆墙与主体结构之间的铰接计算模型与实际工程实践仍有较大差距，同时，墙体与结构主体连接空间有限，耗能构件施工难度大。因此，摇摆墙结构中节点的连接设计仍需深入研究。

2.4 摇摆桥梁结构

1974 年，Beck 等[36]首次将摇摆结构应用在桥梁结构的抗震设计中，如图10 所示，通过断开桥墩与基础，并使用方形销与橡胶垫连接的方式实现了桥墩与基础之间的有限提离和摇摆，并附加阻尼器和限位板防止摇摆位移过大，提高了桥梁结构的抗震稳定性。

图10 摇摆桥墩连接示意图

1997 年，Mander[37]提出了无损伤的自复位摇摆桥墩抗震设计理念，并设计了无损摇摆桥墩结构，如图11 所示。通过断开桥墩与基础之间的纵筋，并使用无黏结预应力筋连接桥墩与基础，实现了桥墩的有限摇摆与自复位功能。拟静力试验结果表明，该结构弹性滞回性能呈现明显的双线性，其承载能力在发生较大位移时仍保持线性关系，自复位能力突出，但耗能能力较差，且预应力钢筋易产生预应力损失等问题。

图11 预应力自复位摇摆桥墩结构示意图

2005 年，Palermo[38]提出了如图12 所示的无粘结预应力筋和耗能装置联合应用的摇摆桥墩，拟静力试验结果表明，该摇摆桥墩具有明显的旗帜形滞回性能，表明兼具良好的自复位能力与耗能能力但内置耗能钢筋发生屈曲损坏时，更换难度大。Marriott[39]首次在摇摆桥墩中设置外置阻尼器，解决了内置耗能钢筋发生屈曲破坏后更换困难，震后快速恢复能力差的问题，但外置阻尼器的维护、使用条件限制等问题有待进一步解决。

图12 无粘结预应力筋和耗能装置联合应用的摇摆桥墩

2019 年，周雨龙等[40-42]通过动力试验方法，分别对自由摇摆桥墩、预应力摇摆桥墩及预应力和耗能装置联合应用的摇摆桥墩进行了振动台实验研究，进一步验证了3 种摇摆桥墩的动力性能。

3 摇摆结构体系研究展望

针对不同结构体系，国内外学者对通过摇摆机制提高结构抗震性能的设计方法进行了大量的有限元分析和试验研究，但也存在着不足之处。文中针对相关研究中的不足之处提出了对于未来的展望。

（1）目前摇摆结构的研究大多集中在有限元分析、拟静力试验以及局部结构的拟动力试验研究，需根据整体结构的动力试验，进一步探究其动力学性能。

（2）目前摇摆结构的设计方法和性能指标尚未形成统一的定量化标准。复杂的结构形式增加了施工困难和施工成本，不利于摇摆结构的广泛应用，简化结构体系和节点形式可能是摇摆结构今后的研究方向之一。

（3）未来研究中，应注重摇摆结构与可更换构件、自复位结构体系联合应用，更好的将“抗震”、“消震”、“隔震”理念融合，更加注重整体结构全方面的抗震性能。

4 结语

文中介绍了摇摆结构的概念，总结了国内外摇摆结构的研究方向、研究历程及存在的相关问题，得到了以下结论：

（1）摇摆机制能够有效降低原结构地震响应，使结构具有良好的抗震性能与震后快速恢复能力。

（2）摇摆结构与阻尼器等可更换耗能件、自复位装置的联合应用，其抗震性能更好，更有利于震后的快速恢复，在抗震设计中具有良好的应用前景。

（3）目前摇摆结构的抗震性能评价指标还需进一步明确定性化指标与定量化指标，以补充完善相关设计规范。