1 绪论
1.1 研究背景
地震又称作地动或者地震动，是由于地壳中板块之间相互碰撞与挤压而造成板块的边缘和内部产生断裂、变形或者摩擦并快速释放能量过程中造成的振动[1]。地震会给人类的生命及财产带来巨大的损失。1976 年 7 月 28 日，河北唐山发生 7.8 级（震中烈度 11 度）大地震，这次罕见地震造成了严重的危害，地震死亡人数高达 24.2 万，重伤人数高达 16.4 万[2]，1479 万平方米房屋受不同程度地毁坏，530 万间房屋倒塌，直接经济损失约为 54亿元。2008 年 5 月 12 日四川省汶川县发生 8.0 级（震中烈度 11 度）大地震，超过 8.7 万人遇难或失踪，直接经济损失约为 8451 亿。2010 年 4 月 14 日，青海省玉树县发生 7.1 级（震中烈度 9 度）地震，造成 2698 人遇难。2013 年 4 月 20 日，四川省雅安市芦山县发生 7.0 级（震中烈度 9 度）地震，此次地震死亡人数近 200人，受伤人数高达 1.15 万人。2014 年 8 月 03 日云南省昭通市鲁甸县发生 6.5 级（震中烈度 9 度）地震，死亡人数为 617 人，受伤人数 3143 人。钢筋混凝土框架结构是应用较多的一种结构形式，但由于其本身抗侧刚度小、设计、二次结构布置不合理等原因，历次地震灾害表明，钢筋混凝土框架结构在地震时破坏较为严重[3]。其中，最典型的震害形式为薄弱层破坏，如图 1.1 所示。薄弱层破坏是钢筋混凝土框架结构层间屈服机制的表现。在强震作用下，框架结构发生剪切变形，结构下部个别楼层柱端先出现塑性铰，层间变形显著增大，最终造成整层垮塌。由于破坏集中在某一层，整个结构变形能力很小，不能充分发挥结构的耗能能力，结构抗震性能差。
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1.2 国内外可恢复功能结构研究进展
可恢复功能结构是一类新的减震控制结构体系，它可以在地震发生时保护人的生命财产，同时还可以在大地震结束时，帮助人们尽快地恢复生活，是工程结构抗震设计的新的发展方向，可恢复结构由三个分支组成，分别为可更换构件结构，摇摆结构，自复位结构[4]。早在 1963 年，Housner[5]偶然地将结构的基础放松，使结构在地震中发生基础抬升，整体摇摆，结构在大震下没有产生破坏，说明了摇摆可以使结构自身受到保护。摇摆结构在早期多用在短周期的刚性结构中，如摇摆桥墩的研究。Astaneh-Asl 和 Shen[6]进行了半刚性摇摆桥墩的研究，让桥墩底部能够发生一定的摇摆。美国旧金山-奥克兰海湾大桥改造设计将该研究付诸实践。Priestley 等[7]将摇摆桥墩作为桥梁抗震设计与加固的一种方法。科研工作者发现，在摇摆桥墩中设置无粘结后张预应力筋，桥墩能够在地震时自复位，进而使残余变形降低。Palermo 等[8]研究表明设有后张预应力筋的桥墩，其抗侧移能力小于固定基础桥墩，但高于无预应力筋的摇摆桥墩，摇摆桥墩通过设置预应力筋，具有了较好的自复位能力。1993 年 Priestley 和 Tao[9]提出允许预制框架结构中框架梁发生转动，构成自复位框架的概念。框架梁和框架柱用预应力筋紧密相连，梁在与柱的接触面处产出一定量的转角来耗能。1996 年 Priestley 和 MacRae[10]采用试验方法，对自复位无粘结预应力钢筋砼框架节点的抗震性能进行了研究。1999 年 EI-Sheikh 等[11]采用推覆分析和时程分析方法对 6 层无粘结预应力自复位混凝土结构进行了研究。2007 年 Roh 放松基础对框架柱的约束，使柱能够在地震中摇摆，并引入粘滞阻尼进行耗散地震能量，实现了对框架结构的振动控制[12]。Roh 和 Reinhorn 又在摇摆框架中加入粘滞型阻尼器，进行了该一榀框架抗震性能的研究，研究结果表明，增设阻尼器能够大幅减小框架的位移反应，证明了摇摆结构具有良好的抗震效果[13]。
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2 自复位摇摆架体系介绍
2.1 自复位耗能支撑的工作原理
2.1.1 自复位耗能支撑的概念
自复位耗能支撑（SCED）是一种特殊的支撑形式，由 C. Christopoulos 等人率先提出，该类型支撑具有自复位和耗散能量的功能。自复位耗能支撑由支撑构件（内外管）、预应力装置、消能装置以及一些固定连接配件组成[43]。连接配件分别连接在两个支撑构件的端部，通过连接配件，将整个装置与结构相连；内外管之间连有耗能装置，耗能可以选择多种形式，如软钢阻尼、摩擦阻尼或者粘滞阻尼。本文利用摩擦阻尼进行耗能。当内外管发生相对位移时，摩擦装置便可耗散能量。预应力由若干根预应力筋提供，通过一对端板锚固在支撑构件两端，预应力通过两个端板传给两个支撑构件（内外管）。预应力筋的预应力必须大于耗能装置产生的摩擦力，以保证该支撑设备的自复位能力。自复位支撑的简化模型如图 2.1 所示。如图 2.1 所示，在不受外力作用的情况下，由于预拉力的作用，预应力筋会让端板与支撑构件（内外管）紧密结合在一起。如果支撑所受外部作用力小于摩擦力与预应力的和，那么内外管之间没有相对移动。如果支撑所受外部作用力大于摩擦力与预应力的和，则内外管之间将产生相对移动，在相对移动的同时，耗能装置会通过摩擦进行耗能。撤去外部作用力后，通过预拉力提供的恢复力使支撑自行回复到初始的状态。在不断变化的外力作用下，自复位耗能支撑即能耗散能量，也具有自复位功能。
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2.2 自复位耗能支撑的工作过程
自复位耗能支撑在受力过程中，可能受拉和受压，它的滞回曲线较为特别，是典型旗帜型。支撑受拉和受压时，刚度变化是完全相同的，所以旗帜型滞回曲线的形状在拉力区和压力区是相同的，图形具有对称性。本文按照支撑受拉的情况，介绍受拉时荷载-位移的变化。根据图 2.1 自复位耗能支撑简化模型，将自复位耗能支撑左端固定，在右端逐步施加水平向右的力（从初始状态进行加载），让内外管产生相对位移，然后再进行卸载，直至了为零。在此过程中，自复位耗能支撑经历了 4 个受力阶段[43]。第 1 阶段为初始状态至内外管即将发生相对位移的阶段。无论是受拉还是受压，预应力筋始终保持受拉状态，预应力筋的预应力为支撑提供弹性恢复力，使支撑能够实现自复位功能，所以预应力筋材料的选取对支撑的自复位功能实现是至关重要的。C. Christopoulos 等经过大量的研究，发现芳纶纤维材料充当预应力筋在自复位耗能支撑中表现出良好的性能。芳纶纤维材料变形能力很强，它的弹性模量很低，约为 100GPa，抗拉强度极高，可达 3000 MPa~4000 MPa，则材料的弹性应变在 3%~4%之间。所以预应力筋采用芳纶纤维材料，可具有很大的弹性恢复力，并且在弹性阶段可产生较大的弹性变形，为自复位功能的实现提供了条件。
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3 框架-自复位摇摆架静力弹塑性分析.........23
3.1 概述......23
3.2 能力谱方法............23
3.3 需求谱的建立........24
3.4 侧向加载模式........25
3.5 我国抗震规范规定的结构性能目标........25
3.6 计算实例.......26
3.6.1 基底剪力-顶点位移曲线.......26
3.6.2 谱加速度-谱位移曲线...........28
3.6.3 需求曲线与性能点.......28
3.6.4 楼层层间位移角分布............31
3.7 本章小结.......32
4 框架-自复位摇摆架动力弹塑性时程分析......... 34
4.1 概述......34
4.2 动力弹塑性时程分析计算方法.......34
4.3 计算实例.......36
4.4 本章小结.......58
5 结论与展望.....60
5.1 结论......60
5.2 展望......61
4 框架-自复位摇摆架动力弹塑性时程分析
4.1 概述
时程分析法， 就是根据材料及构件的弹性（或非弹性）性能对结构动力方程做积分求解的方法[48]。这种方法可以考虑地震动的峰值、频谱和持时三个要素，也可以考虑地震环境和场地条件的影响，能够对结构进行非线性分析， 还可以计算能量损耗和损伤等，可获得更多的有用信息，可以说时程分析是一个真正的动力分析方法[48]。动力弹塑性分析的步骤可概括如下：(1) 确定结构计算模型(2) 地震波的选择和输入(3) 确定结构的运动方程，对方程进行数值求解，确定结构在地震作用下每一时刻的地震响应，包括加速度、速度、位移以及构件的内力，从而得到整个地震过程中，结构的内力变化、变形发展以及破坏过程。(4) 选取需要的弹塑性动力时程分析所得到的数据，进行数据整理，对结构的抗震性能进行评估。第二章已经详细介绍了自复位摇摆架结构体系的建立过程，包括摇摆架以及SCED 的设计，并确定了有限元分析选用的单元、材料本构参数、，并对 SCED 的进行了低周往复加载模拟，为动力分析模型的建立做了充分的准备。建立框架自复位摇摆架动力分析模型，与原结构和摇摆架结构进行周期对比。
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结论
本文采用了一种既有混凝土框架结构自复位性能改造方案，即外附自复位摇摆架结构。并用 OpenSEES 对原框架结构、自复位摇摆架结构进行了静力推覆分析和动力时程分析，得出的主要结论如下：
（1）静力推覆分析表明：框架自复位摇摆架结构抗震性能优于普通摇摆架结构。这是因为 SCED 具有较强的初始刚度，两个 SCED 为结构提供了一定的抗倾覆力，增加了结构的承载能力。原框架结构可抵抗 8 度（0.2g）地震作用，外附自复位摇摆架后，结构能实现 8 度（0.3g）大震不倒塌，抗震烈度水准提高了 0.5 度。原结构呈现出典型的层屈服机制，自复位摇摆架结构层间位移角分布较为均匀，呈现出整体屈服机制，结构的延性大幅度提高。自复位摇摆架与普通摇摆架相比，能够更有效地控制结构薄弱层层间位移角的发展。
（2）动力时程分析表明：原框架结构在 8 度（0.2g）烈度水准下性能目标为性能 4，在 8 度（0.3g）烈度水准下达不到性能 4，结构呈现出明显的层屈服机制，结构的抗震性能得不到充分的发挥。框架自复位摇摆架在 8 度（0.2g）地震下的性能目标为性能 3，在 8 度（0.3g）地震下的性能目标为性能 4，与原结构相比提高了 1 个性能等级。框架自复位摇摆架层间位移比对应烈度水准的原结构更加均匀，结构呈整体屈服机制。结构的最大位移反应较原结构有大幅度降低。
（3）罕遇地震下，外附自复位摇摆架后，结构的残余位移总体上大幅度降低。改造后结构顶部的自复位效果要优于底部，顶部的残余位移得到了更好的控制。改造后结构在 El Centro 波 8 度（0.3g）大震作用下，底部两层出现了残余位移增大的现象，这是结构局部损伤过大造成的。总体来说，结构表现出较好的自复位性能。
（4）罕遇地震下，外附自复位摇摆架后，结构残余层间位移角总体上得到了有效的降低。底部三层残余层间位移角基本都有所降低，这降低了强震后薄弱层的修复的难度。El Centro 波作用下，部分楼层出现了残余层间位移角增大的现象，这是楼层局部损伤较重导致的。总体来说，结构表现出较好的自复位性能。
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参考文献（略）