北京建筑大学张爱林教授为您解读带中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架拟动力试验

地震灾害近年来频繁发生，对国民经济造成了极大损失。社会经济的迅猛发展以及人类对幸福生活的期望一直促进建筑向更安全、更舒适的方向发展，而防止因地震造成的建筑次生灾害是结构设计面临的重要挑战。近年来，国家大力推动韧性城市建设。北京市人民政府办公厅印发《关于加快推进韧性城市建设的指导意见》指出“到2025年，韧性城市评价指标体系和标准体系基本形成，建成50个韧性社区、韧性街区或韧性项目，形成可推广、可复制的韧性城市建设典型经验；到2035年，韧性城市建设取得重大进展，抗御重大灾害能力、适应能力和快速恢复能力显著提升”。

自复位预应力钢框架结构体系因其在地震中能够有效控制主体结构的损伤且震后具有可恢复功能的特性，震后修复成本低，符合国家发展韧性城市战略目标。课题组提出装配式自复位钢框架（图1），突破预应力高空张拉技术瓶颈，实现了地面张拉，有效提高了施工效率及施工质量，降低了高空张拉钢绞线存在的安全隐患。针对较大跨度自复位钢框架结构层间位移角可能超限或耗能不足的关键问题，课题组前期提出将中间柱型阻尼器应用于装配式自复位钢框架（图2），为满足跨中门窗开洞等要求，又提出了带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架体系，并给出该体系的性能化设计目标，设计并完成了拟动力试验研究，对比分析了两榀带单、双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框的位移响应、滞回性能、中间柱摩擦阻尼器滑动、索力及典型部位应变变化，为工程应用提供参考。

2.1 试验方案

在课题组前期对自复位和可恢复功能体系研究的基础上，提出“多遇地震短梁-长梁连接界面处无开口、中间柱不滑动、结构无损伤，设防地震连接界面处开口耗能、中间柱轻微滑动且主体结构无损伤，罕遇地震结构损伤很小能正常使用，超罕遇地震主体结构损伤较小仍能正常使用”的性能化设计目标和设计方法。按此方法设计制作两个试验模型，分别为带单中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架（PSCW-SCD，图3）及带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架（PSCW-DCD，图4），两个试验模型除中间柱摩擦阻尼器数量不同外，其余各部分尺寸、构造均相同，试验加载装置如图5所示。试验子结构为原型结构的3/4缩尺，试验模型框架柱的轴压比与原型结构一致，均为0.11。采用多层结构远程协同拟动力实验平台（NetSLab_MSBSM1.0.0），通过在计算中心中输入层质量和理论层间滞回模型进行计算子结构模拟。选取El Centro波（图6a）、汶川波（图6b）进行拟动力试验，将El Centro波和汶川波的加速度峰值分别调幅至0.07 g 、0.2 g 、0.4 g 和0.51 g 、0.62 g 、0.8 g 、1.0 g 。

2.2  试验现象

模型结构在不同地震动作用下连接界面处最大开口如图7所示。在8度多遇地震作用下，两榀框架的短梁-长梁连接界面处均未产生开口，此时的外荷载不足以使短梁-长梁连接界面处的弯矩达到临界开口弯矩。在8度设防地震作用下两榀框架的最大开口转角均很小，在8度罕遇地震作用下两榀框架短梁-长梁连接界面处均轻微开口，在9度超罕遇地震作用下开口增大。

两个模型在多遇地震作用下，短梁-长梁连接界面处无开口、中间柱不滑动，中间柱摩擦阻尼器只提供附加刚度，结构无损伤；设防地震作用下短梁-长梁连接界面处开口耗能，中间柱轻微滑动，提供附加刚度并开始滑移耗能，主体结构无损伤；罕遇及超罕遇地震作用下，中间柱摩擦阻尼器主要提供附加阻尼，滑移耗能，结构损伤很小能正常使用。两个模型中间柱滑动如图8所示，具体试验过程见视频1。

视频1 试验过程

2.3  试验结果分析

2.3.1 初始刚度

图9为两个模型在多遇地震作用下的荷载-位移曲线，由图可见，荷载与位移呈线性关系，框架此时处于弹性状态，由此拟合试验曲线得到其各自的初始刚度。带单中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架（PSCW-SCD）的初始刚度为48.2 kN/mm，带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架（PSCW-DCD）的初始刚度为71.6 kN/mm，PSCW-DCD的初始刚度为PSCW-SCD的1.49倍。

2.3.2 位移响应

在8度多遇地震作用下带单中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架（PSCW-SCD）最大层间位移角为1/359，带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架（PSCW-DCD）最大层间位移角为1/684，均未超过弹性位移角限值1/250，此时两榀框架的中间柱阻尼器均未滑动，主要提供附加刚度。在8度设防地震作用下两者的最大位移响应分别为19.6 mm和12.9 mm，最大层间位移角分别为1/150和1/228，此时两榀框架的中间柱阻尼器开始轻微滑动，提供附加阻尼及一定的刚度。在8度罕遇地震作用下两榀框架的最大层间位移角分别为1/100和1/99，此时两榀框架的中间柱阻尼器滑动量较大，主要提供附加阻尼。图10为两个模型在不同地震动作用下的位移响应时程。

2.3.3 短梁-长梁连接界面处开口

图11为8度设防、罕遇、8度罕遇（0.3 g ）地震以及地震峰值加速度为0.62 g 作用下带单中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架的短梁-长梁连接界面处开口时程。

试验中钢框架的中间柱属于小刚度类别，因此对于短梁-长梁连接界面处临界开口弯矩影响不大。 在8度多遇地震作用下，短梁-长梁连接界面处未产生开口。 在8度设防地震作用下连接界面处产生开口，在El Centro波及汶川波作用下，短梁-长梁连接界面处正、负向开口分别是0.15、0.5 mm及0.3、0.6 mm，负向最大开口比正向高。 卸载后开口闭合，残余开口为零。 在8度罕遇地震作用下开口量变大，分别增至0.5、1.3 mm，卸载后的残余转角最大为0.011%，基本可忽略。 在8度罕遇（0.3 g ）地震作用下，节点最大开口产生于汶川波的负向，为1.55 mm，开口转角0.344%。 卸载后残余开口转角为零，完全闭合。 可以看到随着地震作用的增强，短梁-长梁连接界面处的开口成增长趋势，在1.0 g 地震动作用后，残余开口转角很小，最大为0.011%，表明短梁-长梁连接界面处能够实现自闭合。

图12为8度设防、罕遇、8度罕遇（0.3 g ）地震以及地震峰值加速度为0.62 g 、0.80 g 地震作用下带双中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架短梁-长梁连接界面处开口时程。

在多遇地震作用下，短梁-长梁连接界面处未产生开口。 在8度设防地震作用下连接界面处产生微小开口，基本可忽略，卸载后残余开口为零，节点完全闭合。 在8度罕遇地震作用下开口量变大，分别增至0.4、0.5 mm，卸载后的残余转角最大为0.022%。 在8度罕遇（0.3 g ）地震作用下，短梁-长梁连接界面处最大开口产生于汶川波的正向，为0.7 mm，开口转角为0.156%，卸载后残余开口转角为0.022%。 短梁-长梁连接界面处开口比较小，主要原因是双中间柱给框架提供了附加刚度，有效限制了框架的侧移，中间柱的存在一定程度上增大了短梁-长梁连接界面处的临界开口弯矩。 可以看到随着地震作用的增强连接界面处的开口成增长趋势，在0.8 g 地震动作用后，残余开口转角为零，表明短梁-长梁连接界面处在经历多次地震作用后能够实现自闭合。

1）带中间柱摩擦阻尼器装配式自复位钢框架在8度多遇、设防、罕遇地震以及8度罕遇（0.3 g ）地震作用下均表现出了良好的自复位性能与减震性能，能够有效减轻甚至避免主体结构的损伤。

2）带中间柱摩擦阻尼器装配式自复位钢框架达到了“多遇地震短梁-长梁连接界面处无开口、中间柱不滑动、结构无损伤；设防地震短梁-长梁连接界面处开口耗能、中间柱轻微滑动，结构主体结构无损伤；罕遇地震结构损伤很小能正常使用；超罕遇地震主体结构损伤较小仍能正常使用”的性能化设计目标。

3）中间柱摩擦阻尼器具有两阶段功能性，即在多遇地震作用下不滑动或轻微滑动，主要提供附加刚度；在设防地震和罕遇地震作用下产生滑动，主要提供附加阻尼及一定的刚度，耗散地震能量。

4）带双中间柱摩擦阻尼器装配式自复位钢框架控制结构侧移效果更好，承载力更大，耗能性能更优，可用于较大跨度及不能在跨中处设置单中间柱阻尼器的多高层钢结构。

上述研究成果可为实际装配式自复位钢结构工程设计提供参考，自复位装配式钢框架体系及带中间柱摩擦阻尼器的装配式自复位钢框架体系与韧性城市发展战略相契合，有利于提升建筑韧性，提高结构抗震能力及快速恢复能力，具有广泛的应用前景。