趙晗曦,尹新生

(吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 吉林 長春 130000)

0 引言

近年來,阻尼器減震成為建筑結(jié)構(gòu)抗震的主要研究形勢[1],即在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器減震,通過耗能系統(tǒng)防止建筑破壞。但是在多、高層建筑抗震及超高層、大跨結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器大幅增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本,并帶來一系列問題,如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不經(jīng)濟(jì)、建筑有效利用面積和空間的浪費(fèi),甚至在一些高烈度地區(qū),傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足裝配式建筑的要求[2]。

基于此,本文跳出建筑中設(shè)置阻尼器減震的傳統(tǒng)觀念,首次提出自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的概念,將裝配式梁、柱組合成一種控制系統(tǒng),使結(jié)構(gòu)具有修正自身剛度的特性以適應(yīng)地震波的振動(dòng)變化。自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)原理和常規(guī)的反饋控制及最優(yōu)控制一樣,是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法。結(jié)構(gòu)中設(shè)置的人工鉸會(huì)在地震發(fā)生過程中不斷接收有關(guān)地震波的信息,隨地震波的不同頻率、幅值而發(fā)生相應(yīng)的變化。

與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)建模不同,本文結(jié)合ABAQUS有限元分析軟件,選取框架結(jié)構(gòu)整體建立有限元模型,模擬現(xiàn)實(shí)施工情況,將預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)成弧形。繼而通過對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行數(shù)值分析,求出結(jié)構(gòu)在地震作用下的地震反應(yīng)(內(nèi)力和變形),以期更為真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)整體在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性,并反映出地震作用時(shí)段內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等隨時(shí)間的變化規(guī)律[3]。

1 自適應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的提出

1.1 自適應(yīng)結(jié)構(gòu)理論概述

汶川地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害現(xiàn)象表明,框架結(jié)構(gòu)在地震作用下會(huì)分批產(chǎn)生塑性鉸,其中柱端容易先于梁端形成塑性鉸,并且在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象[4]。因此結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)薄弱層,并增加殘余變形,難以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的破壞機(jī)制。其中梁端、柱端塑性鉸的產(chǎn)生是導(dǎo)致鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)倒塌的主要原因[5]。

針對(duì)上述問題,本文創(chuàng)新性地提出一種結(jié)構(gòu),根據(jù)其具有的控制系統(tǒng)特性,命名為自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。自適應(yīng)結(jié)構(gòu)是針對(duì)地震波隨機(jī)振動(dòng)的研究,可以看作是一個(gè)能根據(jù)地震變化自動(dòng)調(diào)節(jié)自身特性的反饋控制系統(tǒng),以使結(jié)構(gòu)能根據(jù)隨機(jī)地震波的不同頻率、幅值自動(dòng)產(chǎn)生細(xì)微調(diào)整,過濾具有破壞能力的高頻地震波,只接收余下的低頻地震波。自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于多層、高層、大跨度裝配式建筑中,能保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)適應(yīng)不同程度的地震產(chǎn)生的影響。隨著地震過程的不斷進(jìn)行,可以將自適應(yīng)結(jié)構(gòu)隨地震過程的自動(dòng)控制分為3個(gè)階段:

(1) 閉合階段

在地震發(fā)生初期,由于P波傳播速度快,自適應(yīng)結(jié)構(gòu)首先承受P波引起的豎向顛簸振動(dòng),但是破壞力不強(qiáng)。此階段地震波的幅值較低,地震破壞作用較弱,裝配式梁、柱連接處保持閉合,自適應(yīng)結(jié)構(gòu)人工鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)約等于零,自適應(yīng)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生效果。

此階段為線彈性階段,地震應(yīng)力較小,人工鉸連接處不張開。隨著地震應(yīng)力的增大,結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形,其構(gòu)造如圖1所示,圖中X0為人工鉸從梁根處向外轉(zhuǎn)移長度。

圖1 新型人工鉸連接形式(跨中無黏結(jié),跨端有黏結(jié))Fig.1 Connection type of the novel artificial hinge (unbonded in the middle of the span,bonded at the end)

(2) 自動(dòng)控制階段

因?yàn)镾波的傳播速度約為P波的一半,相對(duì)強(qiáng)的S波稍晚才到達(dá),在水平面上發(fā)生振動(dòng),持續(xù)時(shí)間較長。隨著S波的到達(dá),輸入建筑物的地震波逐漸變?yōu)镻波、S波、勒夫波和瑞利波的混合波,建筑物發(fā)生強(qiáng)烈的水平晃動(dòng),這是造成建筑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌的主要原因。

當(dāng)混合地震波的幅值、地震作用達(dá)到一定界限值時(shí),框架梁、柱的裝配式連接處出現(xiàn)微小的張開與閉合,構(gòu)成一種新型的人工鉸。強(qiáng)烈的地震作用使人工鉸瞬時(shí)發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng),影響地震波在建筑介質(zhì)中的傳播,出現(xiàn)地震波能量衰減和相速度頻散的現(xiàn)象,使作用于建筑結(jié)構(gòu)的低頻率、高振幅的S波截?cái)喑筛哳l率、低振幅的混合波,使地震產(chǎn)生的應(yīng)力瞬間降低,保護(hù)薄弱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)不首先發(fā)生破壞,從而達(dá)到減震的目的。

(3) 恢復(fù)階段

隨著地震過程逐漸結(jié)束,地震作用開始減弱,地震波的能量逐漸衰減。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ姆到档偷脚R界值時(shí),通過預(yù)應(yīng)力筋的拉應(yīng)力和上部建筑結(jié)構(gòu)自重的壓應(yīng)力約束,框架梁、柱的裝配式連接處瞬時(shí)閉合,人工鉸恢復(fù)原位。

1.2 新型人工鉸的提出

傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)思想是在框架節(jié)點(diǎn)處設(shè)置梁端塑性鉸,使結(jié)構(gòu)在地震作用下形成梁式側(cè)移體系,以保證地震作用的大部分能量消耗于梁端塑性鉸上,從而保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)迅速倒塌的現(xiàn)象。但是傳統(tǒng)的塑性鉸為單向鉸,僅能沿彎矩作用方向產(chǎn)生一定限度的轉(zhuǎn)動(dòng),而且破壞后難以修復(fù),耐久性差。

基于此,本文提出一種全新的結(jié)構(gòu)形式和一種新型人工鉸(圖2)。當(dāng)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)受到地震作用的影響時(shí),輸入結(jié)構(gòu)的高頻地震波會(huì)使裝配式梁、柱連接處發(fā)生相應(yīng)的張開與閉合,因此每個(gè)裝配式梁、柱截面處可以向任何方向發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動(dòng),形成類似、甚至優(yōu)于鉸的效果;當(dāng)?shù)卣鸩ǖ姆到档偷脚R界值時(shí),通過預(yù)應(yīng)力筋的拉應(yīng)力和上部建筑結(jié)構(gòu)自重的壓應(yīng)力約束,框架梁、柱的裝配式連接處瞬時(shí)閉合。這種具有恢復(fù)力性能的結(jié)構(gòu)形式稱為新型人工鉸。

圖2 自適應(yīng)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Model of the adaptive structure

相鄰的梁和柱通過新型人工鉸連接形式,在裝配式梁、柱等預(yù)制構(gòu)件中預(yù)留孔洞,將預(yù)應(yīng)力筋從中穿入,此部分預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土的接觸關(guān)系為跨中無黏結(jié)、跨端有黏結(jié)形式,其構(gòu)造如圖3(a)所示。

圖3 自適應(yīng)結(jié)構(gòu)梁、柱裝配形式(單位:mm)Fig.3 Beam and column assembly form of the adaptive structure (Unit:mm)

相鄰的裝配式框架柱通過榫卯方式連接,在柱的四角分別設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋,把預(yù)應(yīng)力筋穿過混凝土柱中預(yù)留的孔洞,然后對(duì)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉、錨固。這樣在混凝土柱中建立起了預(yù)壓力,使相鄰的框架柱在預(yù)應(yīng)力的約束下緊密連接,將多個(gè)柱構(gòu)件拼裝組成一個(gè)整體。此部分預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土接觸關(guān)系為無黏結(jié)形式,其構(gòu)造如圖3(b)、(c)所示。

在地震作用下框架柱的裝配式連接處會(huì)輕微張開,與梁端設(shè)置的人工鉸一起發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng),降低結(jié)構(gòu)剛度,提高結(jié)構(gòu)延性,有效地減少地震作用對(duì)框架結(jié)構(gòu)的破壞。在地震結(jié)束時(shí),由于預(yù)應(yīng)力筋的約束,框架柱恢復(fù)原位。通過有限元計(jì)算結(jié)果可知,框架柱連接節(jié)點(diǎn)的減震與恢復(fù)力性能遠(yuǎn)大于梁,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)思想。

2 數(shù)值分析計(jì)算

選取一4層裝配式框架結(jié)構(gòu)作為建筑實(shí)例,建筑高度11.2 m,層高2.8 m,建筑面積為15 m(長)×10.8 m(寬)?；谝陨蠘?gòu)思,構(gòu)建了4個(gè)有限元模型:模型1為現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu);模型2～4為自適應(yīng)結(jié)構(gòu),區(qū)別僅在于調(diào)整了人工鉸的位置。4個(gè)模型的構(gòu)造尺寸如表1所列。

表1 三維模型尺寸

2.1 材料屬性

預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑140 mm的鋼絞線,梁、柱均采用C40混凝土,柱截面尺寸為700 mm×700 mm,梁截面尺寸為400 mm×900 mm。

模型混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,并采用降溫法對(duì)模型施加預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力筋與混凝土的接觸方式為跨中無黏結(jié)、跨端有黏結(jié),采用Coupling方法將預(yù)應(yīng)力筋與相同位置的混凝土節(jié)點(diǎn)在梁高和梁寬方向約束,從而釋放了預(yù)應(yīng)力筋節(jié)點(diǎn)沿梁長方向的平動(dòng)自由度。在梁柱連接處同樣采用耦合約束方式,在接觸面上設(shè)置接觸類型為表面與表面接觸,接觸屬性為:(1)切向行為采用粗糙摩擦公式,認(rèn)為當(dāng)點(diǎn)接觸時(shí)不會(huì)發(fā)生滑移;(2)法向行為采用硬接觸,允許接觸后分離。材料屬性如表2所列。

表2 各單元材料屬性

對(duì)自適應(yīng)模型與現(xiàn)澆模型輸入振幅相同的 El-Centro地震波(圖4),采用動(dòng)力時(shí)程分析法計(jì)算各模型在地震作用下的力學(xué)性能。該地震波的最大峰值加速度為0.342 m/s2,時(shí)間間隔為0.01 s,作用時(shí)間為55.01 s。

圖4 El-Centro波波形圖Fig.4 Waveform of El-Centro wave

2.2 相對(duì)位移規(guī)律

在結(jié)構(gòu)模型1、2上分別選取頂部A點(diǎn)與底部B點(diǎn),對(duì)比兩個(gè)模型在地震作用下水平方向的相對(duì)位移,結(jié)果如圖5(a)所示。從圖5(a)明顯可以看出:同現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)相比,在地震中隨著人工鉸的張開與閉合,自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移增大了2倍以上,結(jié)構(gòu)的自振周期提高。這種現(xiàn)象驗(yàn)證了本文提出的變剛度減震思想,即通過新型人工鉸的設(shè)置,提高結(jié)構(gòu)自振周期,改變結(jié)構(gòu)剛度,從而有效地降低作用于結(jié)構(gòu)的地震作用。

圖5 模型1、2分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of model 1 and 2

2.3 層間剪力分布規(guī)律

現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的頂層剪力隨地震作用變化情況如圖5(b)所示。由圖5(b)可知,整個(gè)地震響應(yīng)過程中,自適應(yīng)結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的剪力隨地震波的幅值和頻率不斷變化,剪力峰值響應(yīng)時(shí)間在46 s,峰值為584 kN,與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比,頂層最大剪力降低了2倍。

選取該4層框架結(jié)構(gòu)每層中的一個(gè)截面,比較現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)在主軸方向的剪力大小,結(jié)果如圖5(c)所示。從圖中可以看出自適應(yīng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)模型相比,地震應(yīng)力大幅度減小,實(shí)現(xiàn)了減震的目的。其中自適應(yīng)結(jié)構(gòu)模型的底層剪力降低了2倍,頂層剪力降低了3倍,但是第3層剪力大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)模型。這是因?yàn)楫?dāng)結(jié)構(gòu)底層受到地震作用的影響時(shí),為過濾輸入結(jié)構(gòu)的高頻地震波,結(jié)構(gòu)2～4層柱間連接處瞬時(shí)從固結(jié)連接轉(zhuǎn)換成鉸接連接,人工鉸發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng)。其中第2、4層人工鉸順最大地震作用方向發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng);由于自適應(yīng)結(jié)構(gòu)特殊的柱間裝配連接形式,第3層人工鉸向反方向轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)第3層剪力增大。從結(jié)構(gòu)整體受力分析,本文提出的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)有效降低了地震波作用于結(jié)構(gòu)的層間剪力。

2.4 抗側(cè)剛度研究

對(duì)于框架結(jié)構(gòu),抗側(cè)剛度主要指彎曲變形引起的側(cè)移,是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。在只考慮線彈性分析的條件下,抗側(cè)剛度是個(gè)定值。當(dāng)?shù)卣饎?dòng)比較小時(shí),地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響較小。

圖5(d)、(e)分別為模型1、2的抗側(cè)剛度。同現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)相比,在地震中隨著人工鉸的張開與閉合,自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度降低了20倍,并且結(jié)構(gòu)的自振周期大幅度提升。以上結(jié)論驗(yàn)證了本文變剛度減震的思想是可行的。

3 新型人工鉸相關(guān)理論分析

抗震框架設(shè)計(jì)的基本思想是要求結(jié)構(gòu)在地震作用下形成梁式側(cè)移機(jī)構(gòu),使大部分地震能消耗在梁端塑性鉸上,保護(hù)柱和節(jié)點(diǎn)基本處于線彈性工作階段。本文基于機(jī)構(gòu)控制理論提出的新型人工鉸結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)理念,即在地震發(fā)生時(shí)通過梁柱連接處的張開與閉合,整體構(gòu)成可以發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)的人工鉸。當(dāng)框架柱屈服后,人工鉸的框架變形機(jī)制如圖6所示。圖中θ為側(cè)移轉(zhuǎn)角,L為梁長,H為柱高,LC為人工鉸遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)處長度。當(dāng)θ為常數(shù)時(shí),LC越長所需的轉(zhuǎn)動(dòng)能力越大,也就是說人工鉸距節(jié)點(diǎn)的距離受其轉(zhuǎn)向能力的限制。

圖6 人工鉸的框架變形機(jī)制Fig.6 Yield mechanism of the frame

在地震作用達(dá)到一定程度時(shí),人工鉸能夠瞬時(shí)減小整體結(jié)構(gòu)剛度,提高結(jié)構(gòu)延性,從而達(dá)到減震的目的。地震后人工鉸通過預(yù)應(yīng)力筋的約束復(fù)位,使結(jié)構(gòu)具有恢復(fù)力性能。將梁端鉸從梁根轉(zhuǎn)移出X0,可以使人工鉸在地震作用下形成最佳耗能機(jī)構(gòu)。人工鉸對(duì)提高結(jié)構(gòu)延性、改善結(jié)構(gòu)抗震和恢復(fù)力性能有顯著的效果。

3.1 轉(zhuǎn)移人工鉸位置理論分析

將人工鉸從梁根處向外轉(zhuǎn)移,可以增大人工鉸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍,提高其轉(zhuǎn)動(dòng)能力。當(dāng)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入自動(dòng)控制階段時(shí),結(jié)構(gòu)變形將集中于人工鉸區(qū)域,結(jié)構(gòu)的剛度、整體變形能力將取決于人工鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。人工鉸出現(xiàn)輕微轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象標(biāo)志著裝配式梁、柱連接處某一截面的曲率達(dá)到極限。

(1)

當(dāng)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)采用新型人工鉸構(gòu)造后,截面C′將首先屈服。由上文可知:

(2)

(3)

假定

A′D′=AD=1

(4)

由式(2)可知

(5)

故有

(6)

由上面的論證可知,為保護(hù)節(jié)點(diǎn)不發(fā)生剪切破壞,并防止縱筋在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的錨固破壞,提高人工鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力,將人工鉸從梁根轉(zhuǎn)移出來是有利的。

3.2 人工鉸的合理位置

由上文已知,人工鉸的位置應(yīng)從梁根處向外轉(zhuǎn)移,以保護(hù)框架節(jié)點(diǎn),但并不是離梁根越遠(yuǎn)越好,其位置受到轉(zhuǎn)動(dòng)能力的限制。當(dāng)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)達(dá)到自動(dòng)控制階段時(shí),人工鉸出現(xiàn)輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)。

地震作用下裝配式梁的受力情況如圖7(a)所示。由圖6、7可得人工鉸的轉(zhuǎn)角:

(7)

式中:θZ為人工鉸的側(cè)移轉(zhuǎn)角。

圖7 人工鉸合理位置分析Fig.7 The rational position analysis result of artificial hinge

設(shè)[θL]為人工鉸的有效轉(zhuǎn)角,[μL]為人工鉸轉(zhuǎn)彎延性系數(shù),[μZ]為柱底轉(zhuǎn)彎延性系數(shù),φL為屈服曲率,θYZ為柱下端屈服轉(zhuǎn)角,則人工鉸的轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足下式:

(8)

故有

(9)

(10)

我們可以發(fā)現(xiàn),X0受多個(gè)變量的影響。為了獲得相同的整體延性,人工鉸離節(jié)點(diǎn)的位置越遠(yuǎn),所需要的鉸的塑性轉(zhuǎn)角就越大?？偠灾?當(dāng)人工鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力一定時(shí),人工鉸距離節(jié)點(diǎn)的位置越近可得到的整體延性就越大。

圖8為模型1～4的頂點(diǎn)剪力與位移對(duì)比圖。由圖8可知,模型2取X0=450 mm作為人工鉸設(shè)置的合理位置時(shí),結(jié)構(gòu)的減震效果最好,與理論推導(dǎo)的結(jié)論相符合,證明了將人工鉸從梁根轉(zhuǎn)移出來是有利的,但并不是離梁根越遠(yuǎn)越好。

圖8 模型1～4的頂點(diǎn)剪力與位移對(duì)比圖Fig.8 Comparison between shear force and displacement at the top of four models

3.3 人工鉸的工作機(jī)理

由上文可知,模型2取X0=450 mm作為人工鉸設(shè)置的合理位置時(shí)結(jié)構(gòu)的減震效果最好,因此選取模型2分析地震作用下人工鉸的張開尺寸(圖9)。由圖9可知,新型人工鉸的張開與閉合趨勢隨著地震作用下結(jié)構(gòu)的水平剪力發(fā)生變化,當(dāng)?shù)卣鹱饔眠_(dá)到一定程度時(shí)人工鉸發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng),人工鉸的梁柱連接處出現(xiàn)微小的張開與閉合,減小結(jié)構(gòu)的自身剛度,使結(jié)構(gòu)受到的地震應(yīng)力瞬間降低。在地震過程中,人工鉸的張開與閉合受到3種約束力作用的控制,分別為:裝配式柱連接處預(yù)應(yīng)力鋼絞線的豎向拉應(yīng)力,裝配式梁、柱連接處預(yù)應(yīng)力鋼絞線的水平拉應(yīng)力,人工鉸上部結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的豎向壓應(yīng)力。當(dāng)?shù)卣鸾Y(jié)束時(shí),人工鉸在這3種約束力作用下恢復(fù)到初始位置。

圖9 地震作用下人工鉸張開尺寸Fig.9 The opening size of artificial hinge under earthquake

與傳統(tǒng)梁端塑性鉸的設(shè)置相比,這種新型人工鉸具有良好的耐久性和適應(yīng)性,可隨著不同地震反應(yīng)的過程相應(yīng)地發(fā)生變化,起到一種卸力裝置的作用,化解作用于結(jié)構(gòu)薄弱層的地震應(yīng)力,從而讓梁柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的薄弱層在強(qiáng)烈的地震作用下不至于瞬間發(fā)生破壞。同時(shí)它可以使整體結(jié)構(gòu)從預(yù)置的預(yù)應(yīng)力鋼絞線中獲得最大拉力,使鋼筋混凝土中的預(yù)應(yīng)力鋼筋充分發(fā)揮其高強(qiáng)的抗拉性能,有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)整體,消耗地震作用的能量。

4 結(jié)論

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中、側(cè)向剛度小,在地震作用下容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)倒塌,而傳統(tǒng)多、高層建筑抗震及大跨結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器大幅增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本,并帶來了一系列問題。針對(duì)以上問題,本文跳出在建筑中設(shè)置阻尼器減震的傳統(tǒng)觀念,提出了自適應(yīng)結(jié)構(gòu)減震的新思路,得到以下主要結(jié)論:

(1) 本文提出的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)具有高效的變剛度和恢復(fù)力性能,通過其裝配式梁、柱連接處的張開與閉合,構(gòu)成的人工鉸可以隨地震作用發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng),瞬間改變結(jié)構(gòu)自身剛度,并隨地震波的變化而自動(dòng)改變。當(dāng)?shù)卣鸾Y(jié)束時(shí),人工鉸在預(yù)應(yīng)力筋的約束下恢復(fù)原位。

(2) 當(dāng)隨機(jī)的地震波輸入自適應(yīng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時(shí),人工鉸瞬時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),影響地震波在建筑介質(zhì)中的傳播,從而過濾具有破壞能力的高頻地震波,只接收低頻地震波。

(3) 計(jì)算結(jié)果表明人工鉸設(shè)計(jì)的合理位置應(yīng)從梁根轉(zhuǎn)移出來,這樣不僅可以有效保護(hù)節(jié)點(diǎn)不發(fā)生剪切破壞,還能防止縱筋在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的錨固破壞,提高人工鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力,但并不是人工鉸離梁根越遠(yuǎn)越好。

(4) 這種自適應(yīng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的減震與恢復(fù)力性能為基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供了有效的思路和途徑。同時(shí)本文建立的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)減震與恢復(fù)力模型也可為其他裝配式框架結(jié)構(gòu)提供整體抗震性能分析的依據(jù)。