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高层建筑可恢复功能结构体系
一、木结构受力机理
木结构绿色环保、低碳节能、建造快且轻质高强
,
低层和多层木结构房屋抗震性能好、
舒适宜居
,
已成为绿色建筑的最佳选择
[1]
。更
重要的是，木结构建筑具有很好的抗震性能，
在地震多发区能够有效降低人员的伤亡数量
。
1.1
古代木结构受力机理
研究表明，
古代木结构在地震作用下是通过柱础的摩擦滑移、
半刚性卯榫节点的
转动以
及枓栱铺作层的滑移使得地震响应大幅度减小的，
满足了
“小震不坏、
中震可修、
大震不倒”<
/p>
的设计要求
[2]
。
我国保存至今的多数古代木质结构立柱与础石通常采用平摆浮搁的连接形式
,
地震作
用下柱脚与础石产生相对摩擦滑移
,
伴随立柱抬起回落
,
使结构发生摇摆运动
,
并利用结构
自重使柱脚不断复位
, <
/p>
进而延长结构的自振周期以降低结构的地震作用。
椎卯节点具有不
同
于现代传统建筑结构节点的特性，
其既具有很强的转动能力又
能够传递一定的弯矩，
具有明
显的半刚性特性。
在水平反复荷载作用下，
半刚性椎卯节点由于榫与卯之间的滑移和限位转
动使得节点能产生一定的挤压变形而具有明显的耗能减震作用。
枓拱铺
作层是柱额层与梁架
层或平座层之间的过渡，
是以横木交叠铺成
的弹性垫梁支座层，
在水平荷载作用下枓与栱的
剪切挤压变形、
弯曲挤压变形以及层间摩擦滑移有效地起到了减震的作用
[2]
。
1.2
现代木结构受力机理
现代木结构按照使用材料分类
,
主要
分为轻型木结构、重木结构以及混合木结构
[3]
。轻
型木结构由
5.08 cm×10.16
cm
、
5.08 cm×15.24
cm
、
5.08 cm×20.32
cm
、
5.08 cm×25.40
cm
等
尺寸的规格材
(SPF)
形成框架结构，多用于住宅；重木结构主要采用胶合木
(Glulam)
或大
断面的原木作为结构框架
,
多用于大型公共建筑和商业建筑等。
下面重点介绍一下轻型木结
构。
轻型木结构具有轻质高强的特点，<
/p>
它的主要结构构件采用断面较小的结构规格木材，
与
其它次要结构构件（木基的墙面板、
楼面板和屋面板）共同作用来承受各种荷
载。
从结构体
系的特点上看，
现代轻型
木结构是一种高次超静定的结构体系，
具有相对较高的冗余性，
为
荷载的传递提供了多种途径
[4]
。
同时，轻型木结构还有专门抵抗地震水平力作用的抗震连接
构件，
在可靠连接的条件下，
即使某一个传力路径受到破坏，
它所承
担的荷载可以由相邻的
其它结构构件来承担。
二、像木结构一样设计高层混凝土结构的思路
基于经济与损失均衡的考虑，
根据现行的建筑结构抗震设防目标，
建筑结构在强烈地震
作用下产生一定程度的损伤是不可避免的。
长期以来，
保证结构具有足够的延性被认为是提
高结
构抗震性能的经济途径，
但结构延性加大同时意味着结构损伤程度增大。
地震后的房屋
建筑通常都会由于结构损伤太大、费用高、甚至无法修复，造成巨
大的经济损失。
从中可以
思考是否能设计出一种在地震作用下以
产生较大整体位移为代价来，
来保持构件为弹性的结
构体系。<
/p>
近年来，
有研究者提出了
“
可恢复性功能抗震结构
”
的概念。
可恢复功能抗震结构是指地
震后不需修复或者稍加修复
就可恢复使用功能的结构。
这类结构易于建造和维护，
全寿命成
本效益高。这种结构在地震作用下能使变形集中于专门的耗能构件中，并且具有可恢复性
，
维修加固成本低。
类比木结构可以发现，
这种可恢复功能抗震结构亦能具备在地震作用下构
件是弹性（低损伤）
，整体结构产生较大变形的特点。
三、可恢复功能抗震结构的性能分析
可恢复功能抗震结构从结构形式上有多种实现方法，
目前主要有自复位结构、
摇摆结构、
带可更换构件的结构这
3
种形式。本文主要分析的是摇摆及自复位结构体系。
摇摆振动是指物体以在水平面上摇摆的方式运动而形成的振动。
摇摆振动的恢复力可来
自重力及预应力筋的弹性力，振动的激励可来自于物体初位移或外部输入激励（如地震作
用）
。
1963
年
Housner
[5]
首次报道了
由于对高位水槽的基础不经意做了弱化处理，允许整体
结构发生摇摆，避免了高位水槽结
构在
1960
年智利大地震中的破坏。
摇摆结构一般通过放松结构构件间及结构与基础间的约束，
使得
结构能与基础发生脱离
并从底端抬起，
进而产生摇摆振动以达到
减小结构动力响应的目的。
摇摆结构最重要的特性
是在遭遇地震
作用时往往会产生摇摆振动运动，
其主要耗能途径是通过摇摆振动将变形集中
到摇摆界面上，
利用这些部位的耗能构件来碰撞耗能，
而不是利用结构楼层本身的变形。
地
震作用下摇摆结构损伤
较少，
甚至可做到主体结构无损伤。
结构的摇摆降低了地震作用
和结
构本身的延性设计需求，减小了地震破坏。
一般的摇摆及自复位框架包括自复位梁柱节点和自复位柱脚节点。
吕西林等<
/p>
[6]
提出了一
种新型三向自复位钢筋混
凝土框架，
具有自复位梁柱节点、
带橡胶的自复位柱脚节点和自
复
位梁板连接，
见图
1
所示。通过
1/3
尺寸比例的两跨三层自复位框架振动
台试验，验证了其
良好的抗震性能。
试验中可以观察到梁柱自复
位节点的张开和楼板的滑动，
震后残余位移很
小，主体结构基本
保持弹性。
图
1
自复位节点示意图
四、摇摆及自复位结构体系的可行性论证
4.1
摇摆柱的设计
Roh
和
Cimellaro
[7]
对带有受控摇摆柱和阻尼技术改进的
RC
框架作了易损性分析，分析表
明，
利用摇摆柱
“
弱化
”
结构的办
法可以减小结构在地震时的层间加速度；
利用粘滞阻尼可以
控制
层间位移。
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