自复位抗震装置的研究与展望

　　摘要：建筑结构的抗震一方面通过自身结构阻尼耗能，另一方面通过减震或者隔震技术在地震作用下保护结构安全。震后的减隔震装置可以重复利用，自复位抗震装置将是有效的方法。

　　现代结构的抗震主要靠结构自身满足抗震的要求，使其达到“大震不倒，中震可修，小震不坏”的要求，学者们同时也研究了许多具有减震、隔震的装置应用于现代结构中，使建筑结构具备更佳的抗震效果。抗震设计理论分为静力设计阶段、反应谱设计阶段、动力设计阶段及基于性态的振动控制设计阶段，其中结构振动控制又被分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制，被动控制设计是振动控制装置附着于结构上并且不需要输入界外能量的一种控制技术，这种技术能够有效避免或削弱地震对结构的影响。

　　被动装置有很多不同种类的装置，如金属型耗能装置、摩擦耗能装置、黏弹性耗能装置、黏滞型耗能装置等。金属型耗能装置主要是通过金属的塑性形变来达到消耗地震能量的一种机制；摩擦耗能装置是通过摩擦作用来实现能量消耗的一种机制，摩擦耗能装置具有稳定的消耗能力，不受振幅、频率、加载周期的影响；黏弹性耗能装置多采用黏弹性材料作为耗能主体，主要靠黏弹性材料产生阻尼力消耗能量；黏滞耗能装置的耗能手段是利用高黏性液体的剪切阻抗或黏滞阻抗达到耗能的目的。

　　目前对减隔震技术的研究已有较多的实践成果，结合历次的震害研究，当地震发生后，不具备自复位的减隔震设备对第一次震害发生时具有很好的效果，但是主地震发生以后往往会伴随余震，这就使得对不可自复位的装置不能再次发挥减隔震的作用。基于此，许多学者对具备限位功能和自复位功能的装置进行了研究，减隔震装置在实际应用中增加了减隔震装置的可靠度和实用性。

　　1 自复位耗能装置研究现状

　　被动耗能装置优点是耗能能力良好，能够有效减小结构响应，缺点是震后残余变形较大。自复位装置正是为了解决这一问题，从而提高结构抗震的可靠性、经济性并降低结构耗能的需求。Nim等提出一种自复位摩擦型耗能支撑，该装置的复位能力有弹簧提供。2000年，Filiatrault等提出一种摩擦型自复位装置，该装置的自复位功能由环形弹簧实现，环形弹簧还同时提供了摩擦力达到耗能的目的，并且通过振动台试验验证了有效减小地震作用下的水平作用。近些年许多研究者也对自复位装置做出了一定的研究成果，如党新志等提出了一种刚螺旋弹簧装置与普通拉索减震支座组合成的自复位拉索减震装置，该种装置的自复位力由多片刚螺旋弹簧提供，建立了多钢片弹簧有限元模型，应用于工程中很大程度减少了上部结构的地震影响，且具备震后自复位能力。李黎等提出一种滚球加弹簧复位装置，可以消耗地震作用下对结构向上不传递的及速度，同时该装置的复位功能的实现对弹簧的刚度有一定的要求。刘明明等研究了一种由形状记忆合金丝、剪切型铅块以及复位弹簧组成的耗能装置，研究结果表明：该装置的滞回性能稳定，SMA能与铅共同作用发挥耗能效力，同时该装置具有良好的自复位能力。

　　2 地震作用下自复位装置在结构中的能量响应

　　地震状态下结构的受力表现是结构能量响应的一个直观反应，结构在对抗地震能量输入的情况下，能量一般会转化为变形和动能，小部分表现为动能和结构的弹性应变能，大部分是以塑性变形或者结构破坏及结构自身阻尼所消耗。塑性的变形是对结构影响最大、破坏最强的表现，严重会导致结构的倒塌。比如徐龙河等研究了一种自复位支撑，研究将其设置在3层3跨的钢筋砼框架结构上的抗震性能，结果显示这种支撑结构能够比原结构残余变形减小72~92%。通过支撑的耗能抑制了结构的塑性发展，是结构能够在弹性范围内抵御强震的作用，表现出较好的耗能能力和自复位特性，改支撑装置虽然有较好的效果，但同时还应考虑支撑装置的起滑力的大小对结构的影响。胡嘉明研究了一种滑移型自复位钢支撑，该装置主要由耗能钢棒、碟形弹簧和连接装置组成，该装置在受力过程中较简单，并且对于剪切力的破坏考虑较少，在强震中具有一定的局限性。

　　在地震作用下结构能量反映方面，总输入能、结构自身阻尼耗能、装置的耗能能力都影响着结构的安全，一般情况下，结构自身阻尼耗能是有限的，通过自复位装置的耗能反映越大则对结构的总体耗能将越有利，也将大大降低维修和建造成本。

　　3 结语

　　抗震领域减隔震技术是一个非常复杂的问题，现在有各种样式和功能的减隔震装置，根据经济需求，现在大多数的需求都要考虑设置自复位装置。对于自复位装置的研究，除好的设计以外，还与装置应用的材料有很大的关系，选择合理的材料和设计方式才能将减隔震装置的效益最大程度地发挥出来。

　　基金项目：西京学院省级大学生创新创业项目（项目编号：S202012715031）。

　　作者简介：丁蕊（2000-），女，陕西西安人，西京学院土木工程学院，研究方向：抗震装置。

　　参考文献

　　[1]文龙.建筑结构耗能减震技术及阻尼器研究进展[J].西南民族大学学报（自然科学版），2020，46（4）：423-432.

　　[2]要世乾.新型装配式自复位耗能支撑设计与抗震性能研究[D].北京：北京交通大学，2018.

　　[3]NIMS D K, RICHTER P J, BACHMAN R E. The use ofdienergy dispating restraint for seismic hazard mitigatio[J]. Earthquake Spectra，1993，9（3）：467-489.

　　[4] FILIATRAULT A, TREMBLAY R, KAR R. Performance evaluation of friction spring seismic dampe[J]. Journal of Structural Engineering，2000，126（4）：491-499.

　　[5]党新志，袁万城，庞于涛，等.自复位拉索减震装置研究[J].哈尔滨工程大学学报，2013，34（12）：1537-1543.

　　[6]李黎，史红福，樊剑，等.滚球加弹簧复位装置与带凹槽板复位装置的对比分析[J].工程抗震与加固改造，2005（3）：46-50.

　　[7]刘明明，李宏男，付兴.一种新型自复位SMA-剪切型铅阻尼器的试验及其数值分析[J].工程力学，2018，35（6）：52-57+67.

　　[8]徐龙河，张格，颜欣桐.设置自复位支撑的钢筋混凝土框架结构抗震性能研究[J].工程力学，2020，37（2）：90-97.

　　[9]胡嘉明.滑移型自复位钢支撑的滞回性能[J].江苏建筑，2020（6）：38-42.

　　（责任编辑：孙兰兰）