小編寄語

Hi, 大家好。很久沒有給大家?guī)韺W(xué)術(shù)分享了，因為試驗的工作比較累。當(dāng)然在科研探索之余能夠給后來人一點前路循跡的經(jīng)驗，這是Angus 很愿意做的事情。當(dāng)然，Angus 也必須提醒，每個人對同一個問題，因為經(jīng)驗，知識儲備，偏見的不同而導(dǎo)致觀點不同，所以下面的分享僅僅是Angus 個人的觀點，請各位取其精華（若有），去其糟粕。今天Angus 想跟大家分享的對于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域一個比較熱點的方向：損傷控制結(jié)構(gòu)的某一種形式的認識和探索。

損傷控制結(jié)構(gòu)的概念

一、談?wù)創(chuàng)p傷控制的概念

? ? 不得不說，損傷控制概念在時下結(jié)構(gòu)工程科研圈很是火熱，就像是追星少年眼中的愛豆一樣。研究抗/減震，不和損傷控制沾點邊總感覺失去了些什么。其實損傷控制的設(shè)計理念是一個非常寬泛術(shù)語，它包含了以下但不止于：1）基于后張拉技術(shù)的自復(fù)位結(jié)構(gòu)；2）基于形狀合金材料的自復(fù)位結(jié)構(gòu)；3）基于（楔形/平面）摩擦面的（自復(fù)位）結(jié)構(gòu)；4）基于變摩擦環(huán)簧的自復(fù)位結(jié)構(gòu)：5）基于碟簧等彈性元件的自復(fù)位結(jié)構(gòu)；6）基于不同屈點服鋼的損傷控制結(jié)構(gòu)；7）前六種的排列組合。

其實上述大致六種損傷控制結(jié)構(gòu)類型從處理靜力殘余位移角的角度（靜力加載至峰值卸載的殘余的位移）可以為歸類兩類：A）完全自復(fù)位；B）允許有殘余。此外某些研究者也專門提出部分自復(fù)位的概念。部分自復(fù)位的概念，對于不研究結(jié)構(gòu)動力的學(xué)者很難理解，為什么結(jié)構(gòu)在靜力的角度已經(jīng)存在較大的殘余位移角，比如可能在大震等同的靜態(tài)峰值位移處卸載的靜態(tài)殘余位移角顯著大于我們認為是可經(jīng)濟修復(fù)的殘余位移角閾值限值，0.5%。但是很多研究發(fā)現(xiàn)，如果部分自復(fù)位結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，我們依然認為它是損傷控制結(jié)構(gòu)的一種，甚至在某些情況下，尤其是在平衡復(fù)位和耗能元素的博弈下，部分自復(fù)位的損傷控制結(jié)構(gòu)可能是更優(yōu)解，可能更具有工程應(yīng)用價值。那么今天我們的主角就是部分自復(fù)位的一種，也是我們上述損傷控制結(jié)構(gòu)分類的第6種。

二、基于不同屈點服鋼的損傷控制結(jié)構(gòu)

? ? ? 一種典型的基于不同屈服點鋼的損傷控制結(jié)構(gòu)布置如下，一般而言此類結(jié)構(gòu)有明顯的兩部分組成，學(xué)術(shù)圈稱之為：主次結(jié)構(gòu)，顯然，主結(jié)構(gòu)是我們需要保護的部分在中小震下（有時候包括大震）需要彈性設(shè)計，非線性滯回耗能由次要結(jié)構(gòu)的耗能元件承擔(dān)。為方便起見，這樣圖1示的結(jié)構(gòu)的中間的鋼框架部分我們以下稱之為主結(jié)構(gòu)，配置兩側(cè)的帶有耗能元件的結(jié)構(gòu)我們稱之為次結(jié)構(gòu)或者耗能跨。

? ? ? 這種損傷控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念可以概述如下：在目標(biāo)地震等級下，主結(jié)構(gòu)維持彈性，耗能跨用于消散輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而可以達到抗/減震的效果。因此震后的損傷主要集中于耗能跨，通過細部構(gòu)造裝配設(shè)計保證結(jié)構(gòu)震后耗能跨修復(fù)較易展開，結(jié)構(gòu)可以震后經(jīng)過快速低難度修復(fù)進而達到地震前的狀態(tài)。為了更夠?qū)崿F(xiàn)上述設(shè)計理念的一個關(guān)鍵因素是：拉開主次結(jié)構(gòu)的進入屈服的間隙。為了達到這個目的，一般而言，耗能跨我們常用較低屈服的鋼材等級，而主結(jié)構(gòu)則采用較高屈服等級的鋼材。根據(jù)上述的設(shè)計理念，我們很簡單把這樣的主次結(jié)構(gòu)用兩根彈簧并聯(lián)可以獲得其非線性行為（無損彈性彈簧+有損彈塑性彈簧）。在此基礎(chǔ)上，畫出其損傷控制階段的滯回規(guī)則，如下：

三、結(jié)構(gòu)滯回規(guī)則的定性理解

? ? ? 需要注明的是上述的滯回規(guī)則呈現(xiàn)出兩個階段，對于今天的推文，我們僅關(guān)注第一階段，即損傷控制階段，極限階段下次有機會我們再來談一談（極限階段即損傷控制結(jié)構(gòu)中的主結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了彈塑性損傷，那么結(jié)構(gòu)在力學(xué)上就呈現(xiàn)出兩根有損的非線性彈簧的并聯(lián)，且結(jié)構(gòu)整體滯回在極限狀態(tài)呈現(xiàn)出損傷階段的平移現(xiàn)象，其實是不可控不穩(wěn)定的一個階段）。在損傷控制階段，基于不同屈服點鋼的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼框架的區(qū)別是：前者具有較高的屈服后剛度。此外在設(shè)計合理的話（這里的合理標(biāo)準(zhǔn)是以降低殘余位移角為準(zhǔn)則），這種損傷控制結(jié)構(gòu)可以顯著降低殘余位移角，見圖2，設(shè)計的關(guān)鍵是主結(jié)構(gòu)在剛度和強度上要強于次結(jié)構(gòu)，這樣可以實現(xiàn)在卸載時荷載在正值時，耗能跨就可以反向屈服（其實這個很好理解，大自然的物競天擇，誰厲害就像誰）。那么就會有一個問題，是不是主結(jié)構(gòu)越強越好？？？其實回答這個問題時很難一下子給出一個標(biāo)準(zhǔn)的答案，任何的答案都是由前提的，比如在降低殘余位移角的角度，那自然主結(jié)構(gòu)越強越好，但事實上結(jié)構(gòu)的地震行為是復(fù)雜，我們必須要綜合的評價。很顯然，主結(jié)構(gòu)越強越好的論斷就會被否定，該想法就是樸素的一個極限想法，即結(jié)構(gòu)按照彈性設(shè)計（次結(jié)構(gòu)忽略），顯然我們不會這樣做。此外，這樣樸素的想法也是停留在從結(jié)構(gòu)靜力的角度來評價結(jié)構(gòu)在地震下的動力行為。所以主次結(jié)構(gòu)的剛度比和強度比的合理取值，是一個值得探索的工作。這里Angus給出一個定性結(jié)論（該結(jié)論是基于結(jié)構(gòu)等效單自由度非線性動力反應(yīng)譜大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到）:結(jié)構(gòu)的屈服后剛度大是有利于于結(jié)構(gòu)壓制高階振型的不利影響，有利于降低結(jié)構(gòu)在地震下的峰值響應(yīng)的離散性，有利于提高結(jié)構(gòu)的韌性，但同時較大的屈服后剛度在其他滯回參數(shù)不變的前提下，會降低結(jié)構(gòu)的耗能能力，會增加結(jié)構(gòu)的層間加速度的峰值響應(yīng)，不利于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等等。所以再次驗證，評價一個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響需要多指標(biāo)同時進行，否則得到的結(jié)論就會有失公允。

? ? ? 前文根據(jù)圖2在損傷控制階段前滯回規(guī)則可以得到結(jié)論：主次結(jié)構(gòu)需要有一個合理得剛度比和強度比，可以有效降低殘余變形。而且這個殘余變形可以通過理論推導(dǎo)定量的給出。那么帶來一個問題，這個問題也是做自復(fù)位韌性結(jié)構(gòu)共同面對的：一定要追求靜力下的絕對的或者可忽略的殘余變形么？對于這個問題的而回答，可以說仁者見仁智者見智。如果肯定的回答，我們所定義的韌性結(jié)構(gòu)的滯回規(guī)則就需要嚴格滿足一三象限的旗幟型規(guī)則。對于具有旗幟性滯回規(guī)則的結(jié)構(gòu)，相較于在同等剛度/強度或者等效強度/剛度下的具有近似理想彈塑性普通鋼框架而言，則其耗能能力是顯著降低的，帶來的問題就是高階振型可能顯著影響（這里是可能），加速度響應(yīng)會顯著提高。所以經(jīng)過上述的討論，似乎基于不同屈服點鋼的損傷控制結(jié)構(gòu)的性能可以介于完全復(fù)位和傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)之間的一種較優(yōu)的選擇。從靜力的角度而言，合理的剛度/剛度的主次配比，它可以一定程度降低結(jié)構(gòu)的殘余變形，從動力學(xué)的角度，由于相對較多的耗能和較大的屈服后剛度可以抑制高階振型的不利影響并降低層間加速度對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損害。?

下次分享將從定量的角度會談?wù)劵诓煌c鋼的損傷控制結(jié)構(gòu)的滯回參數(shù)對結(jié)構(gòu)的地震需求的影響，此外，有時該結(jié)構(gòu)也稱為hybrid structure 或者dual system。

四、閱讀后的較真，學(xué)會質(zhì)疑（未必嚴謹或者正確）

擬靜力的標(biāo)準(zhǔn)加載制度（增幅位移加載）對于評估一個新型結(jié)構(gòu)體系或者節(jié)點或者支撐的殘余位移角是否具有合理性？或者換一個問法，我們從靜力的角度去評估一個新型的結(jié)構(gòu)的殘余變形是否有意義？但是Angus不得不承認，用這種靜力的加載下所得到的殘余位移角較大概率是該結(jié)構(gòu)在動力荷載下的上限值，但是是不是這個上限值有點過于大，大到不合理？？？？。本文大多數(shù)的思索可以參閱Angus 的論文，見參考文獻。歡迎大家和Angus交流學(xué)習(xí)，也歡迎轉(zhuǎn)發(fā)。

落筆于24/12/2022

Angus Zhang

【Reference】

P. Zhang, M.C.H. Yam, K. Ke, X.H. Zhou, Y.H. Chen, Steel moment resisting frames with energy-dissipation rocking columns under near-fault earthquakes: Probabilistic performance-based-plastic-design for the ultimate stage, Journal of Building Engineering, 54(2022) 104625.