韧性结构概念之损伤控制结构

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小编寄语

Angus' opnion

一、谈谈损伤控制的概念

    不得不说，损伤控制概念在时下结构工程科研圈很是火热，就像是追星少年眼中的爱豆一样。研究抗/减震，不和损伤控制沾点边总感觉失去了些什么。其实损伤控制的设计理念是一个非常宽泛术语，它包含了以下但不止于：1）基于后张拉技术的自复位结构；2）基于形状合金材料的自复位结构；3）基于（楔形/平面）摩擦面的（自复位）结构；4）基于变摩擦环簧的自复位结构：5）基于碟簧等弹性元件的自复位结构；6）基于不同屈点服钢的损伤控制结构；7）前六种的排列组合。

其实上述大致六种损伤控制结构类型从处理静力残余位移角的角度（静力加载至峰值卸载的残余的位移）可以为归类两类：A）完全自复位；B）允许有残余。此外某些研究者也专门提出部分自复位的概念。部分自复位的概念，对于不研究结构动力的学者很难理解，为什么结构在静力的角度已经存在较大的残余位移角，比如可能在大震等同的静态峰值位移处卸载的静态残余位移角显著大于我们认为是可经济修复的残余位移角阈值限值，0.5%。但是很多研究发现，如果部分自复位结构设计合理，我们依然认为它是损伤控制结构的一种，甚至在某些情况下，尤其是在平衡复位和耗能元素的博弈下，部分自复位的损伤控制结构可能是更优解，可能更具有工程应用价值。那么今天我们的主角就是部分自复位的一种，也是我们上述损伤控制结构分类的第6种。

二、基于不同屈点服钢的损伤控制结构

      一种典型的基于不同屈服点钢的损伤控制结构布置如下，一般而言此类结构有明显的两部分组成，学术圈称之为：主次结构，显然，主结构是我们需要保护的部分在中小震下（有时候包括大震）需要弹性设计，非线性滞回耗能由次要结构的耗能元件承担。为方便起见，这样图1示的结构的中间的钢框架部分我们以下称之为主结构，配置两侧的带有耗能元件的结构我们称之为次结构或者耗能跨。

图1 损伤控制结构（部分自复位）

      这种损伤控制结构的设计理念可以概述如下：在目标地震等级下，主结构维持弹性，耗能跨用于消散输入结构的地震能量，从而可以达到抗/减震的效果。因此震后的损伤主要集中于耗能跨，通过细部构造装配设计保证结构震后耗能跨修复较易展开，结构可以震后经过快速低难度修复进而达到地震前的状态。为了更够实现上述设计理念的一个关键因素是：拉开主次结构的进入屈服的间隙。为了达到这个目的，一般而言，耗能跨我们常用较低屈服的钢材等级，而主结构则采用较高屈服等级的钢材。根据上述的设计理念，我们很简单把这样的主次结构用两根弹簧并联可以获得其非线性行为（无损弹性弹簧+有损弹塑性弹簧）。在此基础上，画出其损伤控制阶段的滞回规则，如下：

图2 损伤控制结构滞回规则

三、结构滞回规则的定性理解

      需要注明的是上述的滞回规则呈现出两个阶段，对于今天的推文，我们仅关注第一阶段，即损伤控制阶段，极限阶段下次有机会我们再来谈一谈（极限阶段即损伤控制结构中的主结构也出现了弹塑性损伤，那么结构在力学上就呈现出两根有损的非线性弹簧的并联，且结构整体滞回在极限状态呈现出损伤阶段的平移现象，其实是不可控不稳定的一个阶段）。在损伤控制阶段，基于不同屈服点钢的结构与传统的钢框架的区别是：前者具有较高的屈服后刚度。此外在设计合理的话（这里的合理标准是以降低残余位移角为准则），这种损伤控制结构可以显著降低残余位移角，见图2，设计的关键是主结构在刚度和强度上要强于次结构，这样可以实现在卸载时荷载在正值时，耗能跨就可以反向屈服（其实这个很好理解，大自然的物竞天择，谁厉害就像谁）。那么就会有一个问题，是不是主结构越强越好？？？其实回答这个问题时很难一下子给出一个标准的答案，任何的答案都是由前提的，比如在降低残余位移角的角度，那自然主结构越强越好，但事实上结构的地震行为是复杂，我们必须要综合的评价。很显然，主结构越强越好的论断就会被否定，该想法就是朴素的一个极限想法，即结构按照弹性设计（次结构忽略），显然我们不会这样做。此外，这样朴素的想法也是停留在从结构静力的角度来评价结构在地震下的动力行为。所以主次结构的刚度比和强度比的合理取值，是一个值得探索的工作。这里Angus给出一个定性结论（该结论是基于结构等效单自由度非线性动力反应谱大量数据的统计分析得到）:结构的屈服后刚度大是有利于于结构压制高阶振型的不利影响，有利于降低结构在地震下的峰值响应的离散性，有利于提高结构的韧性，但同时较大的屈服后刚度在其他滞回参数不变的前提下，会降低结构的耗能能力，会增加结构的层间加速度的峰值响应，不利于非结构构件的安全等等。所以再次验证，评价一个结构参数的影响需要多指标同时进行，否则得到的结论就会有失公允。

      前文根据图2在损伤控制阶段前滞回规则可以得到结论：主次结构需要有一个合理得刚度比和强度比，可以有效降低残余变形。而且这个残余变形可以通过理论推导定量的给出。那么带来一个问题，这个问题也是做自复位韧性结构共同面对的：一定要追求静力下的绝对的或者可忽略的残余变形么？对于这个问题的而回答，可以说仁者见仁智者见智。如果肯定的回答，我们所定义的韧性结构的滞回规则就需要严格满足一三象限的旗帜型规则。对于具有旗帜性滞回规则的结构，相较于在同等刚度/强度或者等效强度/刚度下的具有近似理想弹塑性普通钢框架而言，则其耗能能力是显著降低的，带来的问题就是高阶振型可能显著影响（这里是可能），加速度响应会显著提高。所以经过上述的讨论，似乎基于不同屈服点钢的损伤控制结构的性能可以介于完全复位和传统框架结构之间的一种较优的选择。从静力的角度而言，合理的刚度/刚度的主次配比，它可以一定程度降低结构的残余变形，从动力学的角度，由于相对较多的耗能和较大的屈服后刚度可以抑制高阶振型的不利影响并降低层间加速度对非结构构件的损害。 

下次分享将从定量的角度会谈谈基于不同屈服点钢的损伤控制结构的滞回参数对结构的地震需求的影响，此外，有时该结构也称为hybrid structure 或者dual system。

四、阅读后的较真，学会质疑（未必严谨或者正确）

拟静力的标准加载制度（增幅位移加载）对于评估一个新型结构体系或者节点或者支撑的残余位移角是否具有合理性？或者换一个问法，我们从静力的角度去评估一个新型的结构的残余变形是否有意义？但是Angus不得不承认，用这种静力的加载下所得到的残余位移角较大概率是该结构在动力荷载下的上限值，但是是不是这个上限值有点过于大，大到不合理？？？？。本文大多数的思索可以参阅Angus 的论文，见参考文献。欢迎大家和Angus交流学习，也欢迎转发。

落笔于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.