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小編寄語

Angus' opnion

一、談談損傷控制的概念

    不得不說，損傷控制概念在時下結構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。其實損傷控制的設計理念是一個非常寬泛術語，它包含了以下但不止于：1）基于后張拉技術的自復位結構；2）基于形狀合金材料的自復位結構；3）基于（楔形/平面）摩擦面的（自復位）結構；4）基于變摩擦環簧的自復位結構：5）基于碟簧等彈性元件的自復位結構；6）基于不同屈點服鋼的損傷控制結構；7）前六種的排列組合。

其實上述大致六種損傷控制結構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）完全自復位；B）允許有殘余。此外某些研究者也專門提出部分自復位的概念。部分自復位的概念，對于不研究結構動力的學者很難理解，為什么結構在靜力的角度已經存在較大的殘余位移角，比如可能在大震等同的靜態峰值位移處卸載的靜態殘余位移角顯著大于我們認為是可經濟修復的殘余位移角閾值限值，0.5%。但是很多研究發現，如果部分自復位結構設計合理，我們依然認為它是損傷控制結構的一種，甚至在某些情況下，尤其是在平衡復位和耗能元素的博弈下，部分自復位的損傷控制結構可能是更優解，可能更具有工程應用價值。那么今天我們的主角就是部分自復位的一種，也是我們上述損傷控制結構分類的第6種。

二、基于不同屈點服鋼的損傷控制結構

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

圖1 損傷控制結構（部分自復位）

      這種損傷控制結構的設計理念可以概述如下：在目標地震等級下，主結構維持彈性，耗能跨用于消散輸入結構的地震能量，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，通過細部構造裝配設計保證結構震后耗能跨修復較易展開，結構可以震后經過快速低難度修復進而達到地震前的狀態。為了更夠實現上述設計理念的一個關鍵因素是：拉開主次結構的進入屈服的間隙。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，而主結構則采用較高屈服等級的鋼材。根據上述的設計理念，我們很簡單把這樣的主次結構用兩根彈簧并聯可以獲得其非線性行為（無損彈性彈簧+有損彈塑性彈簧）。在此基礎上，畫出其損傷控制階段的滯回規則，如下：

圖2 損傷控制結構滯回規則

三、結構滯回規則的定性理解

      需要注明的是上述的滯回規則呈現出兩個階段，對于今天的推文，我們僅關注第一階段，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構中的主結構也出現了彈塑性損傷，那么結構在力學上就呈現出兩根有損的非線性彈簧的并聯，且結構整體滯回在極限狀態呈現出損傷階段的平移現象，其實是不可控不穩定的一個階段）。在損傷控制階段，基于不同屈服點鋼的結構與傳統的鋼框架的區別是：前者具有較高的屈服后剛度。此外在設計合理的話（這里的合理標準是以降低殘余位移角為準則），這種損傷控制結構可以顯著降低殘余位移角，見圖2，設計的關鍵是主結構在剛度和強度上要強于次結構，這樣可以實現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，是不是主結構越強越好？？？其實回答這個問題時很難一下子給出一個標準的答案，任何的答案都是由前提的，比如在降低殘余位移角的角度，那自然主結構越強越好，但事實上結構的地震行為是復雜，我們必須要綜合的評價。很顯然，主結構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，即結構按照彈性設計（次結構忽略），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構靜力的角度來評價結構在地震下的動力行為。所以主次結構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給出一個定性結論（該結論是基于結構等效單自由度非線性動力反應譜大量數據的統計分析得到）:結構的屈服后剛度大是有利于于結構壓制高階振型的不利影響，有利于降低結構在地震下的峰值響應的離散性，有利于提高結構的韌性，但同時較大的屈服后剛度在其他滯回參數不變的前提下，會降低結構的耗能能力，會增加結構的層間加速度的峰值響應，不利于非結構構件的安全等等。所以再次驗證，評價一個結構參數的影響需要多指標同時進行，否則得到的結論就會有失公允。

      前文根據圖2在損傷控制階段前滯回規則可以得到結論：主次結構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定量的給出。那么帶來一個問題，這個問題也是做自復位韌性結構共同面對的：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構的滯回規則就需要嚴格滿足一三象限的旗幟型規則。對于具有旗幟性滯回規則的結構，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），加速度響應會顯著提高。所以經過上述的討論，似乎基于不同屈服點鋼的損傷控制結構的性能可以介于完全復位和傳統框架結構之間的一種較優的選擇。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構的殘余變形，從動力學的角度，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構構件的損害。 

下次分享將從定量的角度會談談基于不同屈服點鋼的損傷控制結構的滯回參數對結構的地震需求的影響，此外，有時該結構也稱為hybrid structure 或者dual system。

四、閱讀后的較真，學會質疑（未必嚴謹或者正確）

擬靜力的標準加載制度（增幅位移加載）對于評估一個新型結構體系或者節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構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構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交流學習，也歡迎轉發。

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.