众所周知，结构设计的抗震设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”，也就是说，侧重于如何减少大震下的建筑物的倒塌和人员伤亡。但是近年来多次的震害表明，结构在地震作用下由于丧失了正常使用功能而造成重大的经济损失的问题日渐突出，往往灾后的维护成本已经超过了建筑物本身的结构成本。因此，基于性能的抗震设计（Performance Based Seismic Design, PBSD）被提出并逐渐重视起来。

PBSD是指综合考虑建筑结构的功能，类型及重要性等因素，确定结构遭遇各种水准的地震影响时的性能目标，使结构反应和损伤状态在预期可控范围内。

2009年1月在NEES/E-Defense美日地震工程第二阶段合作研究计划会议上，美日学者首次提出了将“可恢复功能抗震城市”作为地震工程合作的大方向。设计出一种可恢复功能结构，使结构在地震后能最快的恢复正常使用功能。

在此背景下，具有自复位性能的摇摆结构引起了学者和工程界的广泛关注。这个结构体系是为了使结构在地震后不发生破坏或者破坏发生在可更换构件，以保证地震后结构比较快的恢复使用功能而提出的。

传统的抗震技术可以总结为“抗”、“消”、“隔”三种方式。

抗：顾名思义，使用高性能材料和高性能体系来改善结构自身抗震性能。

消：在结构中加入效能软件如金属阻尼器等来帮助结构消耗地震能量。

隔：通过隔震层把地震动作用和建筑物隔离开来减少输入建筑物的地震加速度，从而减少建筑物的破坏。

自复位性能的摇摆结构是通过放松其与基础或者结构构件间的约束，在交界处只能受压不能受拉，从而使结构在地震作用下可以发生摆动而其本身又不会产生弯曲变形和残余变形，在此基础上对摇摆结构施加预应力或采用记忆合金材料，使得结构具有恢复功能。严格上来说，摇摆结构和自复位结构是两种结构体系。

摇摆结构的做法一般有两种。一种为放松结构与基础之间的约束，允许上部结构在水平倾覆力矩的作用下与基础交界面处发生一定的抬升。第二种为放松构件之间的约束，通过构件转动使结构发生摇摆。例如后张预应力预支框架结构，通过放松梁柱节点约束允许框架梁发生转动，而后通过预应力使结构自复位。

如果放松处的界面仅有受压能力而无受拉能力，结构本身在地震作用下只有摇摆而无太大的弯曲变形，最终恢复到原有位置时也没有永久残余变形，则称这种结构为自由摇摆结构。如果对自由摇摆结构施加预应力以保证其稳定，则被称为受控摇摆结构。

如果放松约束的结构在地震作用下首先发生一定的弯曲变形，在超过一定限值之后发生摇摆并通过预应力使结构回复到原有位置，这种结构成为自复位结构。

由此可见，自复位结构是介于摇摆结构和传统结构之间的。其一般有三个基本组成部分：可发生摇摆的构件（柱、墙、梁等）；自复位元件（预应力筋、形状记忆合金等）；可更换的耗能元件（阻尼器、角钢、防屈曲支撑等）。

摇摆结构与自复位结构的主要区别是：摇摆结构在地震作用下主要发生摇摆变形，结构本身没有太大的的弯曲变形，而自复位结在地震作用下先发生弯曲变形，超过一定限值后发生摇摆。在反复荷载作用下，摇摆结构的滞回曲线为多线型而自复位结构的为旗帜型。

目前为止，自复位结构大致可分为3种：

竖向自复位结构——放松竖向构件与基础之间的约束

自复位剪力墙构件示意图

自复位钢筋混凝土柱脚节点示意图

横向自复位结构——放松梁柱之间的约束

自复位钢筋混凝土框架梁柱节点示意图

采用自复位支撑的钢支撑框架结构——利用支撑构件来形成开合机制。

本文主要来说明一下具有自复位性能的摇摆结构在框架结构及框剪结构体系下的措施及性能。

钢筋混凝土结构

1993年，自复位框架概念被Priestley和Tao提出，他们设计让框架梁通过预应力筋与框架柱相连，在地震作用下允许发生一定的转动从而消耗地震动能量。Cheok与Leo进而用实验证明了两人的观点。1999年，El-Sheikh等用实验证明他们提出的纤维模型和弹簧模型可用于预应力自复位钢筋混凝土结构的分析。

其后，Roh等提出了通过摇摆柱及加入阻尼器消能来控制框架结构的振动。通过静力荷载实验和抗震性能分析，结果表明附加阻尼器可以有效减小结构的位移响应，验证摇摆结构作为抗震结构的有效性。国内学者通过静力弹塑性分析研究表明框架结构的整体性得到了增强。

还可以在框架结构中增设摇摆墙，框架摇摆墙结构是一种新的结构体系，具有良好的抗震性能。它是由框架和摇摆墙及两者之间的连接构件组成，如上文所说，摇摆墙与基础铰接，具有一定的转动能力。一般来说框架结构的破坏机制是层屈服破坏，但是通过对框架进行加固并且在墙体和结构之间布置大量阻尼器的方式，使整个结构的破坏机制变成了整体屈服破坏。研究表明，与框架剪力墙结构相比，框架摇摆墙结构周期变化小，不会明显增加结构承受的地震力。同时添加的摇摆墙不一定要全高，半高的摇摆墙也可以有效的控制结构底层的变形集中，但是作用会小于全高的摇摆墙，并且会造成结构层间变形的突变。

钢框架结构

钢框架结构的自复位主要通过施加后张预应力来实现。2002年，美国海里大学Ricles等通过实验结果显示自复位的钢框架未出现残余变形。

在此基础上，研究人员在钢框架梁柱转动节点处引入摩擦板，从而使节点在转动的同时摩擦耗能。2005年，引入了后张预应力摇摆钢框架的研究并加入竖向消能抗剪键来帮助消散地震动能量。

Hajjar等设计了一种新型的钢支撑框架结构，这种结构使用基底可以自由转动的摇摆框架，在转动过程中使用预应力钢索使其恢复原位。

剪力墙结构

剪力墙结构的自复位性能最早是由内置竖向无粘结预应力钢绞线完成的，墙体与基础没有固结，在水平荷载作用下可以绕中轴转动，在钢绞线作用下恢复。2000年，在此基础上加入了阻尼器进行改进，允许结构在侧向变形时耗能。日本学者将摇摆剪力墙作为加固手段应用到了一栋东京工业大学的实体结构中，并对结构进行了动力时程分析，结果表明该结构能很好地降低其地震响应。国内学者曲哲等也对摇摆墙做了一定的研究，建立了摇摆墙的有限元模型，利用Pushover方法对比分析了集中结构形式后发现，摇摆墙体系能够增加结构的刚度，很好的控制结构的层间位移角，并使其趋于一致。

综上所述，结合了摇摆机制和消能减震作用的自复位结构具有震后快速恢复的优点。但是由于地震作用的不确定性，自复位结构在各个水准地震作用下的破坏模式、极限状态、耗能和复位的协调关系、高阶效应等需要更加深入的研究。对于耗能型自复位摇摆结构的研究，国内外均处于初级阶段，尤其是对应运于框架中的摇摆墙结构研究更少。

“转自：非解构-公众号”