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钢筋混凝土框架结构在强震作用下往往因楼层刚度或强度突变而形成薄弱层，导致塑性变形集中和结构倒塌。为破解这一难题，本文提出并系统研究了一种新型消能减震构件——双肢消能摇摆柱（Dual Energy-Dissipative Rocking Column, DERC）。该构件由两根钢制柱肢和若干连接于柱肢之间的软钢系杆组成，柱脚采用铰接构造，允许构件在水平力下整体摇摆。研究首先从力学机理出发，建立了弹性阶段的刚度分析模型和弹塑性阶段的等效滞回模型，并通过足尺拟静力试验验证了模型的准确性。继而将DERC引入典型混凝土框架结构，通过弹塑性时程分析对比了有无DERC的结构抗震响应。结果表明，DERC能有效引导结构侧向变形沿高度均匀分布，消除薄弱层效应；同时，软钢系杆的塑性滞回耗能可提供约15%~25%的附加阻尼比，显著降低结构位移反应和残余变形。本文成果为摇摆-消能双功能减震构件的设计提供了理论依据和试验支撑。
Reinforced concrete (RC) frame structures are prone to soft-story failure under strong earthquakes due to the concentration of inelastic deformation in a single story. To overcome this weakness, this paper proposes a novel energy-dissipative member named the Dual Energy-Dissipative Rocking Column (DERC). The DERC consists of two steel legs connected by mild steel tie bars, with hinged bases that allow global rocking motion. The mechanical behavior is first investigated at the component level: an elastic stiffness model and an elastoplastic equivalent model are developed and validated through full-scale quasi-static tests. Then, the DERC is incorporated into a typical RC frame, and nonlinear time-history analyses are conducted to compare the seismic performance with and without the DERC. The results demonstrate that the DERC can effectively redistribute the lateral drift along the building height, eliminating the soft-story mechanism. Moreover, the hysteretic energy dissipation of the mild steel tie bars contributes an additional equivalent damping ratio of approximately 15%–25%, substantially reducing both peak displacements and residual deformations. This study provides a solid theoretical and experimental foundation for the design of dual-function rocking-dissipative devices in seismic-resistant structures.
1. 传统RC框架的抗震困境
钢筋混凝土框架结构因其空间布置灵活、施工成熟、成本可控，是全球中高层建筑的主流形式之一。然而，历次大地震（如汶川地震、新西兰基督城地震）的震害调查反复揭示了一个共性破坏模式——薄弱层失效。当结构沿高度存在刚度突变或承载力不均匀时，地震惯性力会导致某一楼层率先进入塑性，柱端形成塑性铰，继而该层侧移急剧增大，最终导致结构坍塌或严重倾斜。这种破坏具有突发性，且震后修复几乎不可行。究其根源，传统框架的“强柱弱梁”设计虽试图将塑性铰分散于梁端，但实际施工和复杂受力下难以保证，且楼层间变形的不均匀性无法被主动调控。
2. 摇摆结构概念的兴起与局限
为从机制上避免塑性变形集中，地震工程界提出了摇摆结构（Rocking Structure） 的概念。其核心思想是：允许结构整体或部分在强震时发生可控的摇摆抬升，将损伤集中到预设的、可更换的耗能元件上，而主体构件（梁、柱、墙）保持在弹性或微损伤状态。摇摆墙、摇摆柱、摇摆框架等体系相继被提出，并证实能有效控制层间位移角分布，使各楼层协同工作。然而，早期摇摆体系存在一个显著短板：摇摆运动本身的耗能能力极弱。由于仅靠重力势能和接触面的摩擦来消耗能量，等效阻尼比通常不足5%，导致结构在地震作用下的位移响应往往偏大，甚至超过弹性设计限值。因此，单纯的摇摆机制难以独立满足高烈度区的抗震要求。
3. 消能减震技术与摇摆机制的融合
为了弥补摇摆结构耗能不足的缺陷，研究者尝试将各类阻尼器（如黏滞阻尼器、金属屈服阻尼器）与摇摆构件并联或串联使用。其中，金属屈服型阻尼器因其滞回饱满、造价低廉、维护方便而备受青睐。在此背景下，双肢消能摇摆柱的设计思路应运而生：将传统单柱拆分为双肢，并在两肢之间设置软钢系杆——这些系杆在摇摆过程中产生往复剪切/弯曲变形，利用钢材的塑性滞回大量耗能；同时，柱脚铰接确保了摇摆运动不受约束。这样一来，DERC既继承了摇摆结构的变形调控能力，又拥有了相当于附加阻尼器的耗能效率，真正实现了“一器双能”。本文正是围绕这一新型构件的力学机理、试验验证和结构应用效果展开系统研究，旨在为工程实践提供科学依据。
DERC的基本构造包括：两根平行布置的钢柱肢（常采用H型钢或方管），柱肢底部通过销轴铰接于基础或下部结构，允许绕强轴转动；柱肢之间沿高度方向设置若干排软钢系杆，系杆两端与柱肢翼缘或腹板采用高强螺栓连接，便于震后更换。为充分发挥耗能作用，系杆的截面尺寸和材料（如Q235低碳钢）经过专门设计，使其在预期侧移下率先进入屈服，且屈服位移小于柱肢本身的屈服位移，从而保证耗能先于主体破坏。
工作机制可分解为两个层次：
此外，柱肢本身在弹性范围内工作，震后只需更换屈服的系杆即可恢复功能，实现了“主体免损、耗能可换”的设计目标。
（1）弹性分析模型
基于小变形假设和材料线弹性本构，研究将DERC简化为一个由刚体（柱肢）和弹性连接（系杆）组成的体系。通过几何关系建立侧向位移与系杆变形之间的协调方程，再结合系杆的轴向/剪切刚度，推导出构件整体侧向刚度与系杆布置数量、间距、截面面积及柱肢高度的显式表达式。该模型可用于快速估算DERC的初始刚度，为结构初步设计提供工具。
（2）弹塑性等效分析模型
进入弹塑性阶段后，系杆的刚度随屈服发展而退化，同时出现滞回环。为此，研究提出了基于等效线性化的简化模型，将系杆的滞回特性等效为随位移幅值变化的割线刚度和等效阻尼比。该模型利用双线性或三线性骨架曲线描述系杆的力-变形关系，并引入Masing准则描述卸载-再加载路径。通过与精细有限元模拟对比，证明该等效模型在工程常用位移幅值范围内（层间位移角0.5%~2%）具有足够的精度，且计算效率远高于非线性时程积分，便于结构体系分析。
为了检验理论模型的可靠性，研究开展了足尺构件拟静力试验。试验装置采用水平作动器对DERC顶部施加往复位移荷载，模拟地震作用下的侧向变形。测量内容包括：顶部水平力-位移滞回曲线、各系杆的应变发展、柱肢底部铰接处的转动角度等。
试验结果与理论预测的对比表明：
试验还发现了系杆屈服顺序对滞回形状的影响，为优化系杆布置提供了依据。
将验证后的DERC模型集成到一栋典型8层钢筋混凝土框架结构中，采用OpenSees或ABAQUS等有限元平台，建立三维或平面分析模型。地震动选取依据场地类别和设计烈度，采用不少于20组天然波和人工波进行罕遇地震（设防烈度8度，PGA=0.4g）下的非线性时程分析。
对比指标包括：
此外，还进行了参数敏感性分析，考察了系杆屈服强度、数量、布置高度等对减震效果的影响，给出了最优设计取值范围。
综合以上研究，可得出以下主要结论：
