可恢復(fù)功能剪力墻結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

第一作者蔣歡軍男，博士，教授，1973年生

可恢復(fù)功能剪力墻結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

蔣歡軍，劉其舟

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海200092)

摘要：近年來，可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)逐漸成為了抗震工程研究的熱點。可恢復(fù)功能剪力墻，主要包括：配合框架結(jié)構(gòu)同時使用的搖擺或自復(fù)位剪力墻，通過搖擺減輕地震作用的破壞，通過自重或施加預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)復(fù)位；應(yīng)用于剪力墻結(jié)構(gòu)中的可更換剪力墻，通過對破壞部位的更換實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的快速恢復(fù)。介紹了自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)，搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)及可更換剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究進(jìn)展，對研究領(lǐng)域的成果和不足進(jìn)行了總結(jié)，并指出研究領(lǐng)域中存在的空白。

關(guān)鍵詞：可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)；搖擺剪力墻；自復(fù)位剪力墻；可更換剪力墻

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAJ13B02)

收稿日期：2013-12-19修改稿收到日期：2014-04-10

中圖分類號:TU352.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.008

Abstract:In recent years, earthquake resilient structure has become a research hotspot of the seismic engineering. The earthquake resilient shear walls include the rocking or self-centering shear wall cooperated with frame structure and the replaceable shear wall. The former reduces the seismic destruction effect through rocking and restores to its the original position through self-weight or prestressing forces. The other restores the building through rapidly replacing damaged parts. An overview was presented regarding the development history of self-centering shear walls，rocking shear walls and replaceable shear walls, then the achievements and shortcomings in the field of research were summarized, and the blank areas in the field were pointed out.

State-of-the-art of the research advances on resilient shear walls

JIANGHuan-jun,LIUQi-zhou(State Key Laboratory for Bisaster Keduotion in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China)

Key words:earthquake resilient structure; rocking shear wall; self-centering shear wall; replaceable shear wall

從20世紀(jì)90年代開始，基于性能的抗震[1-3]設(shè)計逐漸成為了抗震研究的主流方向之一。基于性能的抗震設(shè)計要求建筑在可能發(fā)生的地震作用下具有預(yù)期的抗震性能和安全度。由于地震的不確定性和復(fù)雜性，建筑物往往遭受超越設(shè)防烈度的地震作用，導(dǎo)致難以修復(fù)，嚴(yán)重影響了人們的正常生活，同時,修復(fù)帶來的漫長的停工期及修復(fù)的大量花費(fèi)造成了社會巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，抗震性能目標(biāo)逐漸由保障生命安全向恢復(fù)生產(chǎn)建筑的使用功能和居民的正常生活方面傾斜。2009年1月，美日學(xué)者在NEES/E-Defense美日工程第二階段合作研究會議上，首次提出將“可恢復(fù)功能城市”(resilient city)作為地震工程合作的大方向[4]。標(biāo)志著可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)成為抗震研究的主流方向之一。

目前，應(yīng)用于可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)中的剪力墻大多采取搖擺和自復(fù)位結(jié)構(gòu)形式，主要配合框架結(jié)構(gòu)使用。通過結(jié)構(gòu)的搖擺，減輕地震對結(jié)構(gòu)的作用，同時在結(jié)構(gòu)相對速度或相對位移較大的部位增設(shè)耗能部件，在搖擺的過程中大量消耗地震能量，保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭破壞，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后不破壞或破壞較輕，易于修復(fù)的性能目標(biāo)。相比框架結(jié)構(gòu)，純剪力墻結(jié)構(gòu)需要足夠的抗側(cè)剛度，以限制結(jié)構(gòu)的層間位移。我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]要求，剪力墻結(jié)構(gòu)彈性及彈塑性層間位移角限值分別為1/1 000和1/120,遠(yuǎn)小于框架結(jié)構(gòu)的1/550和1/50。搖擺或自復(fù)位剪力墻層間位移量較大，無法滿足這一要求。因此，應(yīng)用于純剪力墻結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)功能剪力墻主要采取可更換的形式，通過在剪力墻墻腳等易破壞的區(qū)域設(shè)置易拆卸可更換構(gòu)件，震后對可更換構(gòu)件進(jìn)行更換從而快速恢復(fù)剪力墻的抗震功能。

本文分別詳細(xì)介紹了自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)，搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)及可更換剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究進(jìn)展，對研究領(lǐng)域的成果和不足進(jìn)行了總結(jié)，并指出研究領(lǐng)域中存在的空白。

1自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)

1.1國外對于自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究

Kurama等[6-7]提出了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力自復(fù)位剪力墻并對其進(jìn)行了初步分析和評估，Kurama等[8]又對這種剪力墻進(jìn)行了系統(tǒng)研究。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力自復(fù)位剪力墻由混凝土墻片通過水平節(jié)點疊合而成，墻片內(nèi)置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。墻片與墻片之間，墻片與基礎(chǔ)之間均沒有固定連接。在地震力下，通過墻片與墻片之間，墻片與基礎(chǔ)之間縫隙張開閉合的效果，有效地減小了地震對結(jié)構(gòu)的作用。結(jié)構(gòu)的自重及預(yù)應(yīng)力則提供自復(fù)位力將縫隙閉合。Kurama采用纖維模型對試驗進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，剪力墻在規(guī)范指定的地震動下破壞和殘余變形均很小，但結(jié)構(gòu)也存在著側(cè)向位移過大的缺點。為了克服這一缺點，Kurama等[9]提出在結(jié)構(gòu)中附加粘滯阻尼器來提高結(jié)構(gòu)的非彈性耗能能力(圖1)，結(jié)構(gòu)通過裂縫張開時阻尼器變形來消耗地震能量(圖2)。研究人員提出了這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計方法，并對剪力墻進(jìn)行了非線性時程分析，結(jié)果表明，附加粘滯阻尼器能有效減小結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。Kurama等[10]通過非線性時程分析對后張拉預(yù)制混凝土剪力墻的抗震性能進(jìn)行了評估。Restrepo等[11]在預(yù)制預(yù)應(yīng)力自復(fù)位剪力墻墻肢與基礎(chǔ)連接處增設(shè)了軟鋼棒消能裝置，并通過試驗與相同尺寸的傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土剪力墻的抗震性能進(jìn)行了對比?；贙urama提出的無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力預(yù)制剪力墻，Perez等[12-13]也進(jìn)行了試驗及相關(guān)分析。Restrepo等[14-16]又對加設(shè)軟鋼消能裝置的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論和試驗分析，提出了較為詳細(xì)的設(shè)計公式和方法(圖3)。一系列試驗結(jié)果表明，增設(shè)了軟鋼棒耗能裝置的自復(fù)位剪力墻剪力墻能有效耗散地震能量，滯回曲線呈旗幟型，結(jié)構(gòu)幾乎沒有殘余變形和明顯破壞。

圖1 帶粘滯阻尼器的自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)[9]Fig.1Self-centeringshearwallwithviscousdampers[9]圖2 縫隙張開時的阻尼器變形[9]Fig.2Damperdeformationduetogapopening[9]

Sritharan等[17]設(shè)計了一種帶豎向接縫自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)(圖4)，結(jié)構(gòu)由單片墻片通過U型彎曲鋼板連接而成(圖5)，通過搖擺過程中U型鋼板塑性變形消耗地震能量，通過與試驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，作者提出了簡化的帶豎向接縫自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計方法。

Marriott[18]提出可以將預(yù)應(yīng)力自復(fù)位剪力墻的耗能裝置設(shè)計成外置的形式，以方便震后更換(圖6)，研究人員制作了4片剪力墻試件進(jìn)行振動臺試驗，其中三片墻有不同種類的耗能裝置，而第四片墻僅靠接觸阻尼和內(nèi)部摩擦耗能。試驗結(jié)果表明，安裝外置耗能裝置的剪力墻具有良好的耗能及自復(fù)位能力，破壞主要集中在外置的耗能裝置上，通過更換耗能裝置可以快速恢復(fù)剪力墻的抗震功能。

圖3 帶軟鋼阻尼器的自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)[15]Fig.3Self-centeringshearwallwithmildsteeldampers[15]圖4 帶接縫自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)[17]Fig.4Jointedself-centeringshearwall[17]

圖5 U型彎曲鋼板連接器試件[17]Fig.5SpecimenofU-shapedbendingplateconnector[17]圖6 帶外置耗能裝置的自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)[18]Fig.6Self-centeringshearwallwithexternalenergydissipationdevice[18]

Panian等[19-20]指出，施加預(yù)應(yīng)力的剪力墻具有更好的經(jīng)濟(jì)效益及抗震效果。Panian等[21]將預(yù)應(yīng)力自復(fù)位剪力墻應(yīng)用于新建工程，研究人員在位于Berkeley的David Brower Center結(jié)構(gòu)中部設(shè)置C形預(yù)應(yīng)力墻體，墻體在強(qiáng)震中縱筋屈服，端部可以抬起(圖7-8)。研究人員利用CSI Perform-3D對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性時程分析，分析結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力自復(fù)位剪力墻能夠增加結(jié)構(gòu)延性，減小軟鋼用量和結(jié)構(gòu)殘余變形。

Clayton等[22]提出了自復(fù)位鋼板剪力墻的設(shè)計規(guī)程并對其抗震性能進(jìn)行了評估。Winkley等[23]對自復(fù)位鋼板剪力墻進(jìn)行了系列試驗，Clayton等[24-25]對Winkley的試驗進(jìn)行了總結(jié)并提出了適用于新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法(圖9)。這種自復(fù)位鋼板剪力墻通過在鋼梁柱中安裝薄鋼板來提供結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，并通過鋼板的屈服消耗地震能量。梁柱之間可以相互脫開，通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線來提供自復(fù)位能力(圖10)。鋼絞線設(shè)計為在地震中不會破壞，薄鋼板則設(shè)計為易于更換。試驗結(jié)果及性能評估表明，結(jié)構(gòu)具有較高的延性和剛度，并表現(xiàn)出良好的自復(fù)位及耗能能力。

圖7 抗側(cè)結(jié)構(gòu)[21]Fig.7Lateralresistingstructure[21]圖8 預(yù)應(yīng)力鋼絞線分布[21]Fig.8Distributionofprestressedsteelstrand[21]

圖9 自復(fù)位鋼板剪力墻試件[24]Fig.9Specimenofself-centeringsteelplateshearwalls[24]圖10 自復(fù)位鋼板剪力墻節(jié)點構(gòu)造[24]Fig.10Thenodestructureofself-centeringsteelplateshearwalls[24]

Wight等[26-27]通過振動臺試驗對混凝土砌塊自復(fù)位開洞剪力墻進(jìn)行了研究，以驗證當(dāng)?shù)刈≌袅Φ目拐鹦阅堋Ｑ芯咳藛T先對兩片單層平面剪力墻進(jìn)行了試驗(圖11)，以研究門窗開洞對剪力墻的影響，之后又對一片簡單的矩形剪力墻進(jìn)行了試驗(圖12)，以研究多重門窗開洞和墻轉(zhuǎn)角對剪力墻的影響。所有的墻片均通過高強(qiáng)鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，墻片可以與基礎(chǔ)脫開進(jìn)行搖擺。試驗結(jié)果表明，墻片的殘余變形很小，砌體壓潰主要發(fā)生在墻底部轉(zhuǎn)角，垂直裂縫則主要出現(xiàn)在門窗開口處及過梁上。

圖11 單片單層混凝土砌塊剪力墻[27]Fig.11Single-storyin-planeconcretemasonrywall[27]圖12 矩形混凝土砌塊剪力墻[27]Fig.12Squareconcretemasonrywall[27]

Devereux等[28]對北墨爾本科技學(xué)院的藝術(shù)音樂館采用的自復(fù)位木結(jié)構(gòu)剪力墻進(jìn)行了理論分析，這種木結(jié)構(gòu)剪力墻可以繞中軸轉(zhuǎn)動，多片剪力墻之間通過U形鋼板進(jìn)行聯(lián)接，豎向無粘結(jié)鋼絞線則提供剪力墻的自復(fù)位力，地震中，U形鋼板形變消耗地震能量。作者認(rèn)為，自復(fù)位剪力墻抗震效果良好且經(jīng)濟(jì)合理，有較大的推廣和應(yīng)用潛力。

國外不少研究者對自復(fù)位剪力墻相關(guān)理論做了進(jìn)一步完善。Rahman等[29]設(shè)計了兩片5層后張自復(fù)位剪力墻計算模型，其中一片剪力墻基于力設(shè)計方法，另一片則基于位移設(shè)計方法，作者通過輸入地震動分析評估了兩種設(shè)計方法的差異。Pennucci[30-31]提出了新的基于位移的底部附加消能器的自復(fù)位剪力墻的計算模型和設(shè)計方法，并通過試驗對比和案例分析驗證了計算模型和設(shè)計方法的正確性。Aleti等[32]提出了一種簡化的分析方法來表征無粘結(jié)后張法預(yù)制墻系統(tǒng)的單調(diào)響應(yīng)，并通過試驗驗證了所提出的理論。Erkmen等[33]進(jìn)行了一系列的對比試驗，考察了預(yù)應(yīng)力筋的布置位置，初始預(yù)應(yīng)力的大小，錨固措施及豎向荷載的大小對后張預(yù)制剪力墻自復(fù)位性能的影響。Twigden等[34]設(shè)計了低周反復(fù)加載，高速循環(huán)加載，自由振動和受迫振動四種試驗工況，通過試驗考察后張預(yù)應(yīng)力剪力墻的動力特性。

1.2國內(nèi)對于自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究

相對于國外較為成熟的研究，我國對于自復(fù)位剪力墻的研究還處于起步階段。

陳適才等[35]建立了底部開縫后張拉預(yù)應(yīng)力搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,并與同類型整體現(xiàn)澆剪力墻進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明:相對于現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，底部開縫后張拉預(yù)應(yīng)力搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)承載力較低,但變形能力較強(qiáng),墻體損傷和殘余變形較小,且具有較好的自復(fù)位能力。

馬昕等[36]利用有限元軟件ABAQUS建立了自復(fù)位剪力墻有限元模型，并在墻底與基礎(chǔ)交界處布置軟鋼阻尼器。研究人員分析了鋼阻尼器數(shù)量、長度、位置等參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，并建立了自復(fù)位能力系數(shù)、墻體受壓損傷指標(biāo)與阻尼器相關(guān)參數(shù)的關(guān)系曲線。

吳浩等[37]總結(jié)了無粘結(jié)后張拉預(yù)制剪力墻的抗震性能特點，并介紹了此類結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析方法。作者給出了兩種模擬接縫的方法，分別為彌散接縫模型和集中接縫模型。之后，作者基于OpenSees軟件對無粘結(jié)后張拉預(yù)制剪力墻進(jìn)行了擬靜力數(shù)值分析,對比試驗結(jié)果，驗證了數(shù)值模擬方法的可靠性。

郭彤等[38]提出，可在墻腳處外包鋼板防止自復(fù)位剪力墻腳部混凝土壓潰(圖13)，并在剪力墻與相鄰重力柱連接處增設(shè)可拆卸摩擦消能器增加結(jié)構(gòu)耗能能力(圖14)，研究人員通過試驗證實了新型自復(fù)位剪力墻良好的抗震性能。

圖13 帶摩擦消能器的自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)[38]Fig.13Self-centeringshearwallwithfrictionenergydissipationdevice[38]圖14 摩擦消能器連接構(gòu)造[38]Fig.14Theconnectionstructureoffrictionenergydissipationdevice[38]

2搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)

2.1國外對于搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究

Anderson等[39]通過計算模型研究了地震中剪力墻基礎(chǔ)搖擺對于結(jié)構(gòu)的影響(圖15)。Gajan 等[40-41]提出，可以通過淺埋剪力墻基礎(chǔ)使基礎(chǔ)在地震中產(chǎn)生搖擺來提高結(jié)構(gòu)的抗震性能(圖16)。研究人員利用離心機(jī)試驗來研究淺埋基礎(chǔ)搖擺剪力墻的抗震性能，結(jié)果表明，滿足一定尺寸的基礎(chǔ)對于土壤的敏感性很小，此外，淺埋基礎(chǔ)搖擺剪力墻具有一定的自復(fù)位能力和能量耗散能力。Gajan等[42]研究了彎矩剪力比對于淺埋搖擺基礎(chǔ)剪力墻的影響，結(jié)果表明彎剪比較大的結(jié)構(gòu)具有較好的能量耗散能力并在震后遭受較小的永久位移。

圖15 剪力墻和基礎(chǔ)彈簧模型[39]Fig.15Modelofshearwallandfoundationspringsystem[39]圖16 淺基礎(chǔ)支撐框架剪力墻結(jié)構(gòu)[40]Fig.16Shearwallandframestructuresupportedbyshallowfoundations[40]

Ajrab等[43]對一個6層框架搖擺墻建筑進(jìn)行了基于性能的設(shè)計，Jack在結(jié)構(gòu)中附加了外置的預(yù)應(yīng)力鋼索及其他消能裝置，并進(jìn)行了非線性時程分析及結(jié)構(gòu)敏感性分析，結(jié)果表明，相對固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)而言，搖擺結(jié)構(gòu)層間位移更小，能夠滿足預(yù)定的幾乎不發(fā)生破壞的性能目標(biāo)，且地震反應(yīng)對于鋼絞線預(yù)應(yīng)力及墻底寬度并不敏感。

Lu[44]通過試驗及分析指出無控?fù)u擺剪力墻會造成梁與墻連接的破壞，從而加速整個結(jié)構(gòu)的破壞，考慮剪力墻中性軸的偏移及結(jié)構(gòu)的三維效應(yīng)才能更好的預(yù)測和改善剪力墻的非彈性性能。

Hitaka等[45]設(shè)計了一種新型的搖擺聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)(圖17)。這種結(jié)構(gòu)由鋼連梁，鋼筋混凝土墻肢及鋼管混凝土邊柱組成，墻肢底部通過鋼管混凝土邊柱與基礎(chǔ)相連(圖18)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，結(jié)構(gòu)屈曲主要發(fā)生在連梁和鋼管混凝土短柱上，因此，能有效防止墻肢的破壞。研究人員設(shè)計了對應(yīng)不同破壞模式的四個試件并對其進(jìn)行了滯回加載試驗。之后又利用纖維單元建立了有限元模型對其進(jìn)行分析，通過試驗和有限元分析提出了防止鋼管混凝土柱剪切破壞的設(shè)計方法。

Wiebe等[46]提出，由于高階模態(tài)的影響，搖擺結(jié)構(gòu)所受的地震力可能大幅增加，可以通過多截面搖擺的方法來減輕高階模態(tài)效應(yīng)。

圖17 搖擺聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)[45]Fig.17Rockingofhybridcoupledwalls[45]圖18 搖擺聯(lián)肢剪力墻邊界單元[45]Fig.18Boundaryelementofrockinghybridcoupledwalls[44]

圖19　加固前后結(jié)構(gòu)平面布置圖 [49] Fig.19 Structural plan layout of the existing and retrofitted building [49]

圖20　搖擺墻節(jié)點構(gòu)造圖 [49] Fig.20 Detailing of the rocking wall [49]

Mulligan等[47]對一個附加半主動控制裝置的搖擺墻進(jìn)行了實時混合試驗，結(jié)果表明，半主動控制搖擺墻能夠有效改善整個結(jié)構(gòu)的能量耗散能力。作者認(rèn)為，在結(jié)構(gòu)中附加半主動控制搖擺墻是一種較為經(jīng)濟(jì)而又有效的加固方法。Marriott等[48]通過一個設(shè)計實例，論證了將搖擺墻應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)的加固改造的可行性。日本的Wada等[49]在對東京工業(yè)大學(xué)津田校區(qū)G3 樓框架結(jié)構(gòu)加固中，采用了搖擺墻加固技術(shù)，主要是在原有框架結(jié)構(gòu)的兩端和中部加設(shè)搖擺剪力墻，并在搖擺剪力墻與原有結(jié)構(gòu)的連接處加設(shè)鋼阻尼器(圖19、圖20)。通過剪力墻使結(jié)構(gòu)由局部破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)檎w破壞模式，并利用剪力墻搖擺時鋼阻尼器屈服耗能。研究人員對加固前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性時程對比分析，結(jié)果表明，采用搖擺系統(tǒng)能夠有效的降低結(jié)構(gòu)在不同地震動下的地震響應(yīng)。

Toranzo等[50-52]提出了將搖擺墻應(yīng)用于約束砌體結(jié)構(gòu)中的設(shè)計方法，并對約束砌體搖擺剪力墻-框架模型進(jìn)行了振動臺試驗(圖21)，以驗證搖擺剪力墻設(shè)計方法的正確性。由于砌體搖擺剪力墻的固有阻尼較小，研究人員在剪力墻底部附加了外置的鋼消能器以增加其耗能能力(圖22)，振動臺試驗結(jié)果表明，經(jīng)過合理地設(shè)計，約束砌體搖擺剪力墻破壞很小，且能夠在大震后通過自重復(fù)位。此外，Toranzo認(rèn)為，適用于約束砌體搖擺剪力墻的設(shè)計方法也同樣適用混凝土搖擺剪力墻。

圖21 約束砌體搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)[52]Fig.21Rockingwallsofconfined-masonry[52]圖22 鋼消能器[51]Fig.22Steelenergydissipatingdampers[52]圖23 剪力墻節(jié)點構(gòu)造[53]Fig.23Thenodestructureoftheshearwalls[53]

圖24　剪力墻工作原理 [53] Fig.24 Working principle of the shear wall [53]

Loo等[53]提出一了種新型的木結(jié)構(gòu)搖擺剪力墻，剪力墻墻腳采用滑動摩擦耗能器連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的螺栓固定連接(圖23)，當(dāng)?shù)卣鹆Υ笥趬δ_的摩擦抗力時，摩擦耗能器啟動，結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺，通過摩擦消耗地震能量(圖24)。研究人員對新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，采用滑動摩擦連接能有效避免材料的屈服。適當(dāng)調(diào)整滑動摩擦力能有效提高剪力墻的延性及耗能能力，此外震后結(jié)構(gòu)在自重下具有一定的自復(fù)位能力。

2.2國內(nèi)對于搖擺剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究

國內(nèi)對于搖擺剪力墻的研究主要停留在理論分析階段，曲哲等[54]通過數(shù)值分析方法,研究了搖擺墻-框架結(jié)構(gòu)的抗震性能和損傷機(jī)制控制效果。曲哲等[55]介紹了國際上首個采用搖擺墻體系抗震加固的11層鋼骨混凝土框架結(jié)構(gòu)實例，并對加固前后的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了對比分析。曹海韻等[56]以一個按現(xiàn)行規(guī)范正常設(shè)計的 6 層混凝土框架為例，研究了框架搖擺墻結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。研究人員利用通用有限元程序Abaqus并結(jié)合清華大學(xué)開發(fā)的PQFiber用戶子程序庫，建立了框架結(jié)構(gòu)附加搖擺墻前后的彈塑性模型，并進(jìn)行了推覆分析。曹海韻等[57]，針對框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)的特殊性能要求設(shè)計了連接節(jié)點，并進(jìn)行了試驗研究(圖25，26)。通過不同加載模式的擬靜力試驗，驗證了連接節(jié)點實現(xiàn)搖擺墻轉(zhuǎn)動的可行性，并評價了采用該連接節(jié)點對框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)的控制效果。

圖25 墻底構(gòu)造[57]Fig.25Constructiondetailsofrockingwallbottom[57]圖26 框架-搖擺墻模型[57]Fig.26Modelofframe-rockingwall[57]

裴星洙等[58]在10 層混凝土框架縱向布置 4面搖擺墻體，并與相同尺寸的框架剪力墻體系進(jìn)行靜力彈塑性及動力時程分析，以此考察此體系的抗震性能。

3可更換剪力墻結(jié)構(gòu)

圖27　組合支座構(gòu)造 [63] Fig.27 Detail of the combined bearing [63]

在高層結(jié)構(gòu)剪力墻設(shè)計中，通常將剪力墻設(shè)計為彎曲型破壞模式，以保證其具有一定的延性，在彎曲型破壞模式下，剪力墻在遭遇超越設(shè)防烈度的地震下，底部墻腳的受壓區(qū)混凝土往往嚴(yán)重破碎，受壓鋼筋嚴(yán)重屈服。這種破壞難以修復(fù)，使用可更換剪力墻腳部構(gòu)件可以有效解決這一問題。

圖28　剪力墻破壞模式 [63] Fig.28 Failure pattern of the shear wall [63]

圖29　滯回曲線 [63] Fig.29 Hysteresis loops [63]

呂西林等[59-60]設(shè)計了一種新型的可更換腳部構(gòu)件剪力墻，主要設(shè)計思想在于用帶軟鋼鋼板的拉壓橡膠支座來代替剪力墻腳部混凝土，由鋼板來承受拉力,橡膠墊承受壓力(圖27)。它克服了傳統(tǒng)橡膠支座抗拉強(qiáng)度低的缺點,支座的抗拉能力可以通過設(shè)計計算來調(diào)整,支座通過螺栓實現(xiàn)與剪力墻的可拆卸連接，震后通過更換支座即可實現(xiàn)剪力墻的快速修復(fù)。研究人員提出了可更換腳部構(gòu)件剪力墻的設(shè)計方法[61]，之后對其進(jìn)行了低周反復(fù)試驗，并與普通剪力墻試件進(jìn)行了對比[62-63](圖28，29)。試驗結(jié)果表明，新型可更換剪力墻結(jié)構(gòu)具有更高的延性并能方便的拆卸和更換，但缺點在于地震作用較大時破壞部位會向非更換區(qū)轉(zhuǎn)移，且采用更換支座使結(jié)構(gòu)的剛度有明顯降低，因此，有待進(jìn)一步的改良。

4結(jié)論

總結(jié)國內(nèi)外已有研究，可以得到以下結(jié)論：

(1)剪力墻主要通過淺埋基礎(chǔ)，墻片與基礎(chǔ)脫開，墻片與基礎(chǔ)之間鉸接三種形式實現(xiàn)搖擺功能。淺埋基礎(chǔ)不需要復(fù)雜的構(gòu)造，但由于巖土性質(zhì)的復(fù)雜和離散性，需要對基礎(chǔ)尺寸及地基承載力進(jìn)行反復(fù)分析驗證。墻片與基礎(chǔ)脫開的方法較為常用，但墻腳與基礎(chǔ)接觸處容易造成應(yīng)力集中，可以通過在墻角加設(shè)螺旋箍筋或外包鋼板的方法防止混凝土壓潰。墻片與基礎(chǔ)之間鉸接可以保證剪力墻幾乎不受拉壓力影響，可以有效的保護(hù)剪力墻，是很好的搖擺構(gòu)造形式，但連接本身較為復(fù)雜，且鉸接構(gòu)造阻礙了預(yù)應(yīng)力鋼絞線的連通，因此在自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)中并不常用。

(2)為了控制搖擺或自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下的搖擺幅值，通常做法是在剪力墻底部內(nèi)置軟鋼棒消能裝置，但消能裝置破壞后難以更換，采用可拆卸外置消能裝置可以有效解決這一問題。

(3)現(xiàn)有的可更換腳部構(gòu)件剪力墻試件存在抗側(cè)剛度過小的問題，主要原因在于采用剛度較小的橡膠材料作為可更換支座，且連接處存在空隙造成連接剛度大幅減小。雖然在設(shè)計上，研究人員對底層非更換段有所補(bǔ)強(qiáng)，但對于補(bǔ)強(qiáng)估計不足。最終造成結(jié)構(gòu)的實際抗側(cè)剛度大大小于傳統(tǒng)剪力墻的抗側(cè)剛度，有可能使結(jié)構(gòu)層間位移角不滿足規(guī)范限值，因此有待進(jìn)一步研究改良。

(4)國外對于搖擺及自復(fù)位剪力墻已有多年的研究歷史,包括混凝土，砌體，鋼結(jié)構(gòu)，甚至木結(jié)構(gòu)形式的搖擺及自復(fù)位剪力墻均有較為深入的探討，而國內(nèi)對于這一方面研究依舊處于起步階段。對于可更換剪力墻，國內(nèi)外研究較為匱乏，同濟(jì)大學(xué)對這一領(lǐng)域進(jìn)行了初步探索，然而由于經(jīng)驗不足，依然存在很多不足之處。對于應(yīng)用于純剪力墻結(jié)構(gòu)中的同時具備可恢復(fù)功能連梁及可更換剪力墻的聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外研究依然是一片空白。對于可恢復(fù)功能連梁及可更換剪力墻如何協(xié)同工作及相互作用機(jī)理依然缺乏認(rèn)識。如今，可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)逐漸成為抗震研究的熱點，這一領(lǐng)域存在的空白值得研究人員的開拓和補(bǔ)全。

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