預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置金屬阻尼器減震效果

劉健，張玉敏

（華北理工大學(xué)河北省地震工程研究中心，河北唐山063009）

預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置金屬阻尼器減震效果

劉健，張玉敏

（華北理工大學(xué)河北省地震工程研究中心，河北唐山063009）

預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻；金屬阻尼器；非線性時程分析；抗震性能

利用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000，對一棟分別采用現(xiàn)澆整體剪力墻、預(yù)制墻體接縫無阻尼器、預(yù)制墻體接縫有阻尼器的剪力墻結(jié)構(gòu)建立了計算模型，進(jìn)行多遇地震及罕遇地震作用下的非線性時程分析，根據(jù)計算數(shù)據(jù)分析設(shè)置有耗能阻尼器的預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。計算結(jié)果表明：當(dāng)拼縫寬度在300～500mm范圍內(nèi)時，能取得較為滿意的減震效果。位移型阻尼器在小震時基本處于彈性狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)提供剛度；在大震時則處于屈服狀態(tài)，具備良好的耗能能力。為了減小在地震作用下的層間位移角及具有耗能作用，在預(yù)制墻板的豎向接縫內(nèi)設(shè)置位移型阻尼器是可行的。

0 引言

目前，國內(nèi)許多城市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理部門推廣適合工業(yè)化生產(chǎn)的預(yù)制裝配式混凝土建筑體系，加快發(fā)展建設(shè)工程的預(yù)制和裝配技術(shù)，提高建筑工業(yè)化技術(shù)集成水平，開展工業(yè)化建筑示范試點。預(yù)制裝配式建筑是工業(yè)化建筑的重要形式，由于其具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益，因此在我國建筑工業(yè)化進(jìn)程中扮演重要角色［1］。

剪力墻作為一種抵抗側(cè)向力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其剛度大，承載力高，在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。大量的鋼筋混凝土高層建筑通常由梁、柱、樓板和剪力墻及筒體構(gòu)成，剪力墻是高層建筑抗震的核心部分，其承擔(dān)了80%以上的水平地震作用，所以剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能對于高層建筑的安全可靠有著至關(guān)重要的作用，是工程界十分關(guān)注和亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

中國建筑科學(xué)研究院、清華大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、安徽建筑工業(yè)學(xué)院等多家單位開展了預(yù)制剪力墻的部分技術(shù)研究。通過試驗研究，在結(jié)構(gòu)體系的連接構(gòu)造、抗震性能、設(shè)計方法、施工方法等方面取得了很多成果，并編制了部分地方標(biāo)準(zhǔn)，在萬科集團(tuán)、南通建筑工程總承包有限公司、上海瑞安集團(tuán)、黑龍江宇輝集團(tuán)等的開發(fā)項目中開展了部分工程應(yīng)用［2－6］。

從國內(nèi)外的研究和應(yīng)用經(jīng)驗來看，與裝配式框架結(jié)構(gòu)相比，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中存在更大量的接縫，預(yù)制裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的水平接縫和豎向接縫是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，水平接縫傳遞豎向荷載、承受水平剪力，豎向接縫傳遞相鄰剪力墻片之間的剪力。對于預(yù)制混凝土剪力墻中構(gòu)件拼接結(jié)合面連接性能對剪力墻構(gòu)件乃至整個結(jié)構(gòu)的影響，總體說來，日本和我國強(qiáng)調(diào)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)基本是混凝土結(jié)構(gòu)的延伸；總的設(shè)計目的可以被形容為：希望把裝配式混凝土制作成等同于整體混凝土行為，所以我國采用的接縫連接基本是以濕縫實現(xiàn)剛連接為主。而美國，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造不同于整體混凝土，他們主要強(qiáng)調(diào)的是干的節(jié)點和快速施工［4］。目前我國預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)可以分為部分預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)和全預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)。部分預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)主要指內(nèi)墻現(xiàn)澆、外墻預(yù)制的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)目前在北京萬科的工程中已經(jīng)示范應(yīng)用。由于內(nèi)墻仍為現(xiàn)澆，其預(yù)制化率較低。全預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)是指全部剪力墻采用預(yù)制構(gòu)件拼裝裝配。該結(jié)構(gòu)體系的預(yù)制化率高，但拼縫的連接構(gòu)造比較復(fù)雜、施工難度較大，難以保證完全等同于現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，使得真正的全預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)在地震區(qū)的推廣應(yīng)用還有待更深層次的研究。

如果不采用上述常規(guī)的等同于現(xiàn)澆的設(shè)計理念，使接縫結(jié)合面較弱些，在較小荷載時，預(yù)制墻與現(xiàn)澆墻幾乎相同的性質(zhì)，較大荷載時，結(jié)合面產(chǎn)生小變形和摩擦作用，使整體墻阻尼增加，延性增加，抗震性能更好。這一理念與部分現(xiàn)澆剪力墻研究者提出的帶豎縫混凝土剪力墻理念一致，似乎更合理些，但對于水平結(jié)合面則不行，其滑移將會導(dǎo)致很大變形，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，而且對于豎向結(jié)合面也要有量的控制?；诖朔N觀點，提出強(qiáng)水平縫弱豎縫的實施方法，利用一種新型預(yù)制現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板形成強(qiáng)水平縫，采用耗能金屬或者摩擦阻尼器形成弱豎向縫。從結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制看，結(jié)構(gòu)在側(cè)力的作用下，由于水平縫較強(qiáng)，豎縫首先屈服，與"強(qiáng)柱弱梁"相似，不致形成引起結(jié)構(gòu)倒塌的屈服機(jī)制。

豎向接縫傳遞預(yù)制剪力墻墻片之間的相互作用，影響結(jié)構(gòu)的變形和耗能能力。豎向接縫的抗剪承載力取決于接縫的形狀、剪切鍵的面積、接縫的寬度、接縫材料的性能等。耗能剪力墻的研究主要集中在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中，目前還未見將豎縫剪力墻和阻尼器應(yīng)用于裝配式住宅的嘗試，但上述理論和試驗結(jié)果可以借鑒到預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中［7－13］，以實現(xiàn)“強(qiáng)水平縫，弱豎縫”的設(shè)計理念。

基于以上觀點，為了使預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系得到推廣應(yīng)用，保證剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計要求，提高結(jié)構(gòu)延性，在提出新型“強(qiáng)水平縫弱豎縫”設(shè)計理念基礎(chǔ)上，利用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000，對一棟分別采用現(xiàn)澆整體剪力墻、預(yù)制墻體接縫無阻尼、有阻尼的剪力墻結(jié)構(gòu)建立了計算模型，并通過時程分析法驗證。

1 結(jié)構(gòu)分析模型

取一幢20層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)層高3m，共20層，總高60m。結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。樓面根據(jù)一般裝修條件取用恒載4．0kN／m2，屋面則適當(dāng)考慮找坡層、保溫隔熱層的恒載，取5．0kN／m2。樓面活荷載取2．0kN／m2，不上人屋面活荷載取0．5kN／m2。剪力墻厚度為250mm，混泥土為C40，鋼筋為HRB400，樓板厚度為150mm，混凝土為C35，鋼筋為HRB 335。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置示意圖（mm）

阻尼器布置方案：

將阻尼器布置在Y軸方向的2片剪力墻中間，如圖3所示。2片墻中間預(yù)留豎縫，預(yù)制剪力墻尺寸采用1 800mm×3 000mm×250mm。剪力墻采用非線性殼單元。模型中阻尼器采用Plastic（Wen）單元，Plastic（Wen）的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示［14］，與摩擦單元（理想剛塑性）類似。

圖2 Plastic（Wen）單元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 阻尼器布置示意圖

采用SAP2000，分別建立純剪力墻結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置豎向縫剪力墻模型，以及安裝不同參數(shù)的阻尼器剪力墻模型。選取El Cenro波，加速度峰值為341．7cm／s2，持續(xù)時間20s，間隔時間0．02s。對地震波進(jìn)行調(diào)整為設(shè)防烈度8度時多遇地震和罕遇地震情況下進(jìn)行時程分析，比較不同模型下結(jié)構(gòu)的層間位移角。多遇地震與罕遇地震地面運(yùn)動加速度值分別取70cm／s2及400cm／s2。

2 計算結(jié)果及分析

非線性動力反應(yīng)時程分析結(jié)果如表1、表2所示（僅給出了部分計算結(jié)果）。

表1 縫寬300mm地震動力反應(yīng)層間位移（多遇地震）

表2 縫寬300mm地震動力反應(yīng)層間位移（罕遇地震）

圖4所示為結(jié)構(gòu)樓層層間與金屬阻尼器參數(shù)的關(guān)系，圖5所示為結(jié)構(gòu)樓層層間與墻板接縫寬度之間的關(guān)系。

圖4 結(jié)構(gòu)樓層層間與金屬阻尼器參數(shù)

圖5所示為結(jié)構(gòu)樓層層間與墻板接縫寬度。

圖5 結(jié)構(gòu)樓層層間與墻板接縫寬度

計算結(jié)果表明：當(dāng)接縫寬度為100～200mm時，在多遇地震和罕遇地震條件下，帶阻尼器的預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的減震效果不明顯，動力反應(yīng)層間位移角甚至大于現(xiàn)澆整體結(jié)構(gòu)。

從圖4及圖5可以看出，當(dāng)接縫寬度為300～500mm時，在多遇地震和罕遇地震條件下，設(shè)置阻尼器的預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)具有明顯的減震效果。多遇地震與罕遇地震情況下，不同樓層層間位移角減振效率一般在20%～70%左右［減振效率＝（無阻尼器層間位移角－有阻尼器層間位移角）／無阻尼器層間位移角］，這時減效果較好。從圖4也可以看出，只有當(dāng)初始剛度及屈服點取適當(dāng)較高的值時，才有明顯的減震效果，其最優(yōu)組合要通過計算比較確定。

另外當(dāng)1 000mm縫寬時，減震效果有所下降，只有當(dāng)阻尼器剛度和屈服力比較大時，帶阻尼器的預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)具有明顯的抗震效果。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)墻板豎向接縫寬度小于100～200mm時，在接縫設(shè)置阻尼器沒有減震效果；當(dāng)接縫寬度在300～500mm范圍內(nèi)時，能取得較為滿意的減震效果。但此時需要考慮位移型阻尼器的參數(shù)匹配，如屈服點及初始剛度。

（2）位移型阻尼器在小震時基本處于彈性狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)提供剛度；在大震時則處于屈服狀態(tài)，具備良好的耗能能力。

（3）在預(yù)制墻板的豎向接縫內(nèi)設(shè)置位移型（軟鋼）阻尼器，可以減小在地震作用下的層間位移角及具有耗能作用，這也為預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的豎向接縫賦予了必要的功能，針對具體的結(jié)構(gòu)形式，可以優(yōu)化設(shè)計。

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［3］ 錢稼茹，彭媛媛，張景明，等．豎向鋼筋套筒漿錨連接的預(yù)制剪力墻抗震性能試驗［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2011，41（2）：1－6．

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Seismic Efficiency for Precast Reinforced Concrete Shear Wall Structure with Metal Dampers

LIU Jian，ZHANG Yu－min
（Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China）

precast reinforced concrete；metal damper；nonlinear time－h(huán)istory analysis；seismic performance

With structural analysis software SAP2000，a numerical model for a shear wall structure，with cast－in－situ，precast without dampers within linking belts and precast including dampers within linking belts respectively，was established to analysis its seismic performance according to results from nonlinear dynamic time history analysis for earthquake actions．The results show that when the width of linking belt is between 300－500mm，desired results for seismic mitigation could be expected．The displacement－type designed damper was generally in range of elastic deformation under frequent earthquake to provide rigidness，and it was in range of yielding deformation under severe earthquake to provide capacity of energy dissipation．It is practical to interpose displacement type designed damper within linking belts of precast shear walls for decreasing inter－story displacement and for dissipating energy．

TU375．4

A

2095－2716（2016）04－0125－08

2016－04－25

2016－09－19

河北省自然基金項目（E2015209020）。