雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究

朱曉楠，楊樹標(biāo)，賈劍輝，張軒

（河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究

朱曉楠，楊樹標(biāo)，賈劍輝，張軒

（河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

為研究框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，在有限元軟件ABAQUS中建立了純框架結(jié)構(gòu)、框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)3組模型，并對(duì)3組模型在不同工況下進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析。通過分析對(duì)比表明，框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)的自振周期及地震作用與原框架結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)，在中等烈度地震后修復(fù)量減小且損傷集中在連梁易于修復(fù)，在高烈度下具有整體的破壞機(jī)制和更高的抗倒塌能力。

動(dòng)力時(shí)程分析；抗震性能；雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.010

1　引言

框架結(jié)構(gòu)是一種常見的建筑結(jié)構(gòu)形式，但該結(jié)構(gòu)體系在大震作用下易出現(xiàn)“柱鉸破壞”，使框架結(jié)構(gòu)發(fā)生層屈服破壞機(jī)制。我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）以“強(qiáng)柱弱梁”為設(shè)計(jì)原則，通過增大柱端彎矩的設(shè)計(jì)值來延遲柱塑性鉸的出現(xiàn)和增加塑性鉸的數(shù)量，以達(dá)到預(yù)期的“梁鉸機(jī)制”，但是,由于框架結(jié)構(gòu)體系自身的結(jié)構(gòu)特性,使“梁鉸機(jī)制”很難在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)。自1963年Housner首次[1]提出搖擺結(jié)構(gòu)，經(jīng)過幾十年學(xué)者的努力，搖擺結(jié)構(gòu)研究成果得到進(jìn)一步發(fā)展?？蚣?雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)的概念是由Hitaka和Sakino于2008年提出，主要是基于傳統(tǒng)框架-搖擺墻的整體變形模式和有效保護(hù)墻肢免受損傷的特點(diǎn)，通過對(duì)比傳統(tǒng)聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)提出了搖擺聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。文獻(xiàn)[2]主要分析了框架-雙肢搖擺墻中連梁對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。目前，對(duì)于框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)研究較少，因此框架—雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)體系值得進(jìn)一步研究。

2　性能目標(biāo)的選取

在地震作用下，綜合考慮到結(jié)構(gòu)主體、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備的性狀，選取層間位移角作為性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)的層間位移角應(yīng)滿足以下要求。

在多遇地震下，由于地震作用較小，框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)通過框架梁、墻肢連梁和墻基礎(chǔ)的連接作用，使墻肢基礎(chǔ)可轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接點(diǎn)基本處于剛接狀態(tài)，此時(shí)框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)工作性能接近于普通雙肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，具有較大的側(cè)向剛度和豎向承載力，結(jié)構(gòu)的最大層間變形控制在1/1000以內(nèi)。在偶遇地震下，結(jié)構(gòu)層間位移增大，連梁豎向相對(duì)位移也隨之增大，但連梁始終保持在彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)通過墻體的擺動(dòng)改變其變形模式，最大層間位移角控制在1/450左右。在罕遇地震下，由于地震作用力的加劇，連梁與墻肢連接處產(chǎn)生塑性鉸，消耗一定的地震能量，連梁對(duì)墻體的約束作用減小，墻體擺動(dòng)幅度增大，但通過墻體對(duì)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)能力，最終仍能保證結(jié)構(gòu)的最大層間位移角在1/200以內(nèi)。在稀罕地震下，連梁已屈服破壞并退出工作，此時(shí),框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)可視為兩片相對(duì)獨(dú)立的傳統(tǒng)搖擺墻結(jié)構(gòu)，發(fā)揮搖擺墻結(jié)構(gòu)改變結(jié)構(gòu)整體破壞模式的優(yōu)點(diǎn)，協(xié)調(diào)主體結(jié)構(gòu)的層間變形使其最大層間位移角在1/50以內(nèi)，保障人們的生命安全和最大限度地減小財(cái)產(chǎn)損失。地震設(shè)防等級(jí)與結(jié)構(gòu)性能水平的關(guān)系見表1。

表1　抗震設(shè)防等級(jí)與結(jié)構(gòu)性能水平的關(guān)系

3　結(jié)構(gòu)模型與建模

3.1工程概況

本文選用的模型為8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為VII度，第一組II類場(chǎng)地（特征周期為0.35s）。結(jié)構(gòu)縱向6跨，跨度均為7.5m；橫向3跨，邊跨7.5m，中跨為內(nèi)走廊，跨度為3.0m，如圖1所示。結(jié)構(gòu)在1～4層和5～8層分別采用不同的梁、柱截面，構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的位置見表2。

表2　樓層信息表

圖1　結(jié)構(gòu)平面布置圖

在該框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加搖擺墻和雙肢-搖擺墻，組成框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)體系和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)體系，其中兩組結(jié)構(gòu)模型墻體的抗彎剛度相同，使它們?cè)谕坏卣鹆叶认戮哂锌杀刃?。墻體設(shè)計(jì)過程中取墻體與框架的剛度比6.8%[3]，由此得框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)墻肢截面尺寸為300mm4400mm，框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)單片墻肢截面尺寸為300mm3300mm，連梁截面尺寸為300mm500mm。

3.2有限元建模

采用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值分析模型。梁、柱混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系均采用PQ-Fiber中的UConcrete02?？紤]樓板和墻體混凝土材料的非線性，其本構(gòu)模型為Concrete Damaged Plasticity?？蚣?搖擺墻結(jié)構(gòu)體系和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)體系墻體的基礎(chǔ)采用鉸接，分別建立3種結(jié)構(gòu)模型（見圖2）。

圖2　結(jié)構(gòu)模型示意圖

4　抗震性能分析

本文研究在縱向水平地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能。采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析法，選用El-Centro波，持續(xù)時(shí)間為15s，3組模型分別進(jìn)行4種不同地震烈度的時(shí)程分析。

4.1自振特性

由表3可知，純框架結(jié)構(gòu)的自振周期最大，框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)的自振周期小于純框架結(jié)構(gòu)，但相差較小。在純框架結(jié)構(gòu)中，將柱子抽掉換成墻體后，墻肢的剛度大于柱子的剛度，由于搖擺墻基礎(chǔ)為鉸接，因此，框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)的基本周期與純框架結(jié)構(gòu)相差較小，地震作用也未產(chǎn)生較大差異，同時(shí),該兩組模型的一階自振周期相同，表明2組結(jié)構(gòu)模型的剛度基本相同。若采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的自振周期估計(jì)在0.6s左右，地震作用和結(jié)構(gòu)內(nèi)力要大于框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)。

表3　模型自振周期

4.2結(jié)構(gòu)層間位移角

圖3為3組模型在不同工況下的層間位移角。在7度多遇地震下，純框架結(jié)構(gòu)的層間位移角要明顯大于其他2組模型，其最大層間位移角為1/599，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的第2層，而框架-搖擺墻和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)的最大層間位移角分別為1/1458和1/1417，均達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)。在7度基本地震下，純框架結(jié)構(gòu)底層和2層出現(xiàn)最大層間位移角1/353。框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他2組模型最大層間位移角的變化較為均勻，最大層間位移角出現(xiàn)在首層1/416?？蚣?雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)在2層位置出現(xiàn)1/477的最大層間位移角，滿足預(yù)設(shè)1/450的性能目標(biāo)。本文假定以結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性鉸數(shù)量占整體結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的比例作為衡量結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性程度的標(biāo)準(zhǔn)。在7度基本地震下，框架結(jié)構(gòu)中構(gòu)件進(jìn)入塑性比例達(dá)8.5%，框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)的塑性比例為8.7%，均大于框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)的3.8%，因此框架-雙肢搖擺墻的修復(fù)量要少于其他2組模型。在7度罕遇地震下，純框架結(jié)構(gòu)的底部層間位移角為1/140，而結(jié)構(gòu)3層以上的層間位移角與其他2組結(jié)構(gòu)模型基本相同。框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別控制在1/189和1/233以內(nèi)，框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)滿足1/200的限值，而純框架結(jié)構(gòu)和框架-搖擺墻的最大層間位移角超出了該性能目標(biāo)。此時(shí)，框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的比例達(dá)17.0%，框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性比例分別為32.1%和33.0%。雖然框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)中構(gòu)件進(jìn)入塑性的比例較大，但是塑性鉸分布均勻，且主要集中在連梁梁端，易于震后的修復(fù)或更換。

圖3　結(jié)構(gòu)層間位移角

在9度罕遇地震下，純框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/26出現(xiàn)在底部，2層以上結(jié)構(gòu)層間位移角均小于1/226，純框架結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯地層破壞機(jī)制?？蚣?搖擺墻和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)的最大層間位移角分別為1/52和1/67，均滿足該地震烈度下的最大層間位移限值1/50。純框架結(jié)構(gòu)、框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的比例分別為21.0%、38.7%和41.1%，純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性比例較低，集中在底部柱鉸位置，發(fā)生層間破壞。框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)塑性比例高于其他2組，塑性分布均勻，抗倒塌能力強(qiáng)，增加在巨大地震作用下結(jié)構(gòu)的安全性。

4.3基底剪力

表4所示為3組結(jié)構(gòu)模型在不同工況下的基底剪力最大值。

在7度多遇地震下，3組模型剛度基本無變化，處于彈性狀態(tài)。純框架結(jié)構(gòu)的最大基底剪力約為其他2組模型的2倍。在7度基本地震下，純框架結(jié)構(gòu)在第2層產(chǎn)生最大層間位移角，結(jié)構(gòu)在此處產(chǎn)生薄弱層，最大基底剪力減小為5.69103kN，其他2組結(jié)構(gòu)的最大基底剪力卻增大為原來的兩倍左右。在罕遇地震下，根據(jù)3組模型的基底剪力最大值增長幅度可以看出，純框架結(jié)構(gòu)的最大基底剪力增長幅度很小，而其他2組模型最大基底剪力仍有較大的增加。說明框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)中構(gòu)件雖然塑性發(fā)展進(jìn)一步加深，但仍具有一定的剛度和承載能力，可防止巨大地震造成結(jié)構(gòu)倒塌。

表4　結(jié)構(gòu)基底剪力最大值

4.4滯回耗能分析

本文將結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和基底剪力圍成的滯回曲線作為衡量結(jié)構(gòu)耗能能力大小的標(biāo)準(zhǔn)。在7度多遇地震下，框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)耗能能力均較小，純框架結(jié)構(gòu)的耗能較大，主要因?yàn)榧兛蚣芙Y(jié)構(gòu)相對(duì)其他2個(gè)模型剛度較小，最大層間位移角相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件耗散能量，但結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)。在7度基本地震下，純框架結(jié)構(gòu)的耗能能量為222.42kN·m，其他2組模型耗能能力顯著增大，但與純框架結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)。在7度罕遇地震下，框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)耗能能力的優(yōu)越性得以體現(xiàn)，耗散能量分別為1292.73kN·m和1264.20kN·m，是純框架結(jié)構(gòu)的兩倍。同時(shí)，從7度基本到7度罕遇地震，最大加速度峰值增大2倍，框架結(jié)構(gòu)耗能能量增大3倍，其他2組模型的耗能能量增大近5倍，由此也可以看出搖擺墻耗能優(yōu)勢(shì)所在。在9度罕遇地震下，純框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角超限，不做討論?？蚣?雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)耗散能量6867.27kN·m，要明顯優(yōu)于框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)耗散的能量5717.63kN·m。這是由于在較大地震作用下，框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)連梁產(chǎn)生塑性鉸并耗散地震能量，當(dāng)連梁屈服后，此時(shí)雙肢搖擺墻接近于2片相對(duì)獨(dú)立的搖擺墻結(jié)構(gòu)繼續(xù)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的變形模式，協(xié)調(diào)主體框架結(jié)構(gòu)整體的塑性發(fā)展。

4.5塑性鉸分布及發(fā)展

為表明3組模型塑性鉸分布及發(fā)展情況，本文選用結(jié)構(gòu)縱向的一榀框架進(jìn)行分析。圖4為3組模型在不同工況下結(jié)構(gòu)塑性鉸分布及發(fā)展。圖中圓圈表示結(jié)構(gòu)塑性鉸的位置。

圖4　塑性鉸分布及發(fā)展

在7度基本地震下，模型開始發(fā)生進(jìn)入塑性狀態(tài)。純框架結(jié)構(gòu)首先在底層和2層柱產(chǎn)生柱鉸，進(jìn)而塑性鉸的塑性程度進(jìn)一步加深。由于在5層柱截面變小，所以在該層和6層產(chǎn)生新的柱鉸。在巨大地震作用下，結(jié)構(gòu)2層最大層間位移角超出規(guī)范規(guī)定，塑性鉸主要集中在柱子端部，純框架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的“柱鉸機(jī)制”?？蚣?搖擺墻結(jié)構(gòu)首先在1層產(chǎn)生柱鉸，同時(shí)與搖擺墻連接的梁端也開始進(jìn)入塑性，最終與搖擺墻連接的梁端均產(chǎn)生塑性鉸，雖然此時(shí)產(chǎn)生柱鉸，但其分布較為均勻，這是由于搖擺墻有效地控制了底部薄弱層柱鉸塑性發(fā)展程度，協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的整體變形，使結(jié)構(gòu)的大部分構(gòu)件發(fā)生塑性變形，耗散地震能量，尤其在與搖擺墻連接的梁端塑性鉸耗能貢獻(xiàn)最大?？蚣?雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)開始僅在底部受力較大的連梁梁端產(chǎn)生塑性鉸，隨后產(chǎn)生塑性鉸的連梁數(shù)量增多，部分框架柱開始出現(xiàn)柱鉸，最終發(fā)展為整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生柱鉸和梁鉸。該結(jié)構(gòu)梁端形成塑性鉸且發(fā)展程度較深，延遲和減少柱鉸的形成，通過梁端塑性鉸耗散地震能量，減小地震作用，連梁屈服后，搖擺墻形成相對(duì)獨(dú)立兩片墻，繼續(xù)發(fā)揮搖擺墻的作用，發(fā)生整體破壞模式。

5　結(jié)語

多層混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下易形成層破壞機(jī)制，對(duì)框架結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)可以成為框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)或框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)。合理設(shè)計(jì)的框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)的自振周期及地震作用與原框架結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)；框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)和框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)在地震作用下具有整體的破壞機(jī)制和更高的抗倒塌能力。

在中等地震烈度下，框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)比框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)損傷量小，相應(yīng)的震后修復(fù)量減小?？蚣?雙肢搖擺墻的損傷主要從墻肢的連梁開始，可以通過合理的連梁設(shè)計(jì)使連梁成為耗能的主要部件，這樣即可減少結(jié)構(gòu)其他部位的損傷又易于震后修復(fù)。框架-雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)是一種新的抗震結(jié)構(gòu)體系，值得進(jìn)一步的研究和發(fā)展。

【1】Housner G W.The behavior of inverted pendulum structures during earthquakes[J].Bulletin of the Seismological Society of America, 1963,53(2),:403-417.

【2】趙彥波,楊樹標(biāo).雙肢搖擺墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，2015.

【3】楊樹標(biāo),閆路路,賈劍輝，等.搖擺墻剛度對(duì)框架搖擺墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析[J].世界地震工程，2014,30(4):27－33．

Study on Seismic Performance of Rocking Coupled Shear Wall Structures

ZHU Xiao-nan，YANG Shu-biao，JIA Jian-hui，ZHANG Xuan
(College of Civil Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056038，China)

In this study,three numerical models including framed structure,framed-shear wall structure and rocking coupled shear wall structure were established and analyzed under earthquakes to investigate their seismic performance.The results showed that the period of framed structure is closed to that of the rocking coupled shear wall structure and most damage appears on the connecting beam.The rocking coupled shear wall structure is verified to be a good seismic performance system and deserved to research deeply.

dynamic time history analysis;seismic performance;rocking coupled wall structure

TU352.11;TU323.5

A

1007-9467（2016）05-0047-04

【項(xiàng)目項(xiàng)目】河北省科技支撐項(xiàng)目（13275401D）

朱嘵楠（1988～），男，河北邯鄲人，在讀碩士生,從事攻讀和研究建筑抗震設(shè)計(jì)，（電子信箱）zhuxn163@163.com。

2015-11-20