屈服耗能隔墻的減震性能

劉哲鋒，王子琰，曾志輝，匡彥，聶輝

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410004)

屈服耗能隔墻的減震性能

劉哲鋒，王子琰，曾志輝，匡彥，聶輝

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410004)

將消能減震概念應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提出一種屈服耗能隔墻。該隔墻在小震下為主體結(jié)構(gòu)提供可量化的剛度支持，大震時(shí)提供可調(diào)節(jié)的耗能能力支持。通過(guò)對(duì)屈服耗能隔墻試件進(jìn)行不同耗能元件數(shù)量下的靜力往復(fù)試驗(yàn)，研究了該類型隔墻的消能機(jī)理與破壞模式，并基于IDARC程序中的柱單元對(duì)試件進(jìn)行模擬，獲得了消能元件數(shù)量與隔墻滯回參數(shù)之間的量化關(guān)系，提出了在IDARC程序中模擬設(shè)置屈服耗能隔墻的方法。通過(guò)對(duì)一個(gè)6層鋼筋混凝土框架進(jìn)行不同屈服耗能隔墻設(shè)置方案下的動(dòng)力時(shí)程分析，發(fā)現(xiàn)屈服耗能隔墻的設(shè)置能夠有效減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)、降低結(jié)構(gòu)的損傷；框架中耗能隔墻數(shù)量的增加會(huì)使結(jié)構(gòu)的層間位移顯著減小，而隔墻數(shù)量相同時(shí)，隔墻中耗能元件數(shù)量的增加并不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層間位移發(fā)生明顯變化。

隔墻；屈服耗能；靜力往復(fù)試驗(yàn)；鋼筋混凝土框架

相對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件，隔墻、填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于剛度較低，整體性和變形能力較差，在地震作用下容易發(fā)生垮塌，從而造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。消能減震技術(shù)則是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種安全、有效的工程抗震方法，這種方法通過(guò)把某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)成耗能元件,以減小主體結(jié)構(gòu)的破壞[5-6]。因此,研究人員開(kāi)始思考如何將消能減震思想引入非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，使之成為一個(gè)可控的耗能單元，在實(shí)現(xiàn)自身有序破壞的同時(shí)，提高主體結(jié)構(gòu)的抗震性能。如唐興榮等[7]、瞿偉廉等[8]通過(guò)對(duì)砌體填充墻設(shè)縫來(lái)減小墻體的剛度約束作用；周云等[9-10]在砌體填充墻內(nèi)設(shè)置填充有阻尼材料的貫通橫縫，使墻片在相互錯(cuò)動(dòng)時(shí)通過(guò)阻尼機(jī)制耗散能量；林坤等[11]提出無(wú)漿砌體填充墻，通過(guò)砌塊之間的摩擦實(shí)現(xiàn)耗能；暴偉等[12]則對(duì)輕鋼龍骨隔墻體系的屈服耗能機(jī)制進(jìn)行了研究。

本文亦將耗能減震概念應(yīng)用于填充墻體系，提出一種屈服耗能隔墻。該隔墻在小震下為主體結(jié)構(gòu)提供可量化的剛度支持，大震時(shí)提供可調(diào)節(jié)的耗能能力支持，以期為減震隔墻的性能化設(shè)計(jì)提供一種思路與嘗試[13]。

1 屈服耗能隔墻的構(gòu)造與試驗(yàn)

1.1 隔墻構(gòu)造與隔墻試件

圖1 屈服耗能隔墻構(gòu)造Fig.1 Yielding energy dissipation partitio

如圖1所示，屈服耗能隔墻由上下兩塊墻片和中間的軟鋼耗能元件組成，墻片采用X型鋼筋混凝土構(gòu)架，空隙處填充輕質(zhì)材料。在墻片中預(yù)埋用以連接軟鋼耗能元件的鋼片，上下鋼片位置對(duì)齊；軟鋼耗能元件的孔洞位置與預(yù)埋鋼片孔洞重合，用螺栓將軟鋼耗能元件與預(yù)埋鋼片栓緊，從而將上下墻片連接成為一個(gè)整體。在小震作用下，軟鋼耗能元件僅發(fā)生彈性變形，隔墻提供一定的剛度；在大震作用下，耗能元件變形耗能，而與上下樓板連接的墻片保持彈性狀態(tài)。地震結(jié)束后更換耗能元件，隔墻可繼續(xù)使用。同時(shí)，隔墻的耗能能力可以根據(jù)耗能元件的數(shù)量加以調(diào)整。

為了解屈服耗能隔墻的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)一個(gè)屈服耗能隔墻試件進(jìn)行靜力往復(fù)試驗(yàn)。試件的尺寸與配筋如圖2，隔墻試件的設(shè)計(jì)高度為1 715 mm，上下墻片長(zhǎng)寬均為800 mm，X型構(gòu)架與邊框的截面均為120 mm×120 mm，隔墻下墻片與地梁整體澆筑。縱筋與箍筋均采用HRB335級(jí)鋼筋，混凝土為C30級(jí)。上下墻片中的預(yù)埋鋼片采用厚度為10 mm的Q235鋼，軟鋼耗能元件采用厚度為5 mm的Q235鋼，其細(xì)部尺寸見(jiàn)圖3，連接螺栓型直徑8 mm。

圖2 試件尺寸與配筋(單位：mm)Fig.2 Section dimensions and reinforcement details of specimen

圖3 預(yù)埋鋼片與耗能元件尺寸(單位：mm)Fig.3 Dimensions of embedded steel and energy

試件的安裝如圖4所示，地梁與地面通過(guò)螺桿以及兩端的油壓千斤頂進(jìn)行固定。隔墻上墻片頂端預(yù)埋高強(qiáng)螺栓，與配套制作的帶孔加載鋼梁(1 500 mm×50 mm×40 mm)相連接，以模擬上部墻片與樓板的固定連接。帶孔鋼梁與作動(dòng)器相連，為了保持帶孔鋼梁的水平運(yùn)動(dòng)，試件兩側(cè)設(shè)置槽鋼，槽鋼兩端分別與加載鋼梁、地梁進(jìn)行鉸接連接。作動(dòng)器通過(guò)對(duì)鋼梁施加水平力，實(shí)現(xiàn)隔墻上下墻片的相對(duì)位移，以模擬地震中結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的層間位移。

圖4 試件的安裝Fig.4 Installation of specime

1.2 加載方案與試驗(yàn)結(jié)果

采用MTS500kN作動(dòng)器分別對(duì)安裝有3、4、5片耗能元件的隔墻試件實(shí)行往復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)采用位移控制，加載規(guī)則為10 mm→20 mm→30 mm→40 mm→50 mm→60 mm，每個(gè)幅值往復(fù)加載5次。

3次試驗(yàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象基本類似，即采用10、20 mm幅值往復(fù)加載時(shí)，耗能元件雖然有一定的變形，但當(dāng)位移回復(fù)到初始位置時(shí)，耗能元件能夠恢復(fù)到原始狀態(tài)；當(dāng)采用30 mm幅值往復(fù)加載后，耗能元件的變形明顯增大，位移回復(fù)到初始位置時(shí)，耗能元件出現(xiàn)形狀扭曲；隨著加載幅值不斷增加，耗能元件的變形加劇，呈現(xiàn)波浪形扭曲(圖5)；隔墻最終的破壞以連接耗能元件的螺栓斷裂為標(biāo)志(圖6)。3片、4片耗能元件下的試驗(yàn)在位移幅值為60 mm時(shí)螺栓斷裂，5片耗能元件下的試驗(yàn)在幅值為50 mm時(shí)螺栓斷裂。加載過(guò)程中上下墻片未出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖5 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的軟鋼耗能元件Fig.5 The energy components at the end of the tes

圖6 連接螺栓的斷裂Fig.6 Fracture of connecting bolt

圖7是3次靜力往復(fù)加載試驗(yàn)的滯回曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于混凝土墻片維持彈性，因此，試件在滯回過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)度或剛度退化現(xiàn)象；隨著耗能元件數(shù)量的增加，滯回曲線的主要變化在于加載剛度的增加，并導(dǎo)致耗能能力提高。隔墻試件的滯回曲線與通常的軟鋼耗能阻尼器有較為明顯的不同，發(fā)生了較為明顯的捏縮。一方面原因在于墻片本身的變形，同時(shí)，由于螺栓與軟鋼耗能元件孔洞之間的空隙導(dǎo)致螺栓松動(dòng)產(chǎn)生虛位移，此外，試驗(yàn)過(guò)程中，由于加載鋼梁與上墻片在加載后期發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致上部墻片在滯回過(guò)程中發(fā)生了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。這種松動(dòng)現(xiàn)象在具有5片耗能元件的試驗(yàn)中表現(xiàn)得最為明顯，因此，其滯回曲線的捏縮也最為嚴(yán)重。

2 屈服耗能隔墻的數(shù)值模擬

在IDARC程序中，可通過(guò)設(shè)定滯回曲線的特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)滯回過(guò)程中強(qiáng)度衰減、剛度衰減以及捏縮效應(yīng)的模擬[14]。采用IDARC7.0中的柱單元來(lái)模擬隔墻，即通過(guò)調(diào)整柱單元滯回曲線的特征參數(shù)來(lái)進(jìn)行模擬。如圖8所示，在程序中建立一個(gè)梁?jiǎn)卧M加載橫梁，通過(guò)鉸接鏈桿模擬隔墻兩側(cè)的槽鋼，采用柱單元模擬屈服耗能隔墻，柱單元不設(shè)置材料參數(shù)，僅通過(guò)輸入截面的滯回特征來(lái)進(jìn)行定義。通過(guò)對(duì)梁?jiǎn)卧┘酉嗤乃郊虞d路徑，通過(guò)柱單元兩端塑性鉸的滯回行為來(lái)模擬隔墻試件的屈服耗能過(guò)程。

圖8 IDARC程序中隔墻的模擬Fig.8 The partition model in IDARC progra

圖9是柱單元長(zhǎng)度為3.3 m時(shí)按照滯回面積等同的原則進(jìn)行模擬的結(jié)果，對(duì)比曲線，可見(jiàn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)值較為接近。需要指出的是，這里的模擬隱含約定了3.3 m高的耗能隔墻與試驗(yàn)中的試件具有相同的滯回性能，即模擬隔墻上下墻片的抗側(cè)剛度應(yīng)與試件相等，耗能元件的尺寸應(yīng)與試件相同。

圖9 隔墻試件的IDARC模擬滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線Fig.9 The hysteresis curves of IDARC simulation

表1是IDARC中柱模型滯回參數(shù)的取值，可見(jiàn)，耗能元件數(shù)量的增加導(dǎo)致隔墻初始剛度的增長(zhǎng)，而屈服后剛度以及各退化參數(shù)并沒(méi)有發(fā)生變化，這與圖7所展示的現(xiàn)象一致。因此，在建模過(guò)程中，可以認(rèn)為隔墻中耗能元件的數(shù)量?jī)H影響模型的初始剛度，取值可按照表1中的數(shù)值進(jìn)行線性插值。

表1 試件模擬時(shí)滯回參數(shù)取值Table 1 The value of the hysteresis parameterof the simulation

3 屈服耗能隔墻在RC框架中的減震效果

為了解屈服耗能隔墻在框架結(jié)構(gòu)中的減震效果，采用一個(gè)如圖10所示的6層3跨RC框架進(jìn)行算例模擬?？蚣軐痈?.3 m，每跨跨度6 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，縱筋采用HRB335級(jí)，箍筋采用HRB235級(jí)，框架柱截面為600 mm×600 mm，框架梁截面為200 mm×500 mm，梁柱截面配筋見(jiàn)圖10，框架自振周期為1.09 s。采用附表1所示的3條地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，加速度峰值調(diào)整為0.25g。

圖10 6層3跨RC框架與梁柱配筋Fig.10 6-storey 3-span RC frame and reinforcement

采用IDARC7.0進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，時(shí)程分析共設(shè)計(jì)7種耗能隔墻布置方案(見(jiàn)表2)，其中，W表示框架中未設(shè)置耗能隔墻，采用的是240 mm厚的燒結(jié)粘土磚砌體作為隔墻。IDARC程序中采用INFILL PANEL單元模擬砌體隔墻，該單元通過(guò)交叉雙向壓桿來(lái)模擬砌體墻對(duì)框架的影響，單元滯回模型采用Smooth hysteretic model，滯回參數(shù)采用程序默認(rèn)值；O表示框架每層每跨設(shè)置一片屈服耗能隔墻，每片隔墻中耗能元件的數(shù)量分別有3、4、5片3種情況；T表示框架每層每跨設(shè)置兩片屈服耗能隔墻，每片隔墻中耗能元件的數(shù)量也有3、4、5片3種情況(圖11)。隔墻的滯回參數(shù)按表1選取。通過(guò)比較耗能隔墻設(shè)置后結(jié)構(gòu)層間位移角的變化來(lái)了解屈服耗能隔墻的減震效果。

表2 7種隔墻布置方案及其自振周期Table 2 Seven kinds of partition layout scheme andnatural vibration period

圖11 不同隔墻布置方案的示意圖Fig.11 Schematic diagram of different partition

圖12是在3條地震波作用下，算例框架在不同隔墻布置方案時(shí)的最大層間位移角。可見(jiàn)，在不同地震波作用下，相對(duì)于砌體隔墻，屈服耗能隔墻的設(shè)置都使得框架的層間位移發(fā)生了不同程度的減小。框架每跨中耗能隔墻數(shù)量的增加會(huì)使結(jié)構(gòu)的層間位移顯著地減小，而在隔墻數(shù)量一定的情況下，隔墻中耗能元件數(shù)量的增加并不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層間位移發(fā)生明顯的減小。這表明，要提高屈服耗能隔墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的減震效果，應(yīng)盡量增加框架中隔墻的數(shù)量，而不是一味的增加隔墻中耗能元件的數(shù)量。

圖12 3條地震波作用下不同隔墻布置方案的最大層間位移角Fig.12 Maximum story drift angle of different partition layout schemes under three seismic wave

圖13是3條地震波作用下不同隔墻布置方案的耗能比較。圖13(a)是結(jié)構(gòu)總累積滯回耗能的變化情況，可見(jiàn)，屈服耗能隔墻的設(shè)置在總體上使得結(jié)構(gòu)的總滯回耗能有所減少，但其幅度隨地震波的不同而不同；圖13(b)是框架結(jié)構(gòu)梁柱滯回耗能占總滯回耗能比例的變化情況，可見(jiàn)，屈服耗能隔墻的設(shè)置使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能比例出現(xiàn)了較為明顯的下降，同時(shí)，隔墻數(shù)量增加導(dǎo)致的下降效果要比單純?cè)黾痈魤χ泻哪茉?shù)量的效果更為明顯；圖13(c)是框架梁耗能占總耗能的比例變化情況，不難發(fā)現(xiàn)圖中的下降比例略小于圖13(b)，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)承擔(dān)滯回耗能比例的下降主要源于梁承擔(dān)耗能比例的下降。

圖13 3條地震波作用下不同隔墻布置方案的耗能比較Fig.13 Comparison of energy dissipation of different partition schemes under three seismic wave

4 結(jié)論

1)屈服耗能隔墻的耗能能力由軟鋼耗能元件提供，上下墻片不參與，保持為彈性；屈服耗能隔墻的剛度由上下墻片和耗能元件共同提供。屈服耗能隔墻的破壞源于耗能元件連接螺栓的斷裂。

2)屈服耗能隔墻耗能元件的數(shù)量主要影響隔墻的加載剛度，兩者之間近似呈線性關(guān)系。利用IDARC程序中的柱單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)屈服耗能隔墻的模擬。

3)對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，屈服耗能隔墻能夠有效減小結(jié)構(gòu)的層間位移與承擔(dān)的滯回耗能量比例。與增加隔墻中耗能元件數(shù)量的方法相比，增加框架中隔墻的數(shù)量將帶來(lái)更為明顯的減震效果。

為了提高屈服耗能隔墻的耗能能力，可以考慮將耗能元件直接預(yù)埋，避免螺栓連接導(dǎo)致的滑移。同時(shí)，如何對(duì)墻片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小自重、提高施工便利性是有待解決的問(wèn)題。

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2017-05-20

Opening Project of Key Subject of Hunan Province (No.13ZDXK07)

AuthorbriefLiu Zhefeng (1976-), associate professor, PhD, main research interest: structural seismic，E-mail:Lzf0072006@163.com.

Earthquakeresistantperformanceofyieldingenergydissipationpartition

LiuZhefeng，WangZiyan,ZengZhihui，KuangYan，NieHui

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004， P. R. China)

By applying the ideal of energy dissipater to nonstructural components, yielding energy dissipation partition (YEDP) was proposed. The YEDP could provide quantifiable stiffness under minor earthquakes and adjustable energy dissipation capacity under major earthquakes. The static cyclic loading tests of YEDP with different number of energy components were completed, and the energy dissipation mechanism and failure mode of YEDP were got understanding. Based on the quantitative relationship between number of energy components and hysteresis curve parameters, the method which using column unit of IDARC program to simulate YEDP was proposed. The dynamic time-history analysis of 6-storey reinforced concrete frame under different YEDP set programs were carried out, the results show that YEDP could effectively reduce the seismic response of the structure. The interlayer displacement of structure decreases significantly with the increasing of number of YEDP, but be changeless with the increasing of number of energy components in the YEDP when the number of YEDP is same.

partition；yielding energy dissipation；static cyclic loading test；reinforced concrete frame

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.003

TU375.4

A

1674-4764(2018)01-0017-07

2017-05-20

湖南省重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放基金(13ZDXK07)

劉哲鋒(1976-)，男，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗震研究,E-mail:Lzf0072006@163.com。

(編輯 王秀玲)

附錄：

附表1 地震波記錄表Schedule 1 Recorded of the ground motions