預(yù)制裝配式耗能剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究

崔軍軍，楊德健，1b，熊佳明，門雅愛

（1.天津城建大學(xué)a.土木工程學(xué)院；b.天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護與加固重點實驗室，天津 300384；2.中建科技天津有限公司 研發(fā)設(shè)計部，天津 301804）

伴隨著建筑行業(yè)發(fā)展的日益猛進、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)化的調(diào)整，降低污染、大力發(fā)展低碳經(jīng)濟等節(jié)能環(huán)保是國家越來越提倡走的路線，從而促使我國的建筑行業(yè)面臨著結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型.目前，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)是我國建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要趨勢，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，具有現(xiàn)場濕作業(yè)少、降低工人勞動強度、節(jié)約資源、施工進度快等優(yōu)點[1].

在地震作用下，尤其是在罕遇地震作用下，對裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能研究較少.近年來，設(shè)置消能減震構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的被動控制理論逐步得到重視.譬如，東南大學(xué)朱張峰教授等[2-6]對全預(yù)制裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)進行了一系列改進后抗震性能的研究，證明其與現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)基本相近或相同；另外，一些學(xué)者基于消能減震理論，提出一種新型剪力墻——耗能剪力墻體系，如安徽建筑工業(yè)學(xué)院干洪教授[7]指出，黏滯阻尼器可以顯著降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，減小地震對結(jié)構(gòu)的破壞；黃信等[8]對布置連梁阻尼器的剪力墻結(jié)構(gòu)進行了減震效果分析，表明連梁阻尼器可以為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼，并發(fā)揮一定耗能作用；李波等[9]研究了在某醫(yī)院的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，布置黏滯阻尼器對結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力和減震效果的影響.

本文以消能減震理論為基礎(chǔ)，對比分析黏滯阻尼器在裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中的減震效果，同時分析黏滯阻尼器的布置位置不同對結(jié)構(gòu)的影響.

1 黏滯阻尼器模型分析方法

1.1 黏滯阻尼器的減震原理

按照消能元件的力學(xué)原理，消能減震阻尼器主要分為位移型阻尼器和速度型阻尼器，本文采用的黏滯流體阻尼器是一種速度相關(guān)型阻尼器.該種阻尼器提供的阻尼力是通過利用其所填充材料的流動，在流體通過裝置的節(jié)流孔洞的過程中會產(chǎn)生黏滯阻抗力.在建筑結(jié)構(gòu)中，黏滯阻尼器的布設(shè)形式一般有對角支撐、水平支撐、人字形支撐和肘節(jié)式支撐等[10]，其中工程中應(yīng)用最多的是對角支撐形式.該支撐形式連接簡單，其連接方式采用一端固結(jié)另一端鉸接.文獻[11]采用這種支撐形式對某一短肢剪力墻結(jié)構(gòu)逐層布設(shè)黏滯阻尼器，分析結(jié)果表明，黏滯阻尼器的布置可以有效降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng).本文的主要研究對象是在裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中采用對角支撐方式布設(shè)黏滯阻尼器.

結(jié)構(gòu)消能減震原理是通過黏滯阻尼器在地震作用下產(chǎn)生的變形來耗散地震能量，減輕地震反應(yīng)，從而有效保護主體的安全.在SAP2000 中黏滯阻尼器單元的阻尼屬性是基于麥克斯韋的黏彈性模型來建立的分析模型（見圖1），該模型通過阻尼器單元與“彈簧”的串聯(lián)構(gòu)成，它可以準確地反映阻尼器的性能，所提供的阻尼力為

式中：Fd為阻尼器的抗力；Co為零頻率時的線性阻尼常數(shù)；λ 為放松時間系數(shù)，λ =Co/k，k 為“無限大”頻域內(nèi)的剛度系數(shù)；u 為運動速度.

圖1 麥克斯韋模型

1.2 模型設(shè)計與阻尼器布置

本建筑共10 層，樓層層高為3 m，總長14.4 m，進深11.2 m.剪力墻混凝土強度等級為C40，彈性模量取為3.25×104N/mm2；梁板混凝土強度為C30，彈性模量取3×104N/mm2.樓面恒載取3.5 kN/m2，樓面活載取2 kN/m2.連梁尺寸為300 mm×500 mm.該建筑設(shè)計使用年限為50 a，所處場地類別為Ⅱ類，設(shè)防烈度為8度，場地特征周期Tg=0.35 s，結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖2.該建筑結(jié)構(gòu)類型為裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻豎向接縫采用漿錨連接，其余接縫均采用疊合式連接方式.對于節(jié)點連接在有限元模型中的處理方法是在兩個點之間添加連接單元，在耦合兩點3 個平動自由度的同時，提供1 個轉(zhuǎn)動剛度，來模擬節(jié)點連接件對墻角節(jié)點的轉(zhuǎn)動約束.混凝土采用塑性損傷模型.為提高計算效率，模型中僅考慮混凝土的非線性行為，未考慮損傷因子.鋼筋采用理想彈塑性模型.

圖2 結(jié)構(gòu)模型立體圖

為分析黏滯阻尼器的減震效果，對布置和未布置黏滯阻尼器的結(jié)構(gòu)進行X、Y 方向的地震響應(yīng)分析，并比較，同時分析阻尼器布置位置的不同對結(jié)構(gòu)的影響.在數(shù)值模擬時，采用Damper 單元來模擬施加在該結(jié)構(gòu)中的黏滯阻尼器.根據(jù)現(xiàn)有的阻尼器型號，阻尼器的阻尼指數(shù)一般在0.2～0.5 之間，阻尼系數(shù)一般在800～2 500 kN·s/m 之間.經(jīng)過多次試算，最終選擇的阻尼系數(shù)為2 000 kN·s/m，阻尼指數(shù)為0.5，并確定兩種阻尼器不同的布置方案：方案一采用文獻[12]所提出的一種減震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，將黏滯阻尼器布置在結(jié)構(gòu)的薄弱樓層中（即第3-4、6-7層）；方案二采用逐層布置方法，將黏滯阻尼器布置在各樓層.結(jié)構(gòu)平面圖及阻尼器布置位置如圖3 所示，結(jié)構(gòu)的兩種阻尼器布置方案如圖4 所示.

1.3 地震波的輸入

選用符合場地條件的2 條自然波EL-Centro 波和Taft 波，以及1 條人工波.將3 條波作為時程分析時的地震動輸入，在不改變地震波頻譜特性的前提下，按照8 度多遇地震加速度70 cm/s2和8 度罕遇地震加速度400 cm/s2對地震波加速度峰值進行調(diào)整，并且X、Y 方向加速度峰值之比為1 ∶0.85.所選地震波的峰值加速度及時間見表1，其加速度的時程曲線如圖5所示.

圖3 結(jié)構(gòu)平面及阻尼器布置位置

圖4 結(jié)構(gòu)的兩種阻尼器布置方案

表1 各地震波峰值加速度及時間

圖5 地震波的加速度時程曲線

2 地震作用下的響應(yīng)分析

2.1 8度多遇地震作用下的響應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)的層間位移和基底剪力是衡量結(jié)構(gòu)變形能力的指標之一.在8 度多遇地震作用下，分別輸入3條地震波，以EL-Centro 波為例，對比原結(jié)構(gòu)、方案一和方案二的層間位移及基底剪力，如圖6-7 所示.從圖6-7 可以看出：輸入EL-Centro 波時，無論是X 方向還是Y 方向，相比較未布置阻尼器的原結(jié)構(gòu)而言，方案一和方案二的層間位移和基底剪力均減小，方案一和方案二的最大減震率分別為23.4%、31.5%；輸入Taft波和人工波時，同樣得到類似的結(jié)論.分析表明，兩種阻尼器布置方案均能夠降低結(jié)構(gòu)所受到的地震作用，其中逐層布置阻尼器可避免造成結(jié)構(gòu)的某些樓層層間位移變大.因此，逐層布置阻尼器的減震效果略比將阻尼器只布置在結(jié)構(gòu)薄弱樓層中的效果好些.

2.2 8度罕遇地震作用下的響應(yīng)分析

圖6 EL-Centro 波（多遇地震）作用下結(jié)構(gòu)的層間位移

圖7 EL-Centro 波（多遇地震）作用下基底剪力時程曲線

圖8 給出了在X、Y 向EL-Centro 波作用下計算得到的結(jié)構(gòu)層間位移分布.從圖8 可以看出，由于黏滯阻尼器的耗能減震作用，使得方案一、方案二相對于原結(jié)構(gòu)中的層間位移有明顯的減小，其最大減震率分別為19.6%和38.2%.另外，根據(jù)抗震規(guī)范[13]的要求，鋼筋混凝土抗震剪力墻結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角限制為1/120，即層間位移限值為25 mm.從圖8 可以看出，原結(jié)構(gòu)的層間位移并不滿足抗震規(guī)范的要求，而通過布置阻尼器，方案一和方案二中結(jié)構(gòu)的層間位移均滿足了規(guī)范要求.

圖8 EL-Centro 波（罕遇地震）作用下結(jié)構(gòu)的層間位移

圖9 給出了在X、Y 向EL-Centro 波作用下計算得到的結(jié)構(gòu)基底剪力時程曲線.

圖9 EL-Centro 波（罕遇地震）作用下基底剪力時程曲線

從圖9 可以看出，通過設(shè)置黏滯阻尼器，方案一、方案二與不加設(shè)黏滯阻尼器的原結(jié)構(gòu)相比，其基底剪力的峰值均有所減小，其最大減小率分別為18.6%和31.5%，同時也說明這兩種結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下彈塑性程度也有所降低.此外，方案一與方案二相比，二者的基底剪力幅值減小最大可達48.3%；因此，在罕遇地震作用下，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)布置的黏滯阻尼器較好地起到了減震效果.從安全方面考慮，逐層布置阻尼器效果最好.

對于剪力墻結(jié)構(gòu)，塑性鉸的位置多發(fā)生在墻肢底部以及連梁兩端處.表2 給出了結(jié)構(gòu)首層、第3-4、6層的塑性鉸數(shù)量對比.從表2 可以看出，方案一、方案二與原結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)塑性鉸的數(shù)量均有一定程度的減少；其中采用方案一與原結(jié)構(gòu)相比，其塑性鉸最大減小率為37.5%；采用方案二與原結(jié)構(gòu)相比，其塑性鉸最大減小率為57%.由此說明方案一和方案二均能夠使結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的損傷得到減小，方案二比方案一的減震效果更為明顯，減震率為33.3%.

表2 塑性鉸數(shù)量對比 個

3 結(jié) 論

通過對比分析裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)在布置黏滯阻尼器前后的減震效果，得到以下結(jié)論.

（1）黏滯阻尼器充分發(fā)揮了耗能減震的作用.通過布置阻尼器，結(jié)構(gòu)的層間位移、基底剪力以及塑性鉸數(shù)量的減小率均在30%以上，結(jié)構(gòu)損傷程度也有較好的改善.

（2）逐層布置和僅在結(jié)構(gòu)薄弱樓層布置這兩種阻尼器的布置方案，均能滿足結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范要求；其中采用逐層布置阻尼器方案（即方案二）的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出更佳的減震效果，其基底剪力和塑性鉸分布的控制效果最優(yōu).