基于提升抗震穩(wěn)定性的框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體連梁施工技術(shù)

李 燕

（晉能控股集團(tuán)西上莊煤礦，山西 陽泉 045000）

0 引言

樓房框架剪力墻結(jié)構(gòu)包括框架和剪力墻兩部分，其中由梁、柱組成的能夠抵抗水平和垂直荷載的結(jié)構(gòu)為框架，抵抗水平壓力、風(fēng)荷載以及地震荷載的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻。剪力墻不僅在承載能力方面具備優(yōu)勢，還具備空間性能和整體性能，其抗側(cè)能力優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)中被大量使用[1,2]?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具備結(jié)構(gòu)簡單、材料較少、結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)勢，可完成較大空間的建筑布局，側(cè)向剛度較小，建筑結(jié)構(gòu)越高，危險(xiǎn)系數(shù)越大，且缺乏抗震性能[3,4]。將框架和剪力墻結(jié)合，可彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)，并發(fā)揮自身優(yōu)勢，增強(qiáng)布局靈活性的同時，提升結(jié)構(gòu)抗震性能。連梁作為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體中的重要組成部分，可有效協(xié)同各剪力墻墻肢，保證鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土樓房框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體的連梁有耗能能力低下、損傷不易修復(fù)等缺點(diǎn)。為此本文提出一種框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體的連梁施工技術(shù)，即在連梁中安裝SMA 阻尼器，將地震等外力作用產(chǎn)生的連梁變形匯聚在阻尼器中，降低連梁損耗，提升剪力墻結(jié)構(gòu)主體的抗震穩(wěn)定性能，并利用SMA阻尼器自身的彈性特征，保障連梁在地震后還具備自復(fù)位能力，降低維護(hù)成本。

1 工程概況

以某綜合辦公樓工程為例，該辦公樓為12層樓高，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)?？倢痈?9.9m，其中最底層層高3.6m，其余11 層層高3.3m。該綜合辦公樓結(jié)構(gòu)等級及抗震設(shè)防相關(guān)參數(shù)見表1所示，風(fēng)荷載情況見表2。剪力墻門洞高以及內(nèi)、外墻厚度分別為2.2m、190mm，混凝土類型為加氣混凝土，混凝土等級以及相關(guān)構(gòu)件截面大小情況見表3。

表1 工程結(jié)構(gòu)等級及抗震設(shè)防相關(guān)參數(shù)

表2 風(fēng)荷載情況

表3 混凝土等級以及相關(guān)構(gòu)建截面大小

2 框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體連梁施工技術(shù)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁是其結(jié)構(gòu)主體的主要耗能構(gòu)件，因此，以框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體的連梁施工為對象進(jìn)行分析。

以降低樓房鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體的損傷和耗能為目標(biāo)，提出基于SMA 阻尼器的自復(fù)位鋼筋混凝土框架剪力墻連梁施工技術(shù)。在連梁中安裝SMA阻尼器，通過阻尼器匯集外力作用下產(chǎn)生的連梁變形和耗能，最大程度縮減連梁及墻體等主體構(gòu)件的損傷。同時SMA 阻尼器具備迅速回彈優(yōu)勢，外力作用下的變形可在外力消失后自行恢復(fù)，因此整個框架剪力墻結(jié)構(gòu)連梁在地震等外力作用后依舊具備較好的自恢復(fù)能力，節(jié)省后期維護(hù)時間及成本。

2.1 連梁中SMA阻尼器安裝位置

SMA 阻尼器應(yīng)安裝在連梁變形較大且集中的位置，主要有兩處，分別為連梁中間的豎向變形和連梁端部的轉(zhuǎn)動。

（1）SMA 阻尼器安裝在連梁兩端，其阻尼器變形情況分析如圖1所示。

圖1 SMA阻尼器安裝在連梁兩端的阻尼器變形

設(shè)置水平地震作用下，墻肢所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角大小為θw，位于連梁兩側(cè)的阻尼器此時通過連梁的軸向變形耗能，此時軸向變形結(jié)果表達(dá)式為：

式中：lc、lc′——分別為連梁變形前、后長度；

lw、θw——分別為墻肢的長度及轉(zhuǎn)角；

a——連梁長度與墻肢長度的比值。

（2）SMA 阻尼器安裝在連梁中間部位，其阻尼器變形情況分析如圖2所示。

圖2 SMA阻尼器安裝在連梁中間部位的阻尼器變形

位于連梁中間部位的阻尼器將利用連梁中間部位的豎向變形耗能，此時豎向變形結(jié)果表達(dá)式為：

式中：lh——連梁中間部位的豎向變形。

經(jīng)公式（1）、（2）計(jì)算可知，連梁中間部位的豎向變形始終超過連梁兩端的軸向變形，為此將阻尼器安裝在連梁中部，可更好地發(fā)揮阻尼器優(yōu)異的變形能力和耗能能力。

綜上所述，在鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體的連梁澆筑時，通過斷開連梁中部分方式，將阻尼器安裝于連梁中間部位，同時通過預(yù)埋鋼板連接阻尼器與混凝土梁。

2.2 SMA阻尼器及連梁特征參數(shù)設(shè)計(jì)

樓房框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體-連梁中SMA 阻尼器的安裝可有效降低連梁變形及損傷，產(chǎn)生該效果的原因與阻尼器本身特征參數(shù)有關(guān)，還與阻尼器本身特征參數(shù)與混凝土梁連梁設(shè)計(jì)參數(shù)的合理匹配相關(guān)。為此，通過設(shè)計(jì)合理的SMA 阻尼器及連梁特征參數(shù)，可最大程度提升連梁的穩(wěn)定性。

2.2.1 SMA阻尼器特征參數(shù)設(shè)計(jì)

單根SMA 阻尼絲的受力、工作方法以及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和決定了SMA 阻尼器的力-變形關(guān)系。依據(jù)如圖3所示的阻尼器的拉-壓簡化模型，設(shè)計(jì)SMA 阻尼器特征參數(shù)。

圖3 阻尼器的拉-壓簡化模型

圖3 中，Kd、Kd′分別表示SMA 阻尼器屈服前后的剛度；Fdy、Fdu分別表示SMA 阻尼器的屈服力和卸載回復(fù)力；Δdy、Δdu分別表示Fdy、Fdu對應(yīng)的位移小大；依據(jù)圖3可知，SMA阻尼器卸屈比為：

SMA 阻尼器給框架剪力墻結(jié)構(gòu)施加的等效阻尼比以及阻尼器的耗能水平均可通過卸屈比衡量，因此SMA阻尼器特征參數(shù)的設(shè)計(jì)可通過對阻尼器中各組阻尼絲預(yù)拉應(yīng)變進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到阻尼器卸屈比減少、附加阻尼比增加的效果。

2.2.2 帶SMA阻尼器連梁的特征參數(shù)設(shè)計(jì)

SMA 阻尼器連梁的特征參數(shù)設(shè)計(jì)是通過屈服力比和屈服位移比2 個連梁設(shè)計(jì)參數(shù)體現(xiàn)其同SMA 阻尼器參數(shù)的匹配情況。

（1）屈服力比參數(shù)設(shè)計(jì)。

若想在引入SMA 阻尼器后框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體中連梁具備合理的失效模式，阻尼器的屈服力Fdy參數(shù)設(shè)計(jì)必不可少，若Fdy的數(shù)值過低，易導(dǎo)致安裝阻尼器的耗能連梁剛度較低，降低框架剪力墻結(jié)構(gòu)整體的剛度以及抗側(cè)能力；若Fdy的數(shù)值過高，逼近框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體中連梁的極限承載力，連梁會在阻尼器并未起耗能作用時達(dá)到失效狀態(tài)，無法獲取合理失效模式。

設(shè)計(jì)連梁參數(shù)時，依據(jù)連梁配筋情況通過求解正截面承載力逆向推導(dǎo)獲取連梁抗剪承載力，與此同時求解斜截面承載力，連梁的抗剪承載力從二者中選取最小值。

鑒于混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁的“強(qiáng)剪弱彎”設(shè)計(jì)原則，正截面承載力逆向推導(dǎo)獲取的梁端抗剪承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連梁的斜截面承載力，為此屈服力比參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果為：

正截面承載力Mcb逆向推導(dǎo)獲取的梁端抗剪承載力用Qb表示，且Qb=Mcb(lc/2)。

（2）屈服位移比。

在混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)連梁中安裝阻尼器后，為使SMA 阻尼器屈服狀態(tài)先于混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，即阻尼器的應(yīng)用起到外力作用下的混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)加固作用，設(shè)計(jì)屈服位移比參數(shù)為：

即屈服位移Δdy與連梁長度lc的比值。

3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證剪力墻結(jié)構(gòu)施工技術(shù)優(yōu)勢，選取2 個連梁進(jìn)行了擬靜力對比試驗(yàn)，將傳統(tǒng)的、未安裝阻尼器的鋼筋混凝土連梁稱為1#連梁，將安裝SMA 阻尼器的連梁稱為2#連梁，分析了2 種連梁試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證本文施工技術(shù)的優(yōu)勢。

加載裝置選取四連桿式加載框架，1#、2#連梁加載方式一樣。該加載框架的有效空間為2.4m×3.0m（高×寬）。加載方式為50t靜態(tài)作動器進(jìn)行位移加載。通過在連梁縱筋上安裝應(yīng)變片測量連梁在加載過程中的應(yīng)變值。經(jīng)計(jì)算鋼筋應(yīng)變實(shí)測值>1815με時，鋼筋達(dá)到屈服狀態(tài)。1#、2#連梁的鋼筋應(yīng)變時程分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼筋應(yīng)變時程分析結(jié)果

分析圖4 可知，1#連梁在時間為3000s 時，鋼筋的應(yīng)變值便超過1815με，2#連梁的鋼筋應(yīng)變值始終未超過1815με，鋼筋未屈服，說明2#連梁在整個試驗(yàn)過程中均處于彈性狀態(tài)，表示阻尼器的安裝使連梁具備較好的耗能能力。小震作用下，應(yīng)用本文所述的施工技術(shù)后，該辦公樓各層水平方向上的層間剪力和層間位移角的減震率情況見表4所示。

表4 樓房各層層間剪力、位移角的減震分析

由表4 可知，本文施工技術(shù)應(yīng)用后，該綜合辦公樓各層層間剪力和層間位移角減震率分別為26.8%～30.1%、26.2%～29.5%，減震效果明顯，說明該技術(shù)的應(yīng)用可提升框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體抗震性能。

4 結(jié)束語

隨著以框架剪力墻結(jié)構(gòu)為主體的樓房大面積普及，其在外力作用下的穩(wěn)定性及抗震性受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。本文從框架剪力墻結(jié)構(gòu)主體的連梁施工為切入點(diǎn)進(jìn)行合理施工設(shè)計(jì)，并選取傳統(tǒng)的連梁和安裝SMA阻尼器的連梁進(jìn)行了擬靜力對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文所述的在連梁中安裝SMA 阻尼器的施工技術(shù)，能明顯提升樓房框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，一定程度上提升建筑的安全可靠性。