自复位剪力墙结构体系的研究进展和展望

陈阁琳，伍云天

（1重庆一建建设集团有限公司，重庆　400053；2重庆大学土木工程学院，重庆　400045）



自复位剪力墙结构体系的研究进展和展望

陈阁琳1，伍云天2

（1重庆一建建设集团有限公司，重庆400053；2重庆大学土木工程学院，重庆400045）

摘要：通过放松剪力墙与基础之间及剪力墙与梁柱之间的约束，允许剪力墙在地震作用下发生抬升形成摇摆，通过重力荷载及预应力使剪力墙复位，形成自复位剪力墙结构。研究表明，自复位剪力墙能够在侧向结构刚度与强度无明显下降的情况下实现较大位移，且卸载后无显著残余变形及较大损伤，有利于实现震后快速恢复结构使用功能。该文首先回顾了自复位剪力墙结构的发展起源，简要介绍了自复位剪力墙结构的基本原理，详细陈述了国内外自复位剪力墙结构的相关研究发展，对相关研究的成果进行了总结，指出后张预应力限制墙高及联肢剪力墙研究匮乏等不足，提出相应的研究设想。

关键词：可恢复性；自复位；剪力墙

伍云天（1979-），男，湖南常德人，博士，副教授，主要从事建筑结构研究。

0　前言

伴随着社会经济的飞速发展，上世纪90年代开始，工程研究人员逐渐将结构抗震设防的理念从以人的生命安全为原则转变为强调控制结构在地震作用下的经济损失以及保证结构的使用功能不致丧失。在此背景下美日学者提出基于性能的建筑抗震设计理念，并成为结构抗震设计研究的主流方向之一，至今为止已经经历了FEMA 273［1］、FEMA 356［2］以及FEMA 445［3］等几个发展阶段。基于性能的抗震设计根据建筑的用途和重要程度以及设防等级确定不同的抗震性能目标，并期望建筑在可能发生的地震作用下具有预期的抗震性能和安全度。

由于地震的不确定性及复杂性，建筑物所遭受到的地震作用往往无法准确预测，并且建筑物发生损伤甚至破坏后将对人们的正常生活造成极大影响，修复建筑物也将耗费巨大的人力物力及时间，对社会经济造成巨大损失。因此，如何在地震发生时，减少结构受到损伤，在地震后使得民众能够尽快恢复正常生活，使建筑物乃至整个城市具有可恢复性（resilient）成为近年来地震工程界关注的新问题。

2009年1月，美日学者在NEES/E-Defense美日工程第二阶段合作研究会议上，首次提出将“可恢复性功能城市”（resilient city）作为地震工程合作的大方向［4］。如何设计使结构在地震中不发生损伤或仅发生可以快速修复的轻微损伤，成为21世纪“可持续发展”理念下的结构抗震研究的主流方向之一。

剪力墙结构自提出以来，已经经历大量的科学研究和震后调查，均表明剪力墙对抗震非常有效。因此，剪力墙也越来越多的运用于世界各地的结构抗震设计中，如在剪力墙中暗埋型钢、桁架等形成高性能剪力墙构件以及与框架等形成框架剪力墙结构体系等。因此，如何在剪力墙结构体系中实现可恢复性也是目前国内外学者研究的重点问题之一，目前已有的研究中提出了摇摆墙、自复位剪力墙以及可更换构件剪力墙三种途径，本文主要关注的自复位剪力墙结构，到目前为止国外学者已经开展了一系列研究，而我国在这一领域的研究非常少。

本文首先回顾自复位剪力墙结构的发展起源，介绍自复位剪力墙结构的基本原理，详细介绍国内外自复位剪力墙结构的相关研究进展，并对相关研究的成果和不足进行总结，提出自复位剪力墙结构发展方向的展望。

1　自复位剪力墙结构的发展起源

自复位结构体系由摇摆结构发展而来，1963年Housner［5］发表了关于“倒摇摆结构”（inverted pendulum structures）在地震作用下行为的研究。他分析了摇摆质量块在自由摆动下的周期以及耗能，计算了摇摆质量块在正常水平加速度、正弦脉动波及地震激励下的推覆力，如图1。他的研究表明，大的摇摆质量块与小的摇摆质量块相比更加稳定，且高耸摇摆质量块在地震作用下相比在正常水平力作用下更加稳定。

图1　 Housner提出的摇摆质量块

此后，国外学者相继开始对摇摆结构进行大量模拟地震振动台试验，1978年Priestley［6］等进行了摇摆模型结构的模拟地震振动台试验，验证了Housner提出的摇摆结构耗能机制，如图2、图3。

图2　 Priestley等提出的试验原理图

图3　 Priestley等设计的摇摆结构振动台试验模型

图4　 Priestley等设计的自复位框架节点

直至1993年，Priestley和Tao［7］提出预制框架梁通过预应力筋与框架柱相连，在梁柱接触面允许梁进行一定程度的转动而耗散地震能量，首次形成了自复位结构的概念。1996年，Priestley和Macrae［8］又进行了无粘结预应力自复位预制钢筋混凝土框架梁柱节点的试验，该试验表明无粘结预应力自复位框架节点在地震作用下的表现良好，只出现极少的表面损坏，但是能量耗散较小，如图4。

同年，Kurama等［9］首次提出在无粘结后张预应力技术运用到钢筋混凝土墙体中，并对其进行了理论模型的分析。至此，就出现了具有自复位功能的预制墙体，并逐渐演变为自复位剪力墙结构。

2　自复位剪力墙结构的基本原理

自复位结构体系由摇摆结构体系发展而来，基本原理与摇摆结构有相似之处。通过放松结构与基础或结构构件间的约束，在地震作用下使结构相对基础能发生一定程度摇摆或结构构件之间能发生一定程度的转动，结构本身没有较大弯曲变形，震后恢复到初始位置且结构没有永久残余变形，这种结构为最原始的自由摇摆结构。自复位结构体系是在此基础上在结构中使用预应力筋，当放松约束的结构在地震作用下发生一定程度的弯曲变形并产生摇摆，通过预应力使结构回到原有位置。自复位剪力墙结构的基本原理即结构在基础与墙身的交界面处断开，墙身与基础不固接，墙身内置的预应力筋锚固入基础内，在地震作用下允许剪力墙与基础之间的缝隙张开，墙身自重及预应力提供恢复力使缝隙闭合，有效地减小地震对结构的作用，且墙身几乎无残余变形。

3　国内外自复位剪力墙结构相关研究

3.1国外对于自复位剪力墙结构的相关研究

Kurama等［10］设计的无粘结预应力自复位剪力墙由后张预应力预制墙片通过水平节点叠合组成，并在墙片中内置无粘结预应力钢绞线。Kurama等通过纤维模型对试验进行数值模拟发现其结构在侧向循环荷载作用的非线性响应主要来自于墙身沿着水平节点的缝隙张开及闭合，与其设计的预期相吻合，且该自复位剪力墙与具有相同强度和初始刚度的现浇整体剪力墙相比具有更好的柔性并能在更大的非线性侧移下仅发生轻微损伤，但该结构存在的问题是侧向位移过大且耗能能力不足。

对此，Kurama等［11］又提出在结构中加入粘滞阻尼器，墙片间缝隙张开时通过粘滞阻尼器的变形来耗散地震能量并减小结构侧移，并进行了一系列不同固有周期自复位墙的动力时程分析，结果均表明加入粘滞阻尼器能有效减小结构的最大侧移并防止结构产生明显损伤，如图5。Perez等［12］针对Kurama提出的预应力剪力墙模型进行了试验，试验结果与Kurama的理论模型分析吻合较好。

图5　 Kurama提出的粘滞阻尼器自复位结构

Holden等［13］设计了一组试验，将自复位预制预应力剪力墙中加入碳纤维管，并在墙肢与基础间加入软钢耗能装置，将这种自复位剪力墙与相同尺寸的传统现浇整体剪力墙进行对比试验，试验结果表明增加软钢耗能装置的自复位剪力墙结构与传统剪力墙相比，在无明显强度损失和破坏的情况下将结构侧移从2.5%提升至3%，如图6。Marriott等［14］提出外置自复位剪力墙的耗能装置以便震后更换，并设计了一组4片剪力墙的试验在University of Canterbury的振动台进行。试验中三片墙体分别使用不同的耗能装置，一片墙体仅通过接触阻尼耗能。其试验再次表明加装阻尼器能够提高自复位剪力墙结构的耗能能力且保证剪力墙具有优秀的自复位能力。

图6　 Holden设计的带软钢耗能装置剪力墙试验模型

图7　 Sritharan设计的竖向接缝自复位剪力墙

在既有研究集中于将剪力墙与基础分离采用预应力筋连接并加装阻尼器的设计方向之外，Sritharan等［15］提出了一种在竖向将墙片分离的自复位剪力墙结构，剪力墙底部与基础的空隙由砂浆填充，剪力墙之间的竖向接缝由“UU”型钢板连接，如图7。在地震作用下，墙体发生摇摆，墙片间产生错动的过程中由“UU”型钢板塑性变形耗能。他们对此设计进行的试验表明在地震作用下该墙体具有非常好的抗震性能，墙体在拟动力试验后只有轻微损伤且复位后的侧移不到0.1%。在此试验基础上，Sritharan等还提出了简化的竖向分离自复位墙体的分析和设计方法。在Sritharan等提出竖向分离自复位剪力墙的简化设计方法后，Pennucci等［16-17］也提出了基于位移的自复位剪力墙附加阻尼器的设计方法，并在一系列结构的试验对比及非线性动力分析中验证其设计理论。

另一方面，Shen等［18-19］又展开了联肢剪力墙中采用钢连梁实现自复位的研究，其设计与Priestley等设计的框架节点类似，将连梁与剪力墙在连接处断开，采用角钢及墙身内置钢板进行连接，并在墙身中内置水平方向无粘结预应力筋。其理论分析表明通过地震作用下连梁与墙身间的缝隙张开闭合，连接角钢及钢板塑性变形耗能，与整体现浇联肢剪力墙相比自复位联肢剪力墙能够达到7.5%的位移角并在加载结束后无显著残余变形，如图8。随后Kurama等［20］又对此理论模型进行了试验与评估研究，试验结果与之前提出的理论模型非常吻合。

2008年，Stevenson等［21］首次将自复位剪力墙技术运用于实际新建工程中。在Berkeley的David Brower Center工程中，Mark等在结构中设计两个对称的“C”型预应力自复位墙体形成核心。该工程研究人员在CSI Preform-3D中将自复位墙体采用非线性纤维单元进行模拟，使用Design Basis Earthquake（DBE）及Maximum Capable Earthquake（MCE）两种地震波进行分析，后张预应力筋的平均峰值应变仅在MCE分析中达到屈服点，而约束混凝土的最大应变始终保持在0.008，低于极限应变0.010，如图9。

图8　 Shen等设计的自复位联肢剪力墙

图9　 David Brower Center中的自复位剪力墙结构

Erkmen等［22］进行试验指出在反复荷载作用下自复位墙体中预应力可能完全消失，但是其理论研究表示只要对预应力锚固装置进行适当设计，即使预应力在地震作用中消失，自复位剪力墙也能保持其自复位性能。在此基础上Erkmen等设计了一系列对比试验深入研究了预应力筋分布情况、预应力锚固措施、初始预应力以及竖向外荷载对自复位剪力墙的性能影响。Erkmen等指出预应力筋的锚固措施对自复位剪力墙性能影响显著；如果能防止预应力筋在地震作用中受压，初始预应力及竖向外荷载大小对自复位剪力墙的性能影响几乎可以忽略；预应力筋的分布对剪力墙自复位性能影响较小但对剪力墙的侧向刚度具有显著影响。

Henry等［23］通过有限元软件建立了带端柱的自复位剪力墙采用O型耗能连接的模型，分析了结构整体与局部响应与Tweigden等［24］进行的试验在侧向力与位移关系曲线、无粘结预应力筋应力、混凝土压应变、连接器变形等方面高度吻合，该有限元分析突出了剪力墙墙趾部位混凝土的非线性行为并阐述到O型耗能连接器的数量与竖向外荷载之间并无直接关系。该研究还进行了剪力墙与楼板的连接分析，预制剪力墙与楼板刚性连接时在地震作用下将造成楼板损坏，而采用O型连接件将楼板与剪力墙在竖向位移上分离能够有效减小剪力墙在摇摆抬升过程中迫使楼板发生的损坏，如图10、图11。

图10　 Henry提出的带端柱的自复位剪力墙

图11　 O型连接件

近年来随着工程结构中对钢材使用的增加，Clayton［25］首先提出了钢板剪力墙的自复位设计方法，这种钢板剪力墙通过薄钢板剪力墙提供侧向强度和刚度以及能量消耗，钢框架节点处梁柱可分离，框架中后张预应力筋提供恢复力来实现自复位。Winkley等［26-27］对Clayton提出的自复位钢板剪力墙进行了一系列试验后进行总结并提出了新型钢板剪力墙的设计方法。Dowden等［28］对自复位钢板剪力墙的性能进行研究，并提出多项设计建议。在之前研究的基础上，Clayton等［29］提出了一种腹板只与梁连接的新型钢板剪力墙并进行了对比试验。试验表明，腹板只与梁连接的自复位钢板剪力墙能够降低钢框架的设计需求并减轻腹板所受到的损伤，如图12。

图12　 Clayton提出的自复位钢板剪力墙

3.2国内对于自复位剪力墙结构的相关研究

如前文所述，国外对于自复位剪力墙结构的研究已经较为成熟，而国内对于自复位结构的研究主要集中于自复位钢框架结构、自复位钢筋混凝土框架结构以及自复位桥墩等方面，对于自复位剪力墙结构的研究开展较晚，尚处于起步阶段。

周颖等［30］首先对摇摆及自复位结构的研究进行了综述，提到了国外关于自复位剪力墙的重点研究。

吴浩等［31］总结了无粘结后张拉预制剪力墙的抗震性能特点并介绍了相应的数值模拟方法。作者分别对两种模拟接缝方法（弥散接缝模型和集中接缝模型）进行计算分析，结果表明无粘结后张拉预制剪力墙结构在小变形情况下保持弹性反应，在大变形情况下由于接缝的张开闭合而进入非线性导致结构刚度和承载力退化，但卸载后结构基本可以恢复到初始状态，仅有微小残余变形，具备自复位能力。

马昕等［32］针对自复位剪力墙结构耗能不足的特点，在墙身与基础交界处增加软钢阻尼器，并通过Abaqus软件建模分析了软钢阻尼器的数量、长度、位置等参数对剪力墙自复位性能及耗能能力的影响，指出阻尼器的数量对结构自复位性能影响较大，而阻尼器、阻尼器长度等参数对结构的自复位性能影响相对较小。

党像梁等［33］进行了底部开水平缝预应力自复位剪力墙的试验研究与数值模拟，其研究指出底部开水平缝预应力自复位剪力墙能在不降低剪力墙承载力和刚度的前提下极大减小墙体的残余变形，且能将非线性变形集中在墙体和基础连接开缝处，使墙体的裂缝数量和发展都极大程度的减少，如图13。

图13　党像梁等提出的底部开缝复位剪力墙

党像梁等［34］还针对自复位预应力剪力墙的抗震性能进行了实体、平面单元和薄壳单元的有限元分析。通过对比分析指出采用实体单元和平面应力单元均能较好地模拟试件的侧向承载力和卸载刚度等力学特性，区别在于实体单元的计算时间较长但能较好地模拟试件的应变状态，而平面单元的计算效率高却难以体现结构平面外的变形和受力状态。

陈凯［35］等进行了一组框架、框架-自复位墙以及框架-剪力墙结构的静力弹塑性及弹塑性时程对比分析。其分析表明自复位剪力墙能够帮助框架提升耗能能力，且框架-自复位墙相比另外两种结构具有更加均匀的层间位移角，但是耗能能力却不如框架-剪力墙结构。

4　总结

总结国内外自复位剪力墙既有研究，可以得出以下结论。

（1）剪力墙通过与基础分离实现摇摆功能，并在剪力墙与基础中内置连同的预应力筋使剪力墙实现自复位。但剪力墙墙角与基础接触位置容易产生应力集中而使墙角处混凝土极易损坏，通过在墙角部位布置螺旋箍筋或外包钢板可以有效的防止脚部区域的混凝土压碎。

（2）自复位剪力墙结构的滞回曲线呈“旗帜”型，其耗能能力不足容易导致结构侧移过大，较为常见的做法在剪力墙底部与基础接触处附加阻尼器或设置端柱并与剪力墙通过耗能钢连接件连接。此类采用耗能阻尼器或耗能钢连接件的做法能够有效改善剪力墙的耗能能力。

（3）自复位剪力墙采用后张预应力筋使剪力墙具备自复位功能，但预应力筋的长度极大程度地限制了自复位剪力墙结构的高度，使高层剪力墙结构尚无法实现自复位功能，如何在高层剪力墙中实现自复位功能，国内外学者对此尚无研究。在下半墙高内采用后张预应力筋，上半墙高部分采用阻尼器与支撑柱连接的思路值得尝试。

（4）目前国内外对于自复位剪力墙结构的研究主要集中于单肢剪力墙自复位性能与各项参数间关系的研究，针对联肢剪力墙如何实现自复位功能的研究除Kurama等［18-20］进行了相关试验与分析之外相当匮乏，将联肢剪力墙中某肢设计为摇摆自复位墙体以帮助整体结构实现自复位功能的设想值得探索。

（5）国内外针对框架-摇摆墙以及框架-自复位墙结构的研究较为成熟，并一定程度上应用于实际工程中［21，36］。但对于纯剪力墙结构实现自复位功能的研究尚局限于小模型的试验及软件分析阶段，尤其是国内的相关研究更是匮乏。如今，可恢复功能结构已经成为结构抗震研究的热点，这一领域值得广大学者与研究人员深入探索以促进自复位剪力墙结构的实际应用。

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责任编辑：孙苏，李红

Study Progress and Prospects of Self-centering Shear Walls

Key words：resilience；self-centering；shear wall

Abstract:By releasing the restrains between the shear wall and the foundation or the shear wall and the coupling beam or end column，the shear wall is allowed to rise and shake back and forth in earthquake，and then restored through gravity loading and prestress，thus，the self-centering shear wall structure is established. The results show that the self-centering shear wall can realize massive displacement without significant strength or stiffness degradation，and has no obvious residual deformation or huge damage after uninstall，so it can be applied in structure restoration within a short period of time. This paper reviews the development history of the self-centering shear wall，makes a brief introduction to its basic mechanism，elaborates the relevant studies on self-centering shear wall at home and abroad in recent years，and summarizes the achievements and shortcomings in the field of study，with some envisaged new ideas presented.

中图分类号：TU3

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）05-0053-06

收稿日期：2016-04-20

作者简介：陈阁琳（1979-），男，湖南邵阳人，本科，高级工程师，主要从事施工技术研究。

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.05.053