预制钢筋混凝土剪力墙结构设置金属阻尼器减震效果

刘健，张玉敏

（华北理工大学河北省地震工程研究中心，河北唐山063009）

预制钢筋混凝土剪力墙结构设置金属阻尼器减震效果

刘健，张玉敏

（华北理工大学河北省地震工程研究中心，河北唐山063009）

预制钢筋混凝土剪力墙；金属阻尼器；非线性时程分析；抗震性能

利用结构分析软件SAP2000，对一栋分别采用现浇整体剪力墙、预制墙体接缝无阻尼器、预制墙体接缝有阻尼器的剪力墙结构建立了计算模型，进行多遇地震及罕遇地震作用下的非线性时程分析，根据计算数据分析设置有耗能阻尼器的预制装配式剪力墙结构体系的抗震性能。计算结果表明：当拼缝宽度在300～500mm范围内时，能取得较为满意的减震效果。位移型阻尼器在小震时基本处于弹性状态，为结构提供刚度；在大震时则处于屈服状态，具备良好的耗能能力。为了减小在地震作用下的层间位移角及具有耗能作用，在预制墙板的竖向接缝内设置位移型阻尼器是可行的。

0 引言

目前，国内许多城市住房和城乡建设管理部门推广适合工业化生产的预制装配式混凝土建筑体系，加快发展建设工程的预制和装配技术，提高建筑工业化技术集成水平，开展工业化建筑示范试点。预制装配式建筑是工业化建筑的重要形式，由于其具有显著的经济、社会和环境效益，因此在我国建筑工业化进程中扮演重要角色［1］。

剪力墙作为一种抵抗侧向力的结构构件，其刚度大，承载力高，在高层建筑中得到广泛应用。大量的钢筋混凝土高层建筑通常由梁、柱、楼板和剪力墙及筒体构成，剪力墙是高层建筑抗震的核心部分，其承担了80%以上的水平地震作用，所以剪力墙结构的抗震性能对于高层建筑的安全可靠有着至关重要的作用，是工程界十分关注和亟待解决的关键问题之一。

中国建筑科学研究院、清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学、合肥工业大学、安徽建筑工业学院等多家单位开展了预制剪力墙的部分技术研究。通过试验研究，在结构体系的连接构造、抗震性能、设计方法、施工方法等方面取得了很多成果，并编制了部分地方标准，在万科集团、南通建筑工程总承包有限公司、上海瑞安集团、黑龙江宇辉集团等的开发项目中开展了部分工程应用［2－6］。

从国内外的研究和应用经验来看，与装配式框架结构相比，装配式剪力墙结构中存在更大量的接缝，预制装配式钢筋混凝土剪力墙结构的水平接缝和竖向接缝是结构的关键部位，水平接缝传递竖向荷载、承受水平剪力，竖向接缝传递相邻剪力墙片之间的剪力。对于预制混凝土剪力墙中构件拼接结合面连接性能对剪力墙构件乃至整个结构的影响，总体说来，日本和我国强调装配式混凝土结构基本是混凝土结构的延伸；总的设计目的可以被形容为：希望把装配式混凝土制作成等同于整体混凝土行为，所以我国采用的接缝连接基本是以湿缝实现刚连接为主。而美国，装配式混凝土结构的细部构造不同于整体混凝土，他们主要强调的是干的节点和快速施工［4］。目前我国预制装配式剪力墙结构可以分为部分预制剪力墙结构和全预制剪力墙结构。部分预制剪力墙结构主要指内墙现浇、外墙预制的结构，该结构目前在北京万科的工程中已经示范应用。由于内墙仍为现浇，其预制化率较低。全预制剪力墙结构是指全部剪力墙采用预制构件拼装装配。该结构体系的预制化率高，但拼缝的连接构造比较复杂、施工难度较大，难以保证完全等同于现浇剪力墙结构，使得真正的全预制剪力墙结构在地震区的推广应用还有待更深层次的研究。

如果不采用上述常规的等同于现浇的设计理念，使接缝结合面较弱些，在较小荷载时，预制墙与现浇墙几乎相同的性质，较大荷载时，结合面产生小变形和摩擦作用，使整体墙阻尼增加，延性增加，抗震性能更好。这一理念与部分现浇剪力墙研究者提出的带竖缝混凝土剪力墙理念一致，似乎更合理些，但对于水平结合面则不行，其滑移将会导致很大变形，甚至导致结构倒塌，而且对于竖向结合面也要有量的控制。基于此种观点，提出强水平缝弱竖缝的实施方法，利用一种新型预制现浇钢筋混凝土组合楼板形成强水平缝，采用耗能金属或者摩擦阻尼器形成弱竖向缝。从结构的屈服机制看，结构在侧力的作用下，由于水平缝较强，竖缝首先屈服，与"强柱弱梁"相似，不致形成引起结构倒塌的屈服机制。

竖向接缝传递预制剪力墙墙片之间的相互作用，影响结构的变形和耗能能力。竖向接缝的抗剪承载力取决于接缝的形状、剪切键的面积、接缝的宽度、接缝材料的性能等。耗能剪力墙的研究主要集中在现浇结构中，目前还未见将竖缝剪力墙和阻尼器应用于装配式住宅的尝试，但上述理论和试验结果可以借鉴到预制混凝土剪力墙结构中［7－13］，以实现“强水平缝，弱竖缝”的设计理念。

基于以上观点，为了使预制装配式剪力墙结构体系得到推广应用，保证剪力墙结构概念设计要求，提高结构延性，在提出新型“强水平缝弱竖缝”设计理念基础上，利用结构分析软件SAP2000，对一栋分别采用现浇整体剪力墙、预制墙体接缝无阻尼、有阻尼的剪力墙结构建立了计算模型，并通过时程分析法验证。

1 结构分析模型

取一幢20层钢筋混凝土剪力墙结构。结构层高3m，共20层，总高60m。结构平面图如图1所示。楼面根据一般装修条件取用恒载4．0kN／m2，屋面则适当考虑找坡层、保温隔热层的恒载，取5．0kN／m2。楼面活荷载取2．0kN／m2，不上人屋面活荷载取0．5kN／m2。剪力墙厚度为250mm，混泥土为C40，钢筋为HRB400，楼板厚度为150mm，混凝土为C35，钢筋为HRB 335。

图1 结构平面布置示意图（mm）

阻尼器布置方案：

将阻尼器布置在Y轴方向的2片剪力墙中间，如图3所示。2片墙中间预留竖缝，预制剪力墙尺寸采用1 800mm×3 000mm×250mm。剪力墙采用非线性壳单元。模型中阻尼器采用Plastic（Wen）单元，Plastic（Wen）的应力应变关系曲线如图2所示［14］，与摩擦单元（理想刚塑性）类似。

图2 Plastic（Wen）单元应力应变关系曲线

图3 阻尼器布置示意图

采用SAP2000，分别建立纯剪力墙结构模型，设置竖向缝剪力墙模型，以及安装不同参数的阻尼器剪力墙模型。选取El Cenro波，加速度峰值为341．7cm／s2，持续时间20s，间隔时间0．02s。对地震波进行调整为设防烈度8度时多遇地震和罕遇地震情况下进行时程分析，比较不同模型下结构的层间位移角。多遇地震与罕遇地震地面运动加速度值分别取70cm／s2及400cm／s2。

2 计算结果及分析

非线性动力反应时程分析结果如表1、表2所示（仅给出了部分计算结果）。

表1 缝宽300mm地震动力反应层间位移（多遇地震）

表2 缝宽300mm地震动力反应层间位移（罕遇地震）

图4所示为结构楼层层间与金属阻尼器参数的关系，图5所示为结构楼层层间与墙板接缝宽度之间的关系。

图4 结构楼层层间与金属阻尼器参数

图5所示为结构楼层层间与墙板接缝宽度。

图5 结构楼层层间与墙板接缝宽度

计算结果表明：当接缝宽度为100～200mm时，在多遇地震和罕遇地震条件下，带阻尼器的预制剪力墙结构的减震效果不明显，动力反应层间位移角甚至大于现浇整体结构。

从图4及图5可以看出，当接缝宽度为300～500mm时，在多遇地震和罕遇地震条件下，设置阻尼器的预制剪力墙结构具有明显的减震效果。多遇地震与罕遇地震情况下，不同楼层层间位移角减振效率一般在20%～70%左右［减振效率＝（无阻尼器层间位移角－有阻尼器层间位移角）／无阻尼器层间位移角］，这时减效果较好。从图4也可以看出，只有当初始刚度及屈服点取适当较高的值时，才有明显的减震效果，其最优组合要通过计算比较确定。

另外当1 000mm缝宽时，减震效果有所下降，只有当阻尼器刚度和屈服力比较大时，带阻尼器的预制剪力墙结构具有明显的抗震效果。

3 结论

（1）当墙板竖向接缝宽度小于100～200mm时，在接缝设置阻尼器没有减震效果；当接缝宽度在300～500mm范围内时，能取得较为满意的减震效果。但此时需要考虑位移型阻尼器的参数匹配，如屈服点及初始刚度。

（2）位移型阻尼器在小震时基本处于弹性状态，为结构提供刚度；在大震时则处于屈服状态，具备良好的耗能能力。

（3）在预制墙板的竖向接缝内设置位移型（软钢）阻尼器，可以减小在地震作用下的层间位移角及具有耗能作用，这也为预制装配式剪力墙结构的竖向接缝赋予了必要的功能，针对具体的结构形式，可以优化设计。

［1］ 黄小坤，田春雨．预制装配式混凝土结构研究［J］．住宅产业，2010，（9）：28－32．

［2］ 庞瑞，梁书亭，朱筱俊．RC框架结构中新型预制装配式楼盖面内变形分析［J］．东南大学学报（自然科学版），2009，（s2）：186－191．

［3］ 钱稼茹，彭媛媛，张景明，等．竖向钢筋套筒浆锚连接的预制剪力墙抗震性能试验［J］．建筑结构，2011，41（2）：1－6．

［4］ 钱稼茹，彭媛媛，秦珩，等．竖向钢筋留洞浆锚间接搭接的预制剪力墙抗震性能试验［J］．建筑结构，2011，41（2）：7－11．

［5］ 张微敬，钱稼茹，陈康，等．竖向分布钢筋单排连接的预制剪力墙抗震性能试验［J］．建筑结构，2011，41（2）：12－16．

［6］ 钱稼茹，江枣，纪晓东．高轴压比钢管混凝土剪力墙抗震性能试验研究［J］．建筑结构学报，2010，31（1）：40－48．

［7］ Arturo E．Schultz．Seismic resistance of vertical joints in precast shear walls［C］．Federation international de la precontrainte，Proceedings of the 12th congress，vol．1，23－27，1994．

［8］ J．C．Adajar，T．Yamaguchi．New connections method for precast shear walls［C］．Eleventh world conference on earthquake engineering，paper number 590，1996．

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［13］ 张予斌．两种耗能连梁钢筋混凝土框架－剪力墙结构抗震性能对比研究［D］．哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2014．

［14］ 聂一恒，邓雪松，周云．某位移比超限偏心结构地震响应及阻尼器控制分析［J］．防灾减灾工程学报，2008，28（1）：80－86．

Seismic Efficiency for Precast Reinforced Concrete Shear Wall Structure with Metal Dampers

LIU Jian，ZHANG Yu－min
（Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China）

precast reinforced concrete；metal damper；nonlinear time－history analysis；seismic performance

With structural analysis software SAP2000，a numerical model for a shear wall structure，with cast－in－situ，precast without dampers within linking belts and precast including dampers within linking belts respectively，was established to analysis its seismic performance according to results from nonlinear dynamic time history analysis for earthquake actions．The results show that when the width of linking belt is between 300－500mm，desired results for seismic mitigation could be expected．The displacement－type designed damper was generally in range of elastic deformation under frequent earthquake to provide rigidness，and it was in range of yielding deformation under severe earthquake to provide capacity of energy dissipation．It is practical to interpose displacement type designed damper within linking belts of precast shear walls for decreasing inter－story displacement and for dissipating energy．

TU375．4

A

2095－2716（2016）04－0125－08

2016－04－25

2016－09－19

河北省自然基金项目（E2015209020）。