预制装配式耗能剪力墙结构抗震性能研究

崔军军，杨德健，1b，熊佳明，门雅爱

（1.天津城建大学a.土木工程学院；b.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津 300384；2.中建科技天津有限公司 研发设计部，天津 301804）

伴随着建筑行业发展的日益猛进、产业结构化的调整，降低污染、大力发展低碳经济等节能环保是国家越来越提倡走的路线，从而促使我国的建筑行业面临着结构转型.目前，预制装配式结构是我国建筑产业发展的主要趋势，与传统现浇结构相比，具有现场湿作业少、降低工人劳动强度、节约资源、施工进度快等优点[1].

在地震作用下，尤其是在罕遇地震作用下，对装配式剪力墙结构的抗震性能研究较少.近年来，设置消能减震构件在结构中的被动控制理论逐步得到重视.譬如，东南大学朱张峰教授等[2-6]对全预制装配整体式剪力墙结构进行了一系列改进后抗震性能的研究，证明其与现浇剪力墙结构基本相近或相同；另外，一些学者基于消能减震理论，提出一种新型剪力墙——耗能剪力墙体系，如安徽建筑工业学院干洪教授[7]指出，黏滞阻尼器可以显著降低结构的地震反应，减小地震对结构的破坏；黄信等[8]对布置连梁阻尼器的剪力墙结构进行了减震效果分析，表明连梁阻尼器可以为结构提供附加阻尼，并发挥一定耗能作用；李波等[9]研究了在某医院的框架-剪力墙结构中，布置黏滞阻尼器对结构变形、内力和减震效果的影响.

本文以消能减震理论为基础，对比分析黏滞阻尼器在装配式剪力墙结构中的减震效果，同时分析黏滞阻尼器的布置位置不同对结构的影响.

1 黏滞阻尼器模型分析方法

1.1 黏滞阻尼器的减震原理

按照消能元件的力学原理，消能减震阻尼器主要分为位移型阻尼器和速度型阻尼器，本文采用的黏滞流体阻尼器是一种速度相关型阻尼器.该种阻尼器提供的阻尼力是通过利用其所填充材料的流动，在流体通过装置的节流孔洞的过程中会产生黏滞阻抗力.在建筑结构中，黏滞阻尼器的布设形式一般有对角支撑、水平支撑、人字形支撑和肘节式支撑等[10]，其中工程中应用最多的是对角支撑形式.该支撑形式连接简单，其连接方式采用一端固结另一端铰接.文献[11]采用这种支撑形式对某一短肢剪力墙结构逐层布设黏滞阻尼器，分析结果表明，黏滞阻尼器的布置可以有效降低结构的地震反应.本文的主要研究对象是在装配式剪力墙结构中采用对角支撑方式布设黏滞阻尼器.

结构消能减震原理是通过黏滞阻尼器在地震作用下产生的变形来耗散地震能量，减轻地震反应，从而有效保护主体的安全.在SAP2000 中黏滞阻尼器单元的阻尼属性是基于麦克斯韦的黏弹性模型来建立的分析模型（见图1），该模型通过阻尼器单元与“弹簧”的串联构成，它可以准确地反映阻尼器的性能，所提供的阻尼力为

式中：Fd为阻尼器的抗力；Co为零频率时的线性阻尼常数；λ 为放松时间系数，λ =Co/k，k 为“无限大”频域内的刚度系数；u 为运动速度.

图1 麦克斯韦模型

1.2 模型设计与阻尼器布置

本建筑共10 层，楼层层高为3 m，总长14.4 m，进深11.2 m.剪力墙混凝土强度等级为C40，弹性模量取为3.25×104N/mm2；梁板混凝土强度为C30，弹性模量取3×104N/mm2.楼面恒载取3.5 kN/m2，楼面活载取2 kN/m2.连梁尺寸为300 mm×500 mm.该建筑设计使用年限为50 a，所处场地类别为Ⅱ类，设防烈度为8度，场地特征周期Tg=0.35 s，结构的有限元模型见图2.该建筑结构类型为装配式剪力墙结构，剪力墙竖向接缝采用浆锚连接，其余接缝均采用叠合式连接方式.对于节点连接在有限元模型中的处理方法是在两个点之间添加连接单元，在耦合两点3 个平动自由度的同时，提供1 个转动刚度，来模拟节点连接件对墙角节点的转动约束.混凝土采用塑性损伤模型.为提高计算效率，模型中仅考虑混凝土的非线性行为，未考虑损伤因子.钢筋采用理想弹塑性模型.

图2 结构模型立体图

为分析黏滞阻尼器的减震效果，对布置和未布置黏滞阻尼器的结构进行X、Y 方向的地震响应分析，并比较，同时分析阻尼器布置位置的不同对结构的影响.在数值模拟时，采用Damper 单元来模拟施加在该结构中的黏滞阻尼器.根据现有的阻尼器型号，阻尼器的阻尼指数一般在0.2～0.5 之间，阻尼系数一般在800～2 500 kN·s/m 之间.经过多次试算，最终选择的阻尼系数为2 000 kN·s/m，阻尼指数为0.5，并确定两种阻尼器不同的布置方案：方案一采用文献[12]所提出的一种减震结构优化设计方法，将黏滞阻尼器布置在结构的薄弱楼层中（即第3-4、6-7层）；方案二采用逐层布置方法，将黏滞阻尼器布置在各楼层.结构平面图及阻尼器布置位置如图3 所示，结构的两种阻尼器布置方案如图4 所示.

1.3 地震波的输入

选用符合场地条件的2 条自然波EL-Centro 波和Taft 波，以及1 条人工波.将3 条波作为时程分析时的地震动输入，在不改变地震波频谱特性的前提下，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对地震波加速度峰值进行调整，并且X、Y 方向加速度峰值之比为1 ∶0.85.所选地震波的峰值加速度及时间见表1，其加速度的时程曲线如图5所示.

图3 结构平面及阻尼器布置位置

图4 结构的两种阻尼器布置方案

表1 各地震波峰值加速度及时间

图5 地震波的加速度时程曲线

2 地震作用下的响应分析

2.1 8度多遇地震作用下的响应分析

结构的层间位移和基底剪力是衡量结构变形能力的指标之一.在8 度多遇地震作用下，分别输入3条地震波，以EL-Centro 波为例，对比原结构、方案一和方案二的层间位移及基底剪力，如图6-7 所示.从图6-7 可以看出：输入EL-Centro 波时，无论是X 方向还是Y 方向，相比较未布置阻尼器的原结构而言，方案一和方案二的层间位移和基底剪力均减小，方案一和方案二的最大减震率分别为23.4%、31.5%；输入Taft波和人工波时，同样得到类似的结论.分析表明，两种阻尼器布置方案均能够降低结构所受到的地震作用，其中逐层布置阻尼器可避免造成结构的某些楼层层间位移变大.因此，逐层布置阻尼器的减震效果略比将阻尼器只布置在结构薄弱楼层中的效果好些.

2.2 8度罕遇地震作用下的响应分析

图6 EL-Centro 波（多遇地震）作用下结构的层间位移

图7 EL-Centro 波（多遇地震）作用下基底剪力时程曲线

图8 给出了在X、Y 向EL-Centro 波作用下计算得到的结构层间位移分布.从图8 可以看出，由于黏滞阻尼器的耗能减震作用，使得方案一、方案二相对于原结构中的层间位移有明显的减小，其最大减震率分别为19.6%和38.2%.另外，根据抗震规范[13]的要求，钢筋混凝土抗震剪力墙结构在罕遇地震作用下的层间位移角限制为1/120，即层间位移限值为25 mm.从图8 可以看出，原结构的层间位移并不满足抗震规范的要求，而通过布置阻尼器，方案一和方案二中结构的层间位移均满足了规范要求.

图8 EL-Centro 波（罕遇地震）作用下结构的层间位移

图9 给出了在X、Y 向EL-Centro 波作用下计算得到的结构基底剪力时程曲线.

图9 EL-Centro 波（罕遇地震）作用下基底剪力时程曲线

从图9 可以看出，通过设置黏滞阻尼器，方案一、方案二与不加设黏滞阻尼器的原结构相比，其基底剪力的峰值均有所减小，其最大减小率分别为18.6%和31.5%，同时也说明这两种结构在罕遇地震作用下弹塑性程度也有所降低.此外，方案一与方案二相比，二者的基底剪力幅值减小最大可达48.3%；因此，在罕遇地震作用下，装配式剪力墙结构布置的黏滞阻尼器较好地起到了减震效果.从安全方面考虑，逐层布置阻尼器效果最好.

对于剪力墙结构，塑性铰的位置多发生在墙肢底部以及连梁两端处.表2 给出了结构首层、第3-4、6层的塑性铰数量对比.从表2 可以看出，方案一、方案二与原结构相比，结构塑性铰的数量均有一定程度的减少；其中采用方案一与原结构相比，其塑性铰最大减小率为37.5%；采用方案二与原结构相比，其塑性铰最大减小率为57%.由此说明方案一和方案二均能够使结构在罕遇地震作用下的损伤得到减小，方案二比方案一的减震效果更为明显，减震率为33.3%.

表2 塑性铰数量对比 个

3 结 论

通过对比分析装配式剪力墙结构在布置黏滞阻尼器前后的减震效果，得到以下结论.

（1）黏滞阻尼器充分发挥了耗能减震的作用.通过布置阻尼器，结构的层间位移、基底剪力以及塑性铰数量的减小率均在30%以上，结构损伤程度也有较好的改善.

（2）逐层布置和仅在结构薄弱楼层布置这两种阻尼器的布置方案，均能满足结构抗震规范要求；其中采用逐层布置阻尼器方案（即方案二）的结构呈现出更佳的减震效果，其基底剪力和塑性铰分布的控制效果最优.