钢筋混凝土耗能墙抗震性能试验研究及结构地震响应分析

刘春阳 史若凡 王乐超 巩振凡

摘要：为研究钢筋混凝土耗能墙的抗震性能及其对底层柔性建筑的减震效果，设计了3片耗能墙，设计参数为截面尺寸、墙的排列方式和配筋形式。通过低周往复加载试验对3个试件的破坏特征、滞回耗能、位移延性等抗震性能指标进行了研究。选取7条近场地震波和8条远场地震波，并采用SAP2000有限元软件对设置耗能墙的底层柔性结构进行地震响应分析。结果表明：3片耗能墙均具有较好的抗震性能，在墙身设置竖向通缝可以提高耗能墙的变形能力和耗能能力;内置钢板后可明显改善耗能墙的抗震耗能效果;在近、远场地震作用下，增设耗能墙后首层层间位移角平均值分别减少21.7%、17.6%，层间剪力平均值分别减少16.3%、18.1%，表明耗能墙可以提高结构的抗震能力，明显减轻主体框架的滞回耗能，减少结构地震响应。

关键词：底层柔性建筑;钢筋混凝土耗能墙;抗震性能;SAP2000有限元;结构地震响应

中图分类号：TU352文献标识码：A文章编号：1000-0666（2021）04-0689-11

0引言

底层大空间建筑是典型的底层柔性建筑，地震发生时该类建筑的底层容易出现塑性变形集中并产生严重破坏（Yoshimura ，1997;焦柯等，2020;谭皓等，2016;陈兆荣等，2016），因此，国内外学者开展了大量关于改善底层大空间建筑抗震性能的相关研究，如铃木计夫和馬華（2000）在底层柔性结构中设置了高延性钢筋混凝土柱和预应力钢棒，较好地耗散了地震能量，合理地控制了结构的变形;葛庆子（2011），葛庆子和马华（2012）对带纤维混凝土柱式耗能器的底层柔性结构进行了振动台试验，结果表明，耗能器可以减小底层层间位移，有效控制首层结构的变形进而起到保护主体结构的作用;樊轶江等（2020）、王飞宇（2017）对比了带钢管混凝土延性柱耗能器的底框砌体结构和普通底部框剪砌体结构的抗震性能，发现耗能器消耗了部分地震能量，可先于主体结构进入塑性，从而提高了主体结构的抗震性能;欧进萍和邱法维（1995）提出了用钢管混凝土柱作为底层耗能柱，用承重墙和隔振器来控制底层大变形的耗能-隔震柔性底层结构体系，该结构体系可有效减小结构上部地震破坏。

与混凝土柱相比，混凝土剪力墙有良好的抗震性能。基于此，有些学者开展了相关耗能器抗震性能研究。李慧等（2000）、黄丽蒂和李慧（2004）在普通混凝土低矮剪力墙的中部沿横向开一条通缝并通过钢管混凝土柱将上下墙体相连。地震发生时，钢管混凝土柱先于墙身发生弯曲破坏并耗散大量地震能量，与普通低矮剪力墙相比，其具有良好的后期变形能力，抗震性能更为稳定。

已有研究中耗能器多由耗能柱并列组成，但对于由单片或多片混凝土耗能墙并列形成的耗能器的研究数据较少。本文提出一种利用位移角放大效应原理进行耗能的钢筋混凝土耗能墙，该耗能墙由上下端为刚度较大的刚性端块和中部高度为层高1/4的耗能剪力墙组成。在相同的层间位移条件下，中部耗能剪力墙的转动变形为主体框架柱转动变形的4倍，可先于主体结构进入塑性状态并消耗较多的地震能量，起到减小主体结构的地震反应的作用。本文通过拟静力试验，从破坏模式、承载力、延性、耗能能力等方面研究混凝土耗能墙的抗震性能，并对设置耗能墙的底层柔性框架结构在近场和远场地震作用下的地震响应进行分析。

1试验概况

1.1试件设计

本试验共设计了3个试件，试件编号及参数见表1。其中试件HNQ-1的耗能墙段为普通剪力墙，作为对比试件设计;试件HNQ-2和HNQ-3的耗能墻段为两片以并列方式组成的耗能墙，两片墙的截面总面积与试件HNQ-1耗能墙段的截面面积相等。3个试件的端块截面尺寸均为300mm×300mm，底座截面尺寸均为500mm×500mm，高度为1200mm。考虑到耗能墙设置于楼层梁之间或楼层梁与基础底板之间等建筑物的内部，承受的竖向荷载较小，试验设计时取试件轴压比为0.1。为保证混凝土耗能墙内置的钢板在底座内形成有效的锚固，将钢板在上、下端块内的锚固长度分别取为250mm和450mm，钢板总长度则取为1900mm。试件尺寸及配筋情况如图1所示。

墙体竖向分布筋和水平分布筋采用HRB400级钢筋，直径为8mm，间距为100mm，内置钢板采用Q235的钢材，端块内采用16根HRB400级钢筋，底座内采用12根HRB400级钢筋。端块和底座箍筋均采用直径为8mm、间距为50mm的HRB400级钢筋。混凝土强度设计等级为C30，立方体抗压强度为33.4MPa，弹性模量为3.1×104MPa。混凝土和钢筋以及钢板的力学性能参数见表2～3。试件钢筋应变片测点布置如图1所示。在耗能墙距墙底50mm高度处，粘贴钢筋应变片以测量在试验加载过程中不同位置纵向分布钢筋应力的变化情况。

1.2试验装置和加载制度

本试验在山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室进行。加载时，首先施加竖向荷载到达轴力设计值后保持恒定，然后通过MTS拟静力加载系统施加低周反复水平荷载。试验前先进行预加载试验，预加载水平位移值为1mm，确定加载装置及仪器无异常后正式开始施加水平荷载。试验时按耗能墙位移角（θ）逐步增大的方式进行加载，具体为θ=1/1000、0=1/500（循环一周）、θ=1/250、θ=1/150、0=1/100、0=1/67、0=1/33、0=1/25（循环两周）、θ=1/20（循环半周）。加载装置如图2所示。

施加水平荷载时，规定作动器施加推力时对应的荷载及位移为正，施加拉力时对应的荷载及位移为负。当荷载下降至峰值荷载的85%或试件无法继续加载时停止试验。用数据采集系统采集加载荷载与加载点处位移，并以其为依据绘制滞回曲线，并人工观察测绘裂缝。

2试验结果

2.1试验破坏过程及破坏形态

由于各试件的北面和南面破坏状态接近，本文主要以南面破坏状态说明试验破坏过程（图3）。

对于试件HNQ-1，0=1/500时，根部出现微小裂纹。θ=1/250时，距墙底15cm处出现第一条水平裂缝。θ=1/150时，墙身出现多条水平裂缝及斜裂缝，墙身两侧面出现多道横向裂缝。θ=1/100时，距墙底55mm处出现多条斜裂缝，新产生裂缝与原有裂缝相交叉。θ=1/67时，斜裂缝上的混凝土轻微鼓起。θ=1/33时，一条较长的斜裂缝在试件上部出现;墙身下部出现一条贯穿整个截面的较长斜裂缝，走势为从左下到右上，形成“X”形交叉裂缝;两侧混凝土压酥，受压区高度约为21mm。0=1/25时，钢筋屈服，塑性铰区域裂缝明显增多，墙身两侧混凝土破坏严重，最大裂缝宽度为12mm。θ=1/20时，构件承载力急剧下降，受压区混凝土压碎、脱落，根部混凝土大块掉落，钢筋连续被拉断，试件破坏严重，停止加载。

试件HNQ-2、θ=1/1000时，左侧一片耗能墙距墙底20mm处出现第一条水平裂缝。θ=1/500时，右侧一片耗能墙距墙底10mm处出现一条通长的裂缝;左侧一片耗能墙出现多条斜裂缝，走向为左下到右上。θ=1/150时，右侧一片耗能墙出现多条斜裂缝，墙身侧面出现2条水平裂缝，分别距墙底20mm和30mm;2片耗能墙中上部出现贯通水平裂缝。θ=1/100时，试件左上出现2条斜裂缝，原有裂缝继续变宽延伸;在试件中部，出现多条较长的水平裂缝;右上部斜裂缝继续向墙顶延伸，裂缝变宽，水平裂缝发展成斜裂缝;墙体顶部出现裂缝。θ=1/33時，2片耗能墙角部混凝土压碎脱落，钢筋露出。θ=1/25时，混凝土剥落，钢筋拉断。θ=1/25时，钢筋持续拉断，混凝土持续剥落，试件破坏严重。

试件HNQ-3、θ=1/500时，左侧一片耗能墙出现3条水平裂缝，距墙底分别为8mm、18mm、40mm;右侧一片耗能墙出现2条水平裂缝，距墙底分别为20mm、50mm;墙身侧面出现4条水平裂缝。θ=1/250时，右侧一片耗能墙距墙底40mm处新产生2条水平裂缝，原有裂缝延伸。θ=1/150时，右侧一片耗能墙新产生2条水平裂缝，距墙底分别40mm和20mm;左侧一片耗能墙距墙底27mm处出现1条水平裂缝，原有裂缝向左下方延伸。θ=1/1000时，整体裂缝高度增高，左侧一片耗能墙中部出现斜裂缝，右侧一片耗能墙出现2条水平裂缝。θ=1/67时，2片耗能墙中下部均产生多条斜裂缝，与原有裂缝交叉。θ=1/33时，混凝土开始脱落。θ=1/25时，角部混凝土压碎，混凝土持续脱落，原有裂缝增多。大块混凝土剥落。θ=1/20时，钢筋拉断，出现多条斜裂缝，承载力急剧下降，停止加载。

2.2滞回曲线

由图4各试件的滞回曲线可见，θ=1/33时，试件HNQ-1达到峰值荷载;在其后的加载过程中，承载力下降较为平缓，滞回环形状呈现为纺锤形。θ=1/33时，试件HNQ-2达到峰值荷载;随着加载进行，滞回环面积继续增加，残余变形增大，滞回曲线下降趋势较为平稳，其形状为安定的纺锤形。θ=1/33时，试件HNQ-3达到峰值荷载;θ=1/33～1/20时，滞回曲线下降趋势明显，试件承载力下降，变形明显增加，残余变形增大，滞回曲线捏缩明显，呈现为“倒S”形。与试件HNQ-1相比，试件HNQ-2和HNQ-3由于在墙身设置了竖向通缝，单片耗能墙高宽比提高，滞回曲线更为饱满，变形能力增强。与其他试件相比，试件HNQ-3由于在墙身增设钢板，其峰值荷载最高，滞回环面积最大。

2.3骨架曲线

由图5所示的各试件的骨架曲线可知，3个试件均经历了弹性、开裂、峰值、极限和破坏5个发展阶段。与试件HNQ-1相比，试件HNQ-2的骨架曲线在峰值过后负向下降段更为平缓，破坏位移较HNQ-1增大，表明耗能墙具有良好的变形能力。同其他2个试件相比，试件HNQ-3峰值荷载显著提高，原因是内置钢板可较好地与混凝土协同工作，混凝土可对钢板起到约束和支撑作用，进而充分发挥钢板的力学性能。

2.4承载力与延性

本文通过屈服荷载（P）、屈服位移角（θ，）、峰值荷载角（P）、峰值位移角（θ）、极限荷载（P）、极限位移角（θn）、延性系数（μ）来反映各试件的承载力和耗能能力（表4）。使用等能量法确定屈服荷载，其中极限位移取荷载下降至峰值荷载的85%时所对应的位移，延性系数为极限位移和屈服位移的比值。与试件HNQ-1相比，试件HNQ-2的屈服荷载、峰值荷载和极限荷载分别降低1%、11%、13%，但试件HNQ-2的延性系数较试件HNQ-1提高52%，原因是试件HNQ-2的屈服位移角减小，极限位移角升高，所以延性系数增大。这表明耗能墙在保持截面面积不变的情况下，采用两墙并列方式布置后，承载力虽可小幅降低但可大幅改善结构的变形能力，这有利于结构抗震。与试件HNQ-2相比，在耗能墙内置钢板后，试件HNQ-3的屈服荷载、峰值荷载和极限荷载分别提高62%、71%、70%，表明内置钢板可以显著提高耗能墙的承载能力。

2.5耗能能力

试件的累积滞回耗能值的大小表示其滞回耗能的能力高低。由表5可知，试件HNQ-3的累积滞回耗能值最大，试件HNQ-1的耗能能力最低。与试件HNQ-1相比，试件HNQ-2的累积滞回耗能提高了6%，表明耗能墙滞回耗能能力良好，在墙身中部开缝可以提高耗能墙的耗能能力。与试件HNQ-2相比，试件HNQ-3累积滞回耗能提高了48%，表明在墙体中部设置钢板使耗能墙的抗震性能得到明显提高，改善了结构累积滞回耗能能力。

3设置耗能墙的底层柔性结构地震响应分析

3.1结构模型及地震动选取

本文设计了一个10层的钢筋混凝土框架结构作为分析模型一，其首层层高4.8m，其余层高3.3m，结构平面尺寸及结构布置如图6a所示。模型一设计时的抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类，设计地震加速度为0.15g，抗震等级为二级，设计地震分组为第二组;梁截面尺寸为350mm×700mm，柱截面尺寸为700mm×700mm;混凝土强度等级为C30，梁柱主筋采用HRB400，箍筋强度等级为HRB335。为了探究混凝土耗能墙对底层柔性钢筋混凝土框架结构地震响应的影响规律，在模型一的基础上增设混凝土耗能墙进行加固，如图6b所示，并将分析模型定义为模型二。

采用SAP2000有限元软件对模型一和模型二建模并进行地震响应分析。采用框架单元模拟梁柱力学性能，膜单元模拟楼板力学性能，多线性塑性连接单元模拟耗能墙力学性能，Pivot 力学模型模拟耗能墙的滞回特性。其力学参数按HNQ-3的荷载位移关系曲线设置：屈服位移为18.73mm、极限位移为13.90mm、屈服荷载为396.54kN、峰值荷载为464.47kN。

为研究近场、远场地震动对底层柔性结构的影响，笔者从美国太平洋地震工程研究中心强震数据库筛选出符合结构场地类型的7条近场地震动和8条远场地震动，并以断层距20km区分近场和远场地震动。地震动台站编码（RSN）及详细信息如表6和图7所示。

3.2结构响应分析

近场和远场地震作用下层间位移角分析结果如图8所示。由图可知，随着楼层的增加，层间位移角先增大后减小。增设混凝土耗能墙后，首层层间位移角平均值在近场地震作用下减少21.7%，在远场地震作用下减小17.6%，表明增设耗能墙1可以降低结构层间位移角，起到较好的减震效果，有利于结构抗震。

近场和远场地震作用下楼层剪力分析结果如图9所示。由图可知，随着楼层的增加，剪力逐渐减小。增设耗能墙后，在近场地震作用下减小16.3%，在远场地震作用下首层层间剪力平均值减小18.1%，表明增设耗能墙对减小结构樓层层间剪力有较明显的效果。

模型一和模型二结构能量时程分析结果如图10所示。由图可知，随着时间的增加，结构耗能逐渐增加。在近场地震动RSN187作用下，模型一的结构滞回耗能占总能量的91%，模型二的结构滞回耗能占输入能量的75%，耗能墙耗能占16%。在远场地震动RSN40作用下模型一结构滞回耗能占总能量的90%，模型二的结构滞回耗能占输入能量的76%，耗能器耗能占22%，表明耗能墙发挥了一定的耗能效果，起到保护主体结构的作用。

耗能墙与主体结构工作状态对比如图11所示。由图可知，耗能墙的荷载位移曲线较框架主体结构的荷载位移曲线更为饱满。这主要是由于相同层间位移角条件下，耗能墙的转动位移角大于主体框架柱的位移角，耗能墙能够先于主体结构进入塑性并发挥耗能作用以消耗地震能量，耗能墙的设置有利于减少主体结构的地震反应，提高主体结构的安全性。

4结论

通过对钢筋混凝土耗能墙进行抗震性能试验以及对设置耗能墙的底层柔性结构进行地震响应分析，主要得到以下结论：

（1）钢筋混凝土耗能墙具有较好的承载力、变形能力和耗能能力，是一种良好的耗能器。在截面面积相同的条件下，通过并列耗能墙的方式，可使其滞回耗能、延性系数分别提高6%、52%，使刚度退化趋势减缓。

（2）在耗能墙内增设钢板可以充分发挥钢板的力学性能，使耗能墙具有较高的安全储备。内置钢板可较好地与混凝土协同工作，进而抑制裂缝的发展。内置钢板耗能墙的峰值荷载提高了71%，耗能能力增加了48%，有效减缓试件的刚度退化，有利于结构抗震。

（3）底层柔性框架结构增设耗能墙后，在近场、远场地震动作用下结构的层间位移角和层间剪力均有所减小，具有良好的减震效果。耗能墙先于主体结构进入塑性工作阶段，可耗散一定地震能量，起到了保护主体结构、控制结构地震响应的作用。

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Experimental Study on Seismic Behavior of Reinforced Concrete Energy Dissipation Wall and Analysis of Seismic Response of Structure

LIU Chunyang， SHI Ruofan， WANG Lechao， GONG Zhenfan

（1. School of civil Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， Shandong， China）

（2. Key Laboratory of Building Structural Retrofitting and Underground Space EngineeringShandong Jianzhu University， Ministry of Education Jinan 250101， Shandong， China）

Abstract

In order to study the seismic performance of reinforced conerete energy dissipation wall and its shock absorp-tion effect on the bottom flexible building， three energy dissipation walls were designed， and the design parameters were section size. the arrangement of the wall and the form of reinforcement. The failure characteristics hysteretic energy dissipation， displacement ductility and stiffness degradation of three specimens were studied by low-cycle reciprocating loading tests. Seven near-field seismic waves and eight far-field seismic waves were selected， and SAP2000 finite element software was used to analyze the seismic response of the bottom flexible structure with energy dissipation walls. The results showed that the three energy dissipation walls had good seismic performance， and the deformation capacity as well as energy dissipation capacity of the wall could be improved by setting a vertical slit on the wall body. The internal steel plate had obvious effect on improving the seismic energy dissipation performance of the energy dissipation wall. Under the action of near-field and far-field earthquake， after adding energy dissipa-tion wall the average displacement angle of the first floor decreased by 21.7o and 17.6% o， respectively， and the average shearing force between floors decreased by 16.3% o and 18.1% o， respectively. The energy dissipation wall could improve the seismic capacity of the structure， significantly reduce the hysteretic energy consumption of the main frame， and reduce the seismic response of the structure.

Keywords： Soft first-storey building; reinforced concrete energy dissipation walls; seismic performance SAP2000 finite element analysis; structural seismic response analysis