基于提升抗震稳定性的框架剪力墙结构主体连梁施工技术

李 燕

（晋能控股集团西上庄煤矿，山西 阳泉 045000）

0 引言

楼房框架剪力墙结构包括框架和剪力墙两部分，其中由梁、柱组成的能够抵抗水平和垂直荷载的结构为框架，抵抗水平压力、风荷载以及地震荷载的结构称为剪力墙。剪力墙不仅在承载能力方面具备优势，还具备空间性能和整体性能，其抗侧能力优于框架结构，所以在高层建筑结构中被大量使用[1,2]。框架结构具备结构简单、材料较少、结构灵活等优势，可完成较大空间的建筑布局，侧向刚度较小，建筑结构越高，危险系数越大，且缺乏抗震性能[3,4]。将框架和剪力墙结合，可弥补各自缺点，并发挥自身优势，增强布局灵活性的同时，提升结构抗震性能。连梁作为钢筋混凝土框架剪力墙结构主体中的重要组成部分，可有效协同各剪力墙墙肢，保证钢筋混凝土框架剪力墙结构稳定。传统的钢筋混凝土楼房框架剪力墙结构主体的连梁有耗能能力低下、损伤不易修复等缺点。为此本文提出一种框架剪力墙结构主体的连梁施工技术，即在连梁中安装SMA 阻尼器，将地震等外力作用产生的连梁变形汇聚在阻尼器中，降低连梁损耗，提升剪力墙结构主体的抗震稳定性能，并利用SMA阻尼器自身的弹性特征，保障连梁在地震后还具备自复位能力，降低维护成本。

1 工程概况

以某综合办公楼工程为例，该办公楼为12层楼高，为现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构。总层高39.9m，其中最底层层高3.6m，其余11 层层高3.3m。该综合办公楼结构等级及抗震设防相关参数见表1所示，风荷载情况见表2。剪力墙门洞高以及内、外墙厚度分别为2.2m、190mm，混凝土类型为加气混凝土，混凝土等级以及相关构件截面大小情况见表3。

表1 工程结构等级及抗震设防相关参数

表2 风荷载情况

表3 混凝土等级以及相关构建截面大小

2 框架剪力墙结构主体连梁施工技术

框架剪力墙结构中，连梁是其结构主体的主要耗能构件，因此，以框架剪力墙结构主体的连梁施工为对象进行分析。

以降低楼房钢筋混凝土框架剪力墙结构主体的损伤和耗能为目标，提出基于SMA 阻尼器的自复位钢筋混凝土框架剪力墙连梁施工技术。在连梁中安装SMA阻尼器，通过阻尼器汇集外力作用下产生的连梁变形和耗能，最大程度缩减连梁及墙体等主体构件的损伤。同时SMA 阻尼器具备迅速回弹优势，外力作用下的变形可在外力消失后自行恢复，因此整个框架剪力墙结构连梁在地震等外力作用后依旧具备较好的自恢复能力，节省后期维护时间及成本。

2.1 连梁中SMA阻尼器安装位置

SMA 阻尼器应安装在连梁变形较大且集中的位置，主要有两处，分别为连梁中间的竖向变形和连梁端部的转动。

（1）SMA 阻尼器安装在连梁两端，其阻尼器变形情况分析如图1所示。

图1 SMA阻尼器安装在连梁两端的阻尼器变形

设置水平地震作用下，墙肢所产生的转角大小为θw，位于连梁两侧的阻尼器此时通过连梁的轴向变形耗能，此时轴向变形结果表达式为：

式中：lc、lc′——分别为连梁变形前、后长度；

lw、θw——分别为墙肢的长度及转角；

a——连梁长度与墙肢长度的比值。

（2）SMA 阻尼器安装在连梁中间部位，其阻尼器变形情况分析如图2所示。

图2 SMA阻尼器安装在连梁中间部位的阻尼器变形

位于连梁中间部位的阻尼器将利用连梁中间部位的竖向变形耗能，此时竖向变形结果表达式为：

式中：lh——连梁中间部位的竖向变形。

经公式（1）、（2）计算可知，连梁中间部位的竖向变形始终超过连梁两端的轴向变形，为此将阻尼器安装在连梁中部，可更好地发挥阻尼器优异的变形能力和耗能能力。

综上所述，在钢筋混凝土框架剪力墙结构主体的连梁浇筑时，通过断开连梁中部分方式，将阻尼器安装于连梁中间部位，同时通过预埋钢板连接阻尼器与混凝土梁。

2.2 SMA阻尼器及连梁特征参数设计

楼房框架剪力墙结构主体-连梁中SMA 阻尼器的安装可有效降低连梁变形及损伤，产生该效果的原因与阻尼器本身特征参数有关，还与阻尼器本身特征参数与混凝土梁连梁设计参数的合理匹配相关。为此，通过设计合理的SMA 阻尼器及连梁特征参数，可最大程度提升连梁的稳定性。

2.2.1 SMA阻尼器特征参数设计

单根SMA 阻尼丝的受力、工作方法以及应力-应变关系和决定了SMA 阻尼器的力-变形关系。依据如图3所示的阻尼器的拉-压简化模型，设计SMA 阻尼器特征参数。

图3 阻尼器的拉-压简化模型

图3 中，Kd、Kd′分别表示SMA 阻尼器屈服前后的刚度；Fdy、Fdu分别表示SMA 阻尼器的屈服力和卸载回复力；Δdy、Δdu分别表示Fdy、Fdu对应的位移小大；依据图3可知，SMA阻尼器卸屈比为：

SMA 阻尼器给框架剪力墙结构施加的等效阻尼比以及阻尼器的耗能水平均可通过卸屈比衡量，因此SMA阻尼器特征参数的设计可通过对阻尼器中各组阻尼丝预拉应变进行调整，以达到阻尼器卸屈比减少、附加阻尼比增加的效果。

2.2.2 带SMA阻尼器连梁的特征参数设计

SMA 阻尼器连梁的特征参数设计是通过屈服力比和屈服位移比2 个连梁设计参数体现其同SMA 阻尼器参数的匹配情况。

（1）屈服力比参数设计。

若想在引入SMA 阻尼器后框架剪力墙结构主体中连梁具备合理的失效模式，阻尼器的屈服力Fdy参数设计必不可少，若Fdy的数值过低，易导致安装阻尼器的耗能连梁刚度较低，降低框架剪力墙结构整体的刚度以及抗侧能力；若Fdy的数值过高，逼近框架剪力墙结构主体中连梁的极限承载力，连梁会在阻尼器并未起耗能作用时达到失效状态，无法获取合理失效模式。

设计连梁参数时，依据连梁配筋情况通过求解正截面承载力逆向推导获取连梁抗剪承载力，与此同时求解斜截面承载力，连梁的抗剪承载力从二者中选取最小值。

鉴于混凝土框架剪力墙结构中连梁的“强剪弱弯”设计原则，正截面承载力逆向推导获取的梁端抗剪承载力远远小于连梁的斜截面承载力，为此屈服力比参数设计结果为：

正截面承载力Mcb逆向推导获取的梁端抗剪承载力用Qb表示，且Qb=Mcb(lc/2)。

（2）屈服位移比。

在混凝土框架剪力墙结构连梁中安装阻尼器后，为使SMA 阻尼器屈服状态先于混凝土结构出现损伤，即阻尼器的应用起到外力作用下的混凝土框架剪力墙结构加固作用，设计屈服位移比参数为：

即屈服位移Δdy与连梁长度lc的比值。

3 试验分析

为了验证剪力墙结构施工技术优势，选取2 个连梁进行了拟静力对比试验，将传统的、未安装阻尼器的钢筋混凝土连梁称为1#连梁，将安装SMA 阻尼器的连梁称为2#连梁，分析了2 种连梁试验现象及试验结果，以验证本文施工技术的优势。

加载装置选取四连杆式加载框架，1#、2#连梁加载方式一样。该加载框架的有效空间为2.4m×3.0m（高×宽）。加载方式为50t静态作动器进行位移加载。通过在连梁纵筋上安装应变片测量连梁在加载过程中的应变值。经计算钢筋应变实测值>1815με时，钢筋达到屈服状态。1#、2#连梁的钢筋应变时程分析结果如图4所示。

图4 钢筋应变时程分析结果

分析图4 可知，1#连梁在时间为3000s 时，钢筋的应变值便超过1815με，2#连梁的钢筋应变值始终未超过1815με，钢筋未屈服，说明2#连梁在整个试验过程中均处于弹性状态，表示阻尼器的安装使连梁具备较好的耗能能力。小震作用下，应用本文所述的施工技术后，该办公楼各层水平方向上的层间剪力和层间位移角的减震率情况见表4所示。

表4 楼房各层层间剪力、位移角的减震分析

由表4 可知，本文施工技术应用后，该综合办公楼各层层间剪力和层间位移角减震率分别为26.8%～30.1%、26.2%～29.5%，减震效果明显，说明该技术的应用可提升框架剪力墙结构主体抗震性能。

4 结束语

随着以框架剪力墙结构为主体的楼房大面积普及，其在外力作用下的稳定性及抗震性受到业内广泛关注。本文从框架剪力墙结构主体的连梁施工为切入点进行合理施工设计，并选取传统的连梁和安装SMA阻尼器的连梁进行了拟静力对比试验，试验结果表明，采用本文所述的在连梁中安装SMA 阻尼器的施工技术，能明显提升楼房框架剪力墙结构的抗震性能，一定程度上提升建筑的安全可靠性。