陳閣琳，伍云天

（1重慶一建建設集團有限公司，重慶　400053；2重慶大學土木工程學院，重慶　400045）

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自復位剪力墻結構體系的研究進展和展望

陳閣琳1，伍云天2

（1重慶一建建設集團有限公司，重慶400053；2重慶大學土木工程學院，重慶400045）

摘要：通過放松剪力墻與基礎之間及剪力墻與梁柱之間的約束，允許剪力墻在地震作用下發(fā)生抬升形成搖擺，通過重力荷載及預應力使剪力墻復位，形成自復位剪力墻結構。研究表明，自復位剪力墻能夠在側向結構剛度與強度無明顯下降的情況下實現(xiàn)較大位移，且卸載后無顯著殘余變形及較大損傷，有利于實現(xiàn)震后快速恢復結構使用功能。該文首先回顧了自復位剪力墻結構的發(fā)展起源，簡要介紹了自復位剪力墻結構的基本原理，詳細陳述了國內(nèi)外自復位剪力墻結構的相關研究發(fā)展，對相關研究的成果進行了總結，指出后張預應力限制墻高及聯(lián)肢剪力墻研究匱乏等不足，提出相應的研究設想。

關鍵詞：可恢復性；自復位；剪力墻

伍云天（1979-），男，湖南常德人，博士，副教授，主要從事建筑結構研究。

0　前言

伴隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，上世紀90年代開始，工程研究人員逐漸將結構抗震設防的理念從以人的生命安全為原則轉變?yōu)閺娬{(diào)控制結構在地震作用下的經(jīng)濟損失以及保證結構的使用功能不致喪失。在此背景下美日學者提出基于性能的建筑抗震設計理念，并成為結構抗震設計研究的主流方向之一，至今為止已經(jīng)經(jīng)歷了FEMA 273［1］、FEMA 356［2］以及FEMA 445［3］等幾個發(fā)展階段?；谛阅艿目拐鹪O計根據(jù)建筑的用途和重要程度以及設防等級確定不同的抗震性能目標，并期望建筑在可能發(fā)生的地震作用下具有預期的抗震性能和安全度。

由于地震的不確定性及復雜性，建筑物所遭受到的地震作用往往無法準確預測，并且建筑物發(fā)生損傷甚至破壞后將對人們的正常生活造成極大影響，修復建筑物也將耗費巨大的人力物力及時間，對社會經(jīng)濟造成巨大損失。因此，如何在地震發(fā)生時，減少結構受到損傷，在地震后使得民眾能夠盡快恢復正常生活，使建筑物乃至整個城市具有可恢復性（resilient）成為近年來地震工程界關注的新問題。

2009年1月，美日學者在NEES/E-Defense美日工程第二階段合作研究會議上，首次提出將“可恢復性功能城市”（resilient city）作為地震工程合作的大方向［4］。如何設計使結構在地震中不發(fā)生損傷或僅發(fā)生可以快速修復的輕微損傷，成為21世紀“可持續(xù)發(fā)展”理念下的結構抗震研究的主流方向之一。

剪力墻結構自提出以來，已經(jīng)經(jīng)歷大量的科學研究和震后調(diào)查，均表明剪力墻對抗震非常有效。因此，剪力墻也越來越多的運用于世界各地的結構抗震設計中，如在剪力墻中暗埋型鋼、桁架等形成高性能剪力墻構件以及與框架等形成框架剪力墻結構體系等。因此，如何在剪力墻結構體系中實現(xiàn)可恢復性也是目前國內(nèi)外學者研究的重點問題之一，目前已有的研究中提出了搖擺墻、自復位剪力墻以及可更換構件剪力墻三種途徑，本文主要關注的自復位剪力墻結構，到目前為止國外學者已經(jīng)開展了一系列研究，而我國在這一領域的研究非常少。

本文首先回顧自復位剪力墻結構的發(fā)展起源，介紹自復位剪力墻結構的基本原理，詳細介紹國內(nèi)外自復位剪力墻結構的相關研究進展，并對相關研究的成果和不足進行總結，提出自復位剪力墻結構發(fā)展方向的展望。

1　自復位剪力墻結構的發(fā)展起源

自復位結構體系由搖擺結構發(fā)展而來，1963年Housner［5］發(fā)表了關于“倒搖擺結構”（inverted pendulum structures）在地震作用下行為的研究。他分析了搖擺質量塊在自由擺動下的周期以及耗能，計算了搖擺質量塊在正常水平加速度、正弦脈動波及地震激勵下的推覆力，如圖1。他的研究表明，大的搖擺質量塊與小的搖擺質量塊相比更加穩(wěn)定，且高聳搖擺質量塊在地震作用下相比在正常水平力作用下更加穩(wěn)定。

圖1　 Housner提出的搖擺質量塊

此后，國外學者相繼開始對搖擺結構進行大量模擬地震振動臺試驗，1978年Priestley［6］等進行了搖擺模型結構的模擬地震振動臺試驗，驗證了Housner提出的搖擺結構耗能機制，如圖2、圖3。

圖2　 Priestley等提出的試驗原理圖

圖3　 Priestley等設計的搖擺結構振動臺試驗模型

圖4　 Priestley等設計的自復位框架節(jié)點

直至1993年，Priestley和Tao［7］提出預制框架梁通過預應力筋與框架柱相連，在梁柱接觸面允許梁進行一定程度的轉動而耗散地震能量，首次形成了自復位結構的概念。1996年，Priestley和Macrae［8］又進行了無粘結預應力自復位預制鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點的試驗，該試驗表明無粘結預應力自復位框架節(jié)點在地震作用下的表現(xiàn)良好，只出現(xiàn)極少的表面損壞，但是能量耗散較小，如圖4。

同年，Kurama等［9］首次提出在無粘結后張預應力技術運用到鋼筋混凝土墻體中，并對其進行了理論模型的分析。至此，就出現(xiàn)了具有自復位功能的預制墻體，并逐漸演變?yōu)樽詮臀患袅Y構。

2　自復位剪力墻結構的基本原理

自復位結構體系由搖擺結構體系發(fā)展而來，基本原理與搖擺結構有相似之處。通過放松結構與基礎或結構構件間的約束，在地震作用下使結構相對基礎能發(fā)生一定程度搖擺或結構構件之間能發(fā)生一定程度的轉動，結構本身沒有較大彎曲變形，震后恢復到初始位置且結構沒有永久殘余變形，這種結構為最原始的自由搖擺結構。自復位結構體系是在此基礎上在結構中使用預應力筋，當放松約束的結構在地震作用下發(fā)生一定程度的彎曲變形并產(chǎn)生搖擺，通過預應力使結構回到原有位置。自復位剪力墻結構的基本原理即結構在基礎與墻身的交界面處斷開，墻身與基礎不固接，墻身內(nèi)置的預應力筋錨固入基礎內(nèi)，在地震作用下允許剪力墻與基礎之間的縫隙張開，墻身自重及預應力提供恢復力使縫隙閉合，有效地減小地震對結構的作用，且墻身幾乎無殘余變形。

3　國內(nèi)外自復位剪力墻結構相關研究

3.1國外對于自復位剪力墻結構的相關研究

Kurama等［10］設計的無粘結預應力自復位剪力墻由后張預應力預制墻片通過水平節(jié)點疊合組成，并在墻片中內(nèi)置無粘結預應力鋼絞線。Kurama等通過纖維模型對試驗進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)其結構在側向循環(huán)荷載作用的非線性響應主要來自于墻身沿著水平節(jié)點的縫隙張開及閉合，與其設計的預期相吻合，且該自復位剪力墻與具有相同強度和初始剛度的現(xiàn)澆整體剪力墻相比具有更好的柔性并能在更大的非線性側移下僅發(fā)生輕微損傷，但該結構存在的問題是側向位移過大且耗能能力不足。

對此，Kurama等［11］又提出在結構中加入粘滯阻尼器，墻片間縫隙張開時通過粘滯阻尼器的變形來耗散地震能量并減小結構側移，并進行了一系列不同固有周期自復位墻的動力時程分析，結果均表明加入粘滯阻尼器能有效減小結構的最大側移并防止結構產(chǎn)生明顯損傷，如圖5。Perez等［12］針對Kurama提出的預應力剪力墻模型進行了試驗，試驗結果與Kurama的理論模型分析吻合較好。

圖5　 Kurama提出的粘滯阻尼器自復位結構

Holden等［13］設計了一組試驗，將自復位預制預應力剪力墻中加入碳纖維管，并在墻肢與基礎間加入軟鋼耗能裝置，將這種自復位剪力墻與相同尺寸的傳統(tǒng)現(xiàn)澆整體剪力墻進行對比試驗，試驗結果表明增加軟鋼耗能裝置的自復位剪力墻結構與傳統(tǒng)剪力墻相比，在無明顯強度損失和破壞的情況下將結構側移從2.5%提升至3%，如圖6。Marriott等［14］提出外置自復位剪力墻的耗能裝置以便震后更換，并設計了一組4片剪力墻的試驗在University of Canterbury的振動臺進行。試驗中三片墻體分別使用不同的耗能裝置，一片墻體僅通過接觸阻尼耗能。其試驗再次表明加裝阻尼器能夠提高自復位剪力墻結構的耗能能力且保證剪力墻具有優(yōu)秀的自復位能力。

圖6　 Holden設計的帶軟鋼耗能裝置剪力墻試驗模型

圖7　 Sritharan設計的豎向接縫自復位剪力墻

在既有研究集中于將剪力墻與基礎分離采用預應力筋連接并加裝阻尼器的設計方向之外，Sritharan等［15］提出了一種在豎向將墻片分離的自復位剪力墻結構，剪力墻底部與基礎的空隙由砂漿填充，剪力墻之間的豎向接縫由“UU”型鋼板連接，如圖7。在地震作用下，墻體發(fā)生搖擺，墻片間產(chǎn)生錯動的過程中由“UU”型鋼板塑性變形耗能。他們對此設計進行的試驗表明在地震作用下該墻體具有非常好的抗震性能，墻體在擬動力試驗后只有輕微損傷且復位后的側移不到0.1%。在此試驗基礎上，Sritharan等還提出了簡化的豎向分離自復位墻體的分析和設計方法。在Sritharan等提出豎向分離自復位剪力墻的簡化設計方法后，Pennucci等［16-17］也提出了基于位移的自復位剪力墻附加阻尼器的設計方法，并在一系列結構的試驗對比及非線性動力分析中驗證其設計理論。

另一方面，Shen等［18-19］又展開了聯(lián)肢剪力墻中采用鋼連梁實現(xiàn)自復位的研究，其設計與Priestley等設計的框架節(jié)點類似，將連梁與剪力墻在連接處斷開，采用角鋼及墻身內(nèi)置鋼板進行連接，并在墻身中內(nèi)置水平方向無粘結預應力筋。其理論分析表明通過地震作用下連梁與墻身間的縫隙張開閉合，連接角鋼及鋼板塑性變形耗能，與整體現(xiàn)澆聯(lián)肢剪力墻相比自復位聯(lián)肢剪力墻能夠達到7.5%的位移角并在加載結束后無顯著殘余變形，如圖8。隨后Kurama等［20］又對此理論模型進行了試驗與評估研究，試驗結果與之前提出的理論模型非常吻合。

2008年，Stevenson等［21］首次將自復位剪力墻技術運用于實際新建工程中。在Berkeley的David Brower Center工程中，Mark等在結構中設計兩個對稱的“C”型預應力自復位墻體形成核心。該工程研究人員在CSI Preform-3D中將自復位墻體采用非線性纖維單元進行模擬，使用Design Basis Earthquake（DBE）及Maximum Capable Earthquake（MCE）兩種地震波進行分析，后張預應力筋的平均峰值應變僅在MCE分析中達到屈服點，而約束混凝土的最大應變始終保持在0.008，低于極限應變0.010，如圖9。

圖8　 Shen等設計的自復位聯(lián)肢剪力墻

圖9　 David Brower Center中的自復位剪力墻結構

Erkmen等［22］進行試驗指出在反復荷載作用下自復位墻體中預應力可能完全消失，但是其理論研究表示只要對預應力錨固裝置進行適當設計，即使預應力在地震作用中消失，自復位剪力墻也能保持其自復位性能。在此基礎上Erkmen等設計了一系列對比試驗深入研究了預應力筋分布情況、預應力錨固措施、初始預應力以及豎向外荷載對自復位剪力墻的性能影響。Erkmen等指出預應力筋的錨固措施對自復位剪力墻性能影響顯著；如果能防止預應力筋在地震作用中受壓，初始預應力及豎向外荷載大小對自復位剪力墻的性能影響幾乎可以忽略；預應力筋的分布對剪力墻自復位性能影響較小但對剪力墻的側向剛度具有顯著影響。

Henry等［23］通過有限元軟件建立了帶端柱的自復位剪力墻采用O型耗能連接的模型，分析了結構整體與局部響應與Tweigden等［24］進行的試驗在側向力與位移關系曲線、無粘結預應力筋應力、混凝土壓應變、連接器變形等方面高度吻合，該有限元分析突出了剪力墻墻趾部位混凝土的非線性行為并闡述到O型耗能連接器的數(shù)量與豎向外荷載之間并無直接關系。該研究還進行了剪力墻與樓板的連接分析，預制剪力墻與樓板剛性連接時在地震作用下將造成樓板損壞，而采用O型連接件將樓板與剪力墻在豎向位移上分離能夠有效減小剪力墻在搖擺抬升過程中迫使樓板發(fā)生的損壞，如圖10、圖11。

圖10　 Henry提出的帶端柱的自復位剪力墻

圖11　 O型連接件

近年來隨著工程結構中對鋼材使用的增加，Clayton［25］首先提出了鋼板剪力墻的自復位設計方法，這種鋼板剪力墻通過薄鋼板剪力墻提供側向強度和剛度以及能量消耗，鋼框架節(jié)點處梁柱可分離，框架中后張預應力筋提供恢復力來實現(xiàn)自復位。Winkley等［26-27］對Clayton提出的自復位鋼板剪力墻進行了一系列試驗后進行總結并提出了新型鋼板剪力墻的設計方法。Dowden等［28］對自復位鋼板剪力墻的性能進行研究，并提出多項設計建議。在之前研究的基礎上，Clayton等［29］提出了一種腹板只與梁連接的新型鋼板剪力墻并進行了對比試驗。試驗表明，腹板只與梁連接的自復位鋼板剪力墻能夠降低鋼框架的設計需求并減輕腹板所受到的損傷，如圖12。

圖12　 Clayton提出的自復位鋼板剪力墻

3.2國內(nèi)對于自復位剪力墻結構的相關研究

如前文所述，國外對于自復位剪力墻結構的研究已經(jīng)較為成熟，而國內(nèi)對于自復位結構的研究主要集中于自復位鋼框架結構、自復位鋼筋混凝土框架結構以及自復位橋墩等方面，對于自復位剪力墻結構的研究開展較晚，尚處于起步階段。

周穎等［30］首先對搖擺及自復位結構的研究進行了綜述，提到了國外關于自復位剪力墻的重點研究。

吳浩等［31］總結了無粘結后張拉預制剪力墻的抗震性能特點并介紹了相應的數(shù)值模擬方法。作者分別對兩種模擬接縫方法（彌散接縫模型和集中接縫模型）進行計算分析，結果表明無粘結后張拉預制剪力墻結構在小變形情況下保持彈性反應，在大變形情況下由于接縫的張開閉合而進入非線性導致結構剛度和承載力退化，但卸載后結構基本可以恢復到初始狀態(tài)，僅有微小殘余變形，具備自復位能力。

馬昕等［32］針對自復位剪力墻結構耗能不足的特點，在墻身與基礎交界處增加軟鋼阻尼器，并通過Abaqus軟件建模分析了軟鋼阻尼器的數(shù)量、長度、位置等參數(shù)對剪力墻自復位性能及耗能能力的影響，指出阻尼器的數(shù)量對結構自復位性能影響較大，而阻尼器、阻尼器長度等參數(shù)對結構的自復位性能影響相對較小。

黨像梁等［33］進行了底部開水平縫預應力自復位剪力墻的試驗研究與數(shù)值模擬，其研究指出底部開水平縫預應力自復位剪力墻能在不降低剪力墻承載力和剛度的前提下極大減小墻體的殘余變形，且能將非線性變形集中在墻體和基礎連接開縫處，使墻體的裂縫數(shù)量和發(fā)展都極大程度的減少，如圖13。

圖13　黨像梁等提出的底部開縫復位剪力墻

黨像梁等［34］還針對自復位預應力剪力墻的抗震性能進行了實體、平面單元和薄殼單元的有限元分析。通過對比分析指出采用實體單元和平面應力單元均能較好地模擬試件的側向承載力和卸載剛度等力學特性，區(qū)別在于實體單元的計算時間較長但能較好地模擬試件的應變狀態(tài)，而平面單元的計算效率高卻難以體現(xiàn)結構平面外的變形和受力狀態(tài)。

陳凱［35］等進行了一組框架、框架-自復位墻以及框架-剪力墻結構的靜力彈塑性及彈塑性時程對比分析。其分析表明自復位剪力墻能夠幫助框架提升耗能能力，且框架-自復位墻相比另外兩種結構具有更加均勻的層間位移角，但是耗能能力卻不如框架-剪力墻結構。

4　總結

總結國內(nèi)外自復位剪力墻既有研究，可以得出以下結論。

（1）剪力墻通過與基礎分離實現(xiàn)搖擺功能，并在剪力墻與基礎中內(nèi)置連同的預應力筋使剪力墻實現(xiàn)自復位。但剪力墻墻角與基礎接觸位置容易產(chǎn)生應力集中而使墻角處混凝土極易損壞，通過在墻角部位布置螺旋箍筋或外包鋼板可以有效的防止腳部區(qū)域的混凝土壓碎。

（2）自復位剪力墻結構的滯回曲線呈“旗幟”型，其耗能能力不足容易導致結構側移過大，較為常見的做法在剪力墻底部與基礎接觸處附加阻尼器或設置端柱并與剪力墻通過耗能鋼連接件連接。此類采用耗能阻尼器或耗能鋼連接件的做法能夠有效改善剪力墻的耗能能力。

（3）自復位剪力墻采用后張預應力筋使剪力墻具備自復位功能，但預應力筋的長度極大程度地限制了自復位剪力墻結構的高度，使高層剪力墻結構尚無法實現(xiàn)自復位功能，如何在高層剪力墻中實現(xiàn)自復位功能，國內(nèi)外學者對此尚無研究。在下半墻高內(nèi)采用后張預應力筋，上半墻高部分采用阻尼器與支撐柱連接的思路值得嘗試。

（4）目前國內(nèi)外對于自復位剪力墻結構的研究主要集中于單肢剪力墻自復位性能與各項參數(shù)間關系的研究，針對聯(lián)肢剪力墻如何實現(xiàn)自復位功能的研究除Kurama等［18-20］進行了相關試驗與分析之外相當匱乏，將聯(lián)肢剪力墻中某肢設計為搖擺自復位墻體以幫助整體結構實現(xiàn)自復位功能的設想值得探索。

（5）國內(nèi)外針對框架-搖擺墻以及框架-自復位墻結構的研究較為成熟，并一定程度上應用于實際工程中［21，36］。但對于純剪力墻結構實現(xiàn)自復位功能的研究尚局限于小模型的試驗及軟件分析階段，尤其是國內(nèi)的相關研究更是匱乏。如今，可恢復功能結構已經(jīng)成為結構抗震研究的熱點，這一領域值得廣大學者與研究人員深入探索以促進自復位剪力墻結構的實際應用。

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責任編輯：孫蘇，李紅

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.

中圖分類號：TU3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）05-0053-06

收稿日期：2016-04-20

作者簡介：陳閣琳（1979-），男，湖南邵陽人，本科，高級工程師，主要從事施工技術研究。

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.05.053