劉健，張玉敏

（華北理工大學河北省地震工程研究中心，河北唐山063009）

預制鋼筋混凝土剪力墻結構設置金屬阻尼器減震效果

劉健，張玉敏

（華北理工大學河北省地震工程研究中心，河北唐山063009）

預制鋼筋混凝土剪力墻；金屬阻尼器；非線性時程分析；抗震性能

利用結構分析軟件SAP2000，對一棟分別采用現澆整體剪力墻、預制墻體接縫無阻尼器、預制墻體接縫有阻尼器的剪力墻結構建立了計算模型，進行多遇地震及罕遇地震作用下的非線性時程分析，根據計算數據分析設置有耗能阻尼器的預制裝配式剪力墻結構體系的抗震性能。計算結果表明：當拼縫寬度在300～500mm范圍內時，能取得較為滿意的減震效果。位移型阻尼器在小震時基本處于彈性狀態(tài)，為結構提供剛度；在大震時則處于屈服狀態(tài)，具備良好的耗能能力。為了減小在地震作用下的層間位移角及具有耗能作用，在預制墻板的豎向接縫內設置位移型阻尼器是可行的。

0 引言

目前，國內許多城市住房和城鄉(xiāng)建設管理部門推廣適合工業(yè)化生產的預制裝配式混凝土建筑體系，加快發(fā)展建設工程的預制和裝配技術，提高建筑工業(yè)化技術集成水平，開展工業(yè)化建筑示范試點。預制裝配式建筑是工業(yè)化建筑的重要形式，由于其具有顯著的經濟、社會和環(huán)境效益，因此在我國建筑工業(yè)化進程中扮演重要角色［1］。

剪力墻作為一種抵抗側向力的結構構件，其剛度大，承載力高，在高層建筑中得到廣泛應用。大量的鋼筋混凝土高層建筑通常由梁、柱、樓板和剪力墻及筒體構成，剪力墻是高層建筑抗震的核心部分，其承擔了80%以上的水平地震作用，所以剪力墻結構的抗震性能對于高層建筑的安全可靠有著至關重要的作用，是工程界十分關注和亟待解決的關鍵問題之一。

中國建筑科學研究院、清華大學、東南大學、哈爾濱工業(yè)大學、合肥工業(yè)大學、安徽建筑工業(yè)學院等多家單位開展了預制剪力墻的部分技術研究。通過試驗研究，在結構體系的連接構造、抗震性能、設計方法、施工方法等方面取得了很多成果，并編制了部分地方標準，在萬科集團、南通建筑工程總承包有限公司、上海瑞安集團、黑龍江宇輝集團等的開發(fā)項目中開展了部分工程應用［2－6］。

從國內外的研究和應用經驗來看，與裝配式框架結構相比，裝配式剪力墻結構中存在更大量的接縫，預制裝配式鋼筋混凝土剪力墻結構的水平接縫和豎向接縫是結構的關鍵部位，水平接縫傳遞豎向荷載、承受水平剪力，豎向接縫傳遞相鄰剪力墻片之間的剪力。對于預制混凝土剪力墻中構件拼接結合面連接性能對剪力墻構件乃至整個結構的影響，總體說來，日本和我國強調裝配式混凝土結構基本是混凝土結構的延伸；總的設計目的可以被形容為：希望把裝配式混凝土制作成等同于整體混凝土行為，所以我國采用的接縫連接基本是以濕縫實現剛連接為主。而美國，裝配式混凝土結構的細部構造不同于整體混凝土，他們主要強調的是干的節(jié)點和快速施工［4］。目前我國預制裝配式剪力墻結構可以分為部分預制剪力墻結構和全預制剪力墻結構。部分預制剪力墻結構主要指內墻現澆、外墻預制的結構，該結構目前在北京萬科的工程中已經示范應用。由于內墻仍為現澆，其預制化率較低。全預制剪力墻結構是指全部剪力墻采用預制構件拼裝裝配。該結構體系的預制化率高，但拼縫的連接構造比較復雜、施工難度較大，難以保證完全等同于現澆剪力墻結構，使得真正的全預制剪力墻結構在地震區(qū)的推廣應用還有待更深層次的研究。

如果不采用上述常規(guī)的等同于現澆的設計理念，使接縫結合面較弱些，在較小荷載時，預制墻與現澆墻幾乎相同的性質，較大荷載時，結合面產生小變形和摩擦作用，使整體墻阻尼增加，延性增加，抗震性能更好。這一理念與部分現澆剪力墻研究者提出的帶豎縫混凝土剪力墻理念一致，似乎更合理些，但對于水平結合面則不行，其滑移將會導致很大變形，甚至導致結構倒塌，而且對于豎向結合面也要有量的控制?；诖朔N觀點，提出強水平縫弱豎縫的實施方法，利用一種新型預制現澆鋼筋混凝土組合樓板形成強水平縫，采用耗能金屬或者摩擦阻尼器形成弱豎向縫。從結構的屈服機制看，結構在側力的作用下，由于水平縫較強，豎縫首先屈服，與"強柱弱梁"相似，不致形成引起結構倒塌的屈服機制。

豎向接縫傳遞預制剪力墻墻片之間的相互作用，影響結構的變形和耗能能力。豎向接縫的抗剪承載力取決于接縫的形狀、剪切鍵的面積、接縫的寬度、接縫材料的性能等。耗能剪力墻的研究主要集中在現澆結構中，目前還未見將豎縫剪力墻和阻尼器應用于裝配式住宅的嘗試，但上述理論和試驗結果可以借鑒到預制混凝土剪力墻結構中［7－13］，以實現“強水平縫，弱豎縫”的設計理念。

基于以上觀點，為了使預制裝配式剪力墻結構體系得到推廣應用，保證剪力墻結構概念設計要求，提高結構延性，在提出新型“強水平縫弱豎縫”設計理念基礎上，利用結構分析軟件SAP2000，對一棟分別采用現澆整體剪力墻、預制墻體接縫無阻尼、有阻尼的剪力墻結構建立了計算模型，并通過時程分析法驗證。

1 結構分析模型

取一幢20層鋼筋混凝土剪力墻結構。結構層高3m，共20層，總高60m。結構平面圖如圖1所示。樓面根據一般裝修條件取用恒載4．0kN／m2，屋面則適當考慮找坡層、保溫隔熱層的恒載，取5．0kN／m2。樓面活荷載取2．0kN／m2，不上人屋面活荷載取0．5kN／m2。剪力墻厚度為250mm，混泥土為C40，鋼筋為HRB400，樓板厚度為150mm，混凝土為C35，鋼筋為HRB 335。

圖1 結構平面布置示意圖（mm）

阻尼器布置方案：

將阻尼器布置在Y軸方向的2片剪力墻中間，如圖3所示。2片墻中間預留豎縫，預制剪力墻尺寸采用1 800mm×3 000mm×250mm。剪力墻采用非線性殼單元。模型中阻尼器采用Plastic（Wen）單元，Plastic（Wen）的應力應變關系曲線如圖2所示［14］，與摩擦單元（理想剛塑性）類似。

圖2 Plastic（Wen）單元應力應變關系曲線

圖3 阻尼器布置示意圖

采用SAP2000，分別建立純剪力墻結構模型，設置豎向縫剪力墻模型，以及安裝不同參數的阻尼器剪力墻模型。選取El Cenro波，加速度峰值為341．7cm／s2，持續(xù)時間20s，間隔時間0．02s。對地震波進行調整為設防烈度8度時多遇地震和罕遇地震情況下進行時程分析，比較不同模型下結構的層間位移角。多遇地震與罕遇地震地面運動加速度值分別取70cm／s2及400cm／s2。

2 計算結果及分析

非線性動力反應時程分析結果如表1、表2所示（僅給出了部分計算結果）。

表1 縫寬300mm地震動力反應層間位移（多遇地震）

表2 縫寬300mm地震動力反應層間位移（罕遇地震）

圖4所示為結構樓層層間與金屬阻尼器參數的關系，圖5所示為結構樓層層間與墻板接縫寬度之間的關系。

圖4 結構樓層層間與金屬阻尼器參數

圖5所示為結構樓層層間與墻板接縫寬度。

圖5 結構樓層層間與墻板接縫寬度

計算結果表明：當接縫寬度為100～200mm時，在多遇地震和罕遇地震條件下，帶阻尼器的預制剪力墻結構的減震效果不明顯，動力反應層間位移角甚至大于現澆整體結構。

從圖4及圖5可以看出，當接縫寬度為300～500mm時，在多遇地震和罕遇地震條件下，設置阻尼器的預制剪力墻結構具有明顯的減震效果。多遇地震與罕遇地震情況下，不同樓層層間位移角減振效率一般在20%～70%左右［減振效率＝（無阻尼器層間位移角－有阻尼器層間位移角）／無阻尼器層間位移角］，這時減效果較好。從圖4也可以看出，只有當初始剛度及屈服點取適當較高的值時，才有明顯的減震效果，其最優(yōu)組合要通過計算比較確定。

另外當1 000mm縫寬時，減震效果有所下降，只有當阻尼器剛度和屈服力比較大時，帶阻尼器的預制剪力墻結構具有明顯的抗震效果。

3 結論

（1）當墻板豎向接縫寬度小于100～200mm時，在接縫設置阻尼器沒有減震效果；當接縫寬度在300～500mm范圍內時，能取得較為滿意的減震效果。但此時需要考慮位移型阻尼器的參數匹配，如屈服點及初始剛度。

（2）位移型阻尼器在小震時基本處于彈性狀態(tài)，為結構提供剛度；在大震時則處于屈服狀態(tài)，具備良好的耗能能力。

（3）在預制墻板的豎向接縫內設置位移型（軟鋼）阻尼器，可以減小在地震作用下的層間位移角及具有耗能作用，這也為預制裝配式剪力墻結構的豎向接縫賦予了必要的功能，針對具體的結構形式，可以優(yōu)化設計。

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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－h(huán)istory 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

河北省自然基金項目（E2015209020）。