楊 森，徐培蓁，*，劉振杰，朱亞光，李 哲，萬小梅

(1.青島理工大學 土木工程學院，青島 266525；2.青島騰遠設計事務所有限公司，青島 266071)

20世紀90年代，有學者指出框架結構在抗震設計過程中的“強柱弱梁”的破壞機制在實際地震中基本無法實現[1]。2008年汶川地震[2]、2010年玉樹地震[3]、2017年九寨溝地震[4]等多次地震的災后調查結果也表明，上述破壞機制在地震中很少實現，反而“柱鉸”破壞機制頻繁地出現在震后的調查結果中[5]。

通過觀察震后倒塌的房屋，發(fā)現其塑性鉸大都出現在柱端且數量相對較少，地震作用時產生的能量不能有效地被消耗掉，容易造成結構損傷集中，進而在某一層形成薄弱層[6]。為解決上述工程難題，有學者提出通過概念設計的方式，控制側向變形，改變結構的破壞模式[7]，使層屈服機制變成整體屈服機制，減弱地震作用時框架結構損傷集中問題，即采用框架-搖擺墻結構體系[8]。其中，連接件對框架-搖擺墻結構至關重要，是影響其協(xié)調層間變形、耗能的關鍵，連接件的剛度過小，無法起到協(xié)調層間位移變形的作用，且容易造成連接件的失效；連接件的剛度過大，雖可以顯著提升結構整體剛度，控制層間位移變形，但會影響耗能能力[9]。剛性桿作為連接件時，其塑性鉸屈服程度相對其他部位較為嚴重，在消耗地震能量過程中，會伴隨著裂縫的產生，甚至可能導致混凝土被壓碎破壞。為解決連接件的問題，要求連接件作為預期損傷部位，需要足夠的塑性變形和耗能能力及一定的震后可替換性。而阻尼器既能提供一定剛度又具有良好的滯回耗能性能，并且其作為連接構件便于安裝、拆卸，可替換性高。故而研究用阻尼器代替剛性桿作為連接件的可行性，對解決上述難題具有一定的科學意義。

因此，把某地一中學教學樓作為研究對象，分別用黏彈阻尼器、金屬阻尼器及黏滯阻尼器代替剛性桿作為連接構件，通過SNAP彈塑性分析軟件，探討阻尼器作為連接構件的框架-搖擺墻結構受罕遇地震作用的影響，研究其對搖擺墻抗震加固方面應用的可行性。

1 模型的建立

1.1 主體結構模型的建立

教學樓建筑高度為25.30 m，共6層，首層層高4.56 m，2—6層層高4.20 m，抗震設防烈度為7度，場地類別Ⅲ類。取其中一榀框架探究阻尼器作為連接構件的框架-搖擺墻結構在罕遇地震作用下的影響。結構主體構件的尺寸和混凝土強度等級都依據實際工程選用(表1)。圖1為搖擺墻設置示意。

表1 框架結構梁柱尺寸

圖1 搖擺墻設置示意

1.2 材料本構的選擇

鋼筋和混凝土的材料本構分別采用雙線型彈塑性模型、曲線剛度折減型恢復力模型，這兩種本構模型均是結合清華大學開發(fā)的PQFiber程序[10]和SNAP軟件進行選定的，模型本構見圖2、圖3，材料性能參數見表2、表3，同時采用不同的模型單元來模擬搖擺墻的連接件，其中，剛性桿采用空間桿系模型、黏彈性阻尼器采用Kelvin模型、金屬阻尼器采用同軸Wen模型、黏滯阻尼器采用Maxwell模型，具體參數見第2章節(jié)。

圖2 鋼材的材料本構

圖3 混凝土的材料本構

表2 鋼筋材料性能參數

表3 混凝土材料性能參數

1.3 地震波的選取和薄弱層位置的確定

依據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2016)的規(guī)定[11]所采用的3條地震波分別為寧河天津波(實測波)、Northridge波(實測波)和CANYON波(擬合波)[12-13]。

采用CANYON波來進行時程分析，以此確定出結構薄弱層的位置。計算結果見表4。

表4 CANYON波作用下結構的地震反應

從表4中可以看出，F2的層間位移角較其他樓層偏大，說明該層抗側剛度最小，為結構的薄弱層。由于本次模擬分析針對已經遭受過地震作用且存在明顯薄弱層的結構進行抗震加固，需對原有主體結構的設計尺寸進行適當地調整。因此，選取框架結構的第2層作為研究對象，人為削弱該層的柱截面尺寸，模擬經歷罕遇地震作用后結構的損傷情況。

1.4 薄弱層尺寸的確定及驗算

1.4.1 薄弱層尺寸的確定

在模擬分析時，薄弱層需要進行人為設定?！痘炷两Y構設計規(guī)范》(GB 50010—2002)和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2016)中通常采用軸壓比來體現柱(墻)的受壓情況及判斷柱子的破壞情況，因此，設計柱時需要限制其軸壓比。其計算公式為

μ=N/(A×fc)

式中：μ為軸壓比；N為軸向力設計值；A為柱的截面面積；fc為混凝土的抗壓強度設計值。

主體結構2層薄弱層的實際軸壓比為0.83，軸向力設計值為853.62 kN，混凝土的抗壓強度設計值為16.7 N/mm2，故而主體結構2層薄弱層的面積A=61584.3 mm2，即薄弱層柱的尺寸為248 mm×248 mm，取整為250 mm×250 mm。

1.4.2 薄弱層的驗證

采用上述3條地震波對含薄弱層的主體結構進行彈塑性時程分析。層間位移角分析結果見圖4。

圖4表明，在3條地震波作用下，框架結構中人為設定的薄弱層F2(250 mm×250 mm)地震動響應較大，其層間位移角超過了規(guī)范限制的1/50[11]，故而該結構需要進行抗震加固。

1.5 搖擺墻尺寸的確定

文獻[14]通過研究初始損傷的框架-搖擺墻發(fā)現，搖擺墻結構能有效改變結構的變形模式，對于受損框架結構而言，當搖擺墻的剛度比約為0.02時，受損傷的框架結構層間位移開始趨于穩(wěn)定，當進一步提高剛度比為0.045時，不同受損程度的框架結構層間位移變化基本一致。綜合上述因素，選定搖擺墻的剛度比為0.046、截面尺寸為1200 mm×600 mm。

2 搖擺墻的不同類型連接件選取

2.1 傳統(tǒng)框架+搖擺墻加固

框架結構采用傳統(tǒng)的搖擺墻體系進行加固時，其與搖擺墻的連接件一般情況下為剛性桿-鋼筋混凝土結構構件。選用剛性桿的截面尺寸為300 mm×900 mm。

2.2 黏彈性阻尼器+搖擺墻加固

采用4種黏彈性阻尼器進行本次結構模擬分析，分別編號為Ve-1，Ve-2，Ve-3，Ve-4，其尺寸及相關參數見表5所示。

表5 黏彈阻尼器參數

2.3 金屬阻尼器+搖擺墻加固

采用4種屈曲約束型金屬阻尼器進行本次模擬分析，分別記為G-1，G-2，G-3，G-4。4種金屬阻尼器的參數見表6。

表6 金屬阻尼器參數

2.4 黏滯阻尼器+搖擺墻加固

黏滯阻尼器的Ce(彈性界限值)函數模型見圖5。

圖5 Ce函數模型

選用的2種黏滯阻尼器，編號分別為Vf-1，Vf-2，其規(guī)格見表7。

表7 黏滯阻尼器參數

3 動力時程分析

分析同種阻尼器不同型號之間的層間位移角與塑性鉸破壞程度，得出Ve-2型黏彈性阻尼器、G-4型金屬阻尼器、Vf-1型黏滯阻尼器減震效果最佳，選取最優(yōu)的阻尼器布置狀態(tài)進行后續(xù)研究。

3.1 層間位移角

不同地震波作用下的層間位移角計算結果見圖6。

從圖6中可以看出，剛性桿、黏彈性阻尼器、金屬阻尼器和黏滯阻尼器在上述3條地震波作用下的最大層間位移角分別為1/69，1/65，1/63，1/65，都滿足抗震規(guī)范的具體要求。說明用阻尼器替代剛性桿作為連接件也可以控制最大層間位移角，發(fā)揮出搖擺墻的作用，滿足工程抗震加固的需要。與剛性桿相比，黏彈性阻尼器作為連接件時，其對主體結構的層間位移角的控制效果不明顯，且薄弱層的層間位移角仍較為突出；金屬阻尼器替代剛性桿作為連接構件時，層間位移角沿層高分布較為均勻，最大層間位移角略有增大，但仍不超過規(guī)范限值要求。同樣的，當連接件為黏滯阻尼器時，也可以有效控制結構的最大層間位移角，使其滿足規(guī)范限制要求，但與剛性桿相比，其對薄弱層層間位移的控制效果略有下降。

3.2 層間位移及頂點位移

不同地震波作用下結構的最大層位移及頂點位移見圖7。

從圖7可以看出，黏滯和黏彈性阻尼器作為連接件的框架-搖擺墻結構在3條地震波作用下的層間位移、頂點位移均小于剛性桿，說明兩者能夠降低主體結構的地震動響應，抑制結構的側向變形。而金屬阻尼器作為連接件時，其層間位移、頂點位移相比剛性桿略有增大，不能抑制主體結構的側向變形。

3.3 塑性鉸對比

圖8為4種連接構件的結構在寧河天津波作用下的破壞示意，實心點表示塑性鉸。

圖8 不同連接構件的結構破壞

分析4種不同連接構件的結構破壞圖可以發(fā)現，阻尼器替代剛性桿作為連接構件時，主體結構在柱端同樣未產生塑性鉸，說明阻尼器作為連接構件并不改變其整體屈服模態(tài)。從圖8、表8中可以看出，金屬阻尼器作為連接件時框架結構產生78個塑性鉸，黏滯阻尼器產生的塑性鉸個數為76個，這說明后者能通過滯回耗能抑制結構的損傷。黏彈性阻尼器也具有一定的耗能能力，但不能有效地傳遞軸力，產生的塑性鉸個數相對較少，為69個。

表8 連接構件塑性鉸比較

3.4 軸力對比

在框架-搖擺墻結構中，軸力的傳遞是通過連接件進行的。連接件是搖擺墻與框架主體之間協(xié)同工作的保證，同時，也會耗散地震能量。但是，若連接件傳遞軸力過大，則表明其剛度較大，連接件與框架結構及搖擺墻的連接部位有可能會因為過大的軸力而損壞，從而影響搖擺墻的控制效果；若連接件傳遞軸力過小時，又不能充分發(fā)揮搖擺墻的耗能作用。從表9中可以看出，4種連接構件中傳遞軸力最大的是剛性桿，平均軸力約為744.86 kN，說明剛性桿能通過自身剛度來傳遞地震作用下的軸力，并通過自身與框架結構及搖擺墻的連接部位的損傷來耗散地震能量。當使用黏彈性阻尼器連接框架結構及搖擺墻時，傳遞的軸力較小，只有剛性桿的31.27%，說明其作為連接件時無法有效協(xié)調層間位移變形且容易造成連接件失效，不能很好地發(fā)揮搖擺墻的作用。與黏彈性阻尼器連接件相比，金屬阻尼器可以提供一定的剛度，傳遞的軸力為剛性桿的87.23%，說明金屬阻尼器與框架結構及搖擺墻的連接部位的內力相比剛性桿均較小，造成損傷的概率較剛性桿小。黏滯阻尼器在傳遞軸力方面與金屬阻尼器類似，其連接處可以傳遞較大的軸力，但由于其本身的滯回耗能，傳遞的軸力相當于剛性桿的71.46%，說明黏滯阻尼器作連接件在罕遇地震作用下既能傳遞軸力發(fā)揮搖擺墻的作用，自身又能消耗地震能量，減少對主體結構的損傷。

表9 連接構件軸力對比 kN

4 結論

1) 通過剛性桿、黏彈性阻尼器、金屬阻尼器、黏滯阻尼器來連接的框架-搖擺墻結構，均能限制結構的最大層間位移角，滿足抗震規(guī)范的限值要求。

2) 與剛性桿以及金屬阻尼器相比，黏彈、黏滯阻尼器在罕遇地震作用下能夠減小結構側向位移及頂點位移；并且相較于黏彈性阻尼器，黏滯阻尼器能更有效地控制結構的層間位移角。

3) 剛性桿以自身結構的損傷來耗散罕遇地震的能量；金屬、黏滯阻尼器在為結構提供一定的剛度，傳遞軸力的同時，還能通過自身的耗能特性來消耗地震過程中產生的能量；黏彈性阻尼器傳遞的軸力較小，主體結構只能通過耗能器耗散罕遇地震的能量，導致薄弱層位移較為突出。

4) 黏滯阻尼器作為連接構件在震后安裝、拆卸方便，可替換性高，完全滿足工程加固的需要，因此，用黏滯阻尼器代替剛性桿作為搖擺墻與框架結構之間的連接構件進行實際工程加固是可行的。