杨 森，徐培蓁，*，刘振杰，朱亚光，李 哲，万小梅

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525；
2.青岛腾远设计事务所有限公司，青岛 266071)

20世纪90年代，有学者指出框架结构在抗震设计过程中的“强柱弱梁”的破坏机制在实际地震中基本无法实现[1]。2008年汶川地震[2]、2010年玉树地震[3]、2017年九寨沟地震[4]等多次地震的灾后调查结果也表明，上述破坏机制在地震中很少实现，反而“柱铰”破坏机制频繁地出现在震后的调查结果中[5]。

通过观察震后倒塌的房屋，发现其塑性铰大都出现在柱端且数量相对较少，地震作用时产生的能量不能有效地被消耗掉，容易造成结构损伤集中，进而在某一层形成薄弱层[6]。为解决上述工程难题，有学者提出通过概念设计的方式，控制侧向变形，改变结构的破坏模式[7]，使层屈服机制变成整体屈服机制，减弱地震作用时框架结构损伤集中问题，即采用框架-摇摆墙结构体系[8]。其中，连接件对框架-摇摆墙结构至关重要，是影响其协调层间变形、耗能的关键，连接件的刚度过小，无法起到协调层间位移变形的作用，且容易造成连接件的失效；
连接件的刚度过大，虽可以显著提升结构整体刚度，控制层间位移变形，但会影响耗能能力[9]。刚性杆作为连接件时，其塑性铰屈服程度相对其他部位较为严重，在消耗地震能量过程中，会伴随着裂缝的产生，甚至可能导致混凝土被压碎破坏。为解决连接件的问题，要求连接件作为预期损伤部位，需要足够的塑性变形和耗能能力及一定的震后可替换性。而阻尼器既能提供一定刚度又具有良好的滞回耗能性能，并且其作为连接构件便于安装、拆卸，可替换性高。故而研究用阻尼器代替刚性杆作为连接件的可行性，对解决上述难题具有一定的科学意义。

因此，把某地一中学教学楼作为研究对象，分别用黏弹阻尼器、金属阻尼器及黏滞阻尼器代替刚性杆作为连接构件，通过SNAP弹塑性分析软件，探讨阻尼器作为连接构件的框架-摇摆墙结构受罕遇地震作用的影响，研究其对摇摆墙抗震加固方面应用的可行性。

1.1 主体结构模型的建立

教学楼建筑高度为25.30 m，共6层，首层层高4.56 m，2—6层层高4.20 m，抗震设防烈度为7度，场地类别Ⅲ类。取其中一榀框架探究阻尼器作为连接构件的框架-摇摆墙结构在罕遇地震作用下的影响。结构主体构件的尺寸和混凝土强度等级都依据实际工程选用(表1)。图1为摇摆墙设置示意。

表1 框架结构梁柱尺寸

图1 摇摆墙设置示意

1.2 材料本构的选择

钢筋和混凝土的材料本构分别采用双线型弹塑性模型、曲线刚度折减型恢复力模型，这两种本构模型均是结合清华大学开发的PQFiber程序[10]和SNAP软件进行选定的，模型本构见图2、图3，材料性能参数见表2、表3，同时采用不同的模型单元来模拟摇摆墙的连接件，其中，刚性杆采用空间杆系模型、黏弹性阻尼器采用Kelvin模型、金属阻尼器采用同轴Wen模型、黏滞阻尼器采用Maxwell模型，具体参数见第2章节。

图2 钢材的材料本构

图3 混凝土的材料本构

表2 钢筋材料性能参数

表3 混凝土材料性能参数

1.3 地震波的选取和薄弱层位置的确定

依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2016)的规定[11]所采用的3条地震波分别为宁河天津波(实测波)、Northridge波(实测波)和CANYON波(拟合波)[12-13]。

采用CANYON波来进行时程分析，以此确定出结构薄弱层的位置。计算结果见表4。

表4 CANYON波作用下结构的地震反应

从表4中可以看出，F2的层间位移角较其他楼层偏大，说明该层抗侧刚度最小，为结构的薄弱层。由于本次模拟分析针对已经遭受过地震作用且存在明显薄弱层的结构进行抗震加固，需对原有主体结构的设计尺寸进行适当地调整。因此，选取框架结构的第2层作为研究对象，人为削弱该层的柱截面尺寸，模拟经历罕遇地震作用后结构的损伤情况。

1.4 薄弱层尺寸的确定及验算

1.4.1 薄弱层尺寸的确定

在模拟分析时，薄弱层需要进行人为设定。《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2016)中通常采用轴压比来体现柱(墙)的受压情况及判断柱子的破坏情况，因此，设计柱时需要限制其轴压比。其计算公式为

μ=N/(A×fc)

式中：μ为轴压比；
N为轴向力设计值；
A为柱的截面面积；
fc为混凝土的抗压强度设计值。

主体结构2层薄弱层的实际轴压比为0.83，轴向力设计值为853.62 kN，混凝土的抗压强度设计值为16.7 N/mm2，故而主体结构2层薄弱层的面积A=61584.3 mm2，即薄弱层柱的尺寸为248 mm×248 mm，取整为250 mm×250 mm。

1.4.2 薄弱层的验证

采用上述3条地震波对含薄弱层的主体结构进行弹塑性时程分析。层间位移角分析结果见图4。

图4表明，在3条地震波作用下，框架结构中人为设定的薄弱层F2(250 mm×250 mm)地震动响应较大，其层间位移角超过了规范限制的1/50[11]，故而该结构需要进行抗震加固。

1.5 摇摆墙尺寸的确定

文献[14]通过研究初始损伤的框架-摇摆墙发现，摇摆墙结构能有效改变结构的变形模式，对于受损框架结构而言，当摇摆墙的刚度比约为0.02时，受损伤的框架结构层间位移开始趋于稳定，当进一步提高刚度比为0.045时，不同受损程度的框架结构层间位移变化基本一致。综合上述因素，选定摇摆墙的刚度比为0.046、截面尺寸为1200 mm×600 mm。

2.1 传统框架+摇摆墙加固

框架结构采用传统的摇摆墙体系进行加固时，其与摇摆墙的连接件一般情况下为刚性杆-钢筋混凝土结构构件。选用刚性杆的截面尺寸为300 mm×900 mm。

2.2 黏弹性阻尼器+摇摆墙加固

采用4种黏弹性阻尼器进行本次结构模拟分析，分别编号为Ve-1，Ve-2，Ve-3，Ve-4，其尺寸及相关参数见表5所示。

表5 黏弹阻尼器参数

2.3 金属阻尼器+摇摆墙加固

采用4种屈曲约束型金属阻尼器进行本次模拟分析，分别记为G-1，G-2，G-3，G-4。4种金属阻尼器的参数见表6。

表6 金属阻尼器参数

2.4 黏滞阻尼器+摇摆墙加固

黏滞阻尼器的Ce(弹性界限值)函数模型见图5。

图5 Ce函数模型

选用的2种黏滞阻尼器，编号分别为Vf-1，Vf-2，其规格见表7。

表7 黏滞阻尼器参数

分析同种阻尼器不同型号之间的层间位移角与塑性铰破坏程度，得出Ve-2型黏弹性阻尼器、G-4型金属阻尼器、Vf-1型黏滞阻尼器减震效果最佳，选取最优的阻尼器布置状态进行后续研究。

3.1 层间位移角

不同地震波作用下的层间位移角计算结果见图6。

从图6中可以看出，刚性杆、黏弹性阻尼器、金属阻尼器和黏滞阻尼器在上述3条地震波作用下的最大层间位移角分别为1/69，1/65，1/63，1/65，都满足抗震规范的具体要求。说明用阻尼器替代刚性杆作为连接件也可以控制最大层间位移角，发挥出摇摆墙的作用，满足工程抗震加固的需要。与刚性杆相比，黏弹性阻尼器作为连接件时，其对主体结构的层间位移角的控制效果不明显，且薄弱层的层间位移角仍较为突出；
金属阻尼器替代刚性杆作为连接构件时，层间位移角沿层高分布较为均匀，最大层间位移角略有增大，但仍不超过规范限值要求。同样的，当连接件为黏滞阻尼器时，也可以有效控制结构的最大层间位移角，使其满足规范限制要求，但与刚性杆相比，其对薄弱层层间位移的控制效果略有下降。

3.2 层间位移及顶点位移

不同地震波作用下结构的最大层位移及顶点位移见图7。

从图7可以看出，黏滞和黏弹性阻尼器作为连接件的框架-摇摆墙结构在3条地震波作用下的层间位移、顶点位移均小于刚性杆，说明两者能够降低主体结构的地震动响应，抑制结构的侧向变形。而金属阻尼器作为连接件时，其层间位移、顶点位移相比刚性杆略有增大，不能抑制主体结构的侧向变形。

3.3 塑性铰对比

图8为4种连接构件的结构在宁河天津波作用下的破坏示意，实心点表示塑性铰。

图8 不同连接构件的结构破坏

分析4种不同连接构件的结构破坏图可以发现，阻尼器替代刚性杆作为连接构件时，主体结构在柱端同样未产生塑性铰，说明阻尼器作为连接构件并不改变其整体屈服模态。从图8、表8中可以看出，金属阻尼器作为连接件时框架结构产生78个塑性铰，黏滞阻尼器产生的塑性铰个数为76个，这说明后者能通过滞回耗能抑制结构的损伤。黏弹性阻尼器也具有一定的耗能能力，但不能有效地传递轴力，产生的塑性铰个数相对较少，为69个。

表8 连接构件塑性铰比较

3.4 轴力对比

在框架-摇摆墙结构中，轴力的传递是通过连接件进行的。连接件是摇摆墙与框架主体之间协同工作的保证，同时，也会耗散地震能量。但是，若连接件传递轴力过大，则表明其刚度较大，连接件与框架结构及摇摆墙的连接部位有可能会因为过大的轴力而损坏，从而影响摇摆墙的控制效果；
若连接件传递轴力过小时，又不能充分发挥摇摆墙的耗能作用。从表9中可以看出，4种连接构件中传递轴力最大的是刚性杆，平均轴力约为744.86 kN，说明刚性杆能通过自身刚度来传递地震作用下的轴力，并通过自身与框架结构及摇摆墙的连接部位的损伤来耗散地震能量。当使用黏弹性阻尼器连接框架结构及摇摆墙时，传递的轴力较小，只有刚性杆的31.27%，说明其作为连接件时无法有效协调层间位移变形且容易造成连接件失效，不能很好地发挥摇摆墙的作用。与黏弹性阻尼器连接件相比，金属阻尼器可以提供一定的刚度，传递的轴力为刚性杆的87.23%，说明金属阻尼器与框架结构及摇摆墙的连接部位的内力相比刚性杆均较小，造成损伤的概率较刚性杆小。黏滞阻尼器在传递轴力方面与金属阻尼器类似，其连接处可以传递较大的轴力，但由于其本身的滞回耗能，传递的轴力相当于刚性杆的71.46%，说明黏滞阻尼器作连接件在罕遇地震作用下既能传递轴力发挥摇摆墙的作用，自身又能消耗地震能量，减少对主体结构的损伤。

表9 连接构件轴力对比 kN

1) 通过刚性杆、黏弹性阻尼器、金属阻尼器、黏滞阻尼器来连接的框架-摇摆墙结构，均能限制结构的最大层间位移角，满足抗震规范的限值要求。

2) 与刚性杆以及金属阻尼器相比，黏弹、黏滞阻尼器在罕遇地震作用下能够减小结构侧向位移及顶点位移；
并且相较于黏弹性阻尼器，黏滞阻尼器能更有效地控制结构的层间位移角。

3) 刚性杆以自身结构的损伤来耗散罕遇地震的能量；
金属、黏滞阻尼器在为结构提供一定的刚度，传递轴力的同时，还能通过自身的耗能特性来消耗地震过程中产生的能量；
黏弹性阻尼器传递的轴力较小，主体结构只能通过耗能器耗散罕遇地震的能量，导致薄弱层位移较为突出。

4) 黏滞阻尼器作为连接构件在震后安装、拆卸方便，可替换性高，完全满足工程加固的需要，因此，用黏滞阻尼器代替刚性杆作为摇摆墙与框架结构之间的连接构件进行实际工程加固是可行的。

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