屈服耗能隔墻的減震性能

劉哲鋒+王子琰+曾志輝+匡彥+聶輝

摘 要：將消能減震概念應用于非結構構件，提出一種屈服耗能隔墻。該隔墻在小震下為主體結構提供可量化的剛度支持，大震時提供可調節的耗能能力支持。通過對屈服耗能隔墻試件進行不同耗能元件數量下的靜力往復試驗，研究了該類型隔墻的消能機理與破壞模式，并基于IDARC程序中的柱單元對試件進行模擬，獲得了消能元件數量與隔墻滯回參數之間的量化關系，提出了在IDARC程序中模擬設置屈服耗能隔墻的方法。通過對一個6層鋼筋混凝土框架進行不同屈服耗能隔墻設置方案下的動力時程分析，發現屈服耗能隔墻的設置能夠有效減小結構的地震反應、降低結構的損傷；框架中耗能隔墻數量的增加會使結構的層間位移顯著減小，而隔墻數量相同時，隔墻中耗能元件數量的增加并不會導致結構層間位移發生明顯變化。

關鍵詞：隔墻；屈服耗能；靜力往復試驗；鋼筋混凝土框架

中圖分類號：TU375.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2018）01-0017-07

Earthquake resistant performance of yielding energy dissipation partition

Liu Zhefeng，Wang Ziyan，Zeng Zhihui，Kuang Yan，Nie Hui

（School of Civil Engineering， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410004， P. R. China）

Abstract：By applying the ideal of energy dissipater to nonstructural components， yielding energy dissipation partition （YEDP） was proposed. The YEDP could provide quantifiable stiffness under minor earthquakes and adjustable energy dissipation capacity under major earthquakes. The static cyclic loading tests of YEDP with different number of energy components were completed， and the energy dissipation mechanism and failure mode of YEDP were got understanding. Based on the quantitative relationship between number of energy components and hysteresis curve parameters， the method which using column unit of IDARC program to simulate YEDP was proposed. The dynamic time-history analysis of 6-storey reinforced concrete frame under different YEDP set programs were carried out， the results show that YEDP could effectively reduce the seismic response of the structure. The interlayer displacement of structure decreases significantly with the increasing of number of YEDP， but be changeless with the increasing of number of energy components in the YEDP when the number of YEDP is same.

Keywords：partition；yielding energy dissipation；static cyclic loading test；reinforced concrete frame

相對于結構構件，隔墻、填充墻等非結構構件由于剛度較低，整體性和變形能力較差，在地震作用下容易發生垮塌，從而造成嚴重的人員傷亡和巨大的經濟損失[1-4]。消能減震技術則是近年來迅速發展起來的一種安全、有效的工程抗震方法，這種方法通過把某些結構構件設計成耗能元件，以減小主體結構的破壞[5-6]。因此，研究人員開始思考如何將消能減震思想引入非結構構件，使之成為一個可控的耗能單元，在實現自身有序破壞的同時，提高主體結構的抗震性能。如唐興榮等[7]、瞿偉廉等[8]通過對砌體填充墻設縫來減小墻體的剛度約束作用；周云等[9-10]在砌體填充墻內設置填充有阻尼材料的貫通橫縫，使墻片在相互錯動時通過阻尼機制耗散能量；林坤等[11]提出無漿砌體填充墻，通過砌塊之間的摩擦實現耗能；暴偉等[12]則對輕鋼龍骨隔墻體系的屈服耗能機制進行了研究。

本文亦將耗能減震概念應用于填充墻體系，提出一種屈服耗能隔墻。該隔墻在小震下為主體結構提供可量化的剛度支持，大震時提供可調節的耗能能力支持，以期為減震隔墻的性能化設計提供一種思路與嘗試[13]。

1 屈服耗能隔墻的構造與試驗

1.1 隔墻構造與隔墻試件

如圖1所示，屈服耗能隔墻由上下兩塊墻片和中間的軟鋼耗能元件組成，墻片采用X型鋼筋混凝土構架，空隙處填充輕質材料。在墻片中預埋用以連接軟鋼耗能元件的鋼片，上下鋼片位置對齊；軟鋼耗能元件的孔洞位置與預埋鋼片孔洞重合，用螺栓將軟鋼耗能元件與預埋鋼片栓緊，從而將上下墻片連接成為一個整體。在小震作用下，軟鋼耗能元件僅發生彈性變形，隔墻提供一定的剛度；在大震作用下，耗能元件變形耗能，而與上下樓板連接的墻片保持彈性狀態。地震結束后更換耗能元件，隔墻可繼續使用。同時，隔墻的耗能能力可以根據耗能元件的數量加以調整。endprint

為了解屈服耗能隔墻的力學性能，設計一個屈服耗能隔墻試件進行靜力往復試驗。試件的尺寸與配筋如圖2，隔墻試件的設計高度為1 715 mm，上下墻片長寬均為800 mm，X型構架與邊框的截面均為120 mm×120 mm，隔墻下墻片與地梁整體澆筑?？v筋與箍筋均采用HRB335級鋼筋，混凝土為C30級。上下墻片中的預埋鋼片采用厚度為10 mm的Q235鋼，軟鋼耗能元件采用厚度為5 mm的Q235鋼，其細部尺寸見圖3，連接螺栓型直徑8 mm。

試件的安裝如圖4所示，地梁與地面通過螺桿以及兩端的油壓千斤頂進行固定。隔墻上墻片頂端預埋高強螺栓，與配套制作的帶孔加載鋼梁（1 500 mm×50 mm×40 mm）相連接，以模擬上部墻片與樓板的固定連接。帶孔鋼梁與作動器相連，為了保持帶孔鋼梁的水平運動，試件兩側設置槽鋼，槽鋼兩端分別與加載鋼梁、地梁進行鉸接連接。作動器通過對鋼梁施加水平力，實現隔墻上下墻片的相對位移，以模擬地震中結構層產生的層間位移。

1.2 加載方案與試驗結果

采用MTS500kN作動器分別對安裝有3、4、5片耗能元件的隔墻試件實行往復加載試驗。試驗采用位移控制，加載規則為10 mm20 mm30 mm40 mm50 mm60 mm，每個幅值往復加載5次。

3次試驗的試驗現象基本類似，即采用10、20 mm幅值往復加載時，耗能元件雖然有一定的變形，但當位移回復到初始位置時，耗能元件能夠恢復到原始狀態；當采用30 mm幅值往復加載后，耗能元件的變形明顯增大，位移回復到初始位置時，耗能元件出現形狀扭曲；隨著加載幅值不斷增加，耗能元件的變形加劇，呈現波浪形扭曲（圖5）；隔墻最終的破壞以連接耗能元件的螺栓斷裂為標志（圖6）。3片、4片耗能元件下的試驗在位移幅值為60 mm時螺栓斷裂，5片耗能元件下的試驗在幅值為50 mm時螺栓斷裂。加載過程中上下墻片未出現開裂。

圖7是3次靜力往復加載試驗的滯回曲線?？梢园l現，由于混凝土墻片維持彈性，因此，試件在滯回過程中沒有出現強度或剛度退化現象；隨著耗能元件數量的增加，滯回曲線的主要變化在于加載剛度的增加，并導致耗能能力提高。隔墻試件的滯回曲線與通常的軟鋼耗能阻尼器有較為明顯的不同，發生了較為明顯的捏縮。一方面原因在于墻片本身的變形，同時，由于螺栓與軟鋼耗能元件孔洞之間的空隙導致螺栓松動產生虛位移，此外，試驗過程中，由于加載鋼梁與上墻片在加載后期發生松動，導致上部墻片在滯回過程中發生了剛體轉動。這種松動現象在具有5片耗能元件的試驗中表現得最為明顯，因此，其滯回曲線的捏縮也最為嚴重。

2 屈服耗能隔墻的數值模擬

在IDARC程序中，可通過設定滯回曲線的特征參數實現對滯回過程中強度衰減、剛度衰減以及捏縮效應的模擬[14]。采用IDARC7.0中的柱單元來模擬隔墻，即通過調整柱單元滯回曲線的特征參數來進行模擬。如圖8所示，在程序中建立一個梁單元模擬加載橫梁，通過鉸接鏈桿模擬隔墻兩側的槽鋼，采用柱單元模擬屈服耗能隔墻，柱單元不設置材料參數，僅通過輸入截面的滯回特征來進行定義。通過對梁單元施加相同的水平加載路徑，通過柱單元兩端塑性鉸的滯回行為來模擬隔墻試件的屈服耗能過程。

圖9是柱單元長度為3.3 m時按照滯回面積等同的原則進行模擬的結果，對比曲線，可見模擬結果與試驗值較為接近。需要指出的是，這里的模擬隱含約定了3.3 m高的耗能隔墻與試驗中的試件具有相同的滯回性能，即模擬隔墻上下墻片的抗側剛度應與試件相等，耗能元件的尺寸應與試件相同。

表1是IDARC中柱模型滯回參數的取值，可見，耗能元件數量的增加導致隔墻初始剛度的增長，而屈服后剛度以及各退化參數并沒有發生變化，這與圖7所展示的現象一致。因此，在建模過程中，可以認為隔墻中耗能元件的數量僅影響模型的初始剛度，取值可按照表1中的數值進行線性插值。

3 屈服耗能隔墻在RC框架中的減震效果

為了解屈服耗能隔墻在框架結構中的減震效果，采用一個如圖10所示的6層3跨RC框架進行算例模擬?？蚣軐痈?.3 m，每跨跨度6 m，混凝土強度等級為C40，縱筋采用HRB335級，箍筋采用HRB235級，框架柱截面為600 mm×600 mm，框架梁截面為200 mm×500 mm，梁柱截面配筋見圖10，框架自振周期為1.09 s。采用附表1所示的3條地震波對結構進行動力時程分析，加速度峰值調整為0.25g。

采用IDARC7.0進行動力時程分析，時程分析共設計7種耗能隔墻布置方案（見表2），其中，W表示框架中未設置耗能隔墻，采用的是240 mm厚的燒結粘土磚砌體作為隔墻。IDARC程序中采用INFILL PANEL單元模擬砌體隔墻，該單元通過交叉雙向壓桿來模擬砌體墻對框架的影響，單元滯回模型采用Smooth hysteretic model，滯回參數采用程序默認值；O表示框架每層每跨設置一片屈服耗能隔墻，每片隔墻中耗能元件的數量分別有3、4、5片3種情況；T表示框架每層每跨設置兩片屈服耗能隔墻，每片隔墻中耗能元件的數量也有3、4、5片3種情況（圖11）。隔墻的滯回參數按表1選取。通過比較耗能隔墻設置后結構層間位移角的變化來了解屈服耗能隔墻的減震效果。

圖12是在3條地震波作用下，算例框架在不同隔墻布置方案時的最大層間位移角?？梢?，在不同地震波作用下，相對于砌體隔墻，屈服耗能隔墻的設置都使得框架的層間位移發生了不同程度的減小?？蚣苊靠缰泻哪芨魤盗康脑黾訒菇Y構的層間位移顯著地減小，而在隔墻數量一定的情況下，隔墻中耗能元件數量的增加并不會導致結構層間位移發生明顯的減小。這表明，要提高屈服耗能隔墻對框架結構的減震效果，應盡量增加框架中隔墻的數量，而不是一味的增加隔墻中耗能元件的數量。

圖13是3條地震波作用下不同隔墻布置方案的耗能比較。圖13（a）是結構總累積滯回耗能的變化情況，可見，屈服耗能隔墻的設置在總體上使得結構的總滯回耗能有所減少，但其幅度隨地震波的不同而不同；圖13（b）是框架結構梁柱滯回耗能占總滯回耗能比例的變化情況，可見，屈服耗能隔墻的設置使得結構構件的耗能比例出現了較為明顯的下降，同時，隔墻數量增加導致的下降效果要比單純增加隔墻中耗能元件數量的效果更為明顯；圖13（c）是框架梁耗能占總耗能的比例變化情況，不難發現圖中的下降比例略小于圖13（b），這說明結構承擔滯回耗能比例的下降主要源于梁承擔耗能比例的下降。endprint

4 結論

1）屈服耗能隔墻的耗能能力由軟鋼耗能元件提供，上下墻片不參與，保持為彈性；屈服耗能隔墻的剛度由上下墻片和耗能元件共同提供。屈服耗能隔墻的破壞源于耗能元件連接螺栓的斷裂。

2）屈服耗能隔墻耗能元件的數量主要影響隔墻的加載剛度，兩者之間近似呈線性關系。利用IDARC程序中的柱單元能夠實現對屈服耗能隔墻的模擬。

3）對于框架結構，屈服耗能隔墻能夠有效減小結構的層間位移與承擔的滯回耗能量比例。與增加隔墻中耗能元件數量的方法相比，增加框架中隔墻的數量將帶來更為明顯的減震效果。

為了提高屈服耗能隔墻的耗能能力，可以考慮將耗能元件直接預埋，避免螺栓連接導致的滑移。同時，如何對墻片進行優化設計，以減小自重、提高施工便利性是有待解決的問題。

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