极低屈服点钢在密肋壁板结构中的减震控制研究

田 洁, 颜智超, 卢俊龙

(西安理工大学 土木建筑工程学院，西安 710048)

耗能减震技术是一种具有良好发展前景的抗震措施。为了改善地震作用下结构的工作性能，日本最先开发出了各种低屈服点软钢耗能阻尼器，并按其屈服强度可以划分为100 MPa、160 MPa和225 MPa，将低于100 MPa的低屈服点钢又称为极低屈服点钢。新日铁早在1989年有文献[1]报道其研制出屈服强度低于100 MPa的极低屈服点钢。到1998年已经用屈服强度分别为100 MPa和225 MPa的钢板做成三种类型的抗震阻尼器应用于高层建筑结构的抗震设计[2]。日本的Kiyoshi TANAKA等[3]对极低屈服点钢剪切板耗能器进行了滞回性能试验，结果表明，极低屈服点钢板耗能器的滞回曲线形状饱满，性能稳定，具有较强的耗能能力。由于低屈服点钢材，特别是极低屈服点钢不易获得，且价格高，之前主要靠进口，我国使用低屈服点钢制作的抗震构件应用案例还不多。自2005年，我国宝钢和鞍钢对建筑抗震用低屈服点钢材进行了研发，现已成功开发出屈服强度100 MPa、160 MPa和225 MPa三种级别的低屈服点钢。采用宝钢160 MPa级抗震用低屈服点钢板制作的屈曲约束支撑构件经实物检测表明具有良好的抗震耗能性能，已经用于上海世博会主题馆，这是国产低屈服点钢耗能构件在工程中的首次应用[4]。

针对不同类型的建筑物采用可行的减震装置进行有效的地震反应控制研究，已受到国内外学术界和工程界的关注，并开展了广泛的研究工作[5-6]。密肋壁板结构是一种轻质、节能的新型复合结构体系[7-10]。密肋壁板结构由预制的密肋复合墙板、现浇的隐形框架和楼板组合而成。密肋复合墙板则是由截面及配筋较小的钢筋混凝土肋梁和肋柱构成框格，内嵌加气混凝土砌块或其它具有一定强度的轻质骨料砌块预制而成的板式构件，是密肋壁板结构的主要承力构件之一。本文根据密肋壁板结构体系的基本构造特点，结合极低屈服点钢材的特性，将结构中密肋复合墙板内的填充砌块置换成低屈服点钢板，从而提出了一种低屈服点钢密肋复合墙板[11]，内嵌低屈服点钢板通过鱼尾板(连接钢板)与周边框格梁柱构件连接。利用钢板耗散地震能量，实现对结构的耗能减震控制。建立了密肋壁板结构耗能减震控制体系的非线性地震反应分析模型，通过算例对耗能减震控制体系进行了地震响应分析，探讨了极低屈服点钢的耗能减震效果，从而为密肋壁板结构提供一种适合这种结构构造特点的简单有效的耗能减震措施。

1 计算模型

图1 结构的标准层平面图

2 结构动力分析方程

采用美国纽约州立大学开发的有限元分析软件IDARC7.0[13]对密肋壁板结构体系进行非线性地震反应分析。

非线性动力分析使用纽马克-β(Newmark-β)数值积分法和拟力法相结合的方法。其动力方程写成增量的形式：

(1)

建立密肋壁板结构耗能减震体系的计算模型，结构中钢筋混凝土隐形框架的梁和柱以及墙板的肋梁和肋柱采用程序中的梁、柱单元模拟，钢筋混凝土构件的恢复力模型采用可考虑刚度退化、强度衰减及捏缩效应的退化三线性模型。密肋复合墙体中的轻质填充砌块和内嵌钢板采用程序中的填充板单元模拟，其恢复力模型采用光滑滞回模型。地震波选取El-Centro(1940)、Taft(1952)和San Fernando((1971))地震动加速度记录，其参数见表1。输入的地震动加速度峰值为《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[14]中设防烈度8度的罕遇(0.4g)地震加速度峰值，计算持时t=25s，时间间隔Δt=0.002 s。

图2 结构的立面图

图3 结构在不同地震波作用下的最大水平位移反应沿着楼层的分布

表1 输入地震动参数

3 结构减震控制分析

图3为原型结构(无控)和控制结构在不同地震波作用下的最大水平位移反应沿楼层的分布；图4为原型结构和控制结构在不同地震波作用下的最大层间位移角反应沿着楼层的分布；图5～图7分别为三种地震波作用下结构顶层的水平位移响应时程曲线和第三层的层间位移响应时程曲线；图8为编号为73(位置见图2(b))的内嵌钢板的滞回曲线。

图4 结构在不同地震波作用下的最大层间位移角反应沿着楼层的分布

图5 El-Centro波作用下的顶层水平位移和第三层层间位移响应时程曲线

图8 极低屈服点钢板的滞回曲线

对结构横向地震反应的计算结果分析，可以得到以下主要结论：

(1)从图3可以看出，在El-Centro(1940)、Taft(1952)和San Fernando((1971))三种地震波0.4 g作用下，三种控制结构顶点的最大水平位移反应较无控的原型结构顶点的最大水平位移反应都有不同程度的减少。特别是结构模型2，即低屈服点钢RC密肋复合墙板沿全高设置，减震效果最为显著，其结构顶点的最大水平位移反应在三种地震波作用下的减震率可达到50～60%左右。

(2)图4表明，对控制结构模型2，即低屈服点钢RC密肋复合墙板沿全高设置的情况，低屈服点钢对结构的最大层间位移角沿着楼层高度均有明显的减震效果，在三种地震波作用下最大层间位移角的减震率可达到20～50%左右。而对于控制结构模型3，即低屈服点钢RC密肋复合墙板仅布置在1～8层的情况，对下部结构的最大层间位移角有明显的减震作用，但却增大了结构上部的最大层间位移角反应。对于控制结构模型4，即低屈服点钢RC密肋复合墙板仅布置在9～15层的情况，对上部结构的最大层间位移角反应有明显的减震作用，但对结构下部的最大层间位移角反应有一定增大。所以，从实际设计控制结构的最大层间位移角的目标而言，建议低屈服点钢RC密肋复合墙板的布置宜沿着结构的全高设置或布置在结构的下部。

(3)从图5(a)、图6(a)、图7(a)结构顶层的水平位移响应时程曲线可以看出，三种地震波作用下三种控制结构顶点的水平位移反应都较无控结构有不同程度的减少，特别是结构模型2，即低屈服点钢RC密肋复合墙板沿全高设置，低屈服点钢具有显著的减震效果。图5(b)、图6(b)、图7(b) 三种地震波作用下无控和控制结构第三层的层间位移响应时程曲线表明，模型2和模型3的最大层间位移时程响应比无控结构的最大层间位移时程响应有较大的减小，而模型4则有一定的增大。所以，从控制结构的最大层间位移角的角度，低屈服点钢RC密肋复合墙板不宜仅布置在结构的上部。

(4)图8给出了控制结构在El-Centro波、Taft波和San Fernando波(0.4 g)作用下，编号为73号(见图2(b))的内嵌钢板的滞回曲线。从图中可以看出，钢板的滞回曲线形状均较为饱满、光滑，说明低屈服点钢板在结构中能充分发挥其高耗能性能，从而可利用钢板耗散地震能量，减小结构的地震响应，减轻结构的地震破坏，以提高结构的抗震性能。

4 结 论

根据密肋壁板结构体系的基本构造特点，引入耗能减震技术，结合极低屈服点钢材的特性，将结构中部分密肋复合墙板内的填充砌块置换成极低屈服点钢板，利用钢板耗散地震能量，实现了对结构的减震控制。计算分析表明，极低屈服点钢板在大震作用下具有明显的减震效果；低屈服点钢RC密肋复合墙板宜沿着结构的全高设置或布置在结构的下部。这种由轻质填充砌块密肋复合墙体和低屈服点钢RC密肋复合墙体组成的减震控制结构体系，由于其大部分构件仍为轻质填充砌块密肋复合墙体，因此保持了密肋壁板结构的轻质、节能等诸多长处，同时由于适当地设置了一定数量的低屈服点钢RC密肋复合墙板，使得主体结构的地震反应减轻，结构的整体抗震能力提高，从而为密肋壁板结构提供一种适合这种结构构造特点的简单有效的耗能减震措施。此外，低屈服点钢密肋复合墙板由多个小框格和分散布置的多块钢板组成，内嵌钢板尺寸较小，采用薄板，其受力性能就类似于厚板，可避免钢板屈曲，而无须再设加劲肋，可节省钢材，自重轻、造价低，具有重要的工程实际应用价值。

参 考 文 献

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