摇摆墙结构体系研究进展

张富文　许清风,*　李向民

(1.上海市工程结构安全重点实验室, 上海 200032; 2.上海市建筑科学研究院, 上海 200032)



摇摆墙结构体系研究进展

张富文1,2许清风1,2,*李向民1,2

(1.上海市工程结构安全重点实验室, 上海 200032; 2.上海市建筑科学研究院, 上海 200032)

摘要根据摇摆墙体在平面内转动的约束情况,摇摆墙可分为受控摇摆墙和自由摇摆墙。回顾了上述两种摇摆墙结构体系的发展历史,介绍了摇摆墙结构在试验研究、理论分析及工程应用方面的现状,分析了摇摆墙的适用性和目前存在的主要问题,展望了摇摆墙结构体系的发展趋势和值得研究的方向。

关键词受控摇摆墙, 自由摇摆墙, 框架摇摆墙

State-of-the-art on Rocking Wall Structures

ZHANG Fuwen1,2XU Qingfeng1,2,*LI Xiangmin1,2

(1.Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, Shanghai 200032, China;

2.Shanghai Research Institute of Building Science, Shanghai 200032, China)

AbstractRocking walls can be classified into controlled rocking walls and free rocking walls according to whether they have effective in-plane rotational restraints. The paper gives an overview of the development history and introduces the state-of-art in the experimental research, theorectical analysis and practical application of both rocking wall systems. The applicability and main problems of rocking wall are also discussed. Finally, the development trend and further research topics of the rocking wall system are listed.

Keywordscontrolled rocking wall, free rocking wall, frame rocking wall

1引言

随着“可恢复功能城市”(resilient city)[1]和“可恢复功能结构”(earthquake-resilient structures)[2]概念的提出与普遍认可,对重要建筑实现从抗倒塌设计向可修复设计转变将成为发展趋势,这一设计理念的转变不仅能够保证强震下的生命财产安全,也有利于震后迅速恢复正常工作生活。目前,可恢复功能结构从结构形式上大致分三类:摇摆结构、自复位结构和可更换构件结构[3]。

摇摆结构是指放松结构构件与基础交界面处的约束或结构构件间交界面处的约束从而使得结构能够在地震作用下发生摇摆的结构形式,包括摇摆墙结构、摇摆框架[4-5]、摇摆核心筒[6]等。摇摆墙是一种放松与基础交界面处的约束以实现自身摇摆的墙体,它既可以是混凝土墙,也可以是配筋砌体墙、木板墙等形式。摇摆墙不仅可以用于新建建筑的消能减震,也适用于既有建筑的抗震加固,并且与预应力相结合可以实现自复位功能,而将墙体与主体结构的连接件设置成可更换元件则可实现强震后的可更换功能。因此,将传统结构形式(如混凝土框架、钢框架、木框架等)与摇摆墙组合而成的摇摆墙结构体系在未来可恢复功能城市建设领域将有较广阔的应用前景。

迄今为止,摇摆墙结构的研究尚处于起步阶段,试验研究和工程应用较为缺乏,对摇摆墙的实现形式仍无统一认识。根据摇摆墙体在平面内转动的约束情况,摇摆墙可分为受控摇摆墙和自由摇摆墙两种形式:前者是对摇摆墙体在平面内的转动进行有效约束,通常在摇摆墙和基础上施加贯穿的预应力筋来限制墙体的摇摆幅度;后者则取消了墙体在平面内的转动约束,它与基础的连接可视为理想铰接,尽管其自身可自由转动,但当与其他结构形式组合时也将受到相连构件的制约。针对现有的两种摇摆墙结构体系,本文回顾了其研发历史和技术现状,分析了摇摆墙结构的适用范围和目前存在的主要问题,并对摇摆墙结构体系的发展趋势进行了展望。

2受控摇摆墙结构

摇摆墙最初源于后张法无粘结预应力预制混凝土墙的研究。Kurama等[7]通过将无粘结预应力筋施加在预制钢筋混凝土墙与基础之间,并在墙体底部两侧设置螺旋形钢筋的方式实现墙体的摇摆(图1),研究结果表明这种墙体有较强的自复位功能,同时在较大层间位移下墙体几乎没有损伤。由于上述墙体缺点在于发生较大位移时弹塑性耗能能力较低,Kurama等[8]提出在墙体外侧增设粘滞阻尼器以减少水平位移并改善结构整体耗能能力,计算结果表明了该方法的有效性。

图1　无粘结预应力预制混凝土墙[7]Fig.1　Unbonded post-tensioned precast concrete wall[7]

Ajrab等[9]首先提出摇摆墙框架结构(Rocking Wall-Frame Structure)的概念,基于DAD(Damage Avoidance Design)理念将框架剪力墙结构中与基础固接的剪力墙设置成摇摆墙,并通过在结构外侧增设非线性阻尼索系统改善结构的地震响应。结构示意如图2所示,其中阻尼索系统包括了预应力索和耗能装置。实际上,这种体系施工过于复杂,很难在工程中推广应用,但摇摆墙框架的概念为摇摆墙的应用提供了思路。

图2　阻尼索摇摆墙框架结构示意[9]Fig.2　Rocking wall-frame structure withsupplemental tendon systems[9]

Restrpo等[10]对Kurama提出的无粘结预应力墙体进行了改进,通过在墙体与基础间增加软钢阻尼器以进一步增强其耗能能力。Marriott等[11]针对不同阻尼装置(黏滞阻尼器、软钢阻尼器、上述两种组合和仅界面阻尼四种形式)的后张预应力预制摇摆墙体系进行了16组缩尺振动台试验研究,如图3所示。试验结果表明,上述墙体的最大位移和材料应变均能控制在可接受范围内,且残余变形较小,结构损伤控制在阻尼器处于非弹性屈服状态。上述阻尼器均设置在墙体底部外侧,这种方式对于新建建筑和既有建筑均可适用。

图3　带黏滞阻尼器和软钢阻尼器的预应力摇摆墙[11]Fig.3　Prestressed rocking wall with viscousand steel dampers[11]

Preti等[12]进行了高度为10 m的足尺无粘结预应力摇摆墙拟静力低周反复荷载试验,结果表明受控摇摆墙体的滞回环呈现旗帜型(flag-shape)。Zibaei等[13]在对该试验进行成功模拟的基础上(图4),通过Pushover分析分别对比了10层及20层的混凝土框架、框架剪力墙和框架摇摆墙的受力性能,结果表明框架和框架摇摆墙的延性均较好,而框架摇摆墙中的塑性铰形成及层间位移更为均匀。

图4　文献[13]中摇摆墙滞回曲线计算值与试验值的对比Fig.4　Hysteretic curves of analytical and experimentalresults of rocking wall in reference [13]

Kishiki等[14]设计了一种由带支撑框架、预应力钢绞线及可更换耗能构件组成的木墙体系并进行了振动台试验,研究结果表明摇摆木墙比传统木墙的底部破坏及结构剪切变形明显减少。Loo等[15]对上述设计进行了简化,将钢结构中的槽缝螺栓引入到摇摆木墙中,并设置在木墙两脚部处以约束墙体摇摆幅度,同时在木墙中部安装了两个抗剪键,如图5所示。低周反复荷载试验结果表明,这种简化的受控摇摆木墙同样具有良好的自复位功能,并避免了木墙底部的破坏。

图5　采用槽缝螺栓连接件的摇摆木墙[15]Fig.5　Rocking timber shear wall with slip-friction connectors[15]

针对钢筋混凝土受控摇摆墙结构,美国开展了首创性的工程应用。Panian等[16]采用非粘结预应力摇摆墙技术,对一栋六层混凝土框架结构进行了抗震加固;Stevenson等[17]在一栋新建的四层办公楼(David Brower Center)中部相对设置了两个C形预应力墙体,可以实现墙体在强震下端部的抬升以减少破坏,同时使得结构可以自复位。

国内对于受控摇摆墙的研究较少,且主要以计算分析为主。陈适才等[18]、党像梁等[19]分别建立了底部开缝预应力摇摆剪力墙结构模型,在墙体底部对称设置裂缝而中间部分仍保持连接,并利用底部缝隙的张开来减少墙体损伤,同时设置无粘结后张拉预应力筋来保证其自复位能力,如图6所示。计算结果表明,这种墙体承载力比普通剪力墙有所降低,但延性明显提高,残余变形也较小,同时具有较好的自复位能力。目前为止,国内文献未见受控摇摆墙试验研究与工程应用的报道。

图6　底部开水平缝摇摆剪力墙示意图[19]Fig.6　Elevation of a rocking wall with bottom horizontal slits

3自由摇摆墙结构

与受控摇摆墙不同,自由摇摆墙体不是结构而是机构,因而自由摇摆墙的研究并非从墙体本身而是从结构体系开始。Toranzo等[20]将约束砌体墙做成摇摆墙,并进行了1∶2.5缩尺模型的整体结构振动台试验研究。在该模型中柱和墙均可发生摇摆,变形特征如图7所示,且墙体底部设置耗能装置。为防止墙角在摇摆时对基础撞击产生破坏,在基础与墙体界面处设置一层10 mm厚的钢板(图8)。试验结果表明,这种约束砌体摇摆墙体系在地震作用下表现良好,顶点位移达到1/40时结构并未发现明显损伤。

图7　约束砌体摇摆墙结构变形特征[20]Fig.7　Deformation characteristic of confined-masonryrocking wall structure[20]

图8　约束砌体摇摆墙结构底部构造[20]Fig.8　Configuration at the bottom of confined-masonry rocking wall[20]

Wada等[21]运用自由混凝土摇摆墙对东京工业大学G3教学楼进行了抗震加固(图9)。该工程的主要特点在于[22]:①摇摆墙与基础间设置了显化的铰接件(图10),能避免墙体摇摆时与基础发生碰撞,更为重要的是它显著提升了墙体摇摆能力;②与传统方法将耗能装置集中设置在墙体底部不同,该建筑沿摇摆墙两侧在墙体与相邻框架柱之间安装了大量钢阻尼器(图10),从而大幅提高了结构的耗能能力;③预应力仅施加在摇摆墙体上,主要起到防开裂的作用,不限制墙体的平面内转动,也不具备自复位功能。目前,该建筑是世界上应用摇摆墙结构体系最高的建筑。

图9　采用摇摆墙加固后的G3教学楼[22]Fig.9　G3 building after the retrofitting with rocking wall[22]

图10　G3教学楼摇摆墙节点示意图Fig.10　Joints of rocking wall and the frame of G3 Buiding

Seymour等[23]以东京工业大学G3教学楼加固工程为例,提出了一种多层简化自由摇摆墙结构的抗震性能拟静力评估方法,并通过对G3教学楼的计算分析证实了该方法的有效性。

G3教学楼加固工程的成功实施也引起了我国学者对摇摆墙结构的广泛关注。潘鹏等[24]以6层混凝土框架结构模型为例,利用SAP2000对附加摇摆墙前后的结构地震响应进行了弹塑性动力时程分析。分析结果表明,原结构增设摇摆墙后,各层层间位移角趋于一致,结构周期略有减小,不会显著增加结构基底剪力。曹海韵等[25]对增设不同高度摇摆墙的混凝土框架进行了计算分析,结果表明附加结构总高一半的摇摆墙也能有效控制结构底层的变形集中。贾剑辉等[26]分别对附加不同刚度摇摆墙的4层、6层和8层钢筋混凝土框架结构进行了静力非线性分析,结果表明,相同刚度比的框架摇摆墙结构随地震力的增加结构位移集中系数的变化趋势基本相同,而与层数无关。

周颖等[27]对一栋分别采用传统剪力墙、摇摆墙和摇摆墙加阻尼器三种方案的240 m高建筑进行了弹塑性动力时程分析,计算结果表明后两种方案的基本周期增大了2 s,墙体压应力减少了30%,但框架分担的弯矩提高了30%。裴星洙等[28]采用Midas Gen对相同尺寸的框架、框架摇摆墙和框架剪力墙体系进行了静力弹塑性及动力时程分析,结果表明框架摇摆墙结构损伤主要由框架梁承担,耗能分配较为合理,可改善框架剪力墙结构或框架结构局部能量集中现象,具有更为优良的抗震性能。徐佳琦等[29]采用SAP2000对比分析了13层框架摇摆墙结构和框架剪力墙结构弹塑性动力反应,结果证明框架摇摆墙结构的耗能更多依靠于摇摆墙整体摆动的动能、势能和阻尼器的滞回耗能,抗震性能优于框架剪力墙结构。

杨树标等[30]依据连续化假设及协同作用原理提出了框架摇摆墙铰接体系和框架摇摆墙刚接体系的内力和位移简化计算方法。计算结果表明框架摇摆墙铰接体系的顶点位移不随摇摆墙刚度的改变而改变,摇摆墙的作用只是平均各层的层间位移,而刚接体系的顶点位移与摇摆墙的刚度有关,刚接连梁的存在可以增加结构的刚度。

除计算分析外,国内也已开展了少量的自由摇摆墙结构的试验研究。曹海韵等[31]设计了一种摇摆墙与框架的连接节点,其中摇摆墙与楼层连接件为凸齿与凹齿相咬合的形式,如图11(a)所示;摇摆墙内伸出两根直径为30 mm的钢棍,插入地梁的钢帽中,墙底两侧边设计成钝角以便于摇摆,如图11(b)所示。通过带隔震支座的钢框架-摇摆墙结构不同加载模式的拟静力试验,验证了连接节点实现摇摆墙转动能力的可行性以及摇摆墙对框架-摇摆墙结构的变形控制效果。但需要指出,楼层连接件实现的是墙体与框架梁的连接,仅能用于外挂式摇摆墙。

图11　摇摆墙节点示意图[31]Fig.11　Configuration of rocking wall joints[31]

杨树标等[32]设计了一个内嵌式框架摇摆墙模型,摇摆墙底部与基础铰接,与框架柱之间仍然通过框架梁相连,如图12(a)所示。振动台试验结果表明,框架摇摆墙模型具有良好的整体破坏机制,但添加摇摆墙一跨的框架梁、柱损伤严重,将造成震后的修复困难,裂缝分布示意见图12(b)。该试验是框架摇摆墙结构实现形式的一种尝试,如采用可更换耗能元件改进摇摆墙与框架柱的连接将有助于改善其效果。

图12　内嵌式框架摇摆墙结构[32]Fig.12　RC frame with built-in rocking wall[32]

4摇摆墙适用性研究与存在问题分析

经过十余年的发展,摇摆墙的基本特性、适用范围、抗震性能等已逐渐为学者所了解。无论是受控摇摆墙还是自由摇摆墙,由于自由度约束不够,均不宜独立形成结构体系,而应与常规结构形式进行组合。根据上述研究成果和已有工程案例可知,摇摆墙最适宜的应用是与框架结构相结合,形成框架摇摆墙结构,从而具备以下主要优点:

(1) 控制结构的变形模式。框架结构在地震作用下通常会出现层倒塌失效模式,难以发挥结构整体耗能能力,而摇摆墙能使得框架各层层间位移趋于均匀,强迫框架结构在强震下呈现整体破坏模式,从而充分发挥框架耗能能力、提高抗震性能[33]。

(2) 几乎不增加地震作用。已有文献[25,28]表明,在框架结构中增设摇摆墙后结构基本周期变化很小,所以地震中结构基底剪力(包括摇摆墙体部分)的增加也很少。此外,摇摆墙底部弯矩被释放,对基础的抗弯承载力需求也将大为降低。

(3) 保护墙体不受破坏[34]。在框架剪力墙结构中,剪力墙在地震作用下往往会发生破坏,而作为重要抗侧力构件,剪力墙的破坏是结构抗震安全的隐患,并且对震后及时恢复也有较大的影响。而将剪力墙设置成摇摆墙,则能够使得墙体在强震作用下免受损伤或损伤较小,并有助于设定预期损伤位置。

受控摇摆墙的研究起步较早,但大多集中在墙体本身,而与框架组合的整体结构研究较少,目前仍然有不少问题限制其发展与推广,比如:后张预应力钢筋须贯穿墙体与基础,其在基础底部的锚固施工困难;墙体与基础直接接触,摇摆幅度有限且易发生碰撞,因此墙脚混凝土容易发生破坏;阻尼器等耗能元件仅能设置在墙底侧,耗能能力提高有限等。

尽管自由摇摆墙的研究仅数年时间,国内科研工作者已开展了大量的研究工作,特别是在计算分析方面。这一方面源于G3教学楼的成功示范,另一方面也因为自由摇摆墙与基础的铰接形式便于数值模拟。但理想的计算模型与工程实践仍存在较大差距,目前最为关键的摇摆墙与主体框架、基础的连接节点如何合理实现仍有待解决。另外,由于墙体在地震中基本处于弹性、弹塑性耗能较小,因而需要安装大量的阻尼器来增加结构耗能能力,较高的工程费用也限制了摇摆墙的推广应用。

5展望

作为一种可恢复功能结构,摇摆墙结构体系无疑有着广阔的应用前景,尤其是框架摇摆墙结构将成为未来的研究热点。为了推动摇摆墙结构的发展与应用,后续的研究重点可包括:① 摇摆墙与主体结构连接节点的研发,着重实现连接元件的可更换性,并同时提升连接件自身耗能能力以减少阻尼器的用量;②节点研发基础上的整体结构试验研究,从而更为准确地把握摇摆墙结构的力学性能;③框架摇摆墙结构设计方法研究,为未来的工程应用提供必要的技术支撑;④ 摇摆墙作为预制构件,其与预制结构相结合可形成预制率较高的预制装配式框架摇摆墙结构,将为建筑工业化提供有效技术支撑。

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基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAJ06B02)

收稿日期：2014-10-18

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