内嵌式摇摆墙刚度对框架结构抗震性能的影响

杨树标赵国琴贾剑辉王 静

(1.河北工程大学，河北邯郸 056038; 2.成都农业科技职业学院，四川成都 610000)

内嵌式摇摆墙刚度对框架结构抗震性能的影响

杨树标1赵国琴1贾剑辉1王 静2

(1.河北工程大学，河北邯郸 056038; 2.成都农业科技职业学院，四川成都 610000)

研究了内嵌式摇摆墙刚度对框架摇摆墙抗震性能的影响，建立了一个6层钢筋混凝土框架结构模型，应用有限元软件SAP2000对附加不同刚度的内嵌式框架摇摆墙结构进行了静力非线性分析，分析结果表明，摇摆墙刚度的不同对框架结构的损伤机制，变形模式有着一定的影响。

摇摆墙，刚度，静力非线性分析

历次地震中研究发现，混凝土框架结构容易发生层屈服机制破坏现象，一般会在底层出现塑性铰，塑性铰出现后会导致结构失去承载能力。人们经过对结构在地震中破坏现象的研究，得出了理想的损伤机制，即“强柱弱梁”破坏机制，很多规范中也有关于“强柱弱梁”的规定。此种破坏机制将框架结构的梁端和底层柱的柱脚或顶层柱的柱顶作为结构预期发生损伤的部位，在地震作用时，在这些预期的部位发生塑性铰，通过塑性铰的滞回变形消耗地震能量，减少对结构的损伤。历次震害表明，墙和楼板对结构的抗震性能有着重要的影响。为了使地震作用下结构模型中墙和楼板在弹塑性分析时有合理的模拟，本文根据张佳超等人的论文建立了基于梁柱杆件的墙和楼板宏观模型BAC墙板模型，此模型可兼顾墙、板平面内、外的力学性能。框架摇摆墙结构是由框架和摇摆墙两部分组成的新型结构体系，具有良好的抗震性能。与剪力墙不同，摇摆墙与基础的连接是铰接，具有转动能力，使地震能量分布到各层，改变结构的变形模式，使各层变形更加均匀，结构的抗震性能有很大提高，结构由不利的层屈服机制变成有利的整体屈服机制。而内嵌式框架摇摆墙的抗震性能的有效性就体现在摇摆墙刚度的大小设计中，摇摆墙刚度直接影响着框架结构的抗震性能。本文首先建立了一个纯混凝土框架，然后对该框架加设不同尺寸，也就是不同刚度的内嵌式摇摆墙，通过软件对各个结构进行静力非线性分析，得到不同结构的抗震性能。

1 结构模型

框架6层，一层高度为5 m，2层～6层层高为4 m，总高25 m，柱截面为500 mm×500 mm，梁截面为300 mm×800 mm，混凝土强度等级为C35。抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，抗震等级为三级。场地类别为Ⅱ类。设计活荷载为4 kN/m2，特征周期Tg=0.35 s。结构模型如图1所示。框架—摇摆墙结构模型如图2所示。摇摆墙和框架的刚度比按式(1)计算。

图1 混凝土框架结构模型

图2 框架—摇摆墙结构模型

其中，H为各个结构的总高度;EwIw为摇摆墙部分的截面抗弯刚度;Cf为框架部分的平均层剪切刚度。

其中，Di为使用D值法算得的第i层的剪切刚度;hi为第i层的层高;n为结构层数。

表1为不同截面摇摆墙与框架结构的参数。

表1 摇摆墙/框架刚度比α

应用有限元软件SAP2000建立模型，结构中摇摆墙采用基于梁柱杆件的墙板宏观模型，此种模型可兼顾墙板平面内、外的力学性能。摇摆墙底部都设为铰接。对各个模型利用SAP2000软件进行静力非线性分析，得到各个结构体系的抗震能力。

2 静力非线性分析

2.1 基底剪力—顶点位移曲线分析

如图3所示曲线分别是附加了不同尺寸摇摆墙得出的基底剪力与顶点位移关系的曲线，其中每条曲线都是从各个不同结构的最大层间位移角1/50处截断。通过图中曲线判断，在初始弹性区间，各条曲线的倾斜度基本相同。反映出结构在弹性阶段刚度相同。随着内嵌式摇摆墙刚度的增加，各个结构的弹性长度也增加，屈服剪力也有所变大。

从直观图形上来看，内嵌式框架摇摆墙结构曲线包围的面积越来越大，表明框架摇摆墙消耗地震的能力越来越强，尤其是在进入塑性阶段之后，耗能能力有明显提高。

2.2 性能点

表2 各结构类型性能点参数

利用软件对摇摆墙宽度在4 m，4.5 m，5 m时各结构在罕遇地震分别为7度、7.5度、8度、8.5度、9度时的可变阻尼单一需求谱下的性能点进行了分析。可以看出，各结构在9度罕遇地震下能力谱和需求谱仍有交点，表示在有摇摆墙的情况下，各结构抗震能力都满足9度罕遇地震需求。而且随着摇摆墙宽度的增加，结构的承载能力都有大幅度的提高。表2为各结构性能点参数。

在7度罕遇地震作用下，三种结构在相同谱位移0.031m下，谱加速度有所提高，分别为0.118，0.124，0.13。说明在7度罕遇地震作用下，三种结构都进入塑性，但随着摇摆墙刚度的增加，结构进入塑性程度更深。随着地震烈度的增加，各结构性能点都有所提高，都能适应更大强度的地震，进入塑性的时间也越来越晚，抗震能力都有很大的提高。

由此可见，刚度比越大的内嵌式摇摆墙框架结构承受地震作用的能力越强，随着摇摆墙刚度的增加，结构的承载能力，延性等都有很大提高。

2.3 层间位移分析

如图4所示为各结构层间位移趋势图。从图4中可以看出，各结构层间位移最大值出现在底层，因为楼层底部剪力最大，但是随着内嵌摇摆墙刚度的增大，底层层间位移逐步减小，而且每种结构各层层间位移趋向均匀，这使得结构更趋于整体破坏机制，能更有效的消耗地震作用力，提高建筑结构的耗能能力和抗震能力。

图3 基底剪力—顶点位移曲线

图4 各结构层间位移曲线

2.4 塑性铰分布及发展

在SAP2000中，框架结构构件的塑性性能可以用离散的塑性铰模拟。对框架一般定义轴力铰，对梁定义主方向的弯矩铰和剪力铰，对柱一般定义PMM相关铰。在SAP2000中，有默认的铰属性、用户自定义的铰属性和生成的铰属性这3种类型的铰属性，其中只有默认的铰属性和用户自定义的铰属性可以被指定给框架单元。本例中给框架自定义了塑性铰。SAP2000中为了明显表示出塑性铰的发展程度，用不同的颜色对不同阶段塑性铰进行了划分，粉红色B、深蓝色IO、浅蓝色LS、草绿色CP分别对应屈服阶段、立即使用阶段、生命安全阶段、防止倒塌阶段的塑性铰程度。

由图5～图7可以看出，结构在7度罕遇地震下，三种结构均出现不同程度的塑性铰。随着摇摆墙刚度的增加，塑性铰出现更加均匀，4.5 m摇摆墙结构中达到IO阶段的塑性铰比4 m摇摆墙结构中达到IO阶段的塑性铰分布更均匀;同样，5 m摇摆墙结构中达到IO阶段的塑性铰比4.5 m摇摆墙结构中达到IO阶段的塑性铰分布更均匀。即表明结构各层变形越来越均匀，越趋于整体破坏机制。通过对比得出，由于内嵌式摇摆墙和框架结构刚度比越来越大，能够体现结构抗震性能的塑性铰分布也越来越均匀，说明结构能消耗更多的地震力，有效的保护了结构，使其更加偏向于整体屈服机制。

图5 4 m结构塑性铰分布

图6 4.5 m结构塑性铰分布

图7 5m结构塑性铰分布

3 结语

1)内嵌式框架摇摆墙结构的损伤机制更接近整体屈服机制，有效的提高了框架结构的耗能能力和抗震能力。2)随着摇摆墙宽度的增加，摇摆墙和框架刚度比增加，结构基底剪力—顶点位移曲线表明结构有了更好的耗能能力。3)随着刚度比的增加，层间位移更加均匀，塑性铰分布和发展也更加均匀，结构能够在罕遇大震情况下达到其需求，减少人员伤亡，降低经济损失。

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The embedded rocking wall stiffness on seism ic behavior of frame rocking wall

Yang Shubiao1Zhao Guoqin1Jia Jianhui1W ang Jing2

(1．Hebei University of Engineering，Handan 056038，China; 2．Chengdu Vocational College of Agricultrue Science＆Technology，Chengdu 610000，China)

This papermainly studies the embedded rocking wall stiffness influence on seismic performance of frame rocking wall，sets up a six layer reinforced concrete frame structure for themodel，and uses finite element software SAP2000 to attach different stiffness of the frames，rocking wallmodel structure of embedded static nonlinear analysis.The results showed that:the rocking of the differentwall stiffness have impact on damagemechanisms of frame structure deformation pattern.

rocking wall，stiffness，static nonlinear analysis

TU352.11

A

1009-6825(2015)29-0034-02

2015-08-10

杨树标(1959-)，男，教授; 赵国琴(1988-)，女，在读硕士; 贾剑辉(1958-)，女，副教授; 王 静(1986-)，女，助教