双肢摇摆墙结构抗震性能研究

朱晓楠，杨树标，贾剑辉，张轩

（河北工程大学 土木工程学院，河北邯郸 056038）

双肢摇摆墙结构抗震性能研究

朱晓楠，杨树标，贾剑辉，张轩

（河北工程大学 土木工程学院，河北邯郸 056038）

为研究框架-双肢摇摆墙结构的抗震性能，在有限元软件ABAQUS中建立了纯框架结构、框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构3组模型，并对3组模型在不同工况下进行弹塑性动力时程分析。通过分析对比表明，框架-双肢摇摆墙结构的自振周期及地震作用与原框架结构基本相当，在中等烈度地震后修复量减小且损伤集中在连梁易于修复，在高烈度下具有整体的破坏机制和更高的抗倒塌能力。

动力时程分析；抗震性能；双肢摇摆墙结构

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.010

1　引言

框架结构是一种常见的建筑结构形式，但该结构体系在大震作用下易出现“柱铰破坏”，使框架结构发生层屈服破坏机制。我国《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）以“强柱弱梁”为设计原则，通过增大柱端弯矩的设计值来延迟柱塑性铰的出现和增加塑性铰的数量，以达到预期的“梁铰机制”，但是,由于框架结构体系自身的结构特性,使“梁铰机制”很难在实际工程中实现。自1963年Housner首次[1]提出摇摆结构，经过几十年学者的努力，摇摆结构研究成果得到进一步发展。框架-双肢摇摆墙结构的概念是由Hitaka和Sakino于2008年提出，主要是基于传统框架-摇摆墙的整体变形模式和有效保护墙肢免受损伤的特点，通过对比传统联肢剪力墙结构提出了摇摆联肢剪力墙结构体系。文献[2]主要分析了框架-双肢摇摆墙中连梁对结构抗震性能的影响。目前，对于框架-双肢摇摆墙结构体系的相关研究较少，因此框架—双肢摇摆墙结构体系值得进一步研究。

2　性能目标的选取

在地震作用下，综合考虑到结构主体、非结构构件及结构内部设备的性状，选取层间位移角作为性能目标，结构的层间位移角应满足以下要求。

在多遇地震下，由于地震作用较小，框架-双肢摇摆墙结构通过框架梁、墙肢连梁和墙基础的连接作用，使墙肢基础可转动铰接点基本处于刚接状态，此时框架-双肢摇摆墙结构工作性能接近于普通双肢剪力墙结构体系，具有较大的侧向刚度和竖向承载力，结构的最大层间变形控制在1/1000以内。在偶遇地震下，结构层间位移增大，连梁竖向相对位移也随之增大，但连梁始终保持在弹性状态，结构通过墙体的摆动改变其变形模式，最大层间位移角控制在1/450左右。在罕遇地震下，由于地震作用力的加剧，连梁与墙肢连接处产生塑性铰，消耗一定的地震能量，连梁对墙体的约束作用减小，墙体摆动幅度增大，但通过墙体对结构的调节能力，最终仍能保证结构的最大层间位移角在1/200以内。在稀罕地震下，连梁已屈服破坏并退出工作，此时,框架-双肢摇摆墙结构可视为两片相对独立的传统摇摆墙结构，发挥摇摆墙结构改变结构整体破坏模式的优点，协调主体结构的层间变形使其最大层间位移角在1/50以内，保障人们的生命安全和最大限度地减小财产损失。地震设防等级与结构性能水平的关系见表1。

表1　抗震设防等级与结构性能水平的关系

3　结构模型与建模

3.1工程概况

本文选用的模型为8层钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度为VII度，第一组II类场地（特征周期为0.35s）。结构纵向6跨，跨度均为7.5m；横向3跨，边跨7.5m，中跨为内走廊，跨度为3.0m，如图1所示。结构在1～4层和5～8层分别采用不同的梁、柱截面，构件在结构中的位置见表2。

表2　楼层信息表

图1　结构平面布置图

在该框架结构的基础上添加摇摆墙和双肢-摇摆墙，组成框架-摇摆墙结构体系和框架-双肢摇摆墙结构体系，其中两组结构模型墙体的抗弯刚度相同，使它们在同一地震烈度下具有可比性。墙体设计过程中取墙体与框架的刚度比6.8%[3]，由此得框架-摇摆墙结构墙肢截面尺寸为300mm4400mm，框架-双肢摇摆墙结构单片墙肢截面尺寸为300mm3300mm，连梁截面尺寸为300mm500mm。

3.2有限元建模

采用有限元软件ABAQUS建立数值分析模型。梁、柱混凝土材料的本构关系均采用PQ-Fiber中的UConcrete02。考虑楼板和墙体混凝土材料的非线性，其本构模型为Concrete Damaged Plasticity。框架-摇摆墙结构体系和框架-双肢摇摆墙结构体系墙体的基础采用铰接，分别建立3种结构模型（见图2）。

图2　结构模型示意图

4　抗震性能分析

本文研究在纵向水平地震作用下结构的抗震性能。采用弹塑性动力时程分析法，选用El-Centro波，持续时间为15s，3组模型分别进行4种不同地震烈度的时程分析。

4.1自振特性

由表3可知，纯框架结构的自振周期最大，框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构的自振周期小于纯框架结构，但相差较小。在纯框架结构中，将柱子抽掉换成墙体后，墙肢的刚度大于柱子的刚度，由于摇摆墙基础为铰接，因此，框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构的基本周期与纯框架结构相差较小，地震作用也未产生较大差异，同时,该两组模型的一阶自振周期相同，表明2组结构模型的刚度基本相同。若采用框架-剪力墙结构，该结构的自振周期估计在0.6s左右，地震作用和结构内力要大于框架-双肢摇摆墙结构。

表3　模型自振周期

4.2结构层间位移角

图3为3组模型在不同工况下的层间位移角。在7度多遇地震下，纯框架结构的层间位移角要明显大于其他2组模型，其最大层间位移角为1/599，出现在结构的第2层，而框架-摇摆墙和框架-双肢摇摆墙结构的最大层间位移角分别为1/1458和1/1417，均达到预设目标。在7度基本地震下，纯框架结构底层和2层出现最大层间位移角1/353。框架-摇摆墙结构相对于其他2组模型最大层间位移角的变化较为均匀，最大层间位移角出现在首层1/416。框架-双肢摇摆墙结构在2层位置出现1/477的最大层间位移角，满足预设1/450的性能目标。本文假定以结构产生塑性铰数量占整体结构梁柱节点的比例作为衡量结构进入塑性程度的标准。在7度基本地震下，框架结构中构件进入塑性比例达8.5%，框架-摇摆墙结构的塑性比例为8.7%，均大于框架-双肢摇摆墙结构的3.8%，因此框架-双肢摇摆墙的修复量要少于其他2组模型。在7度罕遇地震下，纯框架结构的底部层间位移角为1/140，而结构3层以上的层间位移角与其他2组结构模型基本相同。框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构最大层间位移角分别控制在1/189和1/233以内，框架-双肢摇摆墙结构满足1/200的限值，而纯框架结构和框架-摇摆墙的最大层间位移角超出了该性能目标。此时，框架结构进入塑性的比例达17.0%，框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构进入塑性比例分别为32.1%和33.0%。虽然框架-双肢摇摆墙结构中构件进入塑性的比例较大，但是塑性铰分布均匀，且主要集中在连梁梁端，易于震后的修复或更换。

图3　结构层间位移角

在9度罕遇地震下，纯框架结构最大层间位移角1/26出现在底部，2层以上结构层间位移角均小于1/226，纯框架结构发生了明显地层破坏机制。框架-摇摆墙和框架-双肢摇摆墙结构的最大层间位移角分别为1/52和1/67，均满足该地震烈度下的最大层间位移限值1/50。纯框架结构、框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构进入塑性的比例分别为21.0%、38.7%和41.1%，纯框架结构进入塑性比例较低，集中在底部柱铰位置，发生层间破坏。框架-双肢摇摆墙结构塑性比例高于其他2组，塑性分布均匀，抗倒塌能力强，增加在巨大地震作用下结构的安全性。

4.3基底剪力

表4所示为3组结构模型在不同工况下的基底剪力最大值。

在7度多遇地震下，3组模型刚度基本无变化，处于弹性状态。纯框架结构的最大基底剪力约为其他2组模型的2倍。在7度基本地震下，纯框架结构在第2层产生最大层间位移角，结构在此处产生薄弱层，最大基底剪力减小为5.69103kN，其他2组结构的最大基底剪力却增大为原来的两倍左右。在罕遇地震下，根据3组模型的基底剪力最大值增长幅度可以看出，纯框架结构的最大基底剪力增长幅度很小，而其他2组模型最大基底剪力仍有较大的增加。说明框架-双肢摇摆墙结构中构件虽然塑性发展进一步加深，但仍具有一定的刚度和承载能力，可防止巨大地震造成结构倒塌。

表4　结构基底剪力最大值

4.4滞回耗能分析

本文将结构顶点位移和基底剪力围成的滞回曲线作为衡量结构耗能能力大小的标准。在7度多遇地震下，框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构耗能能力均较小，纯框架结构的耗能较大，主要因为纯框架结构相对其他2个模型刚度较小，最大层间位移角相对较大，结构部分构件耗散能量，但结构仍处于弹性状态。在7度基本地震下，纯框架结构的耗能能量为222.42kN·m，其他2组模型耗能能力显著增大，但与纯框架结构基本相当。在7度罕遇地震下，框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构耗能能力的优越性得以体现，耗散能量分别为1292.73kN·m和1264.20kN·m，是纯框架结构的两倍。同时，从7度基本到7度罕遇地震，最大加速度峰值增大2倍，框架结构耗能能量增大3倍，其他2组模型的耗能能量增大近5倍，由此也可以看出摇摆墙耗能优势所在。在9度罕遇地震下，纯框架结构最大层间位移角超限，不做讨论。框架-双肢摇摆墙结构耗散能量6867.27kN·m，要明显优于框架-摇摆墙结构耗散的能量5717.63kN·m。这是由于在较大地震作用下，框架-双肢摇摆墙结构连梁产生塑性铰并耗散地震能量，当连梁屈服后，此时双肢摇摆墙接近于2片相对独立的摇摆墙结构继续调节结构的变形模式，协调主体框架结构整体的塑性发展。

4.5塑性铰分布及发展

为表明3组模型塑性铰分布及发展情况，本文选用结构纵向的一榀框架进行分析。图4为3组模型在不同工况下结构塑性铰分布及发展。图中圆圈表示结构塑性铰的位置。

图4　塑性铰分布及发展

在7度基本地震下，模型开始发生进入塑性状态。纯框架结构首先在底层和2层柱产生柱铰，进而塑性铰的塑性程度进一步加深。由于在5层柱截面变小，所以在该层和6层产生新的柱铰。在巨大地震作用下，结构2层最大层间位移角超出规范规定，塑性铰主要集中在柱子端部，纯框架结构表现出显著的“柱铰机制”。框架-摇摆墙结构首先在1层产生柱铰，同时与摇摆墙连接的梁端也开始进入塑性，最终与摇摆墙连接的梁端均产生塑性铰，虽然此时产生柱铰，但其分布较为均匀，这是由于摇摆墙有效地控制了底部薄弱层柱铰塑性发展程度，协调结构的整体变形，使结构的大部分构件发生塑性变形，耗散地震能量，尤其在与摇摆墙连接的梁端塑性铰耗能贡献最大。框架-双肢摇摆墙结构开始仅在底部受力较大的连梁梁端产生塑性铰，随后产生塑性铰的连梁数量增多，部分框架柱开始出现柱铰，最终发展为整体结构产生柱铰和梁铰。该结构梁端形成塑性铰且发展程度较深，延迟和减少柱铰的形成，通过梁端塑性铰耗散地震能量，减小地震作用，连梁屈服后，摇摆墙形成相对独立两片墙，继续发挥摇摆墙的作用，发生整体破坏模式。

5　结语

多层混凝土框架结构在地震作用下易形成层破坏机制，对框架结构方案进行适当地改进可以成为框架-摇摆墙结构或框架-双肢摇摆墙结构。合理设计的框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构的自振周期及地震作用与原框架结构基本相当；框架-摇摆墙结构和框架-双肢摇摆墙结构在地震作用下具有整体的破坏机制和更高的抗倒塌能力。

在中等地震烈度下，框架-双肢摇摆墙结构比框架-摇摆墙结构损伤量小，相应的震后修复量减小。框架-双肢摇摆墙的损伤主要从墙肢的连梁开始，可以通过合理的连梁设计使连梁成为耗能的主要部件，这样即可减少结构其他部位的损伤又易于震后修复。框架-双肢摇摆墙结构是一种新的抗震结构体系，值得进一步的研究和发展。

【1】Housner G W.The behavior of inverted pendulum structures during earthquakes[J].Bulletin of the Seismological Society of America, 1963,53(2),:403-417.

【2】赵彦波,杨树标.双肢摇摆墙结构抗震性能研究[D].邯郸：河北工程大学土木工程学院，2015.

【3】杨树标,闫路路,贾剑辉，等.摇摆墙刚度对框架摇摆墙结构抗震性能的影响分析[J].世界地震工程，2014,30(4):27－33．

Study on Seismic Performance of Rocking Coupled Shear Wall Structures

ZHU Xiao-nan，YANG Shu-biao，JIA Jian-hui，ZHANG Xuan
(College of Civil Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056038，China)

In this study,three numerical models including framed structure,framed-shear wall structure and rocking coupled shear wall structure were established and analyzed under earthquakes to investigate their seismic performance.The results showed that the period of framed structure is closed to that of the rocking coupled shear wall structure and most damage appears on the connecting beam.The rocking coupled shear wall structure is verified to be a good seismic performance system and deserved to research deeply.

dynamic time history analysis;seismic performance;rocking coupled wall structure

TU352.11;TU323.5

A

1007-9467（2016）05-0047-04

【项目项目】河北省科技支撑项目（13275401D）

朱哓楠（1988～），男，河北邯郸人，在读硕士生,从事攻读和研究建筑抗震设计，（电子信箱）zhuxn163@163.com。

2015-11-20