極低屈服點鋼在密肋壁板結構中的減震控制研究

田 潔, 顏智超, 盧俊龍

(西安理工大學 土木建筑工程學院，西安 710048)

耗能減震技術是一種具有良好發展前景的抗震措施。為了改善地震作用下結構的工作性能，日本最先開發出了各種低屈服點軟鋼耗能阻尼器，并按其屈服強度可以劃分為100 MPa、160 MPa和225 MPa，將低于100 MPa的低屈服點鋼又稱為極低屈服點鋼。新日鐵早在1989年有文獻[1]報道其研制出屈服強度低于100 MPa的極低屈服點鋼。到1998年已經用屈服強度分別為100 MPa和225 MPa的鋼板做成三種類型的抗震阻尼器應用于高層建筑結構的抗震設計[2]。日本的Kiyoshi TANAKA等[3]對極低屈服點鋼剪切板耗能器進行了滯回性能試驗，結果表明，極低屈服點鋼板耗能器的滯回曲線形狀飽滿，性能穩定，具有較強的耗能能力。由于低屈服點鋼材，特別是極低屈服點鋼不易獲得，且價格高，之前主要靠進口，我國使用低屈服點鋼制作的抗震構件應用案例還不多。自2005年，我國寶鋼和鞍鋼對建筑抗震用低屈服點鋼材進行了研發，現已成功開發出屈服強度100 MPa、160 MPa和225 MPa三種級別的低屈服點鋼。采用寶鋼160 MPa級抗震用低屈服點鋼板制作的屈曲約束支撐構件經實物檢測表明具有良好的抗震耗能性能，已經用于上海世博會主題館，這是國產低屈服點鋼耗能構件在工程中的首次應用[4]。

針對不同類型的建筑物采用可行的減震裝置進行有效的地震反應控制研究，已受到國內外學術界和工程界的關注，并開展了廣泛的研究工作[5-6]。密肋壁板結構是一種輕質、節能的新型復合結構體系[7-10]。密肋壁板結構由預制的密肋復合墻板、現澆的隱形框架和樓板組合而成。密肋復合墻板則是由截面及配筋較小的鋼筋混凝土肋梁和肋柱構成框格，內嵌加氣混凝土砌塊或其它具有一定強度的輕質骨料砌塊預制而成的板式構件，是密肋壁板結構的主要承力構件之一。本文根據密肋壁板結構體系的基本構造特點，結合極低屈服點鋼材的特性，將結構中密肋復合墻板內的填充砌塊置換成低屈服點鋼板，從而提出了一種低屈服點鋼密肋復合墻板[11]，內嵌低屈服點鋼板通過魚尾板(連接鋼板)與周邊框格梁柱構件連接。利用鋼板耗散地震能量，實現對結構的耗能減震控制。建立了密肋壁板結構耗能減震控制體系的非線性地震反應分析模型，通過算例對耗能減震控制體系進行了地震響應分析，探討了極低屈服點鋼的耗能減震效果，從而為密肋壁板結構提供一種適合這種結構構造特點的簡單有效的耗能減震措施。

1 計算模型

圖1 結構的標準層平面圖

2 結構動力分析方程

采用美國紐約州立大學開發的有限元分析軟件IDARC7.0[13]對密肋壁板結構體系進行非線性地震反應分析。

非線性動力分析使用紐馬克-β(Newmark-β)數值積分法和擬力法相結合的方法。其動力方程寫成增量的形式：

(1)

建立密肋壁板結構耗能減震體系的計算模型，結構中鋼筋混凝土隱形框架的梁和柱以及墻板的肋梁和肋柱采用程序中的梁、柱單元模擬，鋼筋混凝土構件的恢復力模型采用可考慮剛度退化、強度衰減及捏縮效應的退化三線性模型。密肋復合墻體中的輕質填充砌塊和內嵌鋼板采用程序中的填充板單元模擬，其恢復力模型采用光滑滯回模型。地震波選取El-Centro(1940)、Taft(1952)和San Fernando((1971))地震動加速度記錄，其參數見表1。輸入的地震動加速度峰值為《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[14]中設防烈度8度的罕遇(0.4g)地震加速度峰值，計算持時t=25s，時間間隔Δt=0.002 s。

圖2 結構的立面圖

圖3 結構在不同地震波作用下的最大水平位移反應沿著樓層的分布

表1 輸入地震動參數

3 結構減震控制分析

圖3為原型結構(無控)和控制結構在不同地震波作用下的最大水平位移反應沿樓層的分布；圖4為原型結構和控制結構在不同地震波作用下的最大層間位移角反應沿著樓層的分布；圖5～圖7分別為三種地震波作用下結構頂層的水平位移響應時程曲線和第三層的層間位移響應時程曲線；圖8為編號為73(位置見圖2(b))的內嵌鋼板的滯回曲線。

圖4 結構在不同地震波作用下的最大層間位移角反應沿著樓層的分布

圖5 El-Centro波作用下的頂層水平位移和第三層層間位移響應時程曲線

圖8 極低屈服點鋼板的滯回曲線

對結構橫向地震反應的計算結果分析，可以得到以下主要結論：

(1)從圖3可以看出，在El-Centro(1940)、Taft(1952)和San Fernando((1971))三種地震波0.4 g作用下，三種控制結構頂點的最大水平位移反應較無控的原型結構頂點的最大水平位移反應都有不同程度的減少。特別是結構模型2，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板沿全高設置，減震效果最為顯著，其結構頂點的最大水平位移反應在三種地震波作用下的減震率可達到50～60%左右。

(2)圖4表明，對控制結構模型2，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板沿全高設置的情況，低屈服點鋼對結構的最大層間位移角沿著樓層高度均有明顯的減震效果，在三種地震波作用下最大層間位移角的減震率可達到20～50%左右。而對于控制結構模型3，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板僅布置在1～8層的情況，對下部結構的最大層間位移角有明顯的減震作用，但卻增大了結構上部的最大層間位移角反應。對于控制結構模型4，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板僅布置在9～15層的情況，對上部結構的最大層間位移角反應有明顯的減震作用，但對結構下部的最大層間位移角反應有一定增大。所以，從實際設計控制結構的最大層間位移角的目標而言，建議低屈服點鋼RC密肋復合墻板的布置宜沿著結構的全高設置或布置在結構的下部。

(3)從圖5(a)、圖6(a)、圖7(a)結構頂層的水平位移響應時程曲線可以看出，三種地震波作用下三種控制結構頂點的水平位移反應都較無控結構有不同程度的減少，特別是結構模型2，即低屈服點鋼RC密肋復合墻板沿全高設置，低屈服點鋼具有顯著的減震效果。圖5(b)、圖6(b)、圖7(b) 三種地震波作用下無控和控制結構第三層的層間位移響應時程曲線表明，模型2和模型3的最大層間位移時程響應比無控結構的最大層間位移時程響應有較大的減小，而模型4則有一定的增大。所以，從控制結構的最大層間位移角的角度，低屈服點鋼RC密肋復合墻板不宜僅布置在結構的上部。

(4)圖8給出了控制結構在El-Centro波、Taft波和San Fernando波(0.4 g)作用下，編號為73號(見圖2(b))的內嵌鋼板的滯回曲線。從圖中可以看出，鋼板的滯回曲線形狀均較為飽滿、光滑，說明低屈服點鋼板在結構中能充分發揮其高耗能性能，從而可利用鋼板耗散地震能量，減小結構的地震響應，減輕結構的地震破壞，以提高結構的抗震性能。

4 結 論

根據密肋壁板結構體系的基本構造特點，引入耗能減震技術，結合極低屈服點鋼材的特性，將結構中部分密肋復合墻板內的填充砌塊置換成極低屈服點鋼板，利用鋼板耗散地震能量，實現了對結構的減震控制。計算分析表明，極低屈服點鋼板在大震作用下具有明顯的減震效果；低屈服點鋼RC密肋復合墻板宜沿著結構的全高設置或布置在結構的下部。這種由輕質填充砌塊密肋復合墻體和低屈服點鋼RC密肋復合墻體組成的減震控制結構體系，由于其大部分構件仍為輕質填充砌塊密肋復合墻體，因此保持了密肋壁板結構的輕質、節能等諸多長處，同時由于適當地設置了一定數量的低屈服點鋼RC密肋復合墻板，使得主體結構的地震反應減輕，結構的整體抗震能力提高，從而為密肋壁板結構提供一種適合這種結構構造特點的簡單有效的耗能減震措施。此外，低屈服點鋼密肋復合墻板由多個小框格和分散布置的多塊鋼板組成，內嵌鋼板尺寸較小，采用薄板，其受力性能就類似于厚板，可避免鋼板屈曲，而無須再設加勁肋，可節省鋼材，自重輕、造價低，具有重要的工程實際應用價值。

參 考 文 獻

[1]Ohashi M，Mochizuki H，Amaguchi T, et al. Development of new steel plates for building structural use[J].Structural Use Steel Research，1989，334：17-28.

[2]Yamaguchi T，Takeuchi T，Nagao T，et al. Seismic control devices using low-yield-point steel[R]. Nippon Steel Tecgbucal Report，1998，77:65-72.

[3]Tanaka K, Sasaki Y. Hysteretic performance of shear panel dampers of ultra low yield strength steel for seismic response control of building[C].Proceedings of the 12WCEE．New Zealand，2000.

[4]溫東輝，宋鳳明，劉自成，等.建筑抗震用低屈服點鋼的生產與應用[J].建筑鋼結構進展，2009，11(5)：16-19.

WEN Dong-hui, SONG Feng-ming, LIU Zi-cheng, et al. Manufacture and application of low yield point steel used for earthquake resistant[J].Progress in Steel Building Structures, 2009，11(5)：16-19.

[5]李 鋼，李宏男．新型軟鋼阻尼器的減震性能研究[J]．振動與沖擊，2006，25(3)：66-72.

LI Gang，LI Hong-nan．Study on vibration reduction of structure with a new type of mild metallic dampers[J]. Journal of Vibration and Shock，2006，25(3):66-72.

[6]周 云．金屬耗能減震結構設計[M]．武漢：武漢理工大學出版社，2006.

[7]姚謙峰，等.密肋壁板輕型框架結構理論與應用研究[R]．西安：西安建筑科技大學，2000．

[8]姚謙峰，陳 平，張 蔭,等.密肋壁板輕框結構節能住宅體系研究[J]．工業建筑，2003，33(1)：1-5．

YAO Qian-feng, CHEN Ping，ZHANG Yin,et al.Study on energy-saving residential system of multi-ribbed wall slab with light-weight outer frame[J].Industrial Construction, 2003，33(1)：1-5．

[9]姚謙峰，黃 煒，田 潔,等.密肋復合墻體受力機理及抗震性能試驗研究[J]．建筑結構學報，2004，25(6)：67-74

YAO Qian-feng, HUANG Wei, TIAN Jie, et al. Experimental analyses of mechanical characteristics and seismic performance of multi-ribbed panel wall[J].Journal of Building Structures,2004，25(6)：67-74．

[10]錢 坤,張 杰,郭 猛,等.密肋復合墻結構體系抗震性能的研究[J].振動與沖擊,2013,32(3):119-123.

QIAN Kun, ZHANG Jie, GUO Meng, et al. Tests for a seismic performance of a multi-grid composite wall structure system[J].Journal of Vibration and Shock,2013,32(3):119-123.

[11]田 潔，顏智超．一種低屈服點鋼耗能減震密肋復合墻板：中國，ZL201120446647.9[P], 2012.08.01．

[12]日本隔震結構協會．被動減震結構設計施工手冊[M]. 日本：日本隔震結構協會，2008．

[13]Reinhorn A M, Roh H, Sivaselvan M, et al. IDARC2D version 7.0∶ a program for the inelastic damage analysis of structures[R]. Buffalo：State University of New York at Buffalo, 2010.

[14]GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010．