內嵌式搖擺墻剛度對框架結構抗震性能的影響

楊樹標趙國琴賈劍輝王 靜

(1.河北工程大學，河北邯鄲 056038; 2.成都農業科技職業學院，四川成都 610000)

內嵌式搖擺墻剛度對框架結構抗震性能的影響

楊樹標1趙國琴1賈劍輝1王 靜2

(1.河北工程大學，河北邯鄲 056038; 2.成都農業科技職業學院，四川成都 610000)

研究了內嵌式搖擺墻剛度對框架搖擺墻抗震性能的影響，建立了一個6層鋼筋混凝土框架結構模型，應用有限元軟件SAP2000對附加不同剛度的內嵌式框架搖擺墻結構進行了靜力非線性分析，分析結果表明，搖擺墻剛度的不同對框架結構的損傷機制，變形模式有著一定的影響。

搖擺墻，剛度，靜力非線性分析

歷次地震中研究發現，混凝土框架結構容易發生層屈服機制破壞現象，一般會在底層出現塑性鉸，塑性鉸出現后會導致結構失去承載能力。人們經過對結構在地震中破壞現象的研究，得出了理想的損傷機制，即“強柱弱梁”破壞機制，很多規范中也有關于“強柱弱梁”的規定。此種破壞機制將框架結構的梁端和底層柱的柱腳或頂層柱的柱頂作為結構預期發生損傷的部位，在地震作用時，在這些預期的部位發生塑性鉸，通過塑性鉸的滯回變形消耗地震能量，減少對結構的損傷。歷次震害表明，墻和樓板對結構的抗震性能有著重要的影響。為了使地震作用下結構模型中墻和樓板在彈塑性分析時有合理的模擬，本文根據張佳超等人的論文建立了基于梁柱桿件的墻和樓板宏觀模型BAC墻板模型，此模型可兼顧墻、板平面內、外的力學性能。框架搖擺墻結構是由框架和搖擺墻兩部分組成的新型結構體系，具有良好的抗震性能。與剪力墻不同，搖擺墻與基礎的連接是鉸接，具有轉動能力，使地震能量分布到各層，改變結構的變形模式，使各層變形更加均勻，結構的抗震性能有很大提高，結構由不利的層屈服機制變成有利的整體屈服機制。而內嵌式框架搖擺墻的抗震性能的有效性就體現在搖擺墻剛度的大小設計中，搖擺墻剛度直接影響著框架結構的抗震性能。本文首先建立了一個純混凝土框架，然后對該框架加設不同尺寸，也就是不同剛度的內嵌式搖擺墻，通過軟件對各個結構進行靜力非線性分析，得到不同結構的抗震性能。

1 結構模型

框架6層，一層高度為5 m，2層～6層層高為4 m，總高25 m，柱截面為500 mm×500 mm，梁截面為300 mm×800 mm，混凝土強度等級為C35。抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組，抗震等級為三級。場地類別為Ⅱ類。設計活荷載為4 kN/m2，特征周期Tg=0.35 s。結構模型如圖1所示。框架—搖擺墻結構模型如圖2所示。搖擺墻和框架的剛度比按式(1)計算。

圖1 混凝土框架結構模型

圖2 框架—搖擺墻結構模型

其中，H為各個結構的總高度;EwIw為搖擺墻部分的截面抗彎剛度;Cf為框架部分的平均層剪切剛度。

其中，Di為使用D值法算得的第i層的剪切剛度;hi為第i層的層高;n為結構層數。

表1為不同截面搖擺墻與框架結構的參數。

表1 搖擺墻/框架剛度比α

應用有限元軟件SAP2000建立模型，結構中搖擺墻采用基于梁柱桿件的墻板宏觀模型，此種模型可兼顧墻板平面內、外的力學性能。搖擺墻底部都設為鉸接。對各個模型利用SAP2000軟件進行靜力非線性分析，得到各個結構體系的抗震能力。

2 靜力非線性分析

2.1 基底剪力—頂點位移曲線分析

如圖3所示曲線分別是附加了不同尺寸搖擺墻得出的基底剪力與頂點位移關系的曲線，其中每條曲線都是從各個不同結構的最大層間位移角1/50處截斷。通過圖中曲線判斷，在初始彈性區間，各條曲線的傾斜度基本相同。反映出結構在彈性階段剛度相同。隨著內嵌式搖擺墻剛度的增加，各個結構的彈性長度也增加，屈服剪力也有所變大。

從直觀圖形上來看，內嵌式框架搖擺墻結構曲線包圍的面積越來越大，表明框架搖擺墻消耗地震的能力越來越強，尤其是在進入塑性階段之后，耗能能力有明顯提高。

2.2 性能點

表2 各結構類型性能點參數

利用軟件對搖擺墻寬度在4 m，4.5 m，5 m時各結構在罕遇地震分別為7度、7.5度、8度、8.5度、9度時的可變阻尼單一需求譜下的性能點進行了分析。可以看出，各結構在9度罕遇地震下能力譜和需求譜仍有交點，表示在有搖擺墻的情況下，各結構抗震能力都滿足9度罕遇地震需求。而且隨著搖擺墻寬度的增加，結構的承載能力都有大幅度的提高。表2為各結構性能點參數。

在7度罕遇地震作用下，三種結構在相同譜位移0.031m下，譜加速度有所提高，分別為0.118，0.124，0.13。說明在7度罕遇地震作用下，三種結構都進入塑性，但隨著搖擺墻剛度的增加，結構進入塑性程度更深。隨著地震烈度的增加，各結構性能點都有所提高，都能適應更大強度的地震，進入塑性的時間也越來越晚，抗震能力都有很大的提高。

由此可見，剛度比越大的內嵌式搖擺墻框架結構承受地震作用的能力越強，隨著搖擺墻剛度的增加，結構的承載能力，延性等都有很大提高。

2.3 層間位移分析

如圖4所示為各結構層間位移趨勢圖。從圖4中可以看出，各結構層間位移最大值出現在底層，因為樓層底部剪力最大，但是隨著內嵌搖擺墻剛度的增大，底層層間位移逐步減小，而且每種結構各層層間位移趨向均勻，這使得結構更趨于整體破壞機制，能更有效的消耗地震作用力，提高建筑結構的耗能能力和抗震能力。

圖3 基底剪力—頂點位移曲線

圖4 各結構層間位移曲線

2.4 塑性鉸分布及發展

在SAP2000中，框架結構構件的塑性性能可以用離散的塑性鉸模擬。對框架一般定義軸力鉸，對梁定義主方向的彎矩鉸和剪力鉸，對柱一般定義PMM相關鉸。在SAP2000中，有默認的鉸屬性、用戶自定義的鉸屬性和生成的鉸屬性這3種類型的鉸屬性，其中只有默認的鉸屬性和用戶自定義的鉸屬性可以被指定給框架單元。本例中給框架自定義了塑性鉸。SAP2000中為了明顯表示出塑性鉸的發展程度，用不同的顏色對不同階段塑性鉸進行了劃分，粉紅色B、深藍色IO、淺藍色LS、草綠色CP分別對應屈服階段、立即使用階段、生命安全階段、防止倒塌階段的塑性鉸程度。

由圖5～圖7可以看出，結構在7度罕遇地震下，三種結構均出現不同程度的塑性鉸。隨著搖擺墻剛度的增加，塑性鉸出現更加均勻，4.5 m搖擺墻結構中達到IO階段的塑性鉸比4 m搖擺墻結構中達到IO階段的塑性鉸分布更均勻;同樣，5 m搖擺墻結構中達到IO階段的塑性鉸比4.5 m搖擺墻結構中達到IO階段的塑性鉸分布更均勻。即表明結構各層變形越來越均勻，越趨于整體破壞機制。通過對比得出，由于內嵌式搖擺墻和框架結構剛度比越來越大，能夠體現結構抗震性能的塑性鉸分布也越來越均勻，說明結構能消耗更多的地震力，有效的保護了結構，使其更加偏向于整體屈服機制。

圖5 4 m結構塑性鉸分布

圖6 4.5 m結構塑性鉸分布

圖7 5m結構塑性鉸分布

3 結語

1)內嵌式框架搖擺墻結構的損傷機制更接近整體屈服機制，有效的提高了框架結構的耗能能力和抗震能力。2)隨著搖擺墻寬度的增加，搖擺墻和框架剛度比增加，結構基底剪力—頂點位移曲線表明結構有了更好的耗能能力。3)隨著剛度比的增加，層間位移更加均勻，塑性鉸分布和發展也更加均勻，結構能夠在罕遇大震情況下達到其需求，減少人員傷亡，降低經濟損失。

［1］ 楊樹標，王 娜，賈劍輝.混凝土框架結構破壞機制研究分析［J］.湘潭大學自然科學學報，2011，33(4):54-57.

［2］ 楊樹標，郭恩平，賈劍輝.設置少量剪力墻的多層框架結構破壞機制研究［J］.煤炭工程，2012(3):114-116.

［3］ 潘 鵬，曹海韻，葉列平，等.混凝土框架增設搖擺墻前后抗震性能比較［J］.土木建筑與環境工程，2010，32(S2):326-328.

［4］ 包世華，張銅生.高層建筑結構設計和計算［M］.北京:清華大學出版社，2010:191-221.

［5］ GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

［6］ 北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2012:456-508.

［7］ 張佳超，張雷明，劉西拉.基于梁柱桿件的墻/板宏觀模型研究［J］.土木工程學報，2012，45(6):1-12.

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

楊樹標(1959-)，男，教授; 趙國琴(1988-)，女，在讀碩士; 賈劍輝(1958-)，女，副教授; 王 靜(1986-)，女，助教