可恢復功能剪力墻結構研究進展

第一作者蔣歡軍男，博士，教授，1973年生

可恢復功能剪力墻結構研究進展

蔣歡軍，劉其舟

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092)

摘要：近年來，可恢復功能結構逐漸成為了抗震工程研究的熱點。可恢復功能剪力墻，主要包括：配合框架結構同時使用的搖擺或自復位剪力墻，通過搖擺減輕地震作用的破壞，通過自重或施加預應力使結構復位；應用于剪力墻結構中的可更換剪力墻，通過對破壞部位的更換實現結構功能的快速恢復。介紹了自復位剪力墻結構，搖擺剪力墻結構及可更換剪力墻結構的相關研究進展，對研究領域的成果和不足進行了總結，并指出研究領域中存在的空白。

關鍵詞：可恢復功能結構；搖擺剪力墻；自復位剪力墻；可更換剪力墻

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAJ13B02)

收稿日期：2013-12-19修改稿收到日期：2014-04-10

中圖分類號:TU352.1

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.008

Abstract:In recent years, earthquake resilient structure has become a research hotspot of the seismic engineering. The earthquake resilient shear walls include the rocking or self-centering shear wall cooperated with frame structure and the replaceable shear wall. The former reduces the seismic destruction effect through rocking and restores to its the original position through self-weight or prestressing forces. The other restores the building through rapidly replacing damaged parts. An overview was presented regarding the development history of self-centering shear walls，rocking shear walls and replaceable shear walls, then the achievements and shortcomings in the field of research were summarized, and the blank areas in the field were pointed out.

State-of-the-art of the research advances on resilient shear walls

JIANGHuan-jun,LIUQi-zhou(State Key Laboratory for Bisaster Keduotion in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China)

Key words:earthquake resilient structure; rocking shear wall; self-centering shear wall; replaceable shear wall

從20世紀90年代開始，基于性能的抗震[1-3]設計逐漸成為了抗震研究的主流方向之一。基于性能的抗震設計要求建筑在可能發生的地震作用下具有預期的抗震性能和安全度。由于地震的不確定性和復雜性，建筑物往往遭受超越設防烈度的地震作用，導致難以修復，嚴重影響了人們的正常生活，同時,修復帶來的漫長的停工期及修復的大量花費造成了社會巨大的經濟損失。因此，抗震性能目標逐漸由保障生命安全向恢復生產建筑的使用功能和居民的正常生活方面傾斜。2009年1月，美日學者在NEES/E-Defense美日工程第二階段合作研究會議上，首次提出將“可恢復功能城市”(resilient city)作為地震工程合作的大方向[4]。標志著可恢復功能結構成為抗震研究的主流方向之一。

目前，應用于可恢復功能結構中的剪力墻大多采取搖擺和自復位結構形式，主要配合框架結構使用。通過結構的搖擺，減輕地震對結構的作用，同時在結構相對速度或相對位移較大的部位增設耗能部件，在搖擺的過程中大量消耗地震能量，保護結構免遭破壞，從而實現結構震后不破壞或破壞較輕，易于修復的性能目標。相比框架結構，純剪力墻結構需要足夠的抗側剛度，以限制結構的層間位移。我國《高層建筑混凝土結構技術規程》[5]要求，剪力墻結構彈性及彈塑性層間位移角限值分別為1/1 000和1/120,遠小于框架結構的1/550和1/50。搖擺或自復位剪力墻層間位移量較大，無法滿足這一要求。因此，應用于純剪力墻結構的可恢復功能剪力墻主要采取可更換的形式，通過在剪力墻墻腳等易破壞的區域設置易拆卸可更換構件，震后對可更換構件進行更換從而快速恢復剪力墻的抗震功能。

本文分別詳細介紹了自復位剪力墻結構，搖擺剪力墻結構及可更換剪力墻結構的相關研究進展，對研究領域的成果和不足進行了總結，并指出研究領域中存在的空白。

1自復位剪力墻結構

1.1國外對于自復位剪力墻結構的相關研究

Kurama等[6-7]提出了無粘結預應力自復位剪力墻并對其進行了初步分析和評估，Kurama等[8]又對這種剪力墻進行了系統研究。無粘結預應力自復位剪力墻由混凝土墻片通過水平節點疊合而成，墻片內置無粘結預應力鋼絞線。墻片與墻片之間，墻片與基礎之間均沒有固定連接。在地震力下，通過墻片與墻片之間，墻片與基礎之間縫隙張開閉合的效果，有效地減小了地震對結構的作用。結構的自重及預應力則提供自復位力將縫隙閉合。Kurama采用纖維模型對試驗進行了數值模擬，結果表明，剪力墻在規范指定的地震動下破壞和殘余變形均很小，但結構也存在著側向位移過大的缺點。為了克服這一缺點，Kurama等[9]提出在結構中附加粘滯阻尼器來提高結構的非彈性耗能能力(圖1)，結構通過裂縫張開時阻尼器變形來消耗地震能量(圖2)。研究人員提出了這種結構系統的設計方法，并對剪力墻進行了非線性時程分析，結果表明，附加粘滯阻尼器能有效減小結構側向位移。Kurama等[10]通過非線性時程分析對后張拉預制混凝土剪力墻的抗震性能進行了評估。Restrepo等[11]在預制預應力自復位剪力墻墻肢與基礎連接處增設了軟鋼棒消能裝置，并通過試驗與相同尺寸的傳統現澆混凝土剪力墻的抗震性能進行了對比。基于Kurama提出的無粘結后張預應力預制剪力墻，Perez等[12-13]也進行了試驗及相關分析。Restrepo等[14-16]又對加設軟鋼消能裝置的無粘結預應力自復位剪力墻結構進行了理論和試驗分析，提出了較為詳細的設計公式和方法(圖3)。一系列試驗結果表明，增設了軟鋼棒耗能裝置的自復位剪力墻剪力墻能有效耗散地震能量，滯回曲線呈旗幟型，結構幾乎沒有殘余變形和明顯破壞。

圖1 帶粘滯阻尼器的自復位剪力墻結構[9]Fig.1Self-centeringshearwallwithviscousdampers[9]圖2 縫隙張開時的阻尼器變形[9]Fig.2Damperdeformationduetogapopening[9]

Sritharan等[17]設計了一種帶豎向接縫自復位剪力墻結構(圖4)，結構由單片墻片通過U型彎曲鋼板連接而成(圖5)，通過搖擺過程中U型鋼板塑性變形消耗地震能量，通過與試驗結果進行對比驗證，作者提出了簡化的帶豎向接縫自復位剪力墻結構分析和設計方法。

Marriott[18]提出可以將預應力自復位剪力墻的耗能裝置設計成外置的形式，以方便震后更換(圖6)，研究人員制作了4片剪力墻試件進行振動臺試驗，其中三片墻有不同種類的耗能裝置，而第四片墻僅靠接觸阻尼和內部摩擦耗能。試驗結果表明，安裝外置耗能裝置的剪力墻具有良好的耗能及自復位能力，破壞主要集中在外置的耗能裝置上，通過更換耗能裝置可以快速恢復剪力墻的抗震功能。

圖3 帶軟鋼阻尼器的自復位剪力墻結構[15]Fig.3Self-centeringshearwallwithmildsteeldampers[15]圖4 帶接縫自復位剪力墻結構[17]Fig.4Jointedself-centeringshearwall[17]

圖5 U型彎曲鋼板連接器試件[17]Fig.5SpecimenofU-shapedbendingplateconnector[17]圖6 帶外置耗能裝置的自復位剪力墻結構[18]Fig.6Self-centeringshearwallwithexternalenergydissipationdevice[18]

Panian等[19-20]指出，施加預應力的剪力墻具有更好的經濟效益及抗震效果。Panian等[21]將預應力自復位剪力墻應用于新建工程，研究人員在位于Berkeley的David Brower Center結構中部設置C形預應力墻體，墻體在強震中縱筋屈服，端部可以抬起(圖7-8)。研究人員利用CSI Perform-3D對結構進行了非線性時程分析，分析結果表明，采用預應力自復位剪力墻能夠增加結構延性，減小軟鋼用量和結構殘余變形。

Clayton等[22]提出了自復位鋼板剪力墻的設計規程并對其抗震性能進行了評估。Winkley等[23]對自復位鋼板剪力墻進行了系列試驗，Clayton等[24-25]對Winkley的試驗進行了總結并提出了適用于新型結構的設計方法(圖9)。這種自復位鋼板剪力墻通過在鋼梁柱中安裝薄鋼板來提供結構的強度和剛度，并通過鋼板的屈服消耗地震能量。梁柱之間可以相互脫開，通過預應力鋼絞線來提供自復位能力(圖10)。鋼絞線設計為在地震中不會破壞，薄鋼板則設計為易于更換。試驗結果及性能評估表明，結構具有較高的延性和剛度，并表現出良好的自復位及耗能能力。

圖7 抗側結構[21]Fig.7Lateralresistingstructure[21]圖8 預應力鋼絞線分布[21]Fig.8Distributionofprestressedsteelstrand[21]

圖9 自復位鋼板剪力墻試件[24]Fig.9Specimenofself-centeringsteelplateshearwalls[24]圖10 自復位鋼板剪力墻節點構造[24]Fig.10Thenodestructureofself-centeringsteelplateshearwalls[24]

Wight等[26-27]通過振動臺試驗對混凝土砌塊自復位開洞剪力墻進行了研究，以驗證當地住宅剪力墻的抗震性能。研究人員先對兩片單層平面剪力墻進行了試驗(圖11)，以研究門窗開洞對剪力墻的影響，之后又對一片簡單的矩形剪力墻進行了試驗(圖12)，以研究多重門窗開洞和墻轉角對剪力墻的影響。所有的墻片均通過高強鋼絞線施加預應力，墻片可以與基礎脫開進行搖擺。試驗結果表明，墻片的殘余變形很小，砌體壓潰主要發生在墻底部轉角，垂直裂縫則主要出現在門窗開口處及過梁上。

圖11 單片單層混凝土砌塊剪力墻[27]Fig.11Single-storyin-planeconcretemasonrywall[27]圖12 矩形混凝土砌塊剪力墻[27]Fig.12Squareconcretemasonrywall[27]

Devereux等[28]對北墨爾本科技學院的藝術音樂館采用的自復位木結構剪力墻進行了理論分析，這種木結構剪力墻可以繞中軸轉動，多片剪力墻之間通過U形鋼板進行聯接，豎向無粘結鋼絞線則提供剪力墻的自復位力，地震中，U形鋼板形變消耗地震能量。作者認為，自復位剪力墻抗震效果良好且經濟合理，有較大的推廣和應用潛力。

國外不少研究者對自復位剪力墻相關理論做了進一步完善。Rahman等[29]設計了兩片5層后張自復位剪力墻計算模型，其中一片剪力墻基于力設計方法，另一片則基于位移設計方法，作者通過輸入地震動分析評估了兩種設計方法的差異。Pennucci[30-31]提出了新的基于位移的底部附加消能器的自復位剪力墻的計算模型和設計方法，并通過試驗對比和案例分析驗證了計算模型和設計方法的正確性。Aleti等[32]提出了一種簡化的分析方法來表征無粘結后張法預制墻系統的單調響應，并通過試驗驗證了所提出的理論。Erkmen等[33]進行了一系列的對比試驗，考察了預應力筋的布置位置，初始預應力的大小，錨固措施及豎向荷載的大小對后張預制剪力墻自復位性能的影響。Twigden等[34]設計了低周反復加載，高速循環加載，自由振動和受迫振動四種試驗工況，通過試驗考察后張預應力剪力墻的動力特性。

1.2國內對于自復位剪力墻結構的相關研究

相對于國外較為成熟的研究，我國對于自復位剪力墻的研究還處于起步階段。

陳適才等[35]建立了底部開縫后張拉預應力搖擺剪力墻結構數值模型,并與同類型整體現澆剪力墻進行了對比分析，結果表明:相對于現澆剪力墻結構，底部開縫后張拉預應力搖擺剪力墻結構承載力較低,但變形能力較強,墻體損傷和殘余變形較小,且具有較好的自復位能力。

馬昕等[36]利用有限元軟件ABAQUS建立了自復位剪力墻有限元模型，并在墻底與基礎交界處布置軟鋼阻尼器。研究人員分析了鋼阻尼器數量、長度、位置等參數對結構抗震性能的影響，并建立了自復位能力系數、墻體受壓損傷指標與阻尼器相關參數的關系曲線。

吳浩等[37]總結了無粘結后張拉預制剪力墻的抗震性能特點，并介紹了此類結構的數值模擬分析方法。作者給出了兩種模擬接縫的方法，分別為彌散接縫模型和集中接縫模型。之后，作者基于OpenSees軟件對無粘結后張拉預制剪力墻進行了擬靜力數值分析,對比試驗結果，驗證了數值模擬方法的可靠性。

郭彤等[38]提出，可在墻腳處外包鋼板防止自復位剪力墻腳部混凝土壓潰(圖13)，并在剪力墻與相鄰重力柱連接處增設可拆卸摩擦消能器增加結構耗能能力(圖14)，研究人員通過試驗證實了新型自復位剪力墻良好的抗震性能。

圖13 帶摩擦消能器的自復位剪力墻結構[38]Fig.13Self-centeringshearwallwithfrictionenergydissipationdevice[38]圖14 摩擦消能器連接構造[38]Fig.14Theconnectionstructureoffrictionenergydissipationdevice[38]

2搖擺剪力墻結構

2.1國外對于搖擺剪力墻結構的相關研究

Anderson等[39]通過計算模型研究了地震中剪力墻基礎搖擺對于結構的影響(圖15)。Gajan 等[40-41]提出，可以通過淺埋剪力墻基礎使基礎在地震中產生搖擺來提高結構的抗震性能(圖16)。研究人員利用離心機試驗來研究淺埋基礎搖擺剪力墻的抗震性能，結果表明，滿足一定尺寸的基礎對于土壤的敏感性很小，此外，淺埋基礎搖擺剪力墻具有一定的自復位能力和能量耗散能力。Gajan等[42]研究了彎矩剪力比對于淺埋搖擺基礎剪力墻的影響，結果表明彎剪比較大的結構具有較好的能量耗散能力并在震后遭受較小的永久位移。

圖15 剪力墻和基礎彈簧模型[39]Fig.15Modelofshearwallandfoundationspringsystem[39]圖16 淺基礎支撐框架剪力墻結構[40]Fig.16Shearwallandframestructuresupportedbyshallowfoundations[40]

Ajrab等[43]對一個6層框架搖擺墻建筑進行了基于性能的設計，Jack在結構中附加了外置的預應力鋼索及其他消能裝置，并進行了非線性時程分析及結構敏感性分析，結果表明，相對固定基礎結構而言，搖擺結構層間位移更小，能夠滿足預定的幾乎不發生破壞的性能目標，且地震反應對于鋼絞線預應力及墻底寬度并不敏感。

Lu[44]通過試驗及分析指出無控搖擺剪力墻會造成梁與墻連接的破壞，從而加速整個結構的破壞，考慮剪力墻中性軸的偏移及結構的三維效應才能更好的預測和改善剪力墻的非彈性性能。

Hitaka等[45]設計了一種新型的搖擺聯肢剪力墻結構(圖17)。這種結構由鋼連梁，鋼筋混凝土墻肢及鋼管混凝土邊柱組成，墻肢底部通過鋼管混凝土邊柱與基礎相連(圖18)。與傳統結構不同，結構屈曲主要發生在連梁和鋼管混凝土短柱上，因此，能有效防止墻肢的破壞。研究人員設計了對應不同破壞模式的四個試件并對其進行了滯回加載試驗。之后又利用纖維單元建立了有限元模型對其進行分析，通過試驗和有限元分析提出了防止鋼管混凝土柱剪切破壞的設計方法。

Wiebe等[46]提出，由于高階模態的影響，搖擺結構所受的地震力可能大幅增加，可以通過多截面搖擺的方法來減輕高階模態效應。

圖17 搖擺聯肢剪力墻結構[45]Fig.17Rockingofhybridcoupledwalls[45]圖18 搖擺聯肢剪力墻邊界單元[45]Fig.18Boundaryelementofrockinghybridcoupledwalls[44]

圖19　加固前后結構平面布置圖 [49] Fig.19 Structural plan layout of the existing and retrofitted building [49]

圖20　搖擺墻節點構造圖 [49] Fig.20 Detailing of the rocking wall [49]

Mulligan等[47]對一個附加半主動控制裝置的搖擺墻進行了實時混合試驗，結果表明，半主動控制搖擺墻能夠有效改善整個結構的能量耗散能力。作者認為，在結構中附加半主動控制搖擺墻是一種較為經濟而又有效的加固方法。Marriott等[48]通過一個設計實例，論證了將搖擺墻應用于框架結構的加固改造的可行性。日本的Wada等[49]在對東京工業大學津田校區G3 樓框架結構加固中，采用了搖擺墻加固技術，主要是在原有框架結構的兩端和中部加設搖擺剪力墻，并在搖擺剪力墻與原有結構的連接處加設鋼阻尼器(圖19、圖20)。通過剪力墻使結構由局部破壞模式轉變為整體破壞模式，并利用剪力墻搖擺時鋼阻尼器屈服耗能。研究人員對加固前后的結構進行了非線性時程對比分析，結果表明，采用搖擺系統能夠有效的降低結構在不同地震動下的地震響應。

Toranzo等[50-52]提出了將搖擺墻應用于約束砌體結構中的設計方法，并對約束砌體搖擺剪力墻-框架模型進行了振動臺試驗(圖21)，以驗證搖擺剪力墻設計方法的正確性。由于砌體搖擺剪力墻的固有阻尼較小，研究人員在剪力墻底部附加了外置的鋼消能器以增加其耗能能力(圖22)，振動臺試驗結果表明，經過合理地設計，約束砌體搖擺剪力墻破壞很小，且能夠在大震后通過自重復位。此外，Toranzo認為，適用于約束砌體搖擺剪力墻的設計方法也同樣適用混凝土搖擺剪力墻。

圖21 約束砌體搖擺剪力墻結構[52]Fig.21Rockingwallsofconfined-masonry[52]圖22 鋼消能器[51]Fig.22Steelenergydissipatingdampers[52]圖23 剪力墻節點構造[53]Fig.23Thenodestructureoftheshearwalls[53]

圖24　剪力墻工作原理 [53] Fig.24 Working principle of the shear wall [53]

Loo等[53]提出一了種新型的木結構搖擺剪力墻，剪力墻墻腳采用滑動摩擦耗能器連接代替傳統的螺栓固定連接(圖23)，當地震力大于墻腳的摩擦抗力時，摩擦耗能器啟動，結構發生搖擺，通過摩擦消耗地震能量(圖24)。研究人員對新型結構進行了數值分析。結果表明，采用滑動摩擦連接能有效避免材料的屈服。適當調整滑動摩擦力能有效提高剪力墻的延性及耗能能力，此外震后結構在自重下具有一定的自復位能力。

2.2國內對于搖擺剪力墻結構的相關研究

國內對于搖擺剪力墻的研究主要停留在理論分析階段，曲哲等[54]通過數值分析方法,研究了搖擺墻-框架結構的抗震性能和損傷機制控制效果。曲哲等[55]介紹了國際上首個采用搖擺墻體系抗震加固的11層鋼骨混凝土框架結構實例，并對加固前后的結構抗震性能進行了對比分析。曹海韻等[56]以一個按現行規范正常設計的 6 層混凝土框架為例，研究了框架搖擺墻結構體系的抗震性能。研究人員利用通用有限元程序Abaqus并結合清華大學開發的PQFiber用戶子程序庫，建立了框架結構附加搖擺墻前后的彈塑性模型，并進行了推覆分析。曹海韻等[57]，針對框架-搖擺墻結構的特殊性能要求設計了連接節點，并進行了試驗研究(圖25，26)。通過不同加載模式的擬靜力試驗，驗證了連接節點實現搖擺墻轉動的可行性，并評價了采用該連接節點對框架-搖擺墻結構的控制效果。

圖25 墻底構造[57]Fig.25Constructiondetailsofrockingwallbottom[57]圖26 框架-搖擺墻模型[57]Fig.26Modelofframe-rockingwall[57]

裴星洙等[58]在10 層混凝土框架縱向布置 4面搖擺墻體，并與相同尺寸的框架剪力墻體系進行靜力彈塑性及動力時程分析，以此考察此體系的抗震性能。

3可更換剪力墻結構

圖27　組合支座構造 [63] Fig.27 Detail of the combined bearing [63]

在高層結構剪力墻設計中，通常將剪力墻設計為彎曲型破壞模式，以保證其具有一定的延性，在彎曲型破壞模式下，剪力墻在遭遇超越設防烈度的地震下，底部墻腳的受壓區混凝土往往嚴重破碎，受壓鋼筋嚴重屈服。這種破壞難以修復，使用可更換剪力墻腳部構件可以有效解決這一問題。

圖28　剪力墻破壞模式 [63] Fig.28 Failure pattern of the shear wall [63]

圖29　滯回曲線 [63] Fig.29 Hysteresis loops [63]

呂西林等[59-60]設計了一種新型的可更換腳部構件剪力墻，主要設計思想在于用帶軟鋼鋼板的拉壓橡膠支座來代替剪力墻腳部混凝土，由鋼板來承受拉力,橡膠墊承受壓力(圖27)。它克服了傳統橡膠支座抗拉強度低的缺點,支座的抗拉能力可以通過設計計算來調整,支座通過螺栓實現與剪力墻的可拆卸連接，震后通過更換支座即可實現剪力墻的快速修復。研究人員提出了可更換腳部構件剪力墻的設計方法[61]，之后對其進行了低周反復試驗，并與普通剪力墻試件進行了對比[62-63](圖28，29)。試驗結果表明，新型可更換剪力墻結構具有更高的延性并能方便的拆卸和更換，但缺點在于地震作用較大時破壞部位會向非更換區轉移，且采用更換支座使結構的剛度有明顯降低，因此，有待進一步的改良。

4結論

總結國內外已有研究，可以得到以下結論：

(1)剪力墻主要通過淺埋基礎，墻片與基礎脫開，墻片與基礎之間鉸接三種形式實現搖擺功能。淺埋基礎不需要復雜的構造，但由于巖土性質的復雜和離散性，需要對基礎尺寸及地基承載力進行反復分析驗證。墻片與基礎脫開的方法較為常用，但墻腳與基礎接觸處容易造成應力集中，可以通過在墻角加設螺旋箍筋或外包鋼板的方法防止混凝土壓潰。墻片與基礎之間鉸接可以保證剪力墻幾乎不受拉壓力影響，可以有效的保護剪力墻，是很好的搖擺構造形式，但連接本身較為復雜，且鉸接構造阻礙了預應力鋼絞線的連通，因此在自復位剪力墻結構中并不常用。

(2)為了控制搖擺或自復位剪力墻結構在地震作用下的搖擺幅值，通常做法是在剪力墻底部內置軟鋼棒消能裝置，但消能裝置破壞后難以更換，采用可拆卸外置消能裝置可以有效解決這一問題。

(3)現有的可更換腳部構件剪力墻試件存在抗側剛度過小的問題，主要原因在于采用剛度較小的橡膠材料作為可更換支座，且連接處存在空隙造成連接剛度大幅減小。雖然在設計上，研究人員對底層非更換段有所補強，但對于補強估計不足。最終造成結構的實際抗側剛度大大小于傳統剪力墻的抗側剛度，有可能使結構層間位移角不滿足規范限值，因此有待進一步研究改良。

(4)國外對于搖擺及自復位剪力墻已有多年的研究歷史,包括混凝土，砌體，鋼結構，甚至木結構形式的搖擺及自復位剪力墻均有較為深入的探討，而國內對于這一方面研究依舊處于起步階段。對于可更換剪力墻，國內外研究較為匱乏，同濟大學對這一領域進行了初步探索，然而由于經驗不足，依然存在很多不足之處。對于應用于純剪力墻結構中的同時具備可恢復功能連梁及可更換剪力墻的聯肢剪力墻結構，國內外研究依然是一片空白。對于可恢復功能連梁及可更換剪力墻如何協同工作及相互作用機理依然缺乏認識。如今，可恢復功能結構逐漸成為抗震研究的熱點，這一領域存在的空白值得研究人員的開拓和補全。

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