带黏弹性阻尼器可更换连梁的剪力墙结构抗震性能分析
时间：2023-07-01 14:15:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
汪 盟 吴 浩刘晓芳
（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092）
针对这一问题，国内外学者提出了多种新型可更换连梁构造。Fortney等［2］首次提出了可更换连梁，减少钢连梁中间部分的腹板厚度，集中地震损伤，并且采用了方便拆卸的连接构造。Chung等［3］提出将摩擦阻尼器应用于钢连梁中部。吕西林等［4］提出了多种金属阻尼器可更换连梁，包括开菱形孔钢板、内部灌铅的双层腹板工字型钢梁和灌铅钢管。但是上述方案存在一定的问题，例如钢连梁方案在小震下只提供刚度、耗能较少，而黏弹性阻尼器通过黏弹性材料的剪切变形耗散能量［5］，在小变形下也能耗散较多的能量。
因此，本文提出了一种在连梁中设置黏弹性阻尼器的可更换连梁剪力墙结构。以一个10层联肢剪力墙体为例，通过OpenSees建立传统方案和可更换连梁方案两个模型。由于可更换结构属于可恢复功能防震结构，为了充分体现该体系优势［6］，对两个模型进行四个水准下的弹塑性时程分析，通过算例对比校验黏弹性阻尼器可更换连梁的减震性能。
在剪力墙连梁的中部设置黏弹性阻尼器，地震中阻尼器两端会发生较大的竖向变形，从而能较好地发挥黏弹性阻尼器的耗能能力。可更换段的黏弹性阻尼器与非可更换段的钢筋混凝土梁之间通过连接板、端板和螺栓连接，便于拆卸可更换。同时为了保证剪力能从阻尼器均匀传递至非可更换段，在非可更换段应预埋工字钢。具体的构造如图1所示。
图1 可更换连梁示意图Fig.1 Drawing of replaceable coupling beam
连梁中设置了可更换黏弹性阻尼器的剪力墙结构属于可恢复功能结构，具有比传统结构更好的抗震性能，其抗震设防目标应提高至“小震及中震不坏，大震可更换、可修复，巨震不倒塌”。为了实现该抗震设防目标，小震及中震下连梁中的黏弹性阻尼器应发挥一定的耗能能力，大震下阻尼器应充分耗能减小结构位移，巨震下结构层间位移角应小于1/50的限值以保证不发生倒塌［7-8］。
2.1 模型结构概况
本文算例取自某10层宿舍楼，层高3 m，总高30 m，结构的盈建科模型如图2所示，结构平面布置如图3所示。该结构抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类场地，场地特征周期Tg=0.45 s。本文选取Y方向2轴的联肢剪力墙建立模型，其立面图如4所示，墙肢高度分别为6100 mm和4900 mm，墙厚为200 mm，连梁跨度为2500 mm，截面高度为400 mm。
图2 盈建科结构模型图Fig.2 YJK structural model
图3 结构平面布置图（单位：mm）Fig.3 Structural plan layout（Unit：mm）
混凝土强度等级为C40，钢筋强度等级为HRB400，按照现行国家标准GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》［9］的要求进行剪力墙及连梁的配筋设计。剪力墙肢配筋均为双层C8@200分布钢筋，端部设置4C12端部约束钢筋。连梁截面上下各布置6C20纵筋，分两排布置，箍筋选择C10@100。
图4 剪力墙立面图（单位：mm）Fig.4 Shear wall elevation（Unit：mm）
可更换连梁方案模型在传统方案模型的基础上，在每层的连梁中部都设置黏弹性阻尼器。黏弹性阻尼器选用本文作者前期已进行过试验的黏弹性材料［10］，根据初步对阻尼器出力的估算，黏弹性材料层数选用2层，如图5所示，每层黏弹性材料尺寸为400 mm×300 mm×10 mm。此外在非更换段内增设的预埋件采用钢板加工制成的预埋工字钢H160×70×10×10，钢材为Q345。端部及螺栓连接等构造在模型中暂不考虑。
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图5 黏弹性阻尼器示意图Fig.5 Viscoelastic damper diagram
2.2 黏弹性材料力学模型
黏弹性阻尼器采用周颖等［10］提出的非线性黏弹性材料力学模型，该模型由马斯林效应单元、非线性弹簧和黏壶并联组成，其中马斯林效应单元反映材料的软化，非线性弹簧反映材料的硬化，并通过调整黏壶的阻尼指数模拟滞回曲线的形状。该模型的表达式如下所示：
式中：F和u分别为阻尼器的力和位移；
u̇为阻尼器的速度；
u͂为历史最大位移幅值；
F1、F2和F3分别为马斯林效应单元、非线性弹簧和非线性黏壶提供的阻尼力；
K1和K2分别为马斯林效应单元和非线性弹簧的刚度；
C和α分别为黏壶的阻尼系数和阻尼指数；
f为结构基频；
λ1和λ2分别为考虑环境温度和升温—疲劳软化的修正系数，本文不考虑故取1；
a1、a2、a3、b1、b2、c和α为待定参数，两层尺寸为400 mm×300 mm×10 mm的黏弹性材料对应的各参数数值见表1。
表1 黏弹性材料模型参数Table 1 Parameter of viscoelastic material model
2.3 模型在OpenSees中的建立
使用OpenSees有限元软件对传统模型和可更换连梁模型分别进行建模，分析模型由两片墙肢、连梁、阻尼器和重力柱构成，其中重力柱模拟竖向承重构件。剪力墙墙肢和连梁采用纤维截面forceBeamColumn单元模拟，重力柱采用elasticBeamColumn单元模拟，剪力墙纤维单元通过刚臂连接到墙体边线，刚臂亦采用elasticBeamColumn单元模拟。连梁中间的黏弹性阻尼器采用2个并联的twoNodeLink单元模拟（2层黏弹性材料）。两片墙肢与重力柱的各层节点的水平方向自由度通过equalDOF命令约束在一起。OpenSees中剪力墙一、二两层的简化模型示意如图6所示。
图6 OpenSees剪力墙部分模型Fig.6 Part of OpenSees structural model
剪力墙塑性铰高度取1500 mm，墙体中的钢筋和连梁工字钢预埋件采用Steel02材料模型，混凝土采用Concrete01材料模型，黏弹性材料通过将若干个MinMax材料、Multilinear材料和Viscous材料组合成Parrell材料来拟合2.2节的力学模型。
为了保证模型收敛，在OpenSees中使用分段线性化的方式简化非线性的力学模型，在位移幅值［0，30 mm］上均分成6段。每一段当位移超过一定限值后，MinMax材料对应的Elastic线性弹簧就会失效，从而模拟软化马斯林效应，Multilinear材料对应的是分段线性化后的非线性弹簧，Viscous材料则对应的是黏壶单元。
2.4 模态分析
根据2.3节参数，在OpenSees中分别建立了传统方案模型和可更换连梁方案模型，对二者进行模态分析，结果如表2所示，连梁中间设置黏弹性阻尼器后结构周期减小，相对更柔。
表2 周期对比Table 2 Comparison of periods
3.1 地震波选取
根据场地条件和结构动力特性，从美国PEER数据库NGA-West 2选取了5条天然波，2条人工波采用三角级数法生成，具体信息如表3所示。地震波时程反应谱以及平均反应谱与规范标准反应谱的对比如图7所示，地震波时程均值反应谱与规范标准反应谱差值较小。
表3 地震波信息Table 3 Information about ground motions
图7 地震波时程均值反应谱与标准反应谱对比Fig.7 Comparison of average spectrum of selected ground motions and standard spectrum
依据周颖等［7-8］提出的可恢复功能结构四水准抗震设防目标相对应的设计参数（表4），7度（0.15g）下四水准对应的加速度时程曲线最大值分别为55 gal、147 gal、310 gal和441 gal，按照上述数值对两个模型分别进行四水准弹塑性时程分析，对得到的计算结果进行对比分析。
表4 四水准地震动加速度时程曲线最大值Table 4 Maximum values of earthquake accelerationtime history for four-level ground motion cm/s2
3.2 时程分析结果
3.2.1 层间位移角对比
对弹塑性时程结果中的层间位移角进行提取，各水准最大层间位移角对比如表5所示，层间位移角沿楼层分布如图8所示。由图8和表5可知，第一水准下两种方案的最大层间位移角均小于1/1000，满足规范要求。第四水准下二者的最大层间位移角均小于1/50，结构没有倒塌。
图8 楼层层间位移角对比Fig.8 Comparison of inter-story drift ratio
表5 层间位移角最大值对比Table 5 Comparison of maximum of inter-story drift ratio
此外，各水准下可更换连梁方案结构层间位移角都相对更小，其中第二水准下减少比例达到了24.6%。因为地震中黏弹性材料通过剪切变形耗散了大量的能量，从而实现结构整体变形的减小。第一水准下阻尼器开始变形耗能，第二水准下阻尼器发生较大的变形，充分的发挥耗能能力，从而实现层间位移角的大幅度减少。虽然第三、第四水准下减震效果相对不够明显，但黏弹性阻尼器的刚度较小，表2周期对比就说明了可更换方案结构更柔，大震和巨震下结构整体变形很大，而可更换方案结构的最大层间位移角仍然小于传统方案结构，说明阻尼器耗散了很多能量。
3.2.2 楼层剪力对比
对弹塑性时程结果中的楼层剪力进行提取，第一水准到第四水准下的各模型基底剪力如表6所示，楼层剪力沿楼层的分布如图9所示。连梁中设置阻尼器对基底剪力的减小效果在各地震水准下都比较明显，其中第三水准下最大基底剪力减小了17.3%。整体来说，可更换连梁方案对减小结构的楼层剪力有较好的效果。
图9 楼层剪力对比Fig.9 Comparison of story shear force
表6 基底剪力对比Table 6 Comparison of base shear force
3.2.3 结构损伤对比
对4900 mm墙肢的墙脚位置塑性转角和每层连梁与4900 mm墙肢连接位置的连梁塑性转角进行提取，第一水准到第四水准下的各模型墙脚塑性转角和连梁塑性转角最大值分别如表7、表8所示，连梁塑性转角沿楼层分布如图10所示。
表7 墙脚塑性转角对比Table 7 Comparison of plastic displacement angle of bottom wall corners
从表7中可以看出，各水准下采用可更换连梁方案均能一定程度减小墙脚塑性变形。而由图10和表8可知，各水准下可更换连梁方案结构中连梁的塑性变形都明显大幅度减小，表明连梁中设置黏弹性阻尼器，能显著减小地震中连梁受到的损伤。
图10 连梁塑性转角对比Fig.10 Comparison of plastic displacement angle of coupling beams
表8 连梁塑性转角最大值对比Table 8 Comparison of plastic displacement angle of coupling beams
3.2.4 阻尼器滞回曲线
对黏弹性阻尼器twoNodeLink单元内力以及两端节点相对变形进行提取即可得到阻尼器的滞回曲线，以地震波RSN67作用下第八层连梁中的黏弹性阻尼器为例，第四水准下黏弹性阻尼器的滞回曲线如图11所示。从图11中可以看出，阻尼器滞回饱满，能有效地耗散地震能量。
图11 黏弹性阻尼器滞回曲线Fig.11 Hysteretic curve of viscoelastic damper
本文提出了一种带黏弹性阻尼器可更换连梁的剪力墙结构，通过OpenSees建立了传统方案模型和可更换连梁方案模型，并进行弹塑性时程分析，得出如下结论：
（1）相较于传统剪力墙结构，带黏弹性阻尼器可更换连梁剪力墙结构的层间位移角在各水准下有一定程度减小。在连梁中设置黏弹性阻尼器可以在各水准下实现楼层剪力和连梁塑性转角的显著减小，墙脚损伤也有一定程度减少。
（2）在连梁中设置黏弹性阻尼器，能减小连梁和墙脚的塑性变形，将变形集中在阻尼器自身耗散大量能量，从而减少结构不可修复的损伤。即使黏弹性阻尼器失效发生破坏，也可以及时更换，实现可恢复功能。
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