技术周刊 | 设置连梁阻尼器剪力墙结构抗震性能分析

引言

剪力墙结构是建筑结构中一种重要的结构体系，是目前国内在高层住宅建筑中应用最为广泛的结构形式。连梁作为该结构体系中的耗能构件，起到连接墙肢、传递荷载、保持整体抗倾覆能力的作用。结构分析和震害情况表明，地震作用下连梁承受剪力较大，产生较严重的损伤甚至破坏，同时也会导致剪力墙发生不同程度损伤，甚至丧失水平承载力。为了实现剪力墙结构体系震后快速恢复功能，可更换的消能连梁在剪力墙结构中应用越来越广泛，消能连梁作为耗能构件部分替代连梁，以此来减轻连梁非耗能部分及剪力墙在强震中的损伤。本文主要介绍连梁阻尼器在高层剪力墙结构中的应用。

1、连梁阻尼器产品及参数

连梁阻尼器一般用于替代传统混凝土连梁，利用两侧墙肢之间的竖向相对变形使阻尼器进入屈服耗能，从而减小结构地震响应，提高结构整体抗震性能。连梁阻尼器通常采用金属屈服阻尼器或者摩擦型阻尼器。金属屈服阻尼器是将软钢作为剪切板，利用其屈服强度低、延性好等优点。与主体结构相比，金属屈服阻尼器更早的进入屈服从而耗散地震等外部输入结构中的能量，而且抗震（振）性能不受温度等因素影响，同时金属屈服阻尼器可根据需求设计成弯曲屈服型、剪切屈服型和弯剪复合屈服型，如下图1 (a)、(b)。摩擦型阻尼器一般由上下压板、高分子复合型材料、摩擦钢板以及紧固螺栓构成的一种结构简单，耗能能力强的减震装置，可以利用高分子复合型摩擦材料与摩擦钢板的相互摩擦，使摩擦力转化成热能的方式将地震能量耗散出去的一种阻尼器，如图1(c)（产品图片来源震安科技官网）。

（a）弯曲型金属阻尼器

（b）剪切型金属阻尼器

（c）摩擦型阻尼器

图1. 连梁阻尼器

本文案例采用剪切屈服型金属阻尼器，即依靠钢板平面内剪切变形耗能，钢材采用低屈服点钢，阻尼器滞回曲线如下图2所示，其本构关系为双折线模型，图中x_y为阻尼器的屈服位移；x_m为阻尼器的极限位移；k阻尼器的屈服前刚度；α_ｓ为阻尼器的屈服后刚度比；f_y为阻尼器的屈服力；f_m为阻尼器的极限承载力，技术参数见表1。

图2 金属连梁阻尼器简化滞回模型

表1 金属连梁阻尼器技术参数

2、工程概况

2.1 结构基本情况

本工程为高层剪力墙结构，结构平面尺寸13.7x45.0m，建筑地上19层，结构高度70.10m，本工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2g，设计分组为第二组。SAUSG-Zeta中可以轻松布置连梁阻尼器，首先定义相应的金属屈服阻尼器，然后定义连梁式阻尼器减震组，如图3所示，最后在模型中点击定义即可。该剪力墙结构计算模型如图4（a），楼板与连梁阻尼器的相对位置关系如图4（b），在SAUSG中布置连梁阻尼器，软件会自动在连梁和楼板间设缝，以此来保证连梁阻尼器耗能更加充分。该结构外围短肢剪力墙较多且相应位置受力较大，因此在结构四周布置的连梁阻尼器较多，连梁阻尼器布置在3~16层相应位置，标准层结构平面布置图如图5。

图3 连梁阻尼器定义

(a)结构模型

  (b)连梁阻尼器局部布置图

图4 原结构改造内容示意

图5 标准层结构平面图

2.2 地震波选取

该结构计算分析采用两条天然波Chi-Chi,Taiwan-05_NO2951波、TH057TG040_EL MAYOR-CUCAPAH4-42010波和一条人工波RH3TG040波。本算例采用双向地震动输入（两个方向峰值加速度X向：Y向=1:0.85）。下图6为选取主方向地震动谱与规范谱的对比，符合《建筑抗震设计规范》GB50011-2010选波规定。

图6 地震波与规范反应谱曲线对比

3、罕遇地震弹塑性分析结果

3.1 楼层数据结果

下图7、8分别为剪力墙结构有控模型和无控模型层间位移角与楼层剪力对比图（有控模型即布置连梁阻尼器后的模型）。为了更加清晰的对比有控和无控模型结果，楼层数据及后文其他数据只对比人工波RH3TG040的结果。从结果中可以看出布置连梁阻尼器后，结构层间位移角和楼层剪力较敏感，都有一定程度的降低，尤其是布置连梁阻尼器的3~16层变化相对较大，其有控模型两个方向的层间位移角相对于无控模型最大降低分别为X向18.8%，Y向15.9%；有控模型两个方向的楼层剪力相对于无控模型最大减小分别为X向24.7%，Y向16.1%。

图7 无控模型和有控模型层间位移角对比

图8 无控模型和有控模型楼层剪力对比

3.2 能量耗散结果

图9 无控模型能量图

图10 有控模型能量图

(a) X向阻尼器典型滞回曲线

 (b) Y向阻尼器典型滞回曲线

图11 罕遇地震作用下连梁阻尼器的典型滞回曲线

图9、图10为罕遇地震作用下无控模型和有控模型剪力墙结构的能量曲线，从无控模型可以看出结构弹塑性提供的附加阻尼比较大，在4.5%左右，说明罕遇地震下结构构件损伤比较严重，因此消耗的地震能量较大，对结构构件性能是不利的。从有控模型能量曲线图可知连梁阻尼器提供大概1.2%的附加阻尼比，相对偏小。由图11可知罕遇地震作用下连梁阻尼器的滞回曲线相对比较饱满，在地震耗能和减轻连梁非耗能段及剪力墙墙肢损伤方面贡献较大。

3.3 构件性能评价

(a)无控模型性能水平

 (b)有控模型性能水平

图12无控模型和有控模型构件性能水平

上图12为无控模型和有控模型构件性能水平图，无控模型中大部分连梁出现了严重的破坏，根据性能目标可知，连梁属于耗能构件，是允许出现严重损坏的，但是从图中可以看到较多的短肢剪力墙也出现了严重损坏，这种情况不能保证罕遇地震作用下剪力墙的结构安全。从有控模型性能水平图可知，设置阻尼器未替代部分的连梁和相连短肢剪力墙的性能水平基本在轻度损伤以下，说明连梁阻尼器在罕遇地震下剪切耗能发挥了重要作用，而没有布置阻尼器的连梁则出现了严重损坏，这也是符合结构的抗震性能目标的，其因损伤从而耗散一部分地震能量，保证了剪力墙的性能水平。

4、小结

1、剪力墙结构设置连梁阻尼器后，有效降低了结构层间位移角、楼层剪力等指标，使结构具有较好的抗震性能；

2、在剪力墙受力较大部位设置连梁阻尼器，地震作用下不但可以成为结构可靠的耗能构件，减小地震响应，防止连梁的剪切破坏，同时还可以有效减少混凝土剪力墙构件的损伤，为实现剪力墙结构体系震后快速恢复功能提供保障。

供稿丨刘建成   审稿丨侯晓武、刘孝国

编辑丨王蕊   责编丨张跃飞