混凝土框架摇摆墙结构体系的抗震性能分析.pdf
第 2 8卷 第 1期 2 0 1 1年 3月 建筑科学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g VoI . 2 8 NO . 1 M a r . 2 0 11 文章编号 1 6 7 3 2 0 4 9 2 0 1 1 0 1 ~ 0 0 6 4 ~ 0 6 混凝土框架摇摆墙结构体 系的抗震性能分析 曹海韵 , 潘 鹏 , 叶列平 , 曲 哲 , 刘明 学。 1 .清华大学土木工程系 , 北京 1 0 O 0 8 4 ;2 .清华大学土木工程安全 与耐久教育部重点实验室 , 北京 1 0 0 0 8 4 ; 3 .北 京 时 空 筑诚 建 筑 设 计 有 限公 司 , 北 京 1 0 0 8 4 0 摘要 为研 究框 架摇 摆墙 结构体 系的抗震性 能 , 以 1个 6层 混凝 土框 架结 构模 型为例 , 利 用通 用有 限元软件 S AP 2 0 0 0建 立 了该结构 的 简化模 型 , 并通 过 弹塑 性动 力 时程 分析 , 得到 了附加 摇摆 墙前 后 结构 的地 震响应 。分析结 果表 明 附加摇 摆墙后 , 结 构 以摆 动振 型振 动 , 各层 的层 间位移 角趋 于 一 致 , 结构层 问 变形 的集 中得到有 效控制 , 从 而使 结构形 成整 体屈 服破 坏 机制 , 防 止局部 层 屈服 破 坏机制的产生, 充分发挥整个结构的耗能能力; 附加摇摆墙后 , 结构周期略有减小, 不会显著增加结 构基底剪力, 即使仅 附加高度为结构总高度一半的摇摆墙, 也能有效控制结构底层的变形集 中; 该 框 架摇摆墙 结构体 系具有 良好 的抗震 性能。 关 键词 摇摆墙 ; 抗震加 固; 子 结构 ; 框 架结构 ; 时程 分析 中图分类号 TU3 5 2 . 1 文献标志码 A S e i s m i c Pe r f o r m a nc e An a l y s i s o f RC F r a m e Ro c k i ng - wa l l S t r u c t u r e S y s t e m C AO Ha i y u n ,P AN P e n g ~,YE Li e ~ p i n g 一,Qu Zh e .L I U Mi n g - x u e 。 1 De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g,Ts i n g h u a Un i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ,C h i n a ;2 .Ke y L a b o r a t o r y o f C i v i l En g i n e e r i n g S a f e t y a n d Du r a b i l i t y o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n,Ts i n g h u a Un i v e r s i t y ,B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 , Ch i n a ;3 .Be i j i n g S p a c e t i me C r e a t o r Ar c h i t e c t u r e De s i g n C o . ,L t d,B e i ] i n g 1 0 0 8 4 0 ,C h i n a Ab s t r a c t Th e s e i s mi c r e s p on s e s of a 6 - s t o r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e RCf r a me wi t h a nd wi t ho ut t he r o c ki n g wa l l we r e c o mp a r e d us i n g t h e e l a s t i c p l a s t i c t i me h i s t o r y a n a l y s i s by g e n e r a l f i n i t e e l e me nt s of t wa r e SAP2 0 0 0 . The a n a l y s i s r e s ul t s s ho w t h a t t h i s s y s t e m i s f o r c e d t o v i br a t e on a r o c k i ng mod e d ur i ng t h e e a r t h q ua k e .The f a i l ur e me c ha n i s m o f t h i s s t r u C t ur e i s o ve r a 1 1 y i e l d i n g me c ha ni s m i ns t e a d o f s t o r y y i e l d i n g me c ha ni s m whe n i t g e t s da m a g e d .The ov e r a l l y i e l di n g me c h a n i s m e n do ws s a t i s f a c t o r y e ne r gy d i s s i p a t i o n c a p a c i t y o f t he s t r uc t u r e .The s t or y dr i f t b e c o me s m o r e u n i f o r m di s t r i b u t e d a n d t h e d e f o r ma t i o n c o n c e n t r a t i o n p he no me n a s i gn i f i c a nt i mp r o v e d t h a n k s t o t h e r o c k i n g wa l 1 .Th e f i r s t s t o r y d r i f t c a n a l s o b e e f f e c t i v e l y c 0 n t r o I I e d e v e n i f t h e a d di t i o n a l h e i ght o f r o c ki n g wa l l o n l y r e a c he s ha l f o f t he e n t i r e he i g ht o f s t r ue t u r e .The RC f r a me r oc k i ng wa l l s t r u c t ur e s y s t e m h a s s a t i s f a c t or y s e i s m i c pe r f o r ma n c e s . Ke y wo r d sr o c k i n g wa l l ;s e i s mi c r e t r o f i t ;s ub s t r u c t u r e ;f r a me s t r u c t ur e;t i me hi s t o r y a na l y s i s 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 1 8 基金项目 国家 自然科学基金重点项 E t 9 0 8 1 5 0 2 5 ; 国家 自然科学基金青年科学基金项 目 5 0 8 0 8 1 0 7 ; 住房和城乡建设部中美合作专题项 目 2 0 1 0 作者简介 1 9 8 6 一 , 男 , 新疆 和田人, 工学硕士研究生 , E - ma i l c a o h y O 5 ma i l s .£ s i n 曲 u a . e d u . c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 曹海韵 , 等 混凝 土框 架摇摆 墙 结构体 系的抗 震性 能分析 6 5 O 引 言 混凝 土框 架结 构在地 震 中易 出现 由柱端 出铰 而 导致的层 屈服 破坏 现象 , 这在 历次地 震 中屡见 不鲜 。 层屈 服破 坏机 制的缺 点在 于 ① 塑性 铰个 数少 , 耗能 能力 差 ; ② 由于 受到轴 压作 用 , 柱 铰 的变形 能力 和耗 能能 力小 ; ③结 构变形 集 中 , 容易 引起 层倒 塌 。为 了 避免 层屈 服破 坏 机 制 , 各 国规 范 均 有 关 于 “ 强柱 弱 梁” 的规定 , 但 由于框架 结构 自身 的受力 特点 和实 际 工程 的复杂性 以及 楼板 和填充 墙对 结构 性 能的影 响 等 , “ 强 柱弱梁 ” 难 以实 现 。在 设计 中提 高 柱 端 弯矩 增大 系数是较 为直 接 的 解 决 方法 , 但 是 一 味 提 高 柱 端弯矩 增 大 系数 在 实 际 工 程 设 计 中 并 不 现 实 。 因 此 , 有 必要从 结构体 系 的角度 出发 , 提 出改善 混凝 土 框 架结构 抗震 性能 的方法 。 l 摇摆墙结构体 系 针对 常规钢 筋混 凝土框 架结 构容 易 出现 的层 屈 服破 坏机制 的 现 象 图 1 , 笔 者 研 究 了一 种 新 型 结 构体 系 , 即 混 凝 土 框 架 摇 摆 墙 结 构 体 系 。摇 摆 墙 R o c k i n g wa l 1 是 一 种 具 有 特 殊 构 造 的 墙 体 , 它 在 墙底 铰接 , 具 有 一 定 的转 动 能 力 。将摇 摆 墙 与 框 架 结构 结合 , 就 形 成 了框 架 摇 摆 墙 结 构 体 系 图 2 。 框架 摇摆墙 结构 体 系 附加 了摇 摆墙 子结 构 后 , 有 效 控制 了结构 的 屈 服机 制 图 3 , 使 塑 性 铰 主 要 产 生 在梁 端 , 充分 发挥 整个 框架结 构 的耗能 能力 , 提高 了 结构 的抗震 能力 。框架 摇摆墙 结构 体 系与一 般框 剪 结构 的 区别 在于 将剪 力墙底 从 固接 变成 了铰 接 , 结 构体 系基本 周期显 著延 长 , 墙 体承 载力需 求减 小 ; 墙 底弯矩 被释 放 , 因此 不必 在墙 底采取 加强 措施 , 对基 础 的需 求也 随之减 小 。 如果在 摇 摆墙 与 主 体结 构 问设 置 阻 尼器 , 则 可 以进 一步增 加结构 耗 能 能 力 , 在墙 体 和基 础 间施 加 预应 力还可 以使结 构有 自复位 能力 。摇 摆墙结 构体 系抗震 性能优 良, 是一 种 有 工程 应 用 前 景 的新 型结 构体 系 。 摇 摆墙结 构体 系源 于“ 受控 摇摆 结构 体系 ” 的概 念 , 已有 不少学 者对 这种结 构体 系做 了研究 , 其 中具 有 代表 性 的有 Mi d o r i k a wa等 、 A j r a b等 、 E a t h e r t o n等 、 Ma r r i o t t 等[ 、 Ma c r a e [ 和 J i 等[ 。近 几 年来 , 也 有 一 些 摇 摆 墙 结 构 体 系 的 工 程 应 用 , 如 S t e v e n s o n等 在 位 于 B e r k e l e y 的 “ D a v i d B r o we r C e n t e r ” 结构中部设置 c形预应力墙体 , 墙体在强震 中纵筋屈 服 , 端 部可 以抬起 , 该工 程是 摇摆墙 结构 体 a 某 框架首层 完全垮塌 f b 北川某框 架二层柱 铰破坏 图 l 汶 川 地 震 中 混 凝 土框 架 结构 典 型 震 害 Fi g . 1 Typ i c a l Da ma g e o f RC Fr a me S t r u c t u r e i n W e nc hu a n Ea r t h qua ke 霄 a 框 架结构 b 框剪结构 墙底 固接 c 摇 摆 墙 结 构体 系 墙 底 铰 接 图 2 摇摆墙结构体 系与常规结构体 系的对比 Fi g . 2 Co mpa r i s o ns Be t we e n Ro c k i n g - wa l l S t r u c t u r e S y s t e m a n d Con v e n t i o n al S t r u c t ur e S y s t e m 系用 于新 建工程 的案 例 ] 。利用摇 摆墙进 行抗 震加 固的案例 有 P a n i a n等_ 8 利用 在 结 构 中布 置 中部 施 加 预应 力 的墙体 , 对 1 个 6层 混 凝 土框 架 进 行 了抗 震加 固 ; Wa d a等 l g ] 利 用 摇 摆 墙 对 日本 东 京 工 业 大 学 1个 1 1层混 凝 土框架进 行 了抗 震加 固 , 该 工程在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 建筑科 学与 工程 学报 2 0 1 1年 . , , 刀, 力 盎 框架结构 的层屈服破坏机制 b 摇 摆 墙 结 构体 系 的整体 屈服 破坏 机制 图 3 混凝土框架结构与摇摆墙结构体 系的破坏模式 Fi g .3 Dama g e Mo d e s o f RC Fr a me S t r u c t ur e a n d Ro c ki n g - wa l l S t r u c t ur e S y s t e m 墙底通过 齿槽与基 础 连接 , 墙 体 与结 构 间布置 了大 量阻尼器 。 目前 , 中国关 于摇 摆墙 结构 体 系的研 究 尚处 于 起 步阶段 。本 文 中以某 抗震设 防为 7 度 的 6层混凝 土框架为例 , 采用通用有限元软件 S AP 2 0 0 0 , 选取 1 o条具有代 表性 的地震 记 录 , 通过 弹 塑性 动力 时程 分析方 法 , 比较设 置摇 摆 墙 前后 框架 结构 抗震 性 能 的变化 , 考察框架 摇摆墙结 构的抗震效 果 。 2 结构模型 某实 际框 架 结 构 模 型 如 图 4所 示 , 结 构 总 高 2 1 . 2 2 1 T I , 建 筑面积 约 5 4 0 0 m , 6 层 框架结构 , 首层 为停 车场 , 无填 充墙 ; 上 部 为公 寓 , 有横 向和纵 向 的 填充墙 。考虑 填充墙 影 响后 , 底 层 刚度 显著 小 于上 部楼层刚度 。该结构抗震设防为 7度 1组, Ⅱ类场 地 , 特征周 期 T 一0 . 4 S 。 图 4 混 凝 土框 架结 构 模 型 Fi g . 4 RC Fr a me S t r u c t ur e Mo de l 本文 中考察结 构在纵 向的抗震性 能 。在该框 架 结 构 的纵 向设 置 4片 混凝 土摇 摆 墙 , 墙 截 面尺 寸为 3 . 0 r f l 0 . 3 m。共 计算 了 2种工 况 , 工况 1 为 摇摆 墙 与框架 同高 图 5 , 工 况 2为 摇摆 墙 高 度 到达结 构 的第 3 层 。 图 5 工 况 1的 摇 摆墙 布 置 Fi g . 5 La y o u t s o f Ro c ki n g - wa l l o f Ca s e 1 为了考察设置和未设置摇摆墙框架结构的地震 响应 , 建立 了 3 个 模 型 , 分 别 称之 为模 型 1 、 模 型 2 、 模 型 3 。模 型 1为框 架结 构 模 型 ; 模 型 2为框 架 摇 摆墙模型 , 在结构外侧设置了与结构同高的摇摆墙, 用以考察摇摆墙结构体系的抗震性 能; 模型 3为框 架半高 摇摆墙模 型 , 该模 型 在结 构 外侧 设 置 了仅 有 3 层 楼 高 的摇 摆墙 , 用 以考 察不 完 全 摇摆墙 结 构 体 系 的抗震 性能 , 计 算模型 如 图 6所示 。 集 中质 量 集 质 剪 切弹 簧 剪 弹 摇 摆 墙 集 质 剪 弹 a 模 型1 b 模 型2 c 模 型3 图 6计算模型 Fi g .6 Ca l c u l a t i o n Mod e l s 利用 通用 有 限元 软件 S AP 2 O 0 O建 立 了 表征 结 构纵 向抗 震性 能的 6自由度质 点 串模 型 , 模 型参 数 如表 1所示 。楼层之 间采用非线 性 L i n k单元连接 , 在剪切 方 向采 用 塑 性 强 化 模 型 , 屈 服 后 刚 度 k 。 0 . 0 2 k 图 7 , 其 余 方 向 固定 。摇 摆 墙 采 用 可考 虑 剪切 变形 的梁单 元模 拟 , 并 在底 部 铰接 。各 层质 点 和摇 摆墙之 间采用两 端铰接 的刚性链 杆连接 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 建筑科 学与工程 学报 2 0 1 1年 表 4模 型 1与模 型 2前 4阶周 期 比较 Ta b 。 4 Co mpa r i s o n s o n t h e Fi r s t Fo u r Pe r i o d s Be t we e n M o d e l 1 a nd M o de l 2 周 期 / s 阶次 模型 1 模型 2 1 O . 6 1 3 0 . 6 0 5 2 0. 21 4 O . 1 8 2 3 O.1 34 O. O9 O 4 O. 1 0 2 O . 05 6 比较 如表 4 所 示 。如 将 摇摆 墙底 部 固接 , 类 似 于采 用附加剪力墙的方法加固结构 , 结构 1阶周期将降 为0 . 5 2 S , 变化 幅度 较 大 。在 图 8中标 出 了各 结 构 模型 的 1阶周期 。 采用摇 摆墙加 固 , 结构基 本周期变 化很小 , 所 以 地震 中结 构基底剪力 包括墙 体部分 的增 加也将 不 大 , 这是采用 摇摆 墙结 构 体 系的 一个 优势 。另 一方 面 , 摇摆墙 底 部弯 矩 被 释 放 , 墙 体 本 身 不 会 受 弯破 坏 , 对基础 的抗弯承 载力需求小 , 这是摇摆墙 结构体 系的另一个 优点 。 设置摇摆墙前 后结构整 体位移对 比如 图9 a 所 示 , 原结构变形模 式 为典 型 的剪 切 型 下 部 变形 大 , 上部 变形小 , 结构 总位移 曲线类 似半 个 U 形 。加 摇 摆墙后 , 结构各层位 移接近 于一条直线 , 结构变形 呈 “ 摇摆型” 。结构底部位移显著减小, 但结构顶部位 移有所增 大 。 设 置摇 摆 墙 前 后结 构 层 问 位 移角 的对 比如 图 9 b 所 示 。从 图 9 b 可 以 看 出 在 设 置 摇 摆 墙 之 前 , 结构底 部为薄弱层 , 层 间 位移 角接 近 1 / s o ; 结构 底层 位移角 约为顶层位 移角 的 1 0 倍 ; 在设 置摇摆墙 之后 , 底 层层间位移角小 于 1 / 1 0 0 , 降为原来 的一 半 , 且结构各 层变形趋 于一致 , 底 层 位移 角 约为 顶层 位 移角的1 . 5 倍。原结构层间变形平均值为2 2 . 7 mm, 施 加摇摆 墙后该值 为 2 3 . 0 mi T t , 基本未 变 。 4 . 2 模 型 1与模 型 3的比较 模型 3设 置 了仅 与 框 架 底部 3层相 连 的摇 摆 墙 , 结构整 体位移 的对 比如 图 1 0 a 所 示 , 结构 层 间 变形 的对 比如图 1 0 b 所 示 。从 图 1 0 8 可以看 出 , 加摇摆 墙后 , 结 构底部 3层位移基 本在一 条直线上 , 结构第 1 、 2 层位 移有 所 减小 , 但 上部 3层位 移 略有 增 大。从 图1 0 b 可 以看 出 加摇 摆墙 后 , 结 构底 层 层 问位移 角显著 减小 , 结构 第 3层底 层位 移 角显 著 增大 , 底 部 3层层 间 位移 角均 在 1 / 8 o左 右 ; 未 与摇 摆墙相连 的上部 3 层 层间位移 角基本不 变 。施加 摇 蹬 嗵 邳 隧 蹬 辎 总位 移/ ram a 总位 移 1 / 3 0 0 I / I 5 0 I / 1 0 0 l / 7 5 1 / 6 0 1 / 5 0 层间位 移 角 b 层间 变形 图 9模 型 1 与模型 2变形的比较 Fi g . 9 Compa r i s o n s on Dr i f t s Be t we e n M o de i 1 a nd M o d e l 2 总位 移/ ram a 总 位移 O 1 / 3 0 0 1 / 1 5 0 1 / 1 0 0 1 / 7 5 l / 6 0 1 / 5 0 层 间位移 角 b 层 间变形 图 1 O 模型 1与模型 3变形的比较 Fi g . 1 0 Co mp a r i s o n s o n Dr i f t s Be t we e n M o d e l l a nd M o d e l 3 摆墙前后结构底部 3层层问变形平 均值分别 为 3 5 . 5 、 3 5 . 6 mm, 基本一致 。 对 比模 型 3与模 型 2可 以看 出 沿结 构全 高设 置 的摇摆 墙对底 部变形集 中的控 制效果优 于半高 的 摇摆墙 。 当然 , 结 构层 问 变形 的集 中并 不一 定 出现 在底层 , 它也可能 出现 在结 构 上 部 如第 4层 。从 6 4 2 0 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 曹海韵 , 等 混凝 土框 架摇摆 墙 结构体 系的抗 震性 能分析 6 9 这 个角度 看 , 沿 结构 全高设 置 的摇摆 墙更 可靠 。 另外 , 半高 的摇摆 墙除 成本 较低外 , 不会 对结 构 顶部施加过大的力, 且 因其长度较小 , 更加强了底部 [ 3 ] 楼层 层 问变形 的一致 性 。 5 结语 1 与 框架结 构相 比, 摇 摆墙 结构 体系 可使各 层 层 间位移 角趋 于均 匀 , 有效 控 制 结 构 层 间变 形 的集 中 , 可防止 层屈 服机 制 的出现 , 发 挥结 构整体 抗震 及 耗 能能力 。 2 与 框 架一 剪力 墙 结 构 相 比 , 在 框 架 结 构 中增 设摇 摆墙 后 , 结 构周期 变化 小 , 不 会显 著增加 结 构承 受 的地震 力 。 3 半 高 的摇摆 墙 也 可 有效 控 制 结 构底 层 的变 形 集 中 , 但 其作 用小 于全高 的摇 摆墙 , 且会 造成 结构 层 问变形 的突 变 , 设计 时 可有选 择地 使用 。 4 为进一 步 了解摇摆 墙结 构体 系 的动力性 能 , 还需要讨论摇摆墙刚度与其控制效果之 间的关系。 可取摇摆 墙 与结构 的刚 度 比作 为 参 数 , 探 讨 结 构变 形 集 中度 与结 构刚 度 比之 间 的关 系 。 5 摇摆墙结构体系在国外已有工程实例 , 但在 中国未 见相关 报道 。从 应用 推 广 的 角 度来 看 , 摇 摆 墙 节点 、 墙 体 的构 造 、 摇 摆墙 的设 计 、 施 工 方 法均 值 得 研究 。 参考 文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] [ 2 ] M I DORI KAW A M ,AZU HATA T , I SHI H ARA T , e t a 1 .Ea r t h qua k e Re s po ns e Re du c t i on o f Bui l d i ngs by Ro c k i n g S t r u c t u r a l S y s t e ms E C] / / I I U S C, PI NES D J .S ma r t S t r u c t u r e s a n d M a t e r i a l s 2 0 0 2 S ma r t S y s t e n l s f o r Br i d ge s, St r u c t ur e s, a nd Hi g hwa y s .Be l l i ng h a m S PI E, 2 00 2 26 5 - 2 7 2. 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