鋼筋混凝土耗能墻抗震性能試驗研究及結構地震響應分析

劉春陽 史若凡 王樂超 鞏振凡

摘要：為研究鋼筋混凝土耗能墻的抗震性能及其對底層柔性建筑的減震效果，設計了3片耗能墻，設計參數為截面尺寸、墻的排列方式和配筋形式。通過低周往復加載試驗對3個試件的破壞特征、滯回耗能、位移延性等抗震性能指標進行了研究。選取7條近場地震波和8條遠場地震波，并采用SAP2000有限元軟件對設置耗能墻的底層柔性結構進行地震響應分析。結果表明：3片耗能墻均具有較好的抗震性能，在墻身設置豎向通縫可以提高耗能墻的變形能力和耗能能力;內置鋼板后可明顯改善耗能墻的抗震耗能效果;在近、遠場地震作用下，增設耗能墻后首層層間位移角平均值分別減少21.7%、17.6%，層間剪力平均值分別減少16.3%、18.1%，表明耗能墻可以提高結構的抗震能力，明顯減輕主體框架的滯回耗能，減少結構地震響應。

關鍵詞：底層柔性建筑;鋼筋混凝土耗能墻;抗震性能;SAP2000有限元;結構地震響應

中圖分類號：TU352文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2021）04-0689-11

0引言

底層大空間建筑是典型的底層柔性建筑，地震發生時該類建筑的底層容易出現塑性變形集中并產生嚴重破壞（Yoshimura ，1997;焦柯等，2020;譚皓等，2016;陳兆榮等，2016），因此，國內外學者開展了大量關于改善底層大空間建筑抗震性能的相關研究，如鈴木計夫和馬華（2000）在底層柔性結構中設置了高延性鋼筋混凝土柱和預應力鋼棒，較好地耗散了地震能量，合理地控制了結構的變形;葛慶子（2011），葛慶子和馬華（2012）對帶纖維混凝土柱式耗能器的底層柔性結構進行了振動臺試驗，結果表明，耗能器可以減小底層層間位移，有效控制首層結構的變形進而起到保護主體結構的作用;樊軼江等（2020）、王飛宇（2017）對比了帶鋼管混凝土延性柱耗能器的底框砌體結構和普通底部框剪砌體結構的抗震性能，發現耗能器消耗了部分地震能量，可先于主體結構進入塑性，從而提高了主體結構的抗震性能;歐進萍和邱法維（1995）提出了用鋼管混凝土柱作為底層耗能柱，用承重墻和隔振器來控制底層大變形的耗能-隔震柔性底層結構體系，該結構體系可有效減小結構上部地震破壞。

與混凝土柱相比，混凝土剪力墻有良好的抗震性能。基于此，有些學者開展了相關耗能器抗震性能研究。李慧等（2000）、黃麗蒂和李慧（2004）在普通混凝土低矮剪力墻的中部沿橫向開一條通縫并通過鋼管混凝土柱將上下墻體相連。地震發生時，鋼管混凝土柱先于墻身發生彎曲破壞并耗散大量地震能量，與普通低矮剪力墻相比，其具有良好的后期變形能力，抗震性能更為穩定。

已有研究中耗能器多由耗能柱并列組成，但對于由單片或多片混凝土耗能墻并列形成的耗能器的研究數據較少。本文提出一種利用位移角放大效應原理進行耗能的鋼筋混凝土耗能墻，該耗能墻由上下端為剛度較大的剛性端塊和中部高度為層高1/4的耗能剪力墻組成。在相同的層間位移條件下，中部耗能剪力墻的轉動變形為主體框架柱轉動變形的4倍，可先于主體結構進入塑性狀態并消耗較多的地震能量，起到減小主體結構的地震反應的作用。本文通過擬靜力試驗，從破壞模式、承載力、延性、耗能能力等方面研究混凝土耗能墻的抗震性能，并對設置耗能墻的底層柔性框架結構在近場和遠場地震作用下的地震響應進行分析。

1試驗概況

1.1試件設計

本試驗共設計了3個試件，試件編號及參數見表1。其中試件HNQ-1的耗能墻段為普通剪力墻，作為對比試件設計;試件HNQ-2和HNQ-3的耗能墻段為兩片以并列方式組成的耗能墻，兩片墻的截面總面積與試件HNQ-1耗能墻段的截面面積相等。3個試件的端塊截面尺寸均為300mm×300mm，底座截面尺寸均為500mm×500mm，高度為1200mm。考慮到耗能墻設置于樓層梁之間或樓層梁與基礎底板之間等建筑物的內部，承受的豎向荷載較小，試驗設計時取試件軸壓比為0.1。為保證混凝土耗能墻內置的鋼板在底座內形成有效的錨固，將鋼板在上、下端塊內的錨固長度分別取為250mm和450mm，鋼板總長度則取為1900mm。試件尺寸及配筋情況如圖1所示。

墻體豎向分布筋和水平分布筋采用HRB400級鋼筋，直徑為8mm，間距為100mm，內置鋼板采用Q235的鋼材，端塊內采用16根HRB400級鋼筋，底座內采用12根HRB400級鋼筋。端塊和底座箍筋均采用直徑為8mm、間距為50mm的HRB400級鋼筋。混凝土強度設計等級為C30，立方體抗壓強度為33.4MPa，彈性模量為3.1×104MPa。混凝土和鋼筋以及鋼板的力學性能參數見表2～3。試件鋼筋應變片測點布置如圖1所示。在耗能墻距墻底50mm高度處，粘貼鋼筋應變片以測量在試驗加載過程中不同位置縱向分布鋼筋應力的變化情況。

1.2試驗裝置和加載制度

本試驗在山東建筑大學建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室進行。加載時，首先施加豎向荷載到達軸力設計值后保持恒定，然后通過MTS擬靜力加載系統施加低周反復水平荷載。試驗前先進行預加載試驗，預加載水平位移值為1mm，確定加載裝置及儀器無異常后正式開始施加水平荷載。試驗時按耗能墻位移角（θ）逐步增大的方式進行加載，具體為θ=1/1000、0=1/500（循環一周）、θ=1/250、θ=1/150、0=1/100、0=1/67、0=1/33、0=1/25（循環兩周）、θ=1/20（循環半周）。加載裝置如圖2所示。

施加水平荷載時，規定作動器施加推力時對應的荷載及位移為正，施加拉力時對應的荷載及位移為負。當荷載下降至峰值荷載的85%或試件無法繼續加載時停止試驗。用數據采集系統采集加載荷載與加載點處位移，并以其為依據繪制滯回曲線，并人工觀察測繪裂縫。

2試驗結果

2.1試驗破壞過程及破壞形態

由于各試件的北面和南面破壞狀態接近，本文主要以南面破壞狀態說明試驗破壞過程（圖3）。

對于試件HNQ-1，0=1/500時，根部出現微小裂紋。θ=1/250時，距墻底15cm處出現第一條水平裂縫。θ=1/150時，墻身出現多條水平裂縫及斜裂縫，墻身兩側面出現多道橫向裂縫。θ=1/100時，距墻底55mm處出現多條斜裂縫，新產生裂縫與原有裂縫相交叉。θ=1/67時，斜裂縫上的混凝土輕微鼓起。θ=1/33時，一條較長的斜裂縫在試件上部出現;墻身下部出現一條貫穿整個截面的較長斜裂縫，走勢為從左下到右上，形成“X”形交叉裂縫;兩側混凝土壓酥，受壓區高度約為21mm。0=1/25時，鋼筋屈服，塑性鉸區域裂縫明顯增多，墻身兩側混凝土破壞嚴重，最大裂縫寬度為12mm。θ=1/20時，構件承載力急劇下降，受壓區混凝土壓碎、脫落，根部混凝土大塊掉落，鋼筋連續被拉斷，試件破壞嚴重，停止加載。

試件HNQ-2、θ=1/1000時，左側一片耗能墻距墻底20mm處出現第一條水平裂縫。θ=1/500時，右側一片耗能墻距墻底10mm處出現一條通長的裂縫;左側一片耗能墻出現多條斜裂縫，走向為左下到右上。θ=1/150時，右側一片耗能墻出現多條斜裂縫，墻身側面出現2條水平裂縫，分別距墻底20mm和30mm;2片耗能墻中上部出現貫通水平裂縫。θ=1/100時，試件左上出現2條斜裂縫，原有裂縫繼續變寬延伸;在試件中部，出現多條較長的水平裂縫;右上部斜裂縫繼續向墻頂延伸，裂縫變寬，水平裂縫發展成斜裂縫;墻體頂部出現裂縫。θ=1/33時，2片耗能墻角部混凝土壓碎脫落，鋼筋露出。θ=1/25時，混凝土剝落，鋼筋拉斷。θ=1/25時，鋼筋持續拉斷，混凝土持續剝落，試件破壞嚴重。

試件HNQ-3、θ=1/500時，左側一片耗能墻出現3條水平裂縫，距墻底分別為8mm、18mm、40mm;右側一片耗能墻出現2條水平裂縫，距墻底分別為20mm、50mm;墻身側面出現4條水平裂縫。θ=1/250時，右側一片耗能墻距墻底40mm處新產生2條水平裂縫，原有裂縫延伸。θ=1/150時，右側一片耗能墻新產生2條水平裂縫，距墻底分別40mm和20mm;左側一片耗能墻距墻底27mm處出現1條水平裂縫，原有裂縫向左下方延伸。θ=1/1000時，整體裂縫高度增高，左側一片耗能墻中部出現斜裂縫，右側一片耗能墻出現2條水平裂縫。θ=1/67時，2片耗能墻中下部均產生多條斜裂縫，與原有裂縫交叉。θ=1/33時，混凝土開始脫落。θ=1/25時，角部混凝土壓碎，混凝土持續脫落，原有裂縫增多。大塊混凝土剝落。θ=1/20時，鋼筋拉斷，出現多條斜裂縫，承載力急劇下降，停止加載。

2.2滯回曲線

由圖4各試件的滯回曲線可見，θ=1/33時，試件HNQ-1達到峰值荷載;在其后的加載過程中，承載力下降較為平緩，滯回環形狀呈現為紡錘形。θ=1/33時，試件HNQ-2達到峰值荷載;隨著加載進行，滯回環面積繼續增加，殘余變形增大，滯回曲線下降趨勢較為平穩，其形狀為安定的紡錘形。θ=1/33時，試件HNQ-3達到峰值荷載;θ=1/33～1/20時，滯回曲線下降趨勢明顯，試件承載力下降，變形明顯增加，殘余變形增大，滯回曲線捏縮明顯，呈現為“倒S”形。與試件HNQ-1相比，試件HNQ-2和HNQ-3由于在墻身設置了豎向通縫，單片耗能墻高寬比提高，滯回曲線更為飽滿，變形能力增強。與其他試件相比，試件HNQ-3由于在墻身增設鋼板，其峰值荷載最高，滯回環面積最大。

2.3骨架曲線

由圖5所示的各試件的骨架曲線可知，3個試件均經歷了彈性、開裂、峰值、極限和破壞5個發展階段。與試件HNQ-1相比，試件HNQ-2的骨架曲線在峰值過后負向下降段更為平緩，破壞位移較HNQ-1增大，表明耗能墻具有良好的變形能力。同其他2個試件相比，試件HNQ-3峰值荷載顯著提高，原因是內置鋼板可較好地與混凝土協同工作，混凝土可對鋼板起到約束和支撐作用，進而充分發揮鋼板的力學性能。

2.4承載力與延性

本文通過屈服荷載（P）、屈服位移角（θ，）、峰值荷載角（P）、峰值位移角（θ）、極限荷載（P）、極限位移角（θn）、延性系數（μ）來反映各試件的承載力和耗能能力（表4）。使用等能量法確定屈服荷載，其中極限位移取荷載下降至峰值荷載的85%時所對應的位移，延性系數為極限位移和屈服位移的比值。與試件HNQ-1相比，試件HNQ-2的屈服荷載、峰值荷載和極限荷載分別降低1%、11%、13%，但試件HNQ-2的延性系數較試件HNQ-1提高52%，原因是試件HNQ-2的屈服位移角減小，極限位移角升高，所以延性系數增大。這表明耗能墻在保持截面面積不變的情況下，采用兩墻并列方式布置后，承載力雖可小幅降低但可大幅改善結構的變形能力，這有利于結構抗震。與試件HNQ-2相比，在耗能墻內置鋼板后，試件HNQ-3的屈服荷載、峰值荷載和極限荷載分別提高62%、71%、70%，表明內置鋼板可以顯著提高耗能墻的承載能力。

2.5耗能能力

試件的累積滯回耗能值的大小表示其滯回耗能的能力高低。由表5可知，試件HNQ-3的累積滯回耗能值最大，試件HNQ-1的耗能能力最低。與試件HNQ-1相比，試件HNQ-2的累積滯回耗能提高了6%，表明耗能墻滯回耗能能力良好，在墻身中部開縫可以提高耗能墻的耗能能力。與試件HNQ-2相比，試件HNQ-3累積滯回耗能提高了48%，表明在墻體中部設置鋼板使耗能墻的抗震性能得到明顯提高，改善了結構累積滯回耗能能力。

3設置耗能墻的底層柔性結構地震響應分析

3.1結構模型及地震動選取

本文設計了一個10層的鋼筋混凝土框架結構作為分析模型一，其首層層高4.8m，其余層高3.3m，結構平面尺寸及結構布置如圖6a所示。模型一設計時的抗震設防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類，設計地震加速度為0.15g，抗震等級為二級，設計地震分組為第二組;梁截面尺寸為350mm×700mm，柱截面尺寸為700mm×700mm;混凝土強度等級為C30，梁柱主筋采用HRB400，箍筋強度等級為HRB335。為了探究混凝土耗能墻對底層柔性鋼筋混凝土框架結構地震響應的影響規律，在模型一的基礎上增設混凝土耗能墻進行加固，如圖6b所示，并將分析模型定義為模型二。

采用SAP2000有限元軟件對模型一和模型二建模并進行地震響應分析。采用框架單元模擬梁柱力學性能，膜單元模擬樓板力學性能，多線性塑性連接單元模擬耗能墻力學性能，Pivot 力學模型模擬耗能墻的滯回特性。其力學參數按HNQ-3的荷載位移關系曲線設置：屈服位移為18.73mm、極限位移為13.90mm、屈服荷載為396.54kN、峰值荷載為464.47kN。

為研究近場、遠場地震動對底層柔性結構的影響，筆者從美國太平洋地震工程研究中心強震數據庫篩選出符合結構場地類型的7條近場地震動和8條遠場地震動，并以斷層距20km區分近場和遠場地震動。地震動臺站編碼（RSN）及詳細信息如表6和圖7所示。

3.2結構響應分析

近場和遠場地震作用下層間位移角分析結果如圖8所示。由圖可知，隨著樓層的增加，層間位移角先增大后減小。增設混凝土耗能墻后，首層層間位移角平均值在近場地震作用下減少21.7%，在遠場地震作用下減小17.6%，表明增設耗能墻1可以降低結構層間位移角，起到較好的減震效果，有利于結構抗震。

近場和遠場地震作用下樓層剪力分析結果如圖9所示。由圖可知，隨著樓層的增加，剪力逐漸減小。增設耗能墻后，在近場地震作用下減小16.3%，在遠場地震作用下首層層間剪力平均值減小18.1%，表明增設耗能墻對減小結構樓層層間剪力有較明顯的效果。

模型一和模型二結構能量時程分析結果如圖10所示。由圖可知，隨著時間的增加，結構耗能逐漸增加。在近場地震動RSN187作用下，模型一的結構滯回耗能占總能量的91%，模型二的結構滯回耗能占輸入能量的75%，耗能墻耗能占16%。在遠場地震動RSN40作用下模型一結構滯回耗能占總能量的90%，模型二的結構滯回耗能占輸入能量的76%，耗能器耗能占22%，表明耗能墻發揮了一定的耗能效果，起到保護主體結構的作用。

耗能墻與主體結構工作狀態對比如圖11所示。由圖可知，耗能墻的荷載位移曲線較框架主體結構的荷載位移曲線更為飽滿。這主要是由于相同層間位移角條件下，耗能墻的轉動位移角大于主體框架柱的位移角，耗能墻能夠先于主體結構進入塑性并發揮耗能作用以消耗地震能量，耗能墻的設置有利于減少主體結構的地震反應，提高主體結構的安全性。

4結論

通過對鋼筋混凝土耗能墻進行抗震性能試驗以及對設置耗能墻的底層柔性結構進行地震響應分析，主要得到以下結論：

（1）鋼筋混凝土耗能墻具有較好的承載力、變形能力和耗能能力，是一種良好的耗能器。在截面面積相同的條件下，通過并列耗能墻的方式，可使其滯回耗能、延性系數分別提高6%、52%，使剛度退化趨勢減緩。

（2）在耗能墻內增設鋼板可以充分發揮鋼板的力學性能，使耗能墻具有較高的安全儲備。內置鋼板可較好地與混凝土協同工作，進而抑制裂縫的發展。內置鋼板耗能墻的峰值荷載提高了71%，耗能能力增加了48%，有效減緩試件的剛度退化，有利于結構抗震。

（3）底層柔性框架結構增設耗能墻后，在近場、遠場地震動作用下結構的層間位移角和層間剪力均有所減小，具有良好的減震效果。耗能墻先于主體結構進入塑性工作階段，可耗散一定地震能量，起到了保護主體結構、控制結構地震響應的作用。

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Experimental Study on Seismic Behavior of Reinforced Concrete Energy Dissipation Wall and Analysis of Seismic Response of Structure

LIU Chunyang， SHI Ruofan， WANG Lechao， GONG Zhenfan

（1. School of civil Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， Shandong， China）

（2. Key Laboratory of Building Structural Retrofitting and Underground Space EngineeringShandong Jianzhu University， Ministry of Education Jinan 250101， Shandong， China）

Abstract

In order to study the seismic performance of reinforced conerete energy dissipation wall and its shock absorp-tion effect on the bottom flexible building， three energy dissipation walls were designed， and the design parameters were section size. the arrangement of the wall and the form of reinforcement. The failure characteristics hysteretic energy dissipation， displacement ductility and stiffness degradation of three specimens were studied by low-cycle reciprocating loading tests. Seven near-field seismic waves and eight far-field seismic waves were selected， and SAP2000 finite element software was used to analyze the seismic response of the bottom flexible structure with energy dissipation walls. The results showed that the three energy dissipation walls had good seismic performance， and the deformation capacity as well as energy dissipation capacity of the wall could be improved by setting a vertical slit on the wall body. The internal steel plate had obvious effect on improving the seismic energy dissipation performance of the energy dissipation wall. Under the action of near-field and far-field earthquake， after adding energy dissipa-tion wall the average displacement angle of the first floor decreased by 21.7o and 17.6% o， respectively， and the average shearing force between floors decreased by 16.3% o and 18.1% o， respectively. The energy dissipation wall could improve the seismic capacity of the structure， significantly reduce the hysteretic energy consumption of the main frame， and reduce the seismic response of the structure.

Keywords： Soft first-storey building; reinforced concrete energy dissipation walls; seismic performance SAP2000 finite element analysis; structural seismic response analysis