摇摆墙在框架结构抗震加固中的应用

摇摆墙在框架结构抗震加固中的应用

文章编号：1000-6869（2011）09-0011-09

摇摆墙在框架结构抗震加固中的应用

曲

121

哲，和田章，叶列平

（1．清华大学土木工程系，北京100084；2．东京工业大学结构工程研究中心，日本横滨226-8503）

摘要：介绍一种摇摆墙体系及其在框架结构抗震加固中的应用。摇摆墙是采用特殊构造、底部具有一定转动能力和较大抗

它能够有效控制结构在地震作用下的侧向变形模式，且能够以多种方式与消能减震装置结合，提高结侧刚度的结构墙体，

构的耗能能力，进而提升结构整体的抗震能力。通过集中质量层模型的动力弹塑性分析研究了摇摆墙的刚度需求，介绍国

并对加固前后的结构抗震性能进行对比分析。结果际上首个采用摇摆墙体系抗震加固的11层钢骨混凝土框架结构实例，

摇摆墙体系能够有效降低结构在不同地震动输入下的平均地震响应，且可显著减小结构地震响应的离散性，使结构表明，

的损伤模式和抗震性能更加易于控制。

关键词：摇摆墙；损伤模式控制；耗能减震；抗震加固中图分类号：TU375.402TU318.1文献标志码：A

Seismicretrofitofframestructuresusingrockingwallsystem

QUZhe1，WADAAkira2，YELieping1

（1．DepartmentofCivilEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；

2．StructuralEngineeringResearchCenter，TokyoInstituteofTechnology，Yokohama226-8503，Japan）

Abstract：Aninnovativeseismicpassivecontrolsystemofrockingwallswasintroduced．Rockingwallsarespecially-detailedstructuralwallswithfiniterotatingcapacityatthebaseandlargelateralstiffness．Therockingwallsystemiscapableofcontrollingthelateraldeformationpatternofthebuildingstructureandallowsflexiblearrangementofenergydissipationdevicesinordertoincreasetheenergydissipationcapacityofthebuilding．Stiffnessdemandfortherockingwallwasstudiedthroughnonlineardynamicanalysisoflumpedmassmodelwithverticallycontinuouscomponents．Anapplicationoftherockingwallsystemtotheseismicretrofitofan11-storysteelreinforcedconcreteframewasintroduced．Theseismicperformancesofthestructurebeforeandaftertheretrofitwerecomparedthroughnonlineardynamicanalysis．Resultsshowthattherockingwallsystemcansignificantlyreducetheseismicresponsestodifferentearthquakegroundmotionsaswellastheirdispersions．Thismakesthedamagemechanismandtheseismicperformanceoftheretrofittedbuildingmorepredictable．

Keywords：rockingwall；damagemechanismcontrol；energydissipation；seismicretrofit

基金项目：国家科技支撑计划课题项目（2009BAJ28B01），住房与城乡建设部专题项目，国家自然科学基金重大研究计划重点项目

（90815025），城市重大超高层建筑工程地震灾害效应评价与减灾研究（51021140006）。

mail：qz@http://doc.guandang.net作者简介：曲哲（1983—），男，陕西西安人，博士研究生。E-mail：ylp@http://doc.guandang.net通讯作者：叶列平（1960—），男，浙江温州人，工学博士，教授。E-收稿日期：2010年11月

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摇摆墙在框架结构抗震加固中的应用

0概述

限定理确定结构承载力。以图1所示的假想没有任何位移边界约束的框架为例，在图1a所示组合剪力该框架可能出现的破坏机制可以简化为图作用下，

1b～1f的C1、C2、B1、B2和CB3等5种，图中实心圆圈代表结构构件中的塑性铰

。

基于经济与损失均衡的考虑，根据现行的建筑

结构抗震设防目标，建筑结构在强烈地震作用下产保证生一定程度的损伤是不可避免的。长期以来，结构具有足够的延性被认为是提高结构抗震性能的经济途径，但结构延性加大同时意味着结构损伤程只有当结构损伤按照预期的模度增大。另一方面，式发生和发展，即结构的损伤机制受到控制时，延性对提高结构的抗震性能才有意义。因此，有效控制结构的损伤部位和损伤程度，在结构抗震设计中是非常重要的理念和所追求的目标。然而受各种因素

传统抗震结构往往很难实现预期的损伤机的影响，

制，如汶川地震中大多数框架结构未能实现预期的

［1］

“强柱弱梁”破坏机制。近年来，有研究者提出“受控摇摆结构体系”的概念，通过控制结构的侧向变形模式来避免因地震输入不确定性和结构自身性能不确定性可能引起的损伤集中，实现预期的整体型损伤机制。摇摆结构体系通常由一个或多个刚度较大且可以绕其底部发生有限转动的整体型摇摆构件和安装在摇摆构件与主体结构或基础之间的消能减震装置组成。整体型摇摆构件控制结构的侧向变形模式，消能减震装置则可提高结构的耗能能力，减小结构的地震响应。这样做的另一个好处是使损伤集中于专门的耗能构

结构在经受强烈地震作用之后只需更换这些件中，

。Ajrab具有更高的“可修复性”耗能构件即可修复，

［2］［3］

等（2004），Midorikawa等（2007），Marriott等（2008）［4］和Deierlein等（2009）［5］都提出了具有这些特点的摇摆结构体系。

本文介绍的摇摆墙体系是将采用特殊构造的后张预应力混凝土墙体作为整体型摇摆构件，并在摇摆墙体与主体结构之间设置钢阻尼器。文中将阐述摇摆墙体系抵抗地震作用的基本原理及其对结构损伤机制的控制；通过考察摇摆墙刚度与结构层间变建立确定摇摆墙刚度的方形集中程度之间的关系，

法；详细介绍国际上首个应用设置阻尼器的后张预应力混凝土摇摆墙对实际框架结构进行抗震加固的实例，通过动力弹塑性分析对该结构加固前后的抗震性能进行比较，论证摇摆墙框架结构体系的优越性。

图1Fig．1

没有约束的框架在组合剪力作用下可能出现的破坏机制

Possiblefailuremechanismsforasidesway

moment-resistingframeundercombinedshearforces

C1、C2、B1和B2均为局部破坏机制，其中C1和C2为柱铰机制，B1和B2为梁铰机制。C1和B1是最不利的破坏机制，结构大部分构件的承载力和耗其耗能能力很低，塑性铰会发能能力没有得到发挥，生非常大的塑性变形，在结构设计中应尽量避免。C2和B2的破坏机制稍好一些，相比之下，结构的耗能多一些，但仍没有充分发挥结构各个构件的承载CB3为整体型破坏机制，力和耗能能力。与之相比，

结构中各个构件的承载力和耗能能力对结构的整体抗震能力都有所贡献，由于塑性变形比较分散，每个塑性铰的变形也不会太大。

对于建造在可靠地基上的实际框架结构，如图2a所示，在地震作用下不会出现B1或者B2的梁铰C2和CB3等3种破坏机机制。实际只可能发生C1、

C1和C2破坏机制对结构的抗震性制。如上文所述，

能较为不利，但历次震害表明，这两种破坏机制比

CB3破坏机制更容易发生。图2b所示的阪神地震中神户市政厅结构的层破坏机制就是C1破坏机制的

1摇摆墙框架结构体系的抗震原理

结构的破坏机制是结构极限状态设计须考虑的关键问题。根据塑性理论，只要能够准确把握并有效控制结构的破坏机制，就可以通过上限定理和下

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Fig．2

图2框架结构的柱铰机制震害实例

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