工学论文：密肋壁板结构低屈服点钢耗能减震研究

    摘要: 根据密肋壁板结构体系的基本特点，结合低屈服点钢材的耗能特性，提出一种低屈服点钢耗能减震密肋复合墙板，实现对密肋壁板结构的减震控制。建立密肋壁板结构耗能减震控制体系的非线性地震反应分析模型，钢筋混凝土构件的恢复力模型采用可考虑刚度退化、强度衰减及捏缩效应的退化三线性模型，填充砌块和低屈服点钢板的恢复力模型采用光滑滞回模型。通过算例对耗能减震控制体系进行了地震响应分析。计算结果表明，在结构中布置少量的低屈服点钢 RC 密肋复合墙板就能取得明显的减震效果，结构在小震作用下的减震率可达到 15%～30% ; 在中、大震作用下的减震率可达到 30% ～ 70% ，从而为密肋壁板结构体系提供一种简单有效的减震措施。
　　关键词: 密肋壁板结构; 密肋复合墙板; 低屈服点钢; 地震响应分析; 耗能减震
   1 计算模型计算分析原型为一栋15 层公寓楼，为密肋壁板结构，结构的竖向主要承重构件密肋壁板为轻质填充砌块密肋复合墙板，楼、屋面板为装配整体式，密肋壁板通过边框柱装配整体而成，边框柱增大外伸翼缘长度，以提高结构的抗弯刚度和抗弯承载力。应用作者提出的低屈服点钢 RC 密肋复合墙板( 见图 3) 置换部分轻质填充砌块密肋复合墙板，研究低屈服点钢 RC 复合墙板对密肋壁板结构的减震控制效果。以实例原型结构为基础，低屈服点钢 RC 复合墙板有以下 6 种布置方案: ①2 片墙板; ②4 片墙板; ③6 片墙板; ④8 片墙板; ⑤10 片墙板; ⑥12 片墙板。墙板的厚度为 300mm。内 嵌 低 屈 服 点 钢 板 的 材 性 选 取LYP100、LYP160 和 LYP225 三种屈服强度级别［8］，相应的计算屈服应力分别取为 σy= 80N / mm2、σy=140N / mm2和 σy= 205N / mm2; 屈服剪应力取为 τy=槡80 3N / mm2、τy槡= 140 3 和 τy槡= 205 3。钢板厚度取2mm、4mm 和 6mm 三种。
　　2 结构耗能减震分析采用美国纽约州立大学开发的有限元分析软件IDARC7． 0( A Program for the Inelastic Damage Analysisof Reinforced Concrete Structures )，建立密肋壁板结构耗能减震体系的计算模型，进行密肋壁板结构耗能减震体系的地震反应分析。钢筋混凝土构件的恢复力模型采用可考虑刚度退化、强度衰减及捏缩效应的退化三线性模型。密肋复合墙体中的轻质填充砌块和内嵌钢板采用的恢复力模型为光滑滞回模型。地震波选取 El-Centro( 1940) 波、Taft ( 1952) 波和 SanFernando( 1971) 波，输入的地震动加速度峰值为《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)中设防烈度 8度的多遇( 0． 07g) 、设防( 0． 2g) 和罕遇( 0． 4g) 地震加速度峰值，计算持时 t =25s，时间间隔 Δt =0． 002s。
　　对密肋壁板低屈服点钢减震控制结构进行了大量的计算分析，限于篇幅，仅给出部分计算结果，为原型无控结构和控制结构( 内嵌钢板为 LYP100，钢板厚度 4mm，4 片墙板) 在不同幅值和不同地震波作用下的最大水平位移反应、最大层间位移角反应沿楼层高度的分布; 图 7 为编号为 73( 位置见图 2( b) ) 的内嵌钢板( LYP100，厚度 4mm，4片墙板) 的滞回曲线。 为结构顶层的最大水平位移和结构的最大层间位移角在不同地震加速度幅值、不同屈服强度、不同钢板厚度和不同地震波作用下随低屈服点钢 RC 复合墙板布置数量的变化规律。为相应的减震率。其中，Δ0和 Δw分别是无控结构和控制结构顶点的最大水平位移; δ0和δw分别是无控结构和控制结构的最大层间位移角。
　　对结构横向非线性地震反应的计算结果分析可以得到以下主要结论:
　　( 1) 结构在不同加速度幅值不同地震波作用下的最大水平位移、最大层间位移角沿楼层高度的分布可以看出，采用低屈服点钢 RC 密肋复合墙板的控制结构在设防烈度 8 度的多遇、设防和罕遇地震动幅值和三种地震波作用下，最大水平位移和最大层间位移角均有不同程度的减小，特别是在中、大震作用下低屈服点钢 RC 密肋复合墙板有明显的减震效果。
　　( 2) 给出了控制结构在 El-Centro 波、Taft 波和 San Fernando 波( 0． 4g) 作用下，低屈服点钢 RC 密肋复合墙内编号为 73 号的内嵌钢板的滞回曲线。从图 7 中可以看出，钢板的滞回曲线形状均较为饱满、光滑，说明低屈服点钢板在结构中能充分发挥其高耗能性能，从而可利用钢板耗散地震能量，减小结构的地震响应，减轻结构的地震破坏，以提高结构的抗震性能。结构的最大水平位移，在不同地震加速度幅值、不同屈服强度、不同钢板厚度和不同地震波作用下，结构顶层的最大水平位移和结构的最大层间位移角随低屈服点钢 RC 复合墙板数量的增加而减小。从图  中可以看出，有无低屈服点钢 RC 密肋复合墙板的变化最为明显。设置两片低屈服点钢 RC 密肋复合墙板时，与全轻质填充砌块密肋复合墙密肋壁板结构相比，在中、大震作用下，结构顶层的最大水平位移的减震率就已达到 40% 左右，之后稳定在 70% 左右;而对最大层间位移角来说，设置两片减震墙板时，在中、大震作用下，其减震率就已达到 30% 左右，之后稳定在 50%左右。在小震作用下，结构顶层的最大水平位移的减震率在 30%左右; 最大层间位移角的减震率也能达到 15%左右。设置 6 片墙板之后，减震率曲线变化平缓，继续增加低屈服点钢RC 密肋复合墙板，并不能起到更好的减震效果。实际上，在地震作用下结构反应的强弱与建筑物自振周期的长短密切相关。不适当地过多设置低屈服点钢RC 密肋复合墙板，会增加结构的整体刚度，反而会加大建筑物所受到的总水平地震作用，对减小最大层间位移角或结构顶点的最大水平位移值并无多大的提高，且不经济。所以低屈服点钢 RC 密肋复合墙板的数量存在一个合理选择的问题。一般地，应以所设置的减震墙板恰好使整个结构体系满足变形限值要求，此时的减震墙板配置量是合理的或是减震墙板的最佳数量。
　　3 结论根据密肋壁板结构体系的基本构造特点，结合极低屈服点钢材的特性，提出了一种低屈服点钢 RC 密肋复合墙板。通过计算分析表明，在密肋壁板结构中设置少量的低屈服点钢 RC 密肋复合墙板就具有明显的减震效果。在小震作用下，结构的减震率在 15% ～30% ; 在中、大震作用下，结构的减震率在 30% ～ 70% 。
　　这种由轻质填充砌块密肋复合墙体和低屈服点钢 RC密肋复合减震墙体组成的减震控制结构体系，由于其大部分构件仍为轻质填充砌块密肋复合墙体，因此保持了密肋壁板结构的轻质、节能等诸多长处，同时由于适当地设置了一定数量的低屈服点钢 RC 密肋复合墙板，利用低屈服点钢板耗散地震能量，使得主体结构的地震反应减轻，结构的整体抗震能力提高。
　　参 考 文 献［1］ Manoru O，Haruo M，Tanemi A，et al． Development ofnew steel plates for building［J］． Structural Use SteelResearch，1989，334: 17-28［2］ Tanaka K，Sasaki Y． Hysteretic performance of shear paneldampers of ultra low yield strength steel for seismicresponse control of building ［C］/ / Proceedings of the12WCEE． New Zealand，2000