带可更换连梁剪力墙结构抗震性能探讨

带可更换连梁剪力墙结构抗震性能探讨

陈嘉明

浙江新苑建筑设计有限公司     浙江  衢州     324000

摘 要：可替换连梁是一种新型的抗震设计方法，目前国内外已有不少学者开始关注可替换连梁的研究，而关于可替换连梁的抗震性能和地震反应研究还很少。在此基础上，利用弹塑性有限元程序PERFORM-3D，构建14层双肢剪力墙的弹塑性有限元计算模型，比较其在地震反应和耗能方面的差异。

关键词：可更换连梁；剪力墙；弹塑性分析；动力响应

高层建筑是一个城市发展水平和经济发展水平的一个显著指标，在高层和超高层建筑中，通常采用剪力墙来承担其承载和抗压的作用，并根据其不同的用途，在其墙体上开有孔洞，从而构成了一种由墙体和连墙联筑组合而成的连体剪力墙。在强震下，连梁是抗震性能最重要的节点，也是最容易出现损伤的一道屏障。众多的灾害事件让我们意识到，在大震时保障居民的生命安全是非常必要的，而大城市这样的人口密度高、经济活跃的区域，除了要重视经济活动的干扰，还要重视因经济发展而引起的间接经济损失，同时也要将其作为一种可持续发展的可持续发展模式纳入建筑的抗震体系之中。

现有的 RC连梁结构损坏后维修和替换难度大，且结构在地震后的功能性可恢复性差。目前，对可替换连梁的研究逐渐增多，但主要关注于可替换连梁联肢的研究，以及对无消能段连梁与联肢节点的研究，而对于可替换连梁的地震反应和地震反应谱研究还很少见。鉴于联肢剪力墙是目前较为常见的一种剪力墙，本项目拟利用国际上公认的大型非线性有限元程序PERFORM-3D，构建14层短肢剪力墙的弹塑性有限元计算模型，并对其进行再优化，并将其应用于连续地震反应和耗能能力的评估。

1.算例概况

1.1整体结构

采用SAP2000有限元程序，对14层X方向双肢墙进行了有限元分析。各墙段的长度分别为3200mm、壁厚500mm、开孔2000mm、连梁段（BXH）500mm、800mm。为了更精确地反映墙体的受力状况，分别在墙体上分别设置200 kN/m、150 kN/m活荷载，首层墙轴压比限值为0.01，符合设计规范。采用SAP2000标准对 DL+0.5 LL进行了质量来源的确定，并利用SAP2000平台对其进行了转换。然后利用Perform-3D软件对其塑性和塑性特性进行了重新定义。在图1中显示了一个构造模型。抗震设防烈度在8度（0.2g）、场地特征频率0.55秒（罕遇强震0.6秒）的情况下，以瑞雷阻尼（Rayleigh）作为阻尼，罕遇强震时的阻尼率取0.05;（2）对腹板侧（Y向）施加位移约束，以精确模拟其受力状况和失效模式。

1.2非线性参数设置

将混凝土、型钢和钢筋等构件替换为一组与之相适应的材料，并将其作为一个有限元来处理。采用钢筋与钢筋的本构模型来描述墙体构件的受力性能。按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的附件 C计算，按美国ASCE41-13 （美国ASCE41-13）给出的应力—位移框架曲线，采用 Mander理论计算无约束部分的混凝土与钢筋。在图1中可以看到。点B表示屈服强度，C点表示承载力，D点表示剩余承载力，E点表示极限承载力。考虑到低周往复加载时，连梁的受力特性受跨高比、剪压比、配筋方式和配箍率等诸多因素的综合影响，使得其在实际中难以建立起完整的多个力学模型。为便于计算，文中使用了 Naish等人所建立的弯矩－转角框架曲线和恢复力计算公式。在保证剩余承载力的前提下，对其在小震下所能实现的最大位移进行了研究。根据ASCE41-13中 EBF连接梁的结构曲线，利用塑性形变的剪切角来描述连梁在不同荷载作用下的剪切屈服能量。可替换连梁的模拟单元如图 2所示。

图1 典型力-位移曲线                     图2可更换连梁模拟单元

2.多遇地震时程分析

2.1地震波时程曲线

依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），以三个典型的多遇地震动时程为例，对其进行了多遇地震动时程分析。两种方法都将地震波的输入方向设为 X向。最大的峰值加速度（PGA）是70加仑，并且计算时间是25秒。本项目拟在已有研究的基础上，通过三套不同的地震时程分析，将两套地震动记录分为两部分，一部分是实际地震动记录，一套是符合结构要求的地震动记录，一套是符合结构要求的地震动时程，每一组地震波脉宽25秒，间隔0.02秒。如图3所示。

图 4地震波时程图

2.2计算结果

多遇大震时，按规范对原有连梁进行了刚度折减，其折减系数取0.6；由于可替换连梁由于损伤集中于跨中连梁，未考虑其刚度降低，梁跨中虽实现了屈服，但仍处于较低的塑性状态，抗震耗能仅占抗震总耗能的0.5%以下，且连梁混凝土截面仍处于弹性状态。

3.罕遇地震时程分析

3.1地震波时程曲线

罕遇地震分析选择了3条大震的地震时程数据，并对其进行了特征周期 T=0.6。文中给出了2个自然波、1个人造波的时间历程及对应的谱特征，选取的地震波形均满足GB500011国家标准《建筑抗震设计规范》的规定。在图

4中可以看到。

图4地震波时程图

3.2计算结果

（1）构件损伤耗能情况

在（PGA=400gal）罕遇地震下结构能耗的变化规律，各构件在大震下所占的比重。由于连梁的失效主要集中在跨中连梁部位，且与不设跨中锚固区相比，无耗能梁段的损伤程度显著降低，且仍处于弹性状态，因此有理由认为，在大震作用下，大部分连梁仅需替换跨中连梁就能达到正常使用的要求，极大地节约了维修周期和经济费用。

（2）典型构件滞回曲线

得到了墙肢L3层跨内无耗能连梁和无耗能连梁的受弯铰滞回特性。结果表明：可替换连梁处的塑性变形主要出现在跨中连梁熔丝阻尼器处，而未消能部分仍处于弹性工作。

4.结论

（1）传统的等效连梁结构刚度降低，但在小震过程中不需降低连梁的刚度，因此墙体的总体水平（层间变位角度）可以满足规范的规定。

（2）与大震作用下的弹塑性计算结果进行比较，发现采用可替换连梁后，其底部剪切力及顶端位移均有所减小，但无显著差异，且破坏多发生在含可替换连梁的部分，而无耗能部分则为弹性工作，满足了设计的功能需求。

（3）研究结果显示，采用适当的构造措施，可替换连梁是可行的，并且对其动力性能和动态反应没有显著的影响，因此，在地震发生后，大部分连梁仅需替换部分墙肢就能达到正常的抗震要求，极大地节约了维修周期和费用。

结束语：

综上所述，本项目拟利用有限元程序Perform-3D，构建14层双腿剪刀剪构件的弹塑性有限元计算模型，提出可替换连梁自复位连接件的抗震性能计算方法，实现连梁非消能段承载力的合理扩展；通过比较两种连接方式在地震作用下的地震反应和耗能特性，揭示可替换连梁的抗震性能。

参考文献

[1]陈云,吕西林,蒋欢军.带可更换连梁的超高层结构抗震性能研究[J].振动与冲击, 2021(09):223-226.

[2]吕西林,陈云,蒋欢军.带可更换连梁的双肢剪力墙抗震性能试验研究[J].同济大学学报：自然科学版, 2022(02):243-245.

[3]孙亚.带可更换钢连梁的混合联肢剪力墙抗震性能研究[D].清华大学,2020(03):331-334.