新型阻尼填充墻的構(gòu)造原理與減震性能探究論文
砌體填充墻鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段建筑工程中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)體系之一。在歷次地震中，此類結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，以至國際地震工程協(xié)會和地震工程研究中心將其視為“地震高風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體系”，呼吁各國工程界提高對該結(jié)構(gòu)體系抗震弱點(diǎn)的認(rèn)識和重視。2008年，我國發(fā)生的5。12汶川地震中，大量框架結(jié)構(gòu)的填充墻嚴(yán)重破壞，填充墻造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞甚至結(jié)構(gòu)倒塌的震害尤為突出，充分暴露了框架填充墻在抗震方面的弊病和問題，引起了國內(nèi)外學(xué)者和工程人員的廣泛關(guān)注和思考。如何解決框架填充墻的抗震問題成為目前建筑抗震領(lǐng)域中刻不容緩的焦點(diǎn)課題之一。
為改進(jìn)框架填充墻的抗震性能，作者總結(jié)分析了框架填充墻的震害特點(diǎn)和成因，將粘彈阻尼器的耗能思想移植到填充墻減震中，提出了一種新型的減震填充墻——阻尼填充墻。本文闡明該新型減震填充墻的構(gòu)造和原理；從阻尼填充墻的基本構(gòu)成單元、單層單跨的框架阻尼填充墻、框架阻尼填充墻整體結(jié)構(gòu)等多個(gè)層面對阻尼填充墻的減震性能進(jìn)行綜合分析，可為該新型減震填充墻的進(jìn)一步深入研究和應(yīng)用提供有益的參考。
1、阻尼填充墻的構(gòu)造和原理
阻尼填充墻由若干砌體單元和阻尼層構(gòu)成，阻尼層為阻尼橡膠或改性瀝青等阻尼材料，設(shè)于砌體單元間及砌體單元與框架梁間，形成類似于粘彈阻尼器一層鋼板一層粘彈性層的構(gòu)造；砌體單元的一側(cè)與框架柱間不留縫隙，用拉結(jié)筋固定連接（上下相鄰的砌體單元異側(cè)固定），而另一側(cè)與框架柱間留縫，用柔性連接。
阻尼填充墻的最大特點(diǎn)在于砌體單元與阻尼層相間設(shè)置的構(gòu)造，兩塊砌體單元之間夾1層阻尼層構(gòu)成一個(gè)簡易的板式阻尼器。地震作用下，框架柱帶動砌體單元來回水平移動，上下相鄰的砌體單元之間、頂層砌體單元與上框架梁之間以及底層砌體單元與下框架梁之間產(chǎn)生往復(fù)水平相對位移，阻尼層產(chǎn)生剪切滯回耗能，耗散輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，而且墻體不破壞。
2、阻尼填充墻阻尼層性能試驗(yàn)研究
阻尼層是阻尼填充墻的核心部件，其構(gòu)造的合理性決定了阻尼填充墻能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期機(jī)制和性能，同時(shí)直接影響阻尼填充墻的建造成本和施工復(fù)雜程度。如何構(gòu)造阻尼層是阻尼填充墻開發(fā)和研究的首要問題。
課題組首先提出了采用瀝青油膏、橡塑板材、油氈、EVA板材和SBS改性瀝青卷材的5種阻尼層構(gòu)造方案，并制作相應(yīng)的5組阻尼層試件（每組2個(gè)試件），對其進(jìn)行豎向靜力加載試驗(yàn)和剪切循環(huán)加載試驗(yàn)。各阻尼層在相同壓應(yīng)力下的豎向壓縮量對比可知，SBS改性瀝青卷材層（以下簡稱“SBS層”）的滯回曲線最為飽滿，豎向壓縮量最小，表明SBS層在滯回耗能和豎向承載方面均較其他4種阻尼層好，為較優(yōu)方案。為進(jìn)一步研究SBS層的性能，課題組設(shè)計(jì)制作了4組、共24個(gè)試件，對SBS層進(jìn)行了不同加載頻率下、不同豎向壓力下的水平循環(huán)加載試驗(yàn)，并進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，SBS層在不同加載頻率和豎向壓力下的滯回曲線飽滿對稱，耗能性能穩(wěn)定，耗能能力強(qiáng)；SBS層的初始抗剪剛度隨豎向壓應(yīng)力的增大有較大的升幅，耗能效果隨加載頻率增大有一定提高；SBS層經(jīng)多次循環(huán)加載作用后，其剛度、強(qiáng)度和耗能能力退化不明顯，表現(xiàn)出良好的耐疲勞性能。
此外，課題組提出將阻尼填充墻阻尼層設(shè)置成強(qiáng)度較低的砂漿層，形成摩擦阻尼層的方案。與前面的方案相比，該方案更經(jīng)濟(jì)，在構(gòu)造和施工上也更簡單，尤其適用于目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低、施工技術(shù)較為落后的廣大農(nóng)村地區(qū)，在原理上，其并不是利用材料的粘彈性能和塑性變形耗能，而是通過在墻體中形成滑移面，通過砌體單元間產(chǎn)生摩擦滑移耗能。針對該方案，課題組分別采用5種不同類型的砂漿，即普通低強(qiáng)度砂漿、瀝青砂漿、瀝青橡膠粉砂漿以及摻入聚合物纖維的苯丙聚丙烯砂漿、苯丙橡膠粉砂漿，制作了5組砂漿層試件（每組2個(gè)試件），對其進(jìn)行了剪切循環(huán)加載試驗(yàn)。不同位移循環(huán)下的耗能量對比所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青砂漿層具有較好的耗能性能和剪切變形能力，但穩(wěn)定性較差；聚合物纖維的摻入主要影響砂漿層的起滑力，對于提高砂漿層的滯回耗能性能，效果不明顯。
3、阻尼填充墻單元性能試驗(yàn)研究
阻尼填充墻單元（Damped Infill Wall Unit，DIWU）由2塊砌體單元中間夾1層阻尼層構(gòu)成，是阻尼填充墻的基本特征單元，如圖7所示。弄清DIWU的減震機(jī)理和性能是研究框架阻尼填充墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，同時(shí)也是建立阻尼填充墻宏觀力學(xué)模型以實(shí)施框架阻尼填充墻整體結(jié)構(gòu)分析之前提。為此，課題組設(shè)計(jì)制作了2批、共7榀填充墻單元試件，對其進(jìn)行了水平循環(huán)加載試驗(yàn)以研究DIWU的性能。
第1批試驗(yàn)，4榀試件，即3榀以SBS卷材為阻尼層的阻尼填充墻單元試件（SDIWU—1、SDIWU—2、SDIWU—3）和1榀普通填充墻單元對比試件（CIWU），其中，不同阻尼填充墻單元試件之阻尼層的卷材層數(shù)不同，按SDIWU—1、SDIWU—2、SDIWU—3的順序，分別為1層、2層和4層；各試件砌體均采用小型混凝土實(shí)心磚和水泥砂漿砌筑；施加的豎向壓力為10kN。在這批試驗(yàn)中，普通填充墻單元及以單層卷材為阻尼層的阻尼填充墻單元均在較小的加載位移下就開裂破壞；以2層卷材和以4層卷材為阻尼層的DIWU 較好地實(shí)現(xiàn)了“砌體單元整體平移，變形集中于阻尼層”的預(yù)期機(jī)制�？梢钥闯�，阻尼填充墻單元的滯回耗能性能較普通填充墻單元明顯改善；以2層卷材和以4層卷材作為阻尼層的阻尼填充墻單元的滯回曲線圓滑飽滿，均表現(xiàn)出優(yōu)越的滯回耗能性能。但兩者相比，以2層卷材制作阻尼層較以4層卷材制作阻尼層更經(jīng)濟(jì)，施工更簡便，為較優(yōu)的方案。
第2批試驗(yàn)，3榀試件，即以低強(qiáng)度砂漿為阻尼層的阻尼填充墻單元試件FDIWU—1、FDIWU—2和FDIWU—3。這3榀試件的區(qū)別在于砌體單元的砌塊類型不同，按FDIWU—1、FDIWU—2和FDIWU—3的順序，分別為小型混凝土實(shí)心砌塊、灰砂磚和加氣混凝土輕質(zhì)砌塊。小型混凝土實(shí)心砌塊、灰砂磚、加砌混凝土輕質(zhì)磚、砌筑砂漿和低強(qiáng)度砂漿的實(shí)測抗壓強(qiáng)度平均值分別為9。6、17。1、4。2、13。8和1。3MPa。通過這批試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以低強(qiáng)度砂漿為阻尼層的阻尼填充墻單元（以下簡稱“摩擦阻尼填充墻單元”）同樣可較好地實(shí)現(xiàn)砌體單元整體平移的機(jī)制，而且避免墻底產(chǎn)生貫穿裂縫破壞；采用不同類型砌塊砌筑的摩擦阻尼填充墻單元的水平承載力、抗側(cè)剛度及變形特性基本相同，但滯回性能有所差別，給出的試件荷載—位移（P—δ）滯回曲線所示�？梢钥闯觯Σ磷枘崽畛鋲卧嚰某休d力隨著加載循環(huán)的增加逐漸下降并趨于穩(wěn)定，主要是低強(qiáng)度砂漿層砌筑用砂為粗砂，其逐漸被輾磨成砂粉，摩阻系數(shù)降低并趨于穩(wěn)定所致；相同加載位移循環(huán)下，試件FDIWU—1滯回曲線包圍的面積較大，主要由于小型混凝土實(shí)心砌塊的表面較為粗糙，因此，構(gòu)筑摩擦阻尼填充墻單元時(shí)宜適當(dāng)增大其摩擦層上、下接觸面的粗糙度。
4、阻尼填充墻框架性能試驗(yàn)研究
阻尼填充墻單元作為阻尼填充墻的特征單元，其性能僅反映阻尼填充墻局部墻體的性能，不能完全表征阻尼填充墻整體的性能及阻尼填充墻對主體框架的作用，因此，課題組設(shè)計(jì)、制作了4榀單層單跨的阻尼填充墻框架試件、1榀普通填充墻框架對比試件和1榀空框架對比試件，對其進(jìn)行水平循環(huán)加載試驗(yàn)以進(jìn)一步研究阻尼填充墻的減震性能。
1）阻尼填充墻框架、普通填充墻框架和空框架的破壞形態(tài)對比可知，水平荷載作用下，普通填充墻嚴(yán)重開裂破壞，裂縫滿布整個(gè)墻面，用普通填充墻填充的框架由于墻體的強(qiáng)對角支撐作用，柱端產(chǎn)生剪切破壞。與此相比，阻尼填充墻是基本完好的，用其填充框架不改變框架結(jié)構(gòu)預(yù)期“塑性鉸破壞”的延性破壞模式，阻尼填充墻框架的破壞形態(tài)與空框架大致相同。
2）阻尼填充墻框架、普通填充墻框架和空框架的荷載—位移（P—δ）滯回曲線對比可知，普通填充墻框架的滯回曲線呈反S形，捏縮效應(yīng)明顯；阻尼填充墻框架的滯回曲線呈梭形，無明顯的捏縮現(xiàn)象，且遠(yuǎn)比空框架和普通填充墻框架的滯回曲線飽滿，表明阻尼填充墻通過砌體單元往復(fù)剪切阻尼層滯回耗能，具有良好的耗能效果，用其填充框架可明顯改善框架結(jié)構(gòu)的滯回耗能性能。
3）阻尼填充墻框架、普通填充墻框架和空框架的骨架曲線、剛度退化曲線及等效粘滯阻尼系數(shù)發(fā)展曲線對比可知，阻尼填充墻可為框架提供一定的抗側(cè)力和抗側(cè)剛度，但其剛度效應(yīng)和約束效應(yīng)較普通填充墻大為削弱，阻尼填充墻框架的水平承載力和抗側(cè)剛度介于普通填充墻框架和空框架之間，承載力衰減和剛度退化較普通填充墻框架明顯減緩，側(cè)向變形能力和延性較普通填充墻框架大幅提高，極限層間位移角達(dá)到1/40以上，超過1/50的規(guī)范限值，可以滿足罕遇地震作用下的彈塑性變形要求；此外，阻尼填充墻的耗能性能穩(wěn)定，明顯優(yōu)于普通填充墻；阻尼填充墻的耗能能力強(qiáng)，可為結(jié)構(gòu)提供較大的附加阻尼，阻尼填充墻框架的等效粘滯阻尼系數(shù)在0。1以上。
5、框架阻尼填充墻整體結(jié)構(gòu)減震性能研究
為在整體結(jié)構(gòu)分析中考慮阻尼填充墻與主體結(jié)構(gòu)的`相互作用，課題組對取得的試驗(yàn)及仿真分析結(jié)果進(jìn)行了歸納和提煉，對阻尼填充墻砌體單元與框架柱的相互作用過程、阻尼填充墻的抗側(cè)力及耗能機(jī)理、阻尼填充墻的傳力路徑、阻尼填充墻對框架梁的作用、墻體填縫措施的作用等進(jìn)行了詳細(xì)的分析，揭示了阻尼填充墻的工作機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，建立了阻尼填充墻的簡化力學(xué)模型——雙斜撐模型。
基于阻尼填充墻的雙斜撐模型，對不同設(shè)計(jì)參數(shù)的阻尼填充墻框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析和地震作用下的彈塑性時(shí)程分析，結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)中加入阻尼填充墻，結(jié)構(gòu)周期折減的幅度遠(yuǎn)比加入普通填充墻時(shí)小，阻尼填充墻框架結(jié)構(gòu)的周期介于普通填充墻框架結(jié)構(gòu)和空框架結(jié)構(gòu)之間，較普通填充墻框架結(jié)構(gòu)大為延長；阻尼填充墻可耗散輸入結(jié)構(gòu)的部分地震能量，減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性耗能，減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中的損傷，起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用。
結(jié)合工程案例，對比分析了底層架空的阻尼填充墻框架結(jié)構(gòu)、普通填充墻框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)果表明，阻尼填充墻的加入可提高結(jié)構(gòu)樓層剛度，減小樓層在地震作用下的層間位移，但其引起的樓層剛度升幅要遠(yuǎn)小于加入普通填充墻的情況，結(jié)構(gòu)相鄰樓層的剛度突變不明顯，阻尼填充墻對于解決填充墻沿豎向不連續(xù)布置造成的結(jié)構(gòu)薄弱層問題以及結(jié)構(gòu)縱、橫向填充墻布置數(shù)量或開洞率差異大造成的結(jié)構(gòu)兩個(gè)平面主軸動力特性不相近等抗震問題具有良好的效果。
6、結(jié)論
1）阻尼填充墻作為一種新型的減震填充墻，其理念先進(jìn)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，為框架填充墻結(jié)構(gòu)減震提供了新的方法和途徑。
2）阻尼填充墻通過框架柱帶動砌體單元往復(fù)剪切阻尼層滯回耗能，其耗能性能穩(wěn)定，耗能效果好，可有效提高結(jié)構(gòu)阻尼比，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耗能能力，阻尼填充墻框架結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼系數(shù)在0。1以上。
3）阻尼填充墻能為框架提供一定的抗側(cè)力和抗側(cè)剛度，但其對框架的剛度效應(yīng)和約束效應(yīng)較普通填充墻大為削弱，避免造成柱受剪破壞、結(jié)構(gòu)延性及側(cè)向變形能力變差等不利影響。
4）在結(jié)構(gòu)中加入阻尼填充墻，結(jié)構(gòu)周期折減的幅度遠(yuǎn)比加入普通填充墻時(shí)小，阻尼填充墻框架結(jié)構(gòu)的周期介于普通填充墻框架結(jié)構(gòu)和純框架結(jié)構(gòu)之間，較普通填充墻框架結(jié)構(gòu)大為延長。
5）阻尼填充墻可耗散輸入結(jié)構(gòu)的部分地震能量，減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性耗能，減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中的損傷，起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用，且墻體自身不破壞。
6）阻尼填充墻對于解決填充墻沿豎向不連續(xù)布置造成的結(jié)構(gòu)薄弱層問題以及結(jié)構(gòu)縱、橫向填充墻布置數(shù)量或開洞率差異大造成的結(jié)構(gòu)兩個(gè)平面主軸動力特性不相近等抗震問題具有良好的效果。
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