外置金属阻尼器的新型自复位约束砌体墙抗震性能研究

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1、外置金属阻尼器的新型自复位约束砌体墙抗震性能研究摘要：研制了一种同时布置体内无黏结预应力筋和外置金属阻尼器的新型自复位约束砌体墙，通过拟静力试验研究了该自复位墙在低周反复荷载作用下的滞回性能，重点探明了预应力筋初始预应力、金属阻尼器屈服荷载大小对其耗能性能的影响，最后基于试验结果建立了数值分析模型。研究表明：该自复位约束砌体墙滞回曲线呈“旗形”，在较大位移下未出现明显的损伤，且在加载及卸载过程中没有明显的强度和刚度退化；随着预应力筋初始预应力的增加，墙体的自复位性能增强，但其耗能能力会降低；随着金

2、属阻尼器屈服荷载的增大，墙体的耗能能力增强，但会产生少量的残余变形；数值模拟结果与试验结果吻合较好，表明本文所提出的分析模型能较好地模拟该自复位约束砌体墙的力学行为。中国4/vie　　关键词：新型自复位约束砌体墙；外置金属阻尼器；拟静力试验；抗震性能；数值分析　　中图分类号：TU352文献标识码：A　　自复位结构是一种新型的抗震结构形式，近年来得到了研究者和工程技术人员的高度重视。和传统的抗震结构相比，自复位结构最为突出的特点在于卸载后变形能完全或基本恢复。在强震作用下，自复位结构基本不产生残余变

3、形，震后不需或经少量的维修即可恢复正常使用，从而大大地降低了震后修复成本。自复位结构体系可分为3种类型：自复位框架结构、自复位墙结构和自复位支撑框架结构，其中自复位墙主要由3部分组成：墙体、后张拉无黏结预应力筋和阻尼器。与普通的抗震墙不同，自复位墙在墙底（或沿墙高）设置水平缝，在水平荷载作用下，墙体能绕墙底两端产生微小的转动，即所谓的摇摆响应。　　对于自复位墙结构，国内外少数学者开展了相关的理论分析、试验研究和数值模拟工作。在理论分析方面，Armouti首先建立了自复位混凝土墙的理论分析模型，其中

4、混凝土墙简化成一个刚体，预应力筋采用弹簧来模拟，墙底与基础的接触采用位于两端的只受压连接模拟。在试验研究方面，Perez等设计了5个6层自复位混凝土墙进行拟静力试验，结果表明自复位混凝土墙能承受很大的非线性侧向变形而不发生显著的破坏，并且能保持自复位性能，不产生残余变形。Toranzo等对未布置预应力筋的自复位约束砌体墙，提出了直接基于位移的抗震设计方法，并对一缩比为40%的3层自复位约束砌体墙模型进行了振动台试验，试验模型考虑了楼板和边柱的作用。试验结果表明自复位约束砌体墙能极大地减小结构的损伤

5、，提高传统砌体结构的抗震性能。在数值模拟方面，Kurama针对自复位混凝土墙，建立了基于DRAIN-2DX纤维模型梁柱单元的分析模型，并进行了非线性地震反应分析。Toranzo针对未布置预应力筋的自复位约束砌体墙，提出了用于有限元分析的数值分析模型，其中墙体采用桁架模拟，墙底设置一组只受压的弹簧来模拟墙和基础间的接触，阻尼器通过弹簧模拟。　　从以上可看出，目前的研究主要针对自复位混凝土墙，对于自复位约束砌体墙的研究很少，且已有的研究中并未布置预应力筋，而预应力筋对于提高墙体的自复位能力具有重要意义

6、。基于此，本文提出一种同时布置体内无黏结预应力筋和外置金属阻尼器的新型自复位约束砌体墙，首先通过拟静力试验研究该新型自复位墙在低周反复荷载作用下的滞回性能，然后基于试验结果，提出适用于该新型自复位约束砌体墙的数值分析模型。　　1外置金属阻尼器的新型自复位约束砌体墙研制　　1.1墙体构造　　如图1所示，墙体采用砌体砌筑而成，周边设置混凝土构造柱和圈梁以提供约束，构造柱下部预埋双头螺栓以连接金属阻尼器。为防止墙体发生平面外倾覆，约束砌体墙置于凹槽型基础梁中。基础梁肩部预埋螺栓，通过连接件（图1（c））

7、连接金属阻尼器。墙底及基础梁间设置水平缝，在水平荷载作用下，约束砌体墙可绕墙底两端产生微小的转动。预应力筋穿过竖向贯穿约束砌体墙及基础梁的预留管道，上下两端通过锚具锚固。　　1.2金属阻尼器设计　　约束砌体墙底部两端对称布置4个金属阻尼器，如图1（d）所示，其前端通过预埋螺栓与构造柱连接，后端通过螺栓与连接件相连。金属阻尼器采用Q235钢材加工制作。随着墙体的转动，该阻尼器绕后端发生转动，当受弯屈服后会产生较大的塑性变形，从而达到耗能减震的目的。为避免塑性变形集中，将金属阻尼器的耗能部位限制在一定

8、长度的区域内，如图1（d）中阴影区域所示。此外，在容易发生应力集中的部位使用圆弧过渡。　　金属阻尼器可简化为一变截面悬臂梁进行受力分析，如图1（d）所示，其中F表示阻尼器前端所受的荷载。设任一截面高度为h，此截面到作用点的距离为z，当全截面屈服时，设相应的屈服荷载为Fy，则有：　　（1）式中：fy为钢材屈服强度；UIO蒸压灰砂砖砌筑，施工时预留管道周围的砌体需要进行切角处理。除支墩采用素混凝土外，其他混凝土构件均按照构造要求进行配筋，混凝土强度等级均为C20，纵筋采用HRB335。