0 引言

　　装配式剪力墙建筑结构是一种适应建筑工业化发展趋势的住宅结构形式。然而，通过历次地震的调查研究表明，装配式混凝土结构的节点、接缝等后浇或后装配位置是地震侵害最严重的地方，也是装配式混凝土结构的薄弱环节，这使得装配式建筑不能很好地应用于抗震设防烈度较高的地区。设计应用中对装配式剪力墙结构采取从严要求的态度，与现浇结构相比适当降低其最大适用高度，根据设计标准，装配式剪力墙结构的最大适用高度比现浇混凝土结构低10～20m。

　　对装配式混凝土结构抗震性能的研究，多集中在通过改变连接方式、提高节点性能和保护接缝等相关措施上，致力于使其抗震性能等同于现浇结构。而近年来研究广泛的消能减震技术在普通剪力墙结构中的表现表明，采用消能减震技术可有效减轻主要受力构件的损伤，改善剪力墙结构抗震性能。其中，利用易损坏的连梁作为耗能构件，并使其在震后能修复或更换，能有效提高剪力墙结构的抗震性能及维护效率，十分具有工程实用价值。因此，借鉴普通剪力墙的消能减震方法，对装配式剪力墙结构也进行了相应研究，将双X形软钢阻尼器、带缝钢板阻尼器等应用到提高装配式剪力墙结构体系抗震性能研究中。本文拟在已有软钢类连梁阻尼器基础上，进行装置性能和优化设计的改进探索，考察此可更换连梁阻尼器对装配式剪力墙结构整体抗震性能影响及应用的可行性。

　　1 可更换软钢连梁阻尼器的选型及优化分析

　　软钢类阻尼器具有良好的初始刚度及耗能性能，安装后不会使原结构跟减震结构的动力特性相差太大。在结构连梁中合理布置软钢阻尼器，既能保证安装该阻尼器的结构原有的刚度，又能在发生强震时通过软钢阻尼器的耗能能力，对剪力墙结构起到消能减震的作用。而且软钢类阻尼器可实现标准化制作、现场规范快速地安装及更换，可满足工业化生产要求，因此是非常适合提高装配式剪力墙结构抗震性能的一种减震装置。

　　1.1 可更换连梁阻尼器选型

　　在受到水平地震作用时，剪力墙结构的连梁变形由拉压变形、弯曲变形和剪切变形3种变形组合而成，以剪切变形为主。在剪切型软钢阻尼器中槽型钢板阻尼器、双X形软钢阻尼器、菱形开洞软钢阻尼器(见图1)已在普通剪力墙结构中得到应用。本文首先利用有限元软件ANSYS Workbench对这3种软钢阻尼器性能进行数值仿真分析，结果如图2,3所示。

　　

　　图1 3种软钢阻尼器示意 

　　 

　　

　　图2 3种软钢阻尼器轴向拉压应力 

　　 

　　分析可知，菱形开洞软钢阻尼器的剪切刚度最大，在耗能区用钢量相同的情况下，该阻尼器能提供最大剪力，但由于开洞较集中，在受到剪力时，易发生应力集中，使得该阻尼器屈服时的位移较小;双X形软钢阻尼器和槽型钢板阻尼器的剪切刚度都较小，虽屈服位移较大，但不能提供较大剪力。

　　在考虑经济性减少用钢量的情况下，为了尽可能使阻尼器得到较大的剪切刚度，并解决菱形开洞过大软钢阻尼器易发生屈曲变形这一弊端，在此分析基础上，可改进提出一种多菱形孔的钢板阻尼器，构造如图4所示。在保证相同用钢量的前提下，在钢板中开若干个菱形孔，并呈对称分布，使得开孔分布较合理，且对菱形孔四角设计为弧度，避免应力集中(见图5)。

　　

　　图3 3种软钢阻尼器剪切滞回曲线 

　　 

　　

　　图4 改进的多菱形孔钢板阻尼器构造 

　　 

　　

　　图5 改进的多菱形孔钢板阻尼器轴向拉压应力 

　　 

　　如图6所示，对比4种阻尼器，在相同用钢量条件下，新型多菱形孔钢板阻尼器的剪力值、滞回面积均最大，其性能最优。另外，新型多菱形孔钢板阻尼器能避免单一菱形开洞软钢阻尼器由于开洞较大原因可能导致的屈曲变形，地震作用下在承担墙肢传力给连梁时，不易使应力过于集中而导致连梁连接失效，影响结构整体稳定性。

　　1.2 改进的可更换连梁阻尼器参数分析及优化

　　基于ANSYS Workbench的Design Explorer，对改进的多菱形孔钢板阻尼器进行参数相关性分析，如图7,8所示。

　　根据参数化分析结果，在ANSYS Workbench中Design Explorer模块即可进行阻尼器多目标优化，得出最佳设计参数。为保证改进的剪切型阻尼器具有小震不屈服的能力，阻尼器应尽可能承受一定剪力;阻尼器还需具有稳定的耗能并尽量避免应力集中现象，因此设定其应力目标参数为最小、承受剪力目标参数为最大，并设置其重要性为高。

　　

　　图6 4种阻尼器的滞回环对比 

　　 

　　

　　图7 参数相关性分析并行图 

　　 

　　根据给定的目标参数，经过1 000个优化设计样本设计点的筛选，最终得到3个最优的设计点，如图9、表1所示。图9显示1 000个优化设计样本设计点的并行图，3条黑色折线表示筛选出来的3个最优设计点的并行图。

　　

　　图9 优化设计样本设计点并行图 

　　 

　　2 带可更换连梁阻尼器的装配式剪力墙结构抗震性能分析

　　在优化得到新型多菱形孔钢板阻尼器设计参数基础上，将其应用于18层的实际装配式剪力墙工程中，进行弹塑性抗震性能分析研究，以考察改进的多菱形孔钢板阻尼器应用的可行性与适用性(见图10,11)。

　　

　　图8 阻尼器最大应力与输入参数的相应曲面 

　　 

　　  

　　表1 最优设计点  

　　 

　　 

　　

　　图1 0 建筑物三维模型 

　　 

　　

　　图1 1 阻尼器实际安装三维图 

　　 

　　阻尼器平面布置位置如图12所示，整栋楼布置阻尼器的位置如图13所示，其中浅灰色部分为布置阻尼器的连梁位置。由于该装配式剪力墙结构楼层的层间位移角相差不大，所以整栋楼采用满布的布置方式。阻尼器采用塑性连接单元(Plastic-Wen)模拟连接，自行定义连梁阻尼器的轴向拉压刚度与剪切方向的剪切刚度。

　　

　　图1 2 阻尼器平面布置 

　　 

　　2.1 多遇地震下的结构弹塑性时程分析

　　在小震作用下，连梁安装了新型多菱形孔钢板阻尼器，减震结构初始刚度基本保持不变，且与原结构具有基本一致的动力特性;多遇地震作用下，两种结构的层间位移角基本一致。可更换连梁阻尼器在x,y 2个方向均未发生屈服，在多遇地震下为结构提供连接刚度，起到连接连梁的作用(见图14,15)。

　　

　　图1 3 整体阻尼器布置ETABS模型 

　　 

　　

　　图1 4 人工波作用下层间位移角对比 

　　 

　　

　　图1 5 多遇地震下阻尼器力-位移曲线 

　　 

　　2.2 罕遇地震下结构弹塑性时程分析

　　罕遇地震下的弹塑性分析中，梁指定M3铰(装有阻尼器的连梁也相应指定)，墙指定自动纤维P-M3铰。经ETABS软件计算分析，得到“20时19分＿人工波”时程作用下减震结构塑性铰发展的具体情况，如图16所示。塑性铰最先在结构底层的梁单元中出现;随着地震动的不断持续，梁铰的发展不断往上部结构延伸，在结构中的大部分梁铰进入塑性变形后，结构的底层开始慢慢出现墙铰，可看出该模型的出铰顺序满足正常的抗震设计要求。在20s时，安装了阻尼器的连梁均未出现塑性铰，因此在装有阻尼器的连梁可不指定塑性铰。

　　计算结果显示，在“20时19分＿人工波”作用下，以底层的层间位移角作为比较对象，x方向的减震效果为30.97%,y方向的减震效果为46.87%;以基底剪力作为比较对象，x方向的减震效果为26.67%,y方向的减震效果为25.24%(见图17)。

　　

　　图1 6 减震结构y方向塑性铰发展 

　　 

　　

　　图1 7“20时19分＿人工波”时程作用下结果对比 

　　 

　　在“Borrego Mtn＿NO＿40”天然波作用下，以底层的层间位移角作为比较对象，x方向的减震效果为17.85%,y方向的减震效果为17.04%;以基底剪力作为比较对象，x方向的减震效果为30.63%,y方向的减震效果为29.14%。

　　在“Coyote Lake＿NO＿151”天然波作用下，以底层的层间位移角作为比较对象，x方向的减震效果为45.23%,y方向的减震效果为44.12%;以基底剪力作为比较对象，x方向的减震效果为27.54%,y方向的减震效果为22.14%。

　　通过3种地震波作用下结构层间位移角与层间剪力的对比可看出，在大震作用下，连梁安装了新型多菱形孔钢板阻尼器，能取得良好的减震效果，层间位移角均在限值以内，层间剪力相比于原结构也减小较多，使结构有了更多安全裕度(见图18)。

　　可以得知，罕遇地震下所有可更换连梁阻尼器都进入塑性耗能阶段，阻尼器在罕遇地震作用下滞回曲线十分饱满，能通过剪切塑性变形耗散地震能量提高结构抗震性能。

　　

　　图1 8 罕遇地震下阻尼器力-位移关系曲线 

　　 

　　(“Coyote Lake＿NO＿151”天然波)

　　为了更直观地观察到安装可更换连梁阻尼能减少对结构的损坏，对比两种结构在相同时间下的出铰情况:原结构的出铰时间先于减震结构，在1.8s时原结构开始出现塑性铰，而减震结构第1次出现塑性铰的时间为2.0s;在最终20s时，原结构的整体出铰总数量也远多于减震结构的整体出铰总数量。这说明安装可更换连梁起到第1道防线作用，能抑制主体结构塑性变形的发展，并控制最终主体结构构件损伤数量，起到保护主体结构、减少维护工作量、快速修复的作用。

　　对安装4种不同形式的可更换连梁阻尼器结构进行罕遇地震时程分析，地震时程选用“Coyote Lake＿NO＿151”，结果如图19所示。

　　对比x,y方向的层间位移角和层间剪力，可明显看出，安装了新型多菱形孔钢板阻尼器的结构在地震作用下的动力响应减小更明显，说明在相同用钢量情况下，使用新型多菱形孔钢板阻尼器的可更换连梁能吸收更多的地震能量。

　　3 结语

　　1)基于3种已有软钢阻尼器，提出一种改进的新型多菱形孔钢板阻尼器，能更有效地降低装配式剪力墙结构的地震响应，减少装配式剪力墙结构的构件损伤数量，采用该形式的连梁阻尼器具有更优的安全性和经济性。

　　2)通过截断连梁的方式安装改进的多菱形孔钢板阻尼器，不会降低原结构的初始刚度，能使原结构和减震结构保持一致的动力特性。因此，能将此阻尼器作为可更换连梁阻尼器，应用于装配式剪力墙结构体系中进行消能减震设计。

　　3)ANSYS Workbench软件中的Design Explore可方便有效地应用于钢板阻尼器的设计参数分析和优化设计，结合可更换式软钢连梁阻尼器，可为装配式结构减震设计的产业化应用提供有力支持。

　　

　　图1 9 安装4种不同可更换连梁阻尼器的结构罕遇地震时程分析结果对比