建筑结构丨广州大学周云教授：砌体支墩消能减震原理与效果分析

Original 周云，等建筑结构

2024-09-08

砌体支墩消能减震原理与效果分析

文/周云，李剑，陈清祥

摘要

Abstract_

为解决传统支墩式消能减震技术应用时存在的问题，本文基于消能减震填充墙的耗能机理提出了一种新型的消能减震技术——砌体支墩式消能减震技术。该技术具有施工简便、造价较低等优点。介绍了砌体支墩式消能减震技术的构造特点与工作原理。对比分析了多遇地震和罕遇地震下采用基于板式粘弹性阻尼器的某砌体支墩式消能减震结构与无控结构的抗震性能。结果表明，采用基于板式粘弹性阻尼器的砌体支墩式消能减震技术可有效耗散地震能量，对结构的刚度、自振周期影响较小，无需对消能子结构进行加强，具有良好的应用价值和应用前景。

关键词：砌体支墩；消能减震技术；板式粘弹性阻尼器；减震性能

0 引言

地震是一种突发性强、破坏性大的自然灾害，历次大地震造成很大的人员伤亡和经济损失，引起世界各国地震工程对传统抗震设计思想和方法进行深刻反思^[1]。为避免强震下建筑结构的疲劳、损伤破坏，采用耗能减震技术提高结构的抗震能力成为一条有效的途径^[2]。

近年来，我国越发重视建筑结构的减隔震设计工作。依据2021年9月1日实行的《建筑工程抗震管理条例》^[3]，高烈度区、地震重点监视防御区的学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑被要求必须使用减隔震技术进行结构设计。

此外，我国农村、乡镇的建筑结构的抗震性能普遍较差，在历次强烈地震中，农村、乡镇地区的房屋都遭受了严重的破坏甚至倒塌，造成了大量的人员伤亡和经济损失，因此农村、乡镇建筑采用减隔震技术有着很重要的现实意义。

上述的学校、幼儿园、医院，农村、乡镇的建筑结构结构等都具有较多数量的填充墙。填充墙承担着空间结构之间的隔热、隔音等重要功能，墙体材料尽管作为“非结构”构件，但仍参与承担了地震作用，而且往往是在地震作用下，主体框架结构还没有破坏，填充墙已遭受严重破坏。同时由于填充墙的存在，易使结构在地震作用下产生如刚度效应、约束效应等不利影响^[4]-[5]。

综上，我国目前学校、幼儿园、医院养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视，农村及乡镇建筑结构等新建建筑结构、已建成建筑结构的加固对减隔震技术都有着大量需求。如何使减震技术更为简便、简易，如何减轻甚至避免填充墙的不利影响显得尤为重要。

1 消能减震填充墙

周云等^[6]将耗能减震技术的原理移植于填充墙中，提出了一种具有自主知识产权的新型消能减震填充墙，其具体构造如图1所示。该消能减震填充墙采用砌体（或墙板）单元夹粘弹性材料的形式进行耗能。

▲ 图1 消能减震填充墙基本构造

周云等^[7]-[10]从消能减震层、消能减震填充墙单元、消能减震填充墙框架、消能减震填充墙框架结构四个层面对新型消能减震填充墙平面内与平面外性能进行了系列的试验研究与模拟分析，验证了新型消能减震填充墙的可行性与有效性。其优点为：

（1）降低填充墙地震响应，减缓甚至避免填充墙破坏；

（2）施工工序与普通砌体（或墙板）填充墙差别较小，施工难度较小；

（3）填充墙本身提供阻尼，无需额外加装阻尼器；

（4）以砌体（或墙板）作为“约束钢板”，可采用低阻尼、高布置数量的方式应用；

（5）由于消能减震填充墙的构造特点，可以减轻甚至避免填充墙所引起的刚度效应、约束效应等不利影响；

（6）具有可抵抗罕遇地震作用的平面外承载能力和良好的变形能力。

2 砌体支墩式消能减震技术的构造与原理

传统的消能减震技术大部分需要采用钢筋混凝土作为消能器的支墩从而实现消能器与子结构的连接，如图2所示。

▲ 图2 传统支墩式消能减震技术构造

而支墩与子结构之间的连接通常是在梁上预埋钢筋，使得支墩与梁实现强连接。传统的消能减震技术由于其构造特点，因此其在应用上具有以下的局限性：

（1）依据《建筑消能减震技术规程 JGJ297-2013》^[11]的要求，采用钢筋混凝土支墩的消能减震技术一般需要子结构梁柱进行加强，导致截面加大从而增大了结构刚度，结构刚度的增加有可能导致放大地震作用下结构的地震响应；

（2）阻尼器与支墩之间需要设置埋件，进一步增大了施工的难度以及精度要求；

（3）墙支墩需绑钢筋、封模板、灌浆等工序，且阻尼器必须保证在两个支墩之间，施工过程较复杂；

（4）传统消能减震技术在钢筋混凝土框架结构及钢结构中性能较为良好，但是由于其构造特点难以运用于砖混结构及木结构中；

（5）在实际工程使用中，传统支墩式消能减震技术，为避免阻尼器裸露，使用时需要外侧额外安装盖板。

砌体支墩式消能减震技术由砌体支墩与消能器组成，在耗能原理与构造上有着减震填充墙（板）和传统支墩式消能减震技术的优点，基本构造如图3所示。

▲ 图3 砌体支墩式消能减震技术基本构造

砌体支墩外侧设置钢丝网水泥砂浆面层包覆形成组合砌体支墩，其中外层所包覆的钢丝网在承载上相当于钢筋混凝土结构中的箍筋，承担相应包覆部分的剪力。组合砌体支墩与子结构梁进行强连接，组合砌体支墩与消能器之间采用砂浆进行连接。在组合式砌体支墩中，钢丝网与砌体支墩共同承担消能器所产生的阻尼力。组合式砌体支墩工作时，外层包覆的钢丝网水泥砂浆面层使得即使在消能器所产生的的阻尼力大于砌体支墩中砂浆等的承载能力时，组合式砌体支墩中的砌体部分也不会发生破坏，不影响组合式砌体支墩的正常使用以及消能器的耗能，从而保证组合式砌体支墩性能能够满足《建筑消能减震技术规程》^[11]7.1.4中的要求。

砌体支墩式消能减震技术与传统的支墩式消能减震技术相比，其构造特点具有以下优点：

（1）墙支墩无需绑钢筋、封模板、灌浆等工序，且阻尼器与砌体支墩为砂浆连接，因此在阻尼器与支墩之间无需设置预埋件；

（2）由于采用砌体作为支墩这一特点，因此可以在砖混结构及木结构中进行使用，应用场景广泛；

（3）装修时无需额外增加盖板，在砌体填充墙外侧直接进行抹灰便可投入使用；

（4）施工简便、造价较低，适合较多填充墙的建筑结构如：学校、医院，农村、乡镇的建筑结构等。

3 工程案例

某工程为一栋4层钢筋混凝土框架结构的建筑物，结构如图4所示。总高度为15.6m，首层高度为5.4m，其余各层高度均为3.9m，该框架结构的设防烈度为8度（0.2g），地震分组为第2组，设防类别为乙类；结构基本周期为0.661s，原结构阻尼比为0.05；梁混凝土强度等级均为C30；柱混凝土强度等级为C35和C40。

本工程所采用的消能减震技术构造如图3所示砌体支墩式消能减震技术，与阻尼器接合的组合砌体支墩墙厚200mm，双面各25厚钢筋网水泥砂浆面层，支墩墙长均为600mm。

▲ 图4 某工程三维结构示意图

3.1 消能器选择

本工程砌体支墩中部所选用的消能器为板式粘弹性阻尼器。板式黏弹性阻尼器是一种速度相关型阻尼器，利用黏弹性材料剪切滞回耗能的特性，给结构提供附加刚度和阻尼，减小结构的动力响应，以达到减震的目的。其滞回模型如图5所示。

▲ 图5 板式粘弹性阻尼器滞回模型

板式阻尼器统一采用一个型号（PVED-1），其基本力学设计参数为最大阻尼力30kN，最大位移26mm，表观剪切模量0.12MPa，损耗因子0.7；楼层平面内的布置遵循“均匀、分散、对称”的原则。具体布置如图6所示、具体数量见表1。

（a）一层

（b）二层

（c）三层

（d）四层

▲ 图6 各层阻尼器布置平面图

表1 各层阻尼器布置数量

3.2 多遇地震时程分析

采用ETABS软件对本工程进行消能减震分析。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）^[12]要求采用了2条天然波（T1、T2）与1条人工波（R1）。用能量对比法估计消能器带来的有效阻尼比，对于某确定加速度时程输入激励下的情形可按式（1）计算。

式（1）中，为结构固有阻尼比，取0.05；E_d为消能器累积耗能（或称连接单元耗能）时程；E_c为结构固有阻尼的累积耗能时程。

通过计算可得该消能器在多遇地震下各地震波作用时对结构的附加阻尼比见表2所示，可知结构附加阻尼比可取1.00%。

时程分析结果显示，多遇地震下最大位移角如表3所示，通过表3可知多遇地震作用下结构位移角满足规范《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）^[12] 要求。

表2 阻尼比计算

表3 多遇地震作用下结构最大层间位移角

3.3 罕遇地震下子结构验算

罕遇地震下板式粘弹性阻尼器设计阻尼力为30kN，组合砌体支墩尺寸为：高2275mm，长600mm，厚200mm。根据《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013^[11]第7.1.6条要求可知组合砌体支墩的抗剪承载力和抗弯承载力不应低于36kN和81.9kN·m。经计算，组合砌体支墩的抗剪承载力和抗弯承载力分别为53.6kN和140.8kN·m，满足《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013^[11] 第7.1.6条要求。

消能子结构以罕遇地震下构件的弹性内力进行配筋，材料强度采用极限值。根据《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013^[11]，第1.0.1条的条文说明，消能子结构是指与消能部件直接连接的主体结构单元。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[13]第4章及其条文说明第4.1.3条和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）^[12]第M.1.2条第4款，可确定材料的标准值和最小极限强度值。

对罕遇地震作用下阻尼器子结构验算中显示，其中子结构梁中最大配筋率为1.63%，子结构柱中最大配筋率为3.92%，均满足规范《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）^[13]要求，因此无需再对子结构梁、柱进行加大截面处理。

结合《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）^[13]第6.2.15条，可确定一个已知柱截面的NM曲线。提取框架柱在大震作用下的包络内力结果，可得到框架柱在各个时刻的轴力N和弯矩Mx、My，将N、M值绘制在柱截面的N-M关系曲线图上，取其中结构一层的最大截面柱包络图如图7所示，框架柱的各个N、M均在其N-M曲线内，故可以此验算截面配筋。

通过子结构验算分析可知，采用砌体支墩式消能减震技术时子结构的配筋能够满足《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）^[13]和《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013^[12]第6.4.2条要求。无需对子结构梁柱截面额外进行加大，从而能够避免了加大子结构截面可能增大结构地震响应这一问题。

（a）NM2

（b）NM3

▲ 图7 一层950×950框架柱内力包络图

3.4 有控与无控地震响应对比

对采用基于板式粘弹性阻尼器的砌体支墩式消能减震技术的整体结构（有控）与未采用任何消能减震技术的整体结构（无控）结构的自振周期、基底剪力进行对比分析，结果见表4、表5所示。

表4 结构周期对比

表5 基底剪力对比

通过上述分析对比可知，采用砌体支墩式消能减震技术具有以下优点：

（1）采用砌体支墩式消能减震技术后，对整体结构的刚度影响较小，对整体结构的振动周期的影响较小，因此采用该技术不会出现由于刚度与周期发生改变而造成放大地震响应这一问题；

（2）采用砌体支墩式消能减震技术，在附加阻尼比能够达到1.00%的基础上，相比于无控的结构X向基底剪力减小了约13.5%，Y向基底剪力减小了约12.5%，有效地降低了整体结构的地震响应，能够达到地震作用下保护整体结构这一目的。

4 结语

本文提出了一种新型的消能减震技术——砌体支墩式消能减震技术，介绍了砌体支墩式消能减震技术的构造与优点，对比分析了采用基于板式粘弹性阻尼器的某砌体支墩式消能减震结构与无控结构的抗震性能，得出以下结论：

（1）与传统支墩式消能减震技术相比，砌体支墩式消能减震技术在施工过程中无需绑钢筋、封模板、灌浆等工序，且阻尼器与砌体支墩为砂浆连接，阻尼器与支墩之间无需设置预埋件。

（2）组合砌体支墩由砌体支墩与外部包覆的钢丝网水泥砂浆面层组成。组合砌体支墩抗剪承载力和抗弯承载力可满足《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013^[11]第7.1.6条要求。

（3）采用砌体支墩式消能减震技术进行减震设计时，其耗能效果良好，对结构整体刚度、结构振动周期影响较小，同时子结构无需进行加强。

（4）砌体支墩式消能减震技术由于采用砌体支墩这一特点，解决了传统支墩式消能减震技术所存在的问题，应用场景更为广泛，可以应用于砖混结构与木结构中，具有良好的应用价值。

（5）砌体支墩式消能减震技术由于其构造简单、施工简便、价格较低，同时能够减轻填充墙的不利影响等优点，在具有较多填充墙的建筑结构如：学校、医院，农村、乡镇中的建筑结构中具有良好的应用前景。

参考文献

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[12]建筑抗震设计规范（2016年版）：GB 50011-2010 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[13]混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

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作者：周云，李剑。单位：广州大学土木工程学院。

陈清祥，单位：上海优耐建筑工程咨询有限公司。

作者简介

周云

广州大学教授/博士、副校长。主要从事结构隔震与消能减震控制、结构抗震与加固改造、高层与高耸结构风振控制、轨道交通振动与噪声控制。先后主持完成国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目和羊城学者首席科学家项目等五十余项。发表学术论文400余篇，获国家发明、实用新型专利120余项；主编国家行业标准《建筑消能减震技术规程》，标准化协会标准《屈曲约束支撑应用技术规程》，参编国家、省（行业）标准《高层钢结构技术规程》、《高层混凝土结构技术规程》等10个规范或规程；出版消能减震著作8本, 出版<<防灾减灾工程学>>等研究生、本科生教材8本；获省（部）、市科技进步奖6项。兼任中国土木工程学会常务理事、防震减灾工程分会理事长、住房和城乡建设部科学技术委员会建筑工程抗震设防专业委员会委员及多个协会（专业委员会）委员、《建筑结构》、《土木工程学报》、《建筑结构学报》等7个学术刊物编委。先后被评为南粤优秀教师、省“千百十工程”省级培养对象先进个人、广州市劳动模范、优秀专家、市“121人才梯队工程”后备人才、高层次人才。

责任编辑：左丹丹

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