框架阻尼填充墙减震分析

   介绍一种新型减震墙——阻尼填充墙（Damped Infill Wall，简称 DIW） 的构造、原理与特点。并结合某实际工程对多层阻尼填充墙框架结构、普通填充墙框架结构以及纯框架结构进行动力特性及弹塑性地震响应分析， 研究阻尼填充墙和普通填充墙对框架结构抗震性能的影响及阻尼填充墙的减震效果。

一、阻尼填充墙的构造、原理与特点

阻尼填充墙（DIW）由若干砌体单元和阻尼层构成，阻尼层为阻尼橡胶或改性沥青等阻尼材料，设于砌体单元间及砌体单元与框架梁间；砌体单元的一侧与框架柱间不留缝隙，用拉结筋固定连接（上下相邻的砌体单元异侧固定），而另一侧与框架柱间留缝，采用柔性连接。

DIW 的最大特点在于砌体单元与阻尼层相间设置的构造。地震作用下， 框架柱带动砌体单元来回水平移动，上下相邻的砌体单元之间、顶层砌体单元与上框架梁之间以及底层砌体单元与下框架梁之间产生往复水平相对位移，阻尼层产生剪切滞回耗能，耗散输入结构的地震能量，减小结构的地震反应，且墙体不破坏。

DIW 对框架的刚度效应和约束效应较普通填充墙大为削弱，避免了墙体过强约束框架变形而造成的柱受剪破坏、结构延性和变形能力变差等不利影响，同时解决了普通填充墙在地震中容易破坏的问题。普通填充墙框架和阻尼填充墙框架试验的最终破坏情况。

二、工程概况

某 6 层钢筋混凝土框架结构，建筑结构高度为 22.1m；底层层高 4.1m， 其余层高 3.6m，轴立面示意如图 3 所示；结构平面尺寸为 29.4m×16.8m， 填充墙平面布置示意图如图 4 所示。抗震设防烈度为 8 度（0.20g），建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，场地特征周期为 0.4s；抗震设防等级为二级。

楼板厚 120mm，X 向框架梁截面尺寸为 250mm×550mm，Y 向框架梁截面尺寸为 300mm×700mm，框架柱截面尺寸均为 500mm×500mm。梁、柱纵筋均采用 HRB335 钢筋，箍筋和楼板均采用 HPB300 钢筋。楼板、梁和柱混凝土强度等级均为 C30。

在填充墙布置方面，设计了Ⅰ，Ⅱ两种不同的方案，方案Ⅰ的满砌填充墙为 DIW，方案Ⅱ的为普通填充墙（CIW）（图 4）。各填充墙厚 190mm， 砌体用MU10 混凝土砌块和 Mb10 水泥砂浆砌筑。阻尼填充墙的阻尼层为10mm 厚的黏弹阻尼橡胶；黏弹阻尼橡胶的储能模量为 0.22MPa，损耗因子为 0.36。

三、有限元模型的建立

采用 PERFORM-3D 软件建立三个框架结构模型，其中，纯框架模型仅将填充墙的自重作为均布线荷载施加于框架梁上来考虑填充墙，没有针对填充墙进行单独建模；阻尼填充墙框架和普通填充墙框架模型是在纯框架模型的基础上，分别根据第 2 节中的填充墙布置方案Ⅰ和Ⅱ在模型中加入相应的填充墙形成的。

3.1       主体框架的模拟

选用 PERFORM-3D 中的端部塑性区模型模拟框架梁、柱，在混凝土和钢筋本构方面，分别采用 Mander 约束混凝土模型和非屈曲拉-压钢筋本构（Non-Buckling）。

3.2       填充墙的模拟

（1）阻尼填充墙的模拟

阻尼填充墙采用简化力学模型（ZG 模型）模拟。ZG 模型由两根串联有SDE 单元的斜撑组成，其中 SDE 单元是由弹簧元件和黏壶元件并联构成的集成单元，见图 5。由于 PERFORM-3D 没有提供直接的弹簧-黏壶集成单元， 故通过并联杆单元和 Fluid Damper 单元的方法实现。

（2）普通填充墙的模拟

普通填充墙采用等效只压斜撑模型模拟，即将填充墙等效为与填充墙等厚、相当宽度的斜撑铰接于框架平面内。通过 PERFORM-3D 提供的Concrete Strut 单元模拟等效斜撑，该单元的横截面面积取等效斜撑的宽度与厚度的乘积。等效斜撑模型宽度计算简图见图 6。

图 6 等效斜撑模型宽度计算简图

3.3    模型的合理性

基于 PERFORM-3D 软件，采用阻尼填充墙 ZG 模型和普通填充墙等效斜撑模型对试验的纯框架、阻尼填充墙框架和普通填充墙框架试件进行数值模拟分析以验证模型的合理性。简化力学模型的分析结果与试验结果吻合良好，初始刚度和峰值荷载的试验值与模拟值相差均在 10%以内，表明简化模型可取得良好的模拟效果。

四、结果分析

为论述方便，后文将纯框架简称 BF，普通填充墙框架简称 CIWF，阻尼墙框架简称 DIWF。

4.1 地震响应分析

（1）楼层剪力

BF，CIWF，DIWF 在三组地震时程作用下的楼层剪力包络曲线如图 7 所示。

图 7 结构层剪力对比

（2）层间位移角

BF，CIWF，DIWF 在三组地震时程作用下的层间位移角包络曲线如图 8 所示。

图 8 结构层间位移角对比

（3）结构耗能

BF，CIWF，DIWF 在三组地震时程作用下的破坏机制基本相同。以 El

Centro 波（Y 向）作用下的破坏过程为例进行分析，各结构的破坏过程如图 10～12 所示（图中用虚线框、实线框框出的构件分别表示其钢筋应变与屈服应变的比值为 4~7 和大于 7）。

五、结论

（1）阻尼填充墙可耗散输入结构的部分地震能量，减小结构构件的非线性耗能，减轻结构构件在地震中的损伤。

（2）阻尼填充墙的刚度效应明显小于普通填充墙，对于解决结构纵、横向填充墙布置形式或数量差异过大造成的结构两个平面主轴动力特性不相近的抗震问题具有良好的效果。

（3）阻尼填充墙框架结构的自振周期介于纯框架结构和普通填充墙框

架结构之间，较普通填充墙框架结构大为延长。

（4）采用阻尼填充墙可有效避免普通填充墙对结构破坏机制的不利影响，有助于框架结构实现“强柱弱梁”的屈服机制。