Vol. 41 No. 1
Feb.4021
第41卷第1期2021年2月
地震工程与工程振动
EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING DYNAMICS
文章编号：1000 -1301(2021)01 -0070 -08
DOI ：10.11197/j. eeev. 4221.41.40.1ul. 407
鲁 亮1李远清3，赵 菲2
（1.同济大学结构防灾减灾工程系，上海200092； 2.龙湖集团控股有限公司，四川成都610000）
摘要：阻尼器连接填充墙采用黏滞阻尼器与主体框架结构连接，是一种新型填充墙与框架的柔性 连接方式，能满足柔性框架结构的大变形需求。为使得阻尼器连接填充墙达到最优的力学性能，结
构布置和构件力学参数的选择十分重要，采用有限元软件ABAQUS 分别建立了柔性钢框架结构和阻
尼器连接填充墙-框架结构的有限元模型，考察不同阻尼系数阻尼器连接填充墙的抗风、抗震和抗倒 塌力学行为。数值模拟结果表明，经过对阻尼器阻尼系数优化取值后，阻尼器连接填充墙在风荷载 作用下不会开裂且最大应力值仅为嵌砌刚性连接填充墙的1/3，主体结构加速度地震响应可降低
48%左右，并能保证墙体在罕遇地震作用下不倒塌。最后给出阻尼器连接填充墙设计流程。
关键词：柔性框架；阻尼器连接填充墙；阻尼系数；抗风性能；抗震性能；抗倒塌性能
中图分类号:TU230 文献标识码:A
Study on application of the damper connected wall in flexible frame
LU Liang 1, LI Yuanqing 1, ZHAO Fei 2
(1. Department of Disaster Mitigation for Structures , Toogja University , Shanghai 200092, China ;
2. Looghu Group Holding Company Limiteb , Chevghu 610000 , China ；
Abstraci : Dampvs ©。口口孔七配 wall (DCW) ia n gew typv of infilleV wall which usa viscooa dampvs tu coogect tUv wall ang frame ，ang so
sc tu meet tUv
repuiremevt of laruc of tUv flexible frame stuicturv. C orUcs tu
nchievv tUe optiadl mechanicol propeVies of tUe DCW ，tUe structural constructiog ang tUe selectioo of mechanicol parameters of tUe members ara vera iaportdnU The finite elemeei moPVs of flexible steel frame stractura ang frame stractura witU DCW ara vtdnUsheV bp using tUe finite elemeei software ABAQUS. The mechanicol behayioia of
wing resistaqco, seismic resistaqco anC collansa resistaqco of DCW witU diaerevt Camping 06X16x 1$ ara iqvestiba-
teC. The resolts of simulation show tUat tUe DCW wib not crach unger wing loan anC tUe maximum stress
vvlue in DCW is ogy 1/3 of tUat of riaib congecwe waH , tUe acccleratiop seismic vsponsa of tUe main stulcturv cog be u V uc V bp 48% dppIuximHVy, ang tUe waH wib got collansa
unCer rare eertUquane. Bp tUe eC ， tUe
Cesiag flow of tUe DCW is amee .
Key words : ^lexibte stulcturv; Cdmper copqecteV waH ; Camping coeVicievt; wing resistagco perfomiagco ; seismlo
prfomiagco ; collansa resistagco
收稿日期：2020 -00 -15；修订日期：2022 -09 -10
基金项目：国家自然科学基金项目(51678453)；国家重点研发计划(2010YFC0701101)
Supported by ： National Natural Science Fopugatiop ff China (51678453) ; National Key Research ang Developmeet Prooram ff China (2216YFC
7701171)
作者简介：鲁 亮(1969 -)男，副教授，博士，主要从事工程结构抗震和试验技术研究.E-mail ：25010@ Ungjl. eCu. o
第1期鲁亮，等：阻尼器连接填充墙在柔性框架结构中的应用研究71引言
框架结构应用于建筑结构中，与框架结构之间的连接方式对结构的性能有较大的影o实际工程中，与框架之间通常采用刚性连接，地震作用中墙体和框架之在的相互作用，框架的抗震性能有的［1_3］o和框架之间的相互作用,GB50011-2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》⑷和GB50003-2216（砌体结构设计规范均建议在与框架之间采用柔性连接或脱开的方式，明具体构造。《砌体构造详图（二）:》叭了与框架脱开的构造，将与框架梁、柱脱开一定间隙，通过构造柱竖向与框架梁连接，但振动台试验表明［7］，与框架梁之间设置拉结筋难证平稳定性。周云等［8-9］-阻尼，在砌体墙内部设黏弹性材料构成的阻尼层，同时弱体与框架的连接，改善了框架的面内抗震性；试验表明［10］，后的阻尼具有二道，稳定性较好。与框架之间不同连接构造方式，程云等［6］进行了4片墙体振动台试验，对新心砌块平稳定性进行了研究。
军等［6］通层框架的拟静力试验，对比研究了空框架、柔性连接填充墙和刚性连接的破坏特征、滞回曲线和力，并了构造措施对框架结构抗震性能的。
随着震害现象研究、理论研究及试验研究的逐步，与框架结构宜采用柔性连接逐渐成为大家的共识。有柔性连接措施的不足，鲁亮等［6］i采用黏体阻尼器连接与框架梁、柱的连接形式，称为阻尼器连接（damper connected wall,DCW），主要的力学特征为：⑴在慢速荷用（（）下，黏体阻尼器产生
的阻尼力，不致产生主体结构大的拉压力；（2）在快速外力作用（如地震作用）下，阻尼器可以产生很大的阻尼力，快速建立墙体与框架的协同作用，啬不致倒塌。
性框架结构是指侧向刚度小，在或地震作用下，主体结构的水平位移较大，容易产生与墙体的相互作用，典型的柔性框架有门式刚结构厂房、自复位框架结构等。DCW采用黏滞阻尼器连接墙体与主体结构，允许主体结构有比较大的侧向变形。比研究，本文建立了框架结构、钢框架-DCW结构的有限元，考察DCW的抗风、抗震和抗倒塌力学行为，探索DCW在柔性框架中的适用性以及其设计。
1阻尼器连接填充墙
1.1框架结构原型
结构原式刚结构厂房，横向跨度8叫纵向6m，厂房高6叫屋式屋面。结构所在地区抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0.22g；结构所在地本风压为0.55kN/m2，地面粗糙度B类。DCW的初步性研究，选取原型结构内部横向框架及其研究象，并将坡屋面刚水平直梁。
原尺H440x448x21x21，钢梁截面尺寸为H300x300xl6xl6，钢材为Q235B。砌体填充墙厚300mm，砌体采用MU20蒸压粉煤灰砖砌块和M16水砌筑，容重16kN/m5，墙体尺寸为8m x6m。在墙体两端和中构造柱，在墙顶和墙高中部共设置两道水平系梁。构造柱和系梁尺寸均为300mmx300mm，度等C35，构造柱配筋：纵筋8012、6@200，水平系梁配筋：纵6012、箍筋4）6@200。
1.2DCW构造
阻尼器连接与框架结构采用脱开方式，黏体阻尼器两端的关节轴承通接在两个较支，其中较支接在框架梁或，另较支座通埋件锚固在构造柱或系梁，图6所。黏阻尼器设与框之，在用，黏阻尼器产生的阻尼力,
体主体结构传递的；在地震作用下，阻尼器产生较大的阻尼力，体与主体框同工，在阻尼器的拉结作用不致倒塌。黏滞阻尼器数量、位置及其力学性的工作性能有较大影响，本文性研究，主要研究在满足墙体抗风、抗震、抗倒塌设计要的阻尼器力学的
72
地震工程与工程振动第46卷
取值 。
本文算例中，在钢框架-DCW 结构中墙体顶部和中部共设置5个黏滞阻尼器，具体位置见图2o
图】阻尼器连接填充墙示意图
Fig. 2 Construction schematic of DCW
图2黏滞阻尼器布置图
Fig. 2 Layoni of viscoct damperu
1.2黏滞阻尼器
黏滞阻尼器是一种速度相关型阻尼器，其阻尼力与 动速度之间的关系［⑷为：
F 二 C • sign ⑴）*\ v\a
（6
式中M 为活塞的运动速度；a 为阻尼指数，一般为0.3〜LO ［⑷，本文算例取0.3，未作为研究参数;C 为阻
尼 ，对其进行 优化研究。
DCW 通过黏滞阻尼器与主体结构连接，阻尼器作用力大小反映了墙体与框架之
接的强弱，影响结
构的地震动力响应和墙体抗 性能。通 阻尼 结构地震加速度响应、墙体 力矩的 ，综
定阻尼
取值。
2
数值分析模型
2.1单元类型和材料本构关系
采用大型通用有限元
ABAQUS 进行数值模拟。梁、柱构件采用梁单元B36来模拟，框架梁上
量单元来模拟屋 量，构造柱和系梁均采用C3D8R 实体单元模拟，本构关 用
塑性损伤
本构。 砌体 ，单元 取C3D8R 单元，本构关系采用两段式本构 〔⑸，其中
GB50003 -2011（砌体结构设计规范取值。采用CaUesiaa 连接
拟黏滞阻尼器，通 接
性阻尼
拟。 ，分别建立纯钢框架结构和钢框架- DCW 结构的有限元 。
2.2地震作用
为了研究DCW 对主体结构抗震性能的 和阻尼器连接
的抗倒塌能力，需进行不同
地震水 用下的动力时程 。 《建筑抗震设计规范》GB50016 -2010（2016年版）⑷中对
动力时程
的规定，选取El Cectru 波、Taft 波以及
工波SH09-1作为输入的地震动记
表1地震波及相关信息
Table 1 Seismio waves and related information
地震波震PGA (Gal)持续时间（s ）
地E, Cectre-EW 7.1
210.154.38n
Taft-NS
7.3
152.2
53.38皿
SH09-1
一
一
40
IV
录，地震波信息见表1。
2.2风荷载
一般将风荷载简化为静力荷载进行计算，为了得到黏滞阻尼器的出力，需要计算墙体与主体框架之间的
相对速度，此处计 速时程并进行动力时程
。
时程通常通 洞试验及 实测等手段确定，
基于数值模拟的风速时程曲线可满足某些统计
第0期鲁亮，等：阻尼器连接填充墙在柔性框架结构中的应用研究73
特性的任意性，线性滤波法中的自回归(Auto-Regressme，AR)其计算量小、速度快等优点应用于随机振动分析［16］0AR模型通性滤波器将均值为零的白噪声随机序列输具有指定谱特征的平稳随机过程，拟速时程的随机性、时间相关性、空间相关性。
速时程由周期在10min以上的平和周期在几秒钟的脉动风速时程组成。根据文献［16］，可以假定平速随时间不变化，同时将脉动风速时程零均值平稳随机过程，采用AR.拟脉动风时程，其中脉动风荷载的功率谱密度函数采用Davevgort谱，其表达式为:
s”(5)
亦倂_1200/
)1+x2)4/3,，_⑵
式中:K为反映地面粗糙度的系数；/为脉动风速频率；卩1为10m高度处的平均风速。
基于上述方法，采用MATLAB编程进行钢框架-DCW结构不同高度处的脉动风荷载时程模拟，图3为采用基于脉动风荷载功率谱的AR模型模拟所得的5m处的脉动风荷载时程，时长为120s。将脉动风荷载时程叠加对应位置的平均风，得到不同高度处完整的风速时程曲线，用于ABAQUS中进行动力分析o
图34m高度处的脉动风速时程
Fie-4Impulss wing speev time series at4m heighu
3阻尼器阻尼系数取值
3.1阻尼系数最大值预估
地震作用下,DCW平的稳定性主要通过黏滞阻尼器实现°极，黏滞阻尼器失效，退化为钢杆件，其机械拉结作用应证墙体不致倒塌。阻尼大值，计中将图2所示的阻尼器单元替换为刚性杆，并刚性杆阻尼器产生的最大。进行罕遇地震水准3条地震波作用下的动力时程计算，得到阻尼器作用力最大值为31.6kN，同时得到对应节点的速度峰值为1.43m/s。根据式(1)计算，得到Cmg=31.4eN/(ms)76，设计阻尼器最大阻尼32eN(ms)76o
3.2阻尼系数与框架加速度响应的关系
阻尼器有用,DCW中采用阻尼器的目的之一是通过阻尼器的耗能作用来控制主体框架结构的地震响应。为研究阻尼与主体结构地震响应之间的关系，将归的E1Cevtra波、Taft波及SH09-1波分输入到不同阻尼的钢框架-DCW结构有限元中，进行框架平遇地震水准(0.07g)下的动力时程计算，框顶的加速度响应如表2所示°比较，计顶峰值加速度与基底峰值加速度的比值动力放大K，绘制动力放大K与阻尼的关系曲线(K-C曲线)，如图4所示，图中了
3条波作用下动力放大及平均值与阻尼的关系曲线°
表2和图4可以看出：
(1)相同地震波作用下，当阻尼大时，结构加速度响应有随之增大的趋势。以E1Cevtra波为例，当C=2eN/(ms)7O时，柱顶动力放大0.13；当C=32kN/jms)04时，柱顶动力放大系数为2.84，比
C=2kN/jm/s)04时增大了33.3%°
(2)不同地震波作用下，结构的加速度响应各不相同。总体，E1Centra波作用下结构的加速度响应
74
地震工程与工程振动第41卷
大,SH09-1波作用下次之,Tbt 波作用 ，反映了不同场地地震输入对地震响应的 。
(3)当阻尼系数在4 kN(n^s )02 -10 kN/Sms )02时,3条K-C 曲线比较平缓且结构加速度响应相对
较。
表2不同阻尼系数下结构峰值加速度响应与动力放大系数K
Table 2 Acceleration responses and dynamic coefficient) of structure ) with diPereni dampit coefficient)
地震波
El Centre
Taft
SH09-1
参数
阻尼系数C(kN(me)82)
2
4 6 8 10 14 14 16 18 20 2 28 32
加速度(im /s 2)
K
加速度(ms 2)
K
加速度(ms?)
K
14491449
1462
14601462
1442
1446
1446
14881492
14951499
14992413
2410324312428
24312445245224522468
24442449
24842484
141804921402
04941416
14091408140414101432
143414451431
1469
1432
14451439
146514561454145314541489149624041484
14281414141814251425
1425
1432
14341435
14501449143914391483
14631469
1449
1448144914891492
1493
2414
2413
1499
1498
图4动力放大系数与阻尼系数关系曲线
Fig. 4 Relationship curves between dynamic coefficients and damping coefficients
3.3阻尼系数与墙体倾覆力矩的关系
研究阻尼 体 力矩的 ，进行3条波罕遇地震水 的动力时程计算，墙体底部的彳顷覆
力矩计算结 表3，表中同时 了此时阻尼器的峰值速度。绘制墙体
力矩M 与阻尼 的关系曲
(M-C 曲线)，如图5所示，图中给出了 3条波作用 体
力矩及其平均值与阻尼 的关系曲线。
表3不同阻尼系数下墙体倾覆力矩
Table 3 Responses of overturning moments of wall with diPereni damping coefficients
地震波
参数
阻尼系数c (kN/(ms )°4)
2
4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 28 32
El Centre
Taft
SH09-1
倾覆力矩(kN - m)99.494.4
95.4
96449449
96409845
94469542964598429444
9441阻尼器峰值速度(血))
1.360
1.1050.4980443404595044820442104388
04354
042410414104121
04084倾覆力矩(kN - m)
92.993.590.490499143914491469046914290499341
93408948
阻尼器峰值速度(n^s) 1.405
04662
0.574
0450404432043440433004291
0425404149
0411804081
04054
倾覆力矩(kN - m)
108.2104.51034410242
9943
9648954696449641
94449443
95469246阻尼器峰值速度(n^s)14280 1.480
0.844
044040461204499
04430
04383
043440428504196
04151
04119
由表3、图5可以看出：
(1) 相同地震波作用下，当阻尼 大时，墙体倾覆力矩有随之 的趋势。以SH09-1波为例，当C =2 kN/(m/s )04时，墙体倾覆力矩为108.2 kN - m ；当C = 32 kN/(m/s )04时，墙体倾覆力矩为92.6 kN -叫
比 C=2 kN/(nms)04时减小了 14.4%。
(2) 不同地震波作用下，墙体的彳顷覆力矩响应各不相同，反映了不同场地地震输入对墙体彳顷覆力矩的影响。
(3) 当阻尼系数大于8 kN/(m/s )02时,3条M-C 曲线比较平缓且墙体倾覆力矩相对较小
。
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