新型阻尼填充墙的构造原理与减震性能探究论文
砌体填充墙钢筋混凝土框架结构是现阶段建筑工程中应用最广泛的结构体系之一。在历次地震中，此类结构破坏严重，以至国际地震工程协会和地震工程研究中心将其视为“地震高风险结构体系”，呼吁各国工程界提高对该结构体系抗震弱点的认识和重视。2008年，我国发生的5。12汶川地震中，大量框架结构的填充墙严重破坏，填充墙造成结构构件破坏甚至结构倒塌的震害尤为突出，充分暴露了框架填充墙在抗震方面的弊病和问题，引起了国内外学者和工程人员的广泛关注和思考。如何解决框架填充墙的抗震问题成为目前建筑抗震领域中刻不容缓的焦点课题之一。
为改进框架填充墙的抗震性能，作者总结分析了框架填充墙的震害特点和成因，将粘弹阻尼器的耗能思想移植到填充墙减震中，提出了一种新型的减震填充墙——阻尼填充墙。本文阐明该新型减震填充墙的构造和原理；从阻尼填充墙的基本构成单元、单层单跨的框架阻尼填充墙、框架阻尼填充墙整体结构等多个层面对阻尼填充墙的减震性能进行综合分析，可为该新型减震填充墙的进一步深入研究和应用提供有益的参考。
1、阻尼填充墙的构造和原理
阻尼填充墙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，形成类似于粘弹阻尼器一层钢板一层粘弹性层的构造；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，用柔性连接。
阻尼填充墙的最大特点在于砌体单元与阻尼层相间设置的构造，两块砌体单元之间夹1层阻尼层构成一个简易的板式阻尼器。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，而且墙体不破坏。
2、阻尼填充墙阻尼层性能试验研究
阻尼层是阻尼填充墙的核心部件，其构造的合理性决定了阻尼填充墙能否实现预期机制和性能，同时直接影响阻尼填充墙的建造成本和施工复杂程度。如何构造阻尼层是阻尼填充墙开发和研究的首要问题。
课题组首先提出了采用沥青油膏、橡塑板材、油毡、EVA板材和SBS改性沥青卷材的5种阻尼层构造方案，并制作相应的5组阻尼层试件（每组2个试件），对其进行竖向静力加载试验和剪切循环加载试验。各阻尼层在相同压应力下的竖向压缩量对比可知，SBS改性沥青卷材层（以下简称“SBS层”）的滞回曲线最为饱满，竖向压缩量最小，表明SBS层在滞回耗能和竖向承载方面均较其他4种阻尼层好，为较优方案。为进一步研究SBS层的性能，课题组设计制作了4组、共24个试件，对SBS层进行了不同加载频率下、不同竖向压力下的水平循环加载试验，并进行了疲劳性能试验。试验结果表明，SBS层在不同加载频率和竖向压力下的滞回曲线饱满对称，耗能性能稳定，耗能能力强；SBS层的初始抗剪刚度随竖向压应力的增大有较大的升幅，耗能效果随加载频率增大有一定提高；SBS层经多次循环加载作用后，其刚度、强度和耗能能力退化不明显，表现出良好的耐疲劳性能。
此外，课题组提出将阻尼填充墙阻尼层设置成强度较低的砂浆层，形成摩擦阻尼层的方案。与前面的方案相比，该方案更经济，在构造和施工上也更简单，尤其适用于目前经济发展水平较低、施工技术较为落后的广大农村地区，在原理上，其并不是利用材料的粘弹性能和塑性变形耗能，而是通过在墙体中形成滑移面，通过砌体单元间产生摩擦滑移耗能。针对该方案，课题组分别采用5种不同类型的砂浆，即普通低强度砂浆、沥青砂浆、沥青橡胶粉砂浆以及掺入聚合物纤维的苯丙聚丙烯砂浆、苯丙橡胶粉砂浆，制作了5组砂浆层试件（每组2个试件），对其进行了剪切循环加载试验。不同位移循环下的耗能量对比所示。试验结果表明，沥青砂浆层具有较好的耗能性能和剪切变形能力，但稳定性较差；聚合物纤维的掺入主要影响砂浆层的起滑力，对于提高砂浆层的滞回耗能性能，效果不明显。
3、阻尼填充墙单元性能试验研究
阻尼填充墙单元（Damped Infill Wall Unit，DIWU）由2块砌体单元中间夹1层阻尼层构成，是阻尼填充墙的基本特征单元，如图7所示。弄清DIWU的减震机理和性能是研究框架阻尼填充墙结构的基础和关键，同时也是建立阻尼填充墙宏观力学模型以实施框架阻尼填充墙整体结构分析之前提。为此，课题组设计制作了2批、共7榀填充墙单元试件，对其进行了水平循环加载试验以研究DIWU的性能。
第1批试验，4榀试件，即3榀以SBS卷材为阻尼层的阻尼填充墙单元试件（SDIWU—1、SDIWU—2、SDIWU—3）和1榀普通填充墙单元对比试件（CIWU），其中，不同阻尼填充墙单元试件之阻尼层的卷材层数不同，按SDIWU—1、SDIWU—2、SDIWU—3的顺序，分别为1层、2层和4层；各试件砌体均采用小型混凝土实心砖和水泥砂浆砌筑；施加的竖向压力为10kN。在这批试验中，普通填充墙单元及以单层卷材为阻尼层的阻尼填充墙单元均在较小的加载位移下就开裂破坏；以2层卷材和以4层卷材为阻尼层的DIWU 较好地实现了“砌体单元整体平移，变形集中于阻尼层”的预期机制。可以看出，阻尼填充墙单元的滞回耗能性能较普通填充墙单元明显改善；以2层卷材和以4层卷材作为阻尼层的阻尼填充墙单元的滞回曲线圆滑饱满，均表现出优越的滞回耗能性能。但两者相比，以2层卷材制作阻尼层较以4层卷材制作阻尼层更经济，施工更简便，为较优的方案。
第2批试验，3榀试件，即以低强度砂浆为阻尼层的阻尼填充墙单元试件FDIWU—1、FDIWU—2和FDIWU—3。这3榀试件的区别在于砌体单元的砌块类型不同，按FDIWU—1、FDIWU—2和FDIWU—3的顺序，分别为小型混凝土实心砌块、灰砂砖和加气混凝土轻质砌块。小型混凝土实心砌块、灰砂砖、加砌混凝土轻质砖、砌筑砂浆和低强度砂浆的实测抗压强度平均值分别为9。6、17。1、4。2、13。8和1。3MPa。通过这批试验发现，以低强度砂浆为阻尼层的阻尼填充墙单元（以下简称“摩擦阻尼填充墙单元”）同样可较好地实现砌体单元整体平移的机制，而且避免墙底产生贯穿裂缝破坏；采用不同类型砌块砌筑的摩擦阻尼填充墙单元的水平承载力、抗侧刚度及变形特性基本相同，但滞回性能有所差别，给出的试件荷载—位移（P—δ）滞回曲线所示。可以看出，摩擦阻尼填充墙单元试件的承载力随着加载循环的增加逐渐下降并趋于稳定，主要是低强度砂浆层砌筑用砂为粗砂，其逐渐被辗磨成砂粉，摩阻系数降低并趋于稳定所致；相同加载位移循环下，试件FDIWU—1滞回曲线包围的面积较大，主要由于小型混凝土实心砌块的表面较为粗糙，因此，构筑摩擦阻尼填充墙单元时宜适当增大其摩擦层上、下接触面的粗糙度。
4、阻尼填充墙框架性能试验研究
阻尼填充墙单元作为阻尼填充墙的特征单元，其性能仅反映阻尼填充墙局部墙体的性能，不能完全表征阻尼填充墙整体的性能及阻尼填充墙对主体框架的作用，因此，课题组设计、制作了4榀单层单跨的阻尼填充墙框架试件、1榀普通填充墙框架对比试件和1榀空框架对比试件，对其进行水平循环加载试验以进一步研究阻尼填充墙的减震性能。
1）阻尼填充墙框架、普通填充墙框架和空框架的破坏形态对比可知，水平荷载作用下，普通填充墙严重开裂破坏，裂缝满布整个墙面，用普通填充墙填充的框架由于墙体的强对角支撑作用，柱端产生剪切破坏。与此相比，阻尼填充墙是基本完好的，用其填充框架不改变框架结构预期“塑性铰破坏”的延性破坏模式，阻尼填充墙框架的破坏形态与空框架大致相同。
2）阻尼填充墙框架、普通填充墙框架和空框架的荷载—位移（P—δ）滞回曲线对比可知，普通填充墙框架的滞回曲线呈反S形，捏缩效应明显；阻尼填充墙框架的滞回曲线呈梭形，无明显的捏缩现象，且远比空框架和普通填充墙框架的滞回曲线饱满，表明阻尼填充墙通过砌体单元往复剪切阻尼层滞回耗能，具有良好的耗能效果，用其填充框架可明显改善框架结构的滞回耗能性能。
3）阻尼填充墙框架、普通填充墙框架和空框架的骨架曲线、刚度退化曲线及等效粘滞阻尼系数发展曲线对比可知，阻尼填充墙可为框架提供一定的抗侧力和抗侧刚度，但其刚度效应和约束效应较普通填充墙大为削弱，阻尼填充墙框架的水平承载力和抗侧刚度介于普通填充墙框架和空框架之间，承载力衰减和刚度退化较普通填充墙框架明显减缓，侧向变形能力和延性较普通填充墙框架大幅提高，极限层间位移角达到1/40以上，超过1/50的规范限值，可以满足罕遇地震作用下的弹塑性变形要求；此外，阻尼填充墙的耗能性能稳定，明显优于普通填充墙；阻尼填充墙的耗能能力强，可为结构提供较大的附加阻尼，阻尼填充墙框架的等效粘滞阻尼系数在0。1以上。
5、框架阻尼填充墙整体结构减震性能研究
为在整体结构分析中考虑阻尼填充墙与主体结构的`相互作用，课题组对取得的试验及仿真分析结果进行了归纳和提炼，对阻尼填充墙砌体单元与框架柱的相互作用过程、阻尼填充墙的抗侧力及耗能机理、阻尼填充墙的传力路径、阻尼填充墙对框架梁的作用、墙体填缝措施的作用等进行了详细的分析，揭示了阻尼填充墙的工作机理，在此基础上，建立了阻尼填充墙的简化力学模型——双斜撑模型。
基于阻尼填充墙的双斜撑模型，对不同设计参数的阻尼填充墙框架结构进行了模态分析和地震作用下的弹塑性时程分析，结果表明，在结构中加入阻尼填充墙，结构周期折减的幅度远比加入普通填充墙时小，阻尼填充墙框架结构的周期介于普通填充墙框架结构和空框架结构之间，较普通填充墙框架结构大为延长；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，起到保护主体结构的作用。
结合工程案例，对比分析了底层架空的阻尼填充墙框架结构、普通填充墙框架结构的抗震性能，结果表明，阻尼填充墙的加入可提高结构楼层刚度，减小楼层在地震作用下的层间位移，但其引起的楼层刚度升幅要远小于加入普通填充墙的情况，结构相邻楼层的刚度突变不明显，阻尼填充墙对于解决填充墙沿竖向不连续布置造成的结构薄弱层问题以及结构纵、横向填充墙布置数量或开洞率差异大造成的结构两个平面主轴动力特性不相近等抗震问题具有良好的效果。
6、结论
1）阻尼填充墙作为一种新型的减震填充墙，其理念先进且经济实用，为框架填充墙结构减震提供了新的方法和途径。
2）阻尼填充墙通过框架柱带动砌体单元往复剪切阻尼层滞回耗能，其耗能性能稳定，耗能效果好，可有效提高结构阻尼比，增强结构的耗能能力，阻尼填充墙框架结构的等效粘滞阻尼系数在0。1以上。
3）阻尼填充墙能为框架提供一定的抗侧力和抗侧刚度，但其对框架的刚度效应和约束效应较普通填充墙大为削弱，避免造成柱受剪破坏、结构延性及侧向变形能力变差等不利影响。
4）在结构中加入阻尼填充墙，结构周期折减的幅度远比加入普通填充墙时小，阻尼填充墙框架结构的周期介于普通填充墙框架结构和纯框架结构之间，较普通填充墙框架结构大为延长。
5）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，起到保护主体结构的作用，且墙体自身不破坏。
6）阻尼填充墙对于解决填充墙沿竖向不连续布置造成的结构薄弱层问题以及结构纵、横向填充墙布置数量或开洞率差异大造成的结构两个平面主轴动力特性不相近等抗震问题具有良好的效果。
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