DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.06.020

高层装配式剪力墙结构地震损伤性能评估

秦朝刚¹,白国良²,吴涛¹,刘伯权¹,徐亚洲²,苏宁粉²

（1. 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安，710061；

2. 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安，710055）

摘 要：

墙结构的地震损伤性能评估标准，并结合振动台试验研究中高层装配式剪力墙结构的不同地震响应，评估其地震损伤性能。根据地震波作用下结构主要抗侧力构件即预制剪力墙/现浇连接部位和耗能构件即叠合连梁的裂缝发生发展规律、破坏形态及地震响应，将其地震破坏等级划分为6级，给出相应的结构性能水平，并基于改进的Park-Ang双参数损伤模型，在不同加速度峰值时由各楼层的损伤指数求得结构的损伤指数；最终提出整体结构基于层间位移角和损伤指数的2类性能量化指标，以评价结构在地震作用下的性能状态。研究结果表明：各楼层位移损伤和滞回耗能损伤的相对比例可以反映结构在弹性和塑性状态下不同的损伤机理；基于层间位移角和结构损伤指数的性能量化指标可以有效评价高层装配式剪力墙结构的不同性能水平。

关键词:高层装配式剪力墙结构；损伤评估；性能水平；层间位移角；损伤指数

中图分类号:TU973⁺.16      文献标志码:A        开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号:1672-7207（2020）06-1654-10

Earthquake damage performance assessment of high monolithic precast concrete shear wall structure

QIN　Chaogang¹, BAI　Guoliang², WU　Tao¹, LIU　Boquan¹, XU　Yazhou², SU　Ningfen²

(1. School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China；

2. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

Abstract: According to the seismic damage performance evaluation criterion of concrete shear wall structure, the earthquake damage performance of high monolithic precast concrete shear wall structure was evaluated in combination with different seismic responses during shaking table test. The crack development law, failure mode and seismic responses of the main anti-lateral force components(prefabricated shear wall and cast-in-place connection region) and energy-consuming component(superimposed coupling beam) excited by seismic waves were used to divide the earthquake damage into six levels. Then, detailed damage performance level of the structure was proposed. Based on the improved Park-Ang two-parameter damage model, the damage index of integral structure was calculated by the story damage indexes at different peak accelerations. Finally, two types of performance quantification, namely story drift and damage index were proposed to evaluate the seismic performance of high monolithic precast shear wall structure under earthquake action. The results show that the relative proportions of story displacement damage and hysteresis energy consumption damage in each floor reflect the damage mechanism of the structure under elastic and plastic conditions. Moreover, the two proposed performance level quantitative indexes can effectively evaluate the performance of the structure.

Key words: high monolithic precast shear wall structure; damage evaluation; performance level; story drift; damage index

随着地震灾害带来的社会影响和经济损失愈加严重，结构的性能设计越来越受重视，而性能设计的关键是确定结构的损伤状态及对应的量化指标。美国、日本和中国等国家均给出了通用的设计方法和评价指标，以指导结构性能设计，但对有关装配式剪力墙结构的性能标准与量化指标如何定义以及其能否借鉴现浇剪力墙的评价体系等的研究较少。剪力墙结构是一种最有效的抗侧力结构体系，广泛应用于高层建筑。徐龙河等^[1-4]等基于变形与能量的双参数损伤模型^[5-6]，研究了适用于剪力墙结构的地震损伤模型，并给出了各损伤状态的界限值；郑山锁等^[7]提出了基于构件、楼层及整体结构损伤的钢筋混凝土筒体损伤模型；汪梦甫^[8]提出了整体结构的损伤模型。目前，装配式剪力墙结构的研究主要集中于抗震性能^[9-10]，而关于抗震性能评估的研究较少，现浇剪力墙结构已建立的评价方法和指标是否可应用于装配式剪力墙结构尚未明确，因此，有必要了解装配式剪力墙结构的地震损伤演化机理，并定量地评价其损伤状态。本文作者基于装配式剪力墙结构的振动台试验研究^[11]，根据整个加载历程中结构的裂缝发生发展历程、整体变形和耗能参数，结合已有剪力墙构件与结构抗震性能的研究，对此类结构地震破坏等级的划分标准、性能状态及损伤界限值进行分析；基于层间位移角和变形与能量的双参数损伤模型，提出此类结构不同性能状态下的地震损伤性能评价标准与方法，以期为相关工程应用提供参考。

1 地震模拟振动台试验概述

1.1　试验概况

设计一个缩尺比例为1/5的12层高层装配整体式剪力墙结构，平面长×宽为1 800 mm×1 800 mm，层高600 mm，墙厚40 mm，地梁高360 mm，模型总高7 560 mm。结构平面布置包含“L”型、“T”型和“┼”型3类现浇连接部位和3种预制墙板。模型采用镀锌铁丝模拟钢筋，降低强度和弹性模量的细石微粒混凝土模拟混凝土，毛细钢管模拟灌浆套筒。已有的钢筋连接性能研究表明，合理的构造措施下钢筋连接技术鲜有锚固失效现象发生，故假定预制墙板纵向钢筋不发生黏结滑移破坏，研究预制墙板薄弱部位竖向和水平连接对结构抗震性能的影响。模型结构的相关技术参数均满足JGJ 1－2014“装配式混凝土结构技术规程”^[12]等设计规范和设计图集的要求。

根据量纲相似理论确定动力系统中各物理量的相似关系，并确定合理的相似常数指导模型结构设计、建造与加载。以8度(加速度峰值为0.200g)为设防标准，依次选取Superstitn Hills(B) 90°(X向)和180°(Y向)方向分量(B-WSM波)，Turkey Kocaeli 180°(X向)和270°(Y向)方向分量(DZC波)以及Imperial Valley EW(X向)和NS(Y向)分量(ELW波)这3条地震波作为地震激励，单向和双向交替加载，各工况加速度峰值为0.035g，0.070g，0.140g，0.220g，0.400g，0.620g，0.700g和0.800g，双向加载时X向和Y向加速度峰值比为1.00:0.85，其他主要设计参数详见文献[11]。

1.2　变形性能

当楼层变形超过结构本身的变形能力时，结构便发生破坏，亦称为首次超越破坏。层间变形的最大响应一般出现在结构受损较严重的部位，如B-WSM波作用下的第4~6层，DZC波作用下的第2层和第5~6层，ELW波作用下的第5层，这也反映了结构裂缝分布的主要规律，即该部分楼层为结构在地震作用下的薄弱部位。表1~3所示分别为B-WSM波、DZC波和ELW波作用下结构各层的层间位移，反映了整体结构的层间变形规律。以楼层位移为基础，参考相关标准中剪力墙结构的性能评价指标^[13]，本文作者提出基于层间位移角的装配式剪力墙结构损伤评价指标。

表1　B-WSM波作用下模型结构的层间位移

Table 1　Story displacements of model structure under B-WSM wave    mm

表2　DZC波作用下模型结构的层间位移

Table 2　Story displacements of model structure under DZC wave    mm

表3　ELW波作用下模型结构的层间位移

Table 3　Story displacements of model structure under ELW wave    mm

1.3　滞回性能

结构或构件在小幅往复地震作用下亦产生累积损伤，造成破坏。滞回性能可以反映结构在地震作用下的耗能特性，用于评价结构的抗震性能或损伤状态。由高层装配式剪力墙结构的基底剪力和顶层位移获得整体结构的滞回曲线，并求得其骨架曲线。参考文献[14]中关于屈服位移和极限位移的定义，确定二者取值分别为上升段0.7倍峰值荷载和下降段0.8倍峰值荷载对应的峰值位移(δ_p)，如图1所示。由图1可见：结构的屈服位移(δ_y)和极限位移(δ_u)分别为21和67 mm，对应的荷载分别为67.94 kN和77.65 kN。

图1　高层装配式剪力墙结构骨架曲线

Fig.1　Skeleton curve of high monolithic precast shear wall structure

2 地震破坏等级及性能水平划分

将各类结构的地震破坏划分等级，并与其性能水平相匹配，以便开展地震现场震害调查、灾害损失评估、烈度评定、震害预测及工程修复等工作。根据装配式剪力墙结构的试验破坏现象，考虑此类结构在地震作用下的合理破坏机制，以主要耗能构件(连梁)、抗侧力构件(现浇剪力墙/预制剪力墙)和非结构构件的受损破坏状况为准，结合地震作用下结构各楼层层间位移角的变化规律，初步确定其地震破坏等级，并给出相应的宏观描述，见表4。由表4可见：此类结构破坏等级划分为6级：I级，完好；II级，基本完好；III级，轻微破坏；IV级，中等破坏；V级，严重破坏；VI级，毁坏。地震破坏等级划分基于文献[15]中关于钢筋混凝土剪力墙结构的划分标准，重点考虑装配式剪力墙结构中构件连接及预制构件的损伤破坏程度对整体结构的影响。与地震破坏划分等级对应的性能水平见表5，主要评价标准依据为抗侧力构件(现浇剪力墙部位/预制剪力墙部位)和耗能构件的损伤状况及可修复程度。

表4　高层装配式剪力墙结构地震破坏等级划分及宏观描述

Table 4　Seismic damage classification and macroscopic description of high monolithic precast shear wall structure

3 基于变形和耗能的双参数损伤计算模型

基于理想弹塑性结构的恢复力模型，提出一种改进的Park-Ang双参数地震损伤模型^[16]：

(1)

式中：δ为结构在地震作用下的最大位移，mm；Q_y为层间屈服剪力，kN；∫dE为楼层的滞回耗能，kN·mm；α和β为组合参数。

以楼层为对象，由式(2)计算高层装配式剪力墙结构各楼层的损伤指数D_j，结构体系的损伤指数D由各层的损伤指数按滞回耗能比例的加权方式获得：

(2)

(3)

式中：λ_i和λ_j分别为构件和楼层加权系数；E_i为构件或各楼层的滞回耗能，kN·mm。

根据高层装配式剪力墙结构在严重破坏与倒塌时的性能水平界限值，并考虑损伤指数的物理意义，确定结构达到倒塌破坏时对应的损伤指标，反算得到各楼层损伤模型计算公式中的组合系数α和β分别为0.41和1.66，其中各楼层的最大位移见表1~3，高层装配式剪力墙结构的极限位移和屈服位移及其对应的基底剪力如图1所示。结构各楼层滞回耗能由其层间剪力和层间位移的滞回曲线面积获得，其中ELW波作用下各层滞回耗能及损伤指数见表6和表7。

表5　高层装配式剪力墙结构的性能水平

Table 5　Performance levels of high monolithic precast shear wall structure

表6　高层装配式剪力墙结构各楼层滞回耗能

Table 6　Hysteretic energy of each floor of high monolithic precast shear wall structure    kN·mm

根据结构的位移响应和滞回耗能，由式(1)计算3条地震波作用下结构各楼层的损伤指数，如图2所示。由式(2)计算各层滞回耗能比例并进行组合，求得结构在各工况下的损伤指数，如图3所示。

图2反映了不同加速度峰值时各楼层损伤指数及其增量的变化。从图2可见：

1) 高层装配式剪力墙结构在3条地震波作用下，除顶层、底层外，各层损伤指数均较大，与整体结构表面裂缝分布形态及损伤程度一致^[11]。

2) 在加速度峰值分别为0.035g，0.070g，0.140g和0.220g时，各层损伤指数及其增量均较小，且各层损伤指数基本相近，此阶段仅连梁端部形成微裂缝或细微裂缝群；当加速度峰值为0.400g和0.620g时，损伤指数增幅明显，约为50%，尤其是结构的第2~7层，预制墙板水平连接部位首次形成明显的水平裂缝，同时连梁端部裂缝亦增加；当加速度峰值为0.700g和0.800g时，损伤指数亦逐渐增加，但增幅较小，水平裂缝沿连接部位有序延伸，第2层和第3层首次形成竖向微裂缝。

3) 各楼层在3条地震作用下的损伤指数变化趋势基本相似，但不同加速度峰值时因地震波时频特性不同，加之结构的动力特性变化，其损伤指数增幅存在差异，如B-WSM波在0.400g时增幅明显，DZC波在0.620g时增幅明显，ELW波在0.620g和0.800g时增幅明显。

图2　各楼层损伤指数

Fig.2　Damage index of each floor

图3所示为整体结构损伤指数沿工况的变化情况及性能水平的定义区间。由图3可见：3条地震波作用下结构的损伤指数随输入加速度峰值增大而增加，各条地震波曲线存在一定差异，但总体变化趋势基本一致，弹性阶段损伤较小，构件开裂形成裂缝进入弹塑性阶段后损伤增幅较快，最终结构竖向抗侧力构件损伤严重，但结构尚未形成倒塌。

图3　结构损伤指数

Fig.3　Damage index of structure

结构各楼层损伤指数中位移损伤与滞回耗能损伤在不同加速度峰值时比例不同，以结构损伤程度较严重的第3，4和5层为例，分析在不同加速度峰值时ELW波的位移和滞回耗能损伤，如图4所示。由图4可见：在加速度峰值为0.035g，0.070g和0.140g时位移损伤指数均比滞回耗能损伤指数大，说明在弹性阶段楼层位移是引起结构损伤的主要因素。随着输入结构加速度峰值的增大，结构的滞回耗能损伤指数逐渐增大，二者引起的损伤指数基本相近。当输入地震波加速度峰值(PGA)为0.620g，0.700g和0.800g时，滞回耗能的损伤指数明显大于位移损伤指数，即各楼层在塑性阶段滞回耗能起主要作用。采用双参数损伤模型计算结构各楼层损伤指数时，楼层位移与滞回耗能在结构不同性能状态下引起的损伤程度不同。

图4　位移损伤与滞回耗能损伤

Fig.4　Displacement damage and hysteretic energy damage

表7　高层装配式剪力墙结构各楼层损伤指数

Table 7　Damage indexes of each floor of high monolithic precast shear wall structure

4 损伤评价指标

4.1　层间位移角

关于性能水平的评价指标通常包括力、变形、能量、变形与能量组合，频率、刚度等参数，为了与现浇结构性能水平进行对比，选用层间位移角θ评价其性能水平，见表8。

高层装配式剪力墙结构按照我国抗震设防烈度为8度(0.200g)的要求进行设计，假定钢筋连接未发生黏结滑移破坏(采取可靠的构造措施与技术保证)，按照装配式结构的建造工艺制作。在加速度峰值(PGA)小于0.035g时，结构构件没有产生裂缝，处于弹性阶段，即当最大层间位移角小于1/1 500时，结构完全正常使用；在PGA小于0.070g时，结构竖向抗侧力构件无明显裂缝，仅个别剪跨比较小的连梁有细微斜裂缝产生，结构仍处于弹性阶段，限定最大层间位移角小于等于1/1 000时为“正常使用”性能；当PGA大于0.400g时，高层装配式结构下部楼层预制墙板叠合连梁结合面出现水平微裂缝，此时竖向抗侧力构件尚未遭受明显损伤，最大层间位移角为1/127，满足现浇剪力墙结构和装配式剪力墙结构弹塑性层间位移角限值^[17]，故将“生命安全”性能水平的层间位移角限值定义为1/120；此后，随着加速度峰值的增大，装配整体式结构预制墙板之间的水平裂缝沿结构高度方向扩展，且部分叠合连梁端部形成塑性铰，裂缝均匀分布于第1~11层，且第2层和第3层个别竖向连接部位形成微裂缝，以PGA为0.800g时结构的最大层间位移角为限值定义“难以修复”的性能水平，层间位移角调整后的最大值大于1/60时，定义其性能水平为“接近倒塌或倒塌”；当PGA为0.070g~0.400g时，裂缝发展较缓慢，均为叠合连梁端部的微裂缝，个别呈现明显裂缝，未损坏竖向抗侧力构件。为了安全起见，将“正常使用”和“生命安全”性能水平之间的层间位移角差值二等分，调整后的层间位移角量值定义为“立即使用”这一性能水平的分界点。

由表8可知：以层间位移角评价高层装配式剪力墙结构性能水平的状态与GB50010—2010“混凝土结构设计规范”^[18]中现浇剪力墙结构的限值略有不同，原因在于，现浇结构与装配式结构的破坏机理不同^[19]，前者主要体现于某一(部分)楼层结构构件的集中损伤，后者为由预制构件连接薄弱部位引起而均匀分布于整体结构高度方向的水平裂缝群和连梁端部集中损伤。二者破坏形态、裂缝发展规律和耗能方式的不同，引起结构在不同地震加速度峰值作用下地震响应的差异。

表8　层间位移角评价指标

Table 8　Evaluation index of inter-story drift

4.2　损伤指数

基于损伤性能的抗震设计方法，通过定义损伤指数来控制结构或构件的损伤程度。损伤指数D的范围应在[0，1]，当D=0时，对应震害情况下的完好状态；当D≥1时，意味着结构或构件完全破坏；损伤指数D为单调递增函数，即结构或构件的损伤呈增大趋势且不可逆。对于损伤指数的计算，不同学者提出了不同的计算模型^[20-23]，其中PARK等^[5-6]基于梁柱构件试验研究结果提出的双参数损伤模型具有明确的物理意义而被广泛应用，但仍存在一定不足。吕大刚等^[24-28]对此进行了修正，使其具有更广泛的适用性。本文基于层间变形和能量耗散的双参数损伤模型对高层装配式剪力墙结构的损伤状况进行分析，参考已有混凝土结构在不同性能水平下的损伤指数界限，结合振动台试验研究的裂缝分布形态、动力特性、层间变形、滞回耗能等地震响应，提出结构的双参数损伤模型，计算不同损伤状态下楼层和结构的损伤，综合分析后给出不同性能水平的损伤限值，见表9，其中0≤D<0.01为“完全正常使用”时的性能水平。

表9　不同性能水平的损伤界限值

Table 9　Damage index thresholds at different performance levels

5 整体结构损伤分析

根据高层装配式剪力墙结构地震模拟振动台试验的破坏形态和地震响应^[11]，结合双参数损伤模型计算结构各层损伤指数和层间位移角的性能水平量化指标，可以初步得出以下结论：当输入地震波加速度峰值为0.035g时，装配整体式结构的最大层间位移角为1/1 786(第5层)，结构在3条地震波作用下的整体损伤指数平均值为0.009，定义层间位移角限值为1/1 500和整体损伤指数为0.01为“完全正常使用”性能水平的限值，整体结构基本无损伤。当输入地震波加速度峰值为0.070g时，结构亦处于弹性阶段，其表面基本没有裂缝产生，其破坏等级基本完好，结构的最大层间位移角为1/1 020(第5层)，结构在3条地震波作用下的整体损伤指数平均值为0.018，定义层间位移角限值为1/1 000和整体损伤指数为0.03为“正常使用”性能水平的限值。当PGA为0.140g时，结构的最大层间位移角为1/452(第5层)，结构在3条地震波作用下的整体损伤指数平均值为0.055，结构表面仅有少量微裂缝产生，其破坏等级轻微破坏，定义层间位移角限值为1/400和整体损伤指数0.10为“立即使用”的性能水平限值。当PGA为0.220g时，结构的最大层间位移角为1/290，结构在3条地震波作用下的整体损伤指数平均值为0.104，结构表面的裂缝逐渐增加并延伸，其破坏等级为轻度破坏；当PGA为0.400g时，结构的最大层间位移角为1/127，结构在3条地震波作用下的整体损伤指数平均值为0.328，此阶段装配式结构下部楼层预制墙板连接部位表面开始呈现水平微裂缝，主要抗侧力构件开始受损，其破坏等级为轻度破坏，定义层间位移角为1/120和整体损伤指数为0.40为“生命安全”的性能水平限值。当PGA为0.620g，0.700g和0.800g时，结构在强震作用下进入塑性阶段，其最大层间位移角明显增大，结构在3条地震波作用下的整体损伤指数平均值分别为0.656，0.726和0.861，此阶段破坏状态较为严重，装配式结构预制墙板之间除顶层外，各层均产生水平裂缝，且部分水平裂缝贯穿现浇连接部位，同时，第2和第3层预制墙板之间开始呈现竖向微裂缝，此阶段破坏等级为严重破坏，定义层间位移角为1/60和整体损伤指数为0.90为“难以修复”性能水平限值。结束输入地震波后，装配整体式剪力墙结构受损严重，但尚未倒塌，说明具有较好的抗震性能，满足结构抗震性能设计的要求。

6 结论

1) 将装配式剪力墙结构的地震破坏等级划分为6级，即：I级，完好；II级，基本完好；III级，轻微破坏；IV级，中等破坏；V级，严重破坏；VI级，毁坏。并提出了对应的结构性能水平。

2) 在结构的弹性阶段主要产生楼层位移损伤，而滞回耗能损伤主要体现在结构的塑性阶段。

3) 基于改进的Park-Ang双参数损伤模型而提出的楼层位移和滞回耗能组合的楼层损伤指数，其分布规律与结构的破坏形态一致；以各层滞回耗能百分数为系数计算得到整体结构的损伤指数，与结构的破坏形态基本一致。

4) 基于层间位移角和损伤指数的性能水平量化指标可以有效评价高层装配式剪力墙结构的不同性能水平。

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（编辑 伍锦花）

收稿日期： 2019 -10 -25; 修回日期： 2019 -12 -25

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51908042, 51878544, 51878054)；中国博士后科学基金资助项目(2019M660051XB)；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(300102280101)；西安市建设科技计划项目(SZJJ 2019-25) (Projects(51908042, 51878544, 51878054) supported by the National Natural Science Foundation of China；Project(2019M660051XB) supported by China Postdoctoral Science Foundation; Project(300102280101) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities, Chang′an University; Project(SZJJ 2019-25) supported by Xi'an Construction Science and Technology Plan)

通信作者：秦朝刚，博士，讲师，从事装配式结构抗震性能研究；E-mail：qinchaogang415@126.com

摘要:基于混凝土剪力墙结构的地震损伤性能评估标准，并结合振动台试验研究中高层装配式剪力墙结构的不同地震响应，评估其地震损伤性能。根据地震波作用下结构主要抗侧力构件即预制剪力墙/现浇连接部位和耗能构件即叠合连梁的裂缝发生发展规律、破坏形态及地震响应，将其地震破坏等级划分为6级，给出相应的结构性能水平，并基于改进的Park-Ang双参数损伤模型，在不同加速度峰值时由各楼层的损伤指数求得结构的损伤指数；最终提出整体结构基于层间位移角和损伤指数的2类性能量化指标，以评价结构在地震作用下的性能状态。研究结果表明：各楼层位移损伤和滞回耗能损伤的相对比例可以反映结构在弹性和塑性状态下不同的损伤机理；基于层间位移角和结构损伤指数的性能量化指标可以有效评价高层装配式剪力墙结构的不同性能水平。