具备变摩擦力耗能的减震隔墙设计方法

本发明涉及建筑结构的减震，具体涉及具备变摩擦力耗能的减震隔墙设计方法。

背景技术：

1、为满足建筑室内空间分隔、保温隔音等需求，隔墙被广泛应用于建筑结构。在新建建筑的设计和既有建筑的评估中，隔墙被认为是一种自承重的非结构构件，不参与主体结构受力。然而，实际地震灾害现象和现有研究结果表明，隔墙与周围主体结构协同受力、相互约束效应显著。因此，建筑结构中的隔墙通常会大幅提高结构的抗侧刚度，进而减小结构的自振周期、增大结构承受的地震作用，并同时造成隔墙自身发生严重损坏，为震后快速修复带来困难与挑战。

2、结构抗震韧性背景下，具备低损伤特性的减震隔墙技术方案应运而生，其主要技术特点是一方面表现为通过柔性连接切断隔墙与周围结构的传力路径，释放约束效应、降低墙体损伤；另一方面表现为通过利用结构的层间变形对隔墙引入消能减震技术以实现隔墙具备耗散地震能量的功能。如图1所示，目前对隔墙引入消能减震技术的主要实现路径包括在隔墙顶部(图1的(a))、中部(图1的(b))或底部(图1的(c))设置减震层(或耗能单元)。专利cn202310941227.5公开了一种在隔墙底部设置减震层，并由顶部驱动隔墙发生变摩擦力滑动耗能的技术方案，至少具备以下优点：

3、(1)相较于cn201110156375.3公布的一种在隔墙中部设置减震层的技术方案，采用在隔墙底部设置减震层，并由顶部驱动发生滑动耗能的技术方案，可在相同的层间位移下最大化提高隔墙的滑动位移，进而提高隔墙的摩擦阻尼力-滑动位移曲线包络面积、增大隔墙的累计耗能能力。

4、(2)隔墙设置减震层通常意味着其在地震作用下将沿减震层发生滑动变形，因此会不可避免地造成隔墙主体墙面出现滑动贯穿裂缝，增加建筑物震后修复的成本与时间。将减震层设置于隔墙底部，可较好地将滑动裂缝控制在地板以下，避免隔墙主体发生明显损伤，使得震后通常仅需对隔墙底部进行简单修复即可恢复至震前正常使用状态。

5、(3)专利cn202310941227.5公开的一种减震隔墙，其突出技术特征与优势在于可随地震强度、层间位移、节点转角的增加而提高滑动摩擦阻尼力，因此具备一定的自适应耗能功能。需要注意到的是，如优点(3)所述的技术特征较以往的减震隔墙技术方案(如采用恒定摩擦力耗能或粘弹性阻尼层耗能)具有更高的耗能水平，因此理论上可为结构提供一定的附加阻尼、增加结构的消能减震能力。

6、考虑现有技术方案中减震隔墙(如专利cn201110156375.3、cn201810470671.2、cn201910901409.3、cn202210367123.3等)提供的阻尼力通常较小，所以目前更多把减震隔墙看作是一种提高结构安全储备和提升隔墙抗震韧性的构造措施，而鲜有将减震隔墙看作是一种可为结构提供附加阻尼的构件，更缺少与之匹配的相关设计方法。然而，一种在隔墙底部设置减震层，并由顶部驱动隔墙发生变摩擦力滑动耗能的技术方案较以往方案可提供相对更高的摩擦阻尼力和更大的滑动位移，因此如何合理考虑此类减震隔墙对结构附加阻尼和抗震设计的影响，并将这种影响参数化为减震隔墙的设计方法具有重要工程意义和科学价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供具备变摩擦力耗能的减震隔墙设计方法。该设计方法在充分考虑减震隔墙对结构附加阻尼和抗震设计影响的同时，将减震隔墙的关键设计参数与上述影响关联，使减震隔墙可根据结构的预期设计目标进行参数化设计和调整，进而实现减震隔墙设计的有章可循，协同提升隔墙和结构的抗震韧性。

2、为实现本发明的目的，本发明提供的具备变摩擦力耗能的减震隔墙设计方法，包括以下步骤：

3、步骤1：建立不考虑隔墙抗侧刚度的空框架模型，计算结构在地震作用下的层间剪力和层间位移；

4、步骤2：根据步骤1得到的层间剪力和层间位移，计算结构的弹性应变能we，并确定结构中减震隔墙为结构提供的预期附加阻尼比ξa0；

5、步骤3：根据单组减震隔墙的摩擦阻尼力-滑动位移曲线，建立结构中减震隔墙的总摩擦滞回耗能wd与单组减震隔墙摩擦阻尼力fhu1、fhu2和目标滑动位移δh的关系式并计算总摩擦滞回耗能wd：

6、wd＝∑wd,i＝∑(2fh0,i+fhu1,i+fhu2,i)δh,i

7、fh0,i＝nfh0 fhu1,i＝nfhu1 fhu2,i＝nfhu2

8、式中，wd,i为结构第i层所有单组减震隔墙的总摩擦滞回耗能；n为第i层减震隔墙或减震隔墙组的数量；δh,i为第i层单组减震隔墙的目标滑动位移；fh0,i为第i层所有单组减震隔墙的总滑动起滑力；fh0为第i层单组减震隔墙的滑动起滑力，根据滑动摩擦系数和单组减震隔墙的自重计算；fhu1,i为第i层所有单组减震隔墙的第一摩擦阻尼力之和；fhu1为对应的单组减震隔墙的第一摩擦阻尼力；fhu2,i为第i层所有单组减震隔墙的第二摩擦阻尼力之和；fhu2为对应的单组减震隔墙的第二摩擦阻尼力。

9、步骤4：求解减震隔墙为结构提供的计算附加阻尼比ξa，并将计算附加阻尼比ξa与预期附加阻尼比ξa0联立比较，若满足预期设计目标(ξa≥ξa0)则确定单组减震隔墙的第一摩擦阻尼力fhu1和第二摩擦阻尼力fhu2，反之则继续调整，直至满足预期设计目标；其中，计算附加阻尼比ξa参考下式求解：

10、

11、步骤5：根据单组减震隔墙中弹性件的竖向压力需求和弹性变形需求，设计弹性件构造，其中弹性件的竖向刚度实际设计值kb,d和弹性变形需求δy应同时满足下式：

12、

13、

14、式中，γ为设计容许误差；kb为弹性件的竖向刚度理论需求值；fb为弹性件对减震隔墙的竖向压力，可由步骤4确定基本需求；为单组减震隔墙所在外围框架的层间位移角；lb为弹性件下压点至柱段中心线的垂直距离；λ为刚体框架变形机制和实际框架变形机制的差异系数；

15、步骤6：根据单组减震隔墙的第一摩擦阻尼力fhu1，计算抗剪连接件间连接处的抗剪承载力vs，并设计抗剪连接件间的连接形式与构造；

16、步骤7：对单组减震隔墙下部外包加强盒附近的混凝土墙板进行损伤控制验算；

17、步骤8：完成具备变摩擦力耗能的减震隔墙设计。

18、进一步地，步骤1中所述层间剪力、层间位移的计算方法包括但不限于底部剪力法、时程分析法、pushover法等。

19、进一步地，步骤2中所述结构的弹性应变能可按下式简化计算：

20、

21、式中，we,i为结构第i层的弹性应变能；qi为结构第i层的层间剪力，δi为结构第i层的层间位移。

22、进一步地，步骤2中，考虑隔墙是房屋建筑中数量最多、分布最广的构件之一，因此对单组减震隔墙提供的摩擦阻尼力需求不应过高，应通过在结构中均匀而广地布置减震隔墙而实现预期的消能减震目标。

23、进一步地，步骤2中所述减震隔墙为结构提供的预期附加阻尼比ξa0可根据结构层间位移角进行确定。

24、进一步地，步骤3中所述单组减震隔墙的摩擦阻尼力-滑动位移曲线如图2所示，其横坐标为单组减震隔墙的滑动位移δw，纵坐标为单组减震隔墙的摩擦阻尼力fh。

25、进一步地，所述摩擦阻尼力-滑动位移曲线可通过7个特征点依次首尾闭合连接确定，包括0点和a点～f点；所述0点为坐标0点；所述a点为单组减震隔墙克服最大静摩擦力后恰好发生滑动时的特征点，对应坐标为(0,fh0)，fh0为单组减震隔墙的滑动起滑力；所述b点为单组减震隔墙由a点滑动至正向目标滑动位移δh的特征点，对应坐标为(δh,fhu1)，fhu1为单组减震隔墙在该状态下的摩擦阻尼力；所述c点为单组减震隔墙由正向目标滑动位移δh点向0点滑回时恰好发生转变的特征点，此时认为隔墙的滑动位移保持不变(即δw＝δh)，但摩擦阻尼力的方向和大小改变，对应坐标为(δh,-fhu2)，-fhu2为单组减震隔墙在该状态下的摩擦阻尼力；所述d点为单组减震隔墙由c点滑回至0点的特征点，对应坐标为(0,-fh0)，-fh0为单组减震隔墙在该状态下的摩擦阻尼力；所述e点为单组减震隔墙由d点滑动至负向目标滑动位移-δh的特征点(与特征点b相似，不再赘述)，对应坐标为(-δh,-fhu1)，-fhu1为单组减震隔墙在该状态下的摩擦阻尼力；所述f点为单组减震隔墙由负向目标滑动位移-δh点向0点滑回时恰好发生转变的特征点(与特征点c相似，不再赘述)，对应坐标为(-δh,fhu2)，fhu2为单组减震隔墙在该状态下的摩擦阻尼力。

26、进一步地，所述fhu1和fhu2可被分别定义为单组减震隔墙的第一摩擦阻尼力和第二摩擦阻尼力。

27、进一步地，基于单组减震隔墙的外围框架是刚体变形的假设，所述第一摩擦阻尼力fhu1和第二摩擦阻尼力fhu2的计算方法参考下式：

28、

29、

30、κ＝μ1sη1+μ1sη2+μ1cη3

31、κ'＝μ1sη'1+μ1sη'2+μ1cη'3

32、式中，fb为弹性件对单组减震隔墙的竖向压力；gw为单组减震隔墙的总重力；μ1s和μ1c分别为单组减震隔墙中下部外包加强盒和局部垫板之间的摩擦系数和混凝土-摩擦减震层间的摩擦系数；μ2s为单组减震隔墙顶部滑动驱动点和水平传力卡件间的摩擦系数；η1、η2为单组减震隔墙由0点滑动至正向(或负向)目标滑动位移时隔墙底面两角部的法向压力分配系数，η3为单组减震隔墙由0点滑动至正向(或负向)目标滑动位移时隔墙底面中部的法向压力分配系数；η'1、η'2为单组减震隔墙由正向(或负向)目标滑动位移滑回0点时隔墙底面两角部的法向压力分配系数，η'3为单组减震隔墙由正向(或负向)目标滑动位移滑回0点时隔墙底面中部的法向压力分配系数；κ为第一摩擦阻尼力计算系数，κ'为第二摩擦阻尼力计算系数。

33、进一步地，步骤4中所述的单组减震隔墙的第一摩擦阻尼力fhu1和第二摩擦阻尼力fhu2应根据需求进行计算调整；需要注意的是，由于步骤2中所述的层间剪力和层间位移是基于空框架模型而未考虑减震隔墙抗侧力贡献求解得到的，因此在步骤4中可根据实际工程需要将各层减震隔墙的第一摩擦阻尼力叠加至对应的结构层间剪力后，重新验算计算附加阻尼比(此时可称为修正计算附加阻尼比ξ'a)与预期附加阻尼比ξa0的关系，若仍满足要求则继续下一步，否则重复步骤1～4直至满足预期设计目标；

34、进一步地，步骤5中所述的弹性件设计，应根据单组减震隔墙的摩擦阻尼力确定弹性件的竖向刚度理论需求值，并应保证弹性件的弹性变形需求不小于弹性件的最大下压变形；

35、进一步地，步骤6中所述抗剪连接件间连接处的抗剪承载力vs是以单组减震隔墙中隔墙板不发生翘动和隔墙板间不发生相对滑动变形为控制目标提出的，抗剪承载力vs要满足

36、vs≥ψv

37、

38、式中，ψ为单个抗剪连接件间连接处的剪力调整系数；v为抗剪连接件间连接处预计承受的最大临界剪力(效应)；hw为单组减震隔墙底面至顶部滑动驱动点的距离；μ2s为单组减震隔墙顶部滑动驱动点和水平传力卡件间的摩擦系数；bw为单组减震隔墙中单块隔墙板的宽度；fb为弹性件对单组减震隔墙的竖向压力；x为弹性件集中荷载作用点至第一块隔墙板右侧边缘的距离；gw1为单组减震隔墙中第一块隔墙板的重力；gw为单组减震隔墙的总重力；μ1c为和混凝土-摩擦减震层间的摩擦系数；β为安全储备系数；h1为第一块隔墙板受到的水平抗力的作用点至隔墙板底面的距离；

39、进一步地，步骤7中所述减震隔墙的损伤控制验算方法是以减震隔墙角部外包加强盒内的混凝土不会先于外包加强盒外的混凝土发生破坏为前提提出的，验算方法参考下式：

40、σc≤[αfc]

41、

42、式中，σc为所述单组减震隔墙下部外包加强盒附近的混凝土压应力；α为混凝土墙板进行损伤控制验算时的安全系数；fc为所述单组减震隔墙中混凝土材料的轴心抗压强度；μ2s为单组减震隔墙顶部滑动驱动点和水平传力卡件间的摩擦系数；fhu1为单组减震隔墙的第一摩擦阻尼力；ω为混凝土墙板进行损伤控制验算时的面积折减系数；ac为所述减震隔墙下部外包加强盒的投影面积；fb为弹性件对单组减震隔墙的竖向压力；gw为单组减震隔墙的总重力。

43、与现有技术方案相比，本发明提供的具备变摩擦力耗能的减震隔墙的设计方法，将进一步完善和丰富此类技术特征的减震隔墙技术体系，为减震隔墙的设计方法和工程推广提供一定参考和技术支撑，并至少能够实现以下有益效果：

44、1.明确变摩擦力减震隔墙工作机制

45、与现有技术方案相比，本发明厘清了具备变摩擦力耗能的减震隔墙的受力特性，提出了具备变摩擦力耗能的减震隔墙的典型恢复力曲线(即所述摩擦阻尼力-滑动位移曲线，参阅图2)，建立了典型恢复力曲线的计算预测方法，明确了此类减震隔墙的工作机制与耗能机理，进而可实现减震隔墙损伤控制能力和附加耗能水平的协同提升，为具备变摩擦力耗能的减震隔墙的参数化设计提供参考。

46、2.协同提升隔墙与结构的抗震韧性

47、鉴于具备变摩擦力耗能的减震隔墙较现有技术方案可提供更高的阻尼力和更大的相对滑动位移，因此本发明提供的具备变摩擦力耗能的减震隔墙的设计方法考虑了此类减震隔墙对结构附加阻尼和抗震设计的影响，通过将减震隔墙的弹性件、抗剪连接件等组件与结构附加阻尼建立联系，使减震隔墙可根据结构的设计目标进行设计与调整，进而实现减震隔墙及含减震隔墙结构设计的有章可循，协同提升隔墙和结构的抗震韧性。