通过一种新型的双级耦合梁阻尼器实现抗震韧性：实验验证与快速修复

《Engineering Structures》：Seismic resilience through a novel double-stage coupling beam damper: Experimental validation and rapid repair

双阶段耦合梁阻尼器通过串联粘弹性与金属剪切单元及被动限位机制，实现地震多强度自适应耗能。实验表明其等效粘滞阻尼比达24.52%，累积耗能较传统金属阻尼器高250%，变形误差小于5%，并验证了45分钟内快速修复的可行性。

　　

潘恒毅|王海深|王涛|姜武|马晓波|潘鹏

中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨150080，中国

摘要

可更换式耦合梁阻尼器（RCBD）被越来越多地用于提高高层建筑的抗震性能。然而，传统的金属阻尼器在各种地震强度下往往难以提供足够的阻尼效果。为了解决这个问题，提出了一种新型的双级耦合梁阻尼器（DSCBD），它将粘弹性单元和金属剪切单元串联在一起，并结合了被动限制机制以实现分阶段激活。本研究旨在探讨DSCBD在耦合剪力墙子结构中的系统级抗震性能，并使用简化的梁-墙接头验证快速地震后修复方案。开发了一种专门的加载装置来模拟真实的边界条件。对装有DSCBD或传统金属剪切耦合梁阻尼器（MSCBD）的子结构进行了准静态和地震位移时程测试。结果表明，DSCBD表现出明显的双级迟滞行为，在罕见地震下达到了24.52%的等效粘性阻尼比，在频繁地震下的累积能量耗散比MSCBD高出250%。DSCBD系统的变形与理论预测非常吻合，偏差在5%以内。关键的是，简化的梁-墙接头保持了弹性，最大裂缝宽度低于0.3毫米。受损的耗能段在45分钟内成功更换。研究结果证实，所提出的DSCBD系统结合简化接头，有效满足了多级抗震性能要求，并实现了快速的地震后功能恢复，为提高结构抗震性能提供了实用方案。

引言

阻尼器已成为抗震设计中必不可少的能量耗散组件，特别是对于高层建筑[1]、[2]。这些结构通常依赖耦合剪力墙系统作为主要的侧向力抵抗机制。这种系统的显著侧向刚度有效减轻了地震响应，这一特性在主震-余震序列等复杂加载情况下尤为重要[3]、[4]。在这些系统中，耦合梁被设计为能量耗散元件，其刚度低于剪力墙墩，以集中塑性损伤并保护关键的墙墩[5]、[6]。然而，传统的钢筋混凝土（RC）和金属耦合梁通常与结构是一体的，这使得受损梁的地震后修复变得困难且成本高昂，从而阻碍了抗震性能的提高[7]。

可更换式耦合梁阻尼器（RCBD）的概念应运而生，以解决这一可修复性挑战。早期的实验工作证明了带有端板连接的可更换钢耦合梁的可行性[8]。后续研究进一步开发并验证了各种RCBD配置，强调了它们在集中损伤和实现低成本地震后修复或更换方面的有效性[9]、[10]。典型的RCBD包括两个不耗能的梁段，它们固定在墙墩上，以及一个中央的可更换能量耗散段[11]。中央段设计为发生塑性变形并通过迟滞行为吸收地震能量，从而减少结构响应[12]。因此，这个能量耗散段的构造配置和变形特性对RCBD的整体有效性至关重要[13]。

针对此类应用的阻尼器开发主要遵循了两种机制路径。一种专注于速度依赖型阻尼器，如粘弹性阻尼器，它们能够在结构速度较低时迅速激活以耗散能量[14]。然而，将其集成到耦合梁中可能受到空间限制[15]。同时，人们也投入了大量精力研究位移依赖型阻尼器，尤其是金属屈服阻尼器，它们通过循环塑性变形实现大量能量耗散[16]、[17]。传统金属阻尼器的一个主要局限性是在结构弹性阶段几乎不耗散能量，这使得它们在频繁、低强度的地震中无效[18]。因此，单屈服点阻尼器难以在不同地震强度下满足性能要求，限制了结构抗震性能的提高[19]。

为了解决这些挑战，开发了一种新型的可更换式耦合梁阻尼器——DSCBD[20]。其能量耗散段串联了粘弹性阻尼器、限制机制和金属剪切阻尼器，结合了速度依赖型和位移依赖型阻尼器的优点。关键创新在于其双级变形机制。被动限制机制确保一旦超过预设的变形阈值，能量耗散阻尼器会自动从粘弹性单元切换到金属剪切单元，从而适应不同的地震强度。这种设计允许单个阻尼器在不同地震强度下满足抗震性能要求，而无需额外的安装空间。DSCBD的安装配置、变形模式和示意图详见图1。

虽然之前的组件级测试验证了DSCBD的基本机制，但在实际应用中仍存在重大差距。组件测试使用简化的边界条件，与真实耦合剪力墙系统内的复杂运动和动态行为存在脱节[21]、[22]。一些关键的系统级问题尚未解决：（1）在具有特定基本周期的结构中，粘弹性单元的频率依赖性能及其动态放大效应[23]；（2）DSCBD与周围墙墩在整个过程中的全范围变形兼容性[24]、[25]；（3）快速修复概念的有效性，这严重依赖于梁-墙接头的性能。虽然提出了简化接头以降低施工难度，但其保持弹性和快速更换阻尼器的能力仍需验证[26]、[27]。这些问题需要超出组件级别的测试来解答。

目前关于耦合梁阻尼器在真实结构中性能的实验研究主要依赖于大规模测试。一种常见的方法是测试多层二维框架子结构来评估RCBD的性能[28]、[29]。然而，这样的设置需要较高的执行器容量，并使动态加载应用变得复杂。因此，分析师通常依赖数值模拟来研究结构动态响应[30]、[31]，而这些模型的准确性需要进一步验证。振动台测试提供了一种评估RCBD在地震条件下对结构行为影响的替代方法。使用三维试样可以合理考虑双向地震激励[32]。常见的做法是设计大型多层结构[33]或小型单层结构[34]。然而，振动台测试的要求高且具有破坏性，难以广泛采用。一个实用的替代方案是在模拟边界条件下测试一个具有代表性的真实子结构。

为了解决这些关键问题，本研究在结构子系统层面进行了全面的实验研究。主要创新在于评估DSCBD在真实耦合剪力墙子结构中的整体系统性能，同时考虑了准静态和动态加载。具体来说，本研究：（1）提出并详细说明了一种新的测试装置，该装置能够准确模拟具有创新简化梁-墙接头的耦合剪力墙子系统的边界条件和变形模式；（2）使用该装置进行比较实验，评估DSCBD系统在准静态循环和动态加载下的抗震性能；（3）系统地研究了关键问题：频率依赖性、极限承载能力、变形兼容性、动态响应，以及——最重要的是——所提出的接头实现的快速修复能力。研究结果提供了经过验证的性能数据和对这种双级阻尼技术在韧性剪力墙结构中基于性能的设计和实施的实用见解。

部分摘录

带DSCBD系统的耦合剪力墙子结构设计

所提出的DSCBD是一种具有双级能量耗散能力的可更换式阻尼器。其核心创新在于能量耗散段内串联了粘弹性阻尼器、限制机制和金属剪切阻尼器。特别设计的限制机制实现了两种能量耗散阶段之间的被动切换。这使得粘弹性阻尼器能够在小变形下迅速响应，提供额外的阻尼，然后

测试装置细节

为了准确模拟耦合剪力墙典型运动加载条件下的耦合梁阻尼器的变形行为和性能，基于一个工程应用案例设计了一个全尺寸的专用子结构加载装置，如图7(a)所示。该装置包括两个预浇筑的预应力混凝土剪力墙墩、墩顶的两个加载梁和底部的两个基础梁。轴向铰链连接了加载梁，以确保

频率依赖性测试的迟滞曲线

试样C-DS在第一阶段循环加载协议下的迟滞曲线如图13所示，其中横轴表示根据公式(8)计算的整体加载装置的层间位移角。在指定的层间位移角范围内，所有迟滞曲线在加载情况下都显示出稳定的椭圆形，没有明显的刚度下降。能量耗散段的相对剪切变形没有超过

结论

本研究通过实验评估了两种不同RCBD（传统金属剪切耦合梁阻尼器（MSCBD）和新型双级耦合梁阻尼器（DSCBD）在耦合墙子结构中的抗震性能。在循环和地震位移时程加载下，研究了它们的失效模式、迟滞行为和锚固性能。主要结论如下：

• (1)
  在循环加载下，DSCBD的等效粘性阻尼比为

CRediT作者贡献声明

马晓波：验证。 潘鹏：撰写——审阅与编辑，概念化。 潘恒毅：撰写——初稿，验证，正式分析，概念化。 王海深：撰写——审阅与编辑，方法论，研究，概念化。 王涛：撰写——审阅与编辑，监督。 姜武：验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家关键研发计划（项目编号：2022YFC3803000）、国家自然科学基金（项目编号：52438010）和北京科技计划（项目编号：Z161100001216015）提供的财务支持。作者还感谢清华大学创新科研计划提供的财务支持。