地震工程与工程振动

物理量	相似关系	相似比	物理量	相似关系	相似比
应力	S_σ	0.67	频率		4.47
弹性模量	S_E	0.67	时间		0.22
等效密度		3.33	重力加速度	S_g	1.00
长度	S_l	0.10	加速度		2.00

物理量	相似关系	相似比	物理量	相似关系	相似比
应力	S_σ	0.67	频率		4.47
弹性模量	S_E	0.67	时间		0.22
等效密度		3.33	重力加速度	S_g	1.00
长度	S_l	0.10	加速度		2.00

模型	烈度	峰值/g	地震激励	工况编号	模型	烈度	峰值/g	地震激励	工况编号
F模型	7度设防	0.05	第1次白噪声	WN-1-X	FR模型	7度设防	0.05	第4次白噪声	WN-4-X
0.20	El Centro	EW-x0.2-F	0.20	El Centro	EW-x0.2-FR
0.20	Taft	TW-x0.2-F	0.20	Taft	TW-x0.2-FR
0.20	人工波	AW-x0.2-F	0.20	人工波	AW-x0.2-FR
8度设防	0.05	第2次白噪声	WN-2-X	8度设防	0.05	第5次白噪声	WN-5-X
0.40	El Centro	EW-x0.4-F	0.40	El Centro	EW-x0.4-FR
0.40	Taft	TW-x0.4-F	0.40	Taft	TW-x0.4-FR
0.40	人工波	AW-x0.4-F	0.04	人工波	AW-x0.4-FR
	0.05	第3次白噪声	WN-3-X		0.05	第6次白噪声	WN-6-X

模型	烈度	峰值/g	地震激励	工况编号	模型	烈度	峰值/g	地震激励	工况编号
F模型	7度设防	0.05	第1次白噪声	WN-1-X	FR模型	7度设防	0.05	第4次白噪声	WN-4-X
0.20	El Centro	EW-x0.2-F	0.20	El Centro	EW-x0.2-FR
0.20	Taft	TW-x0.2-F	0.20	Taft	TW-x0.2-FR
0.20	人工波	AW-x0.2-F	0.20	人工波	AW-x0.2-FR
8度设防	0.05	第2次白噪声	WN-2-X	8度设防	0.05	第5次白噪声	WN-5-X
0.40	El Centro	EW-x0.4-F	0.40	El Centro	EW-x0.4-FR
0.40	Taft	TW-x0.4-F	0.40	Taft	TW-x0.4-FR
0.40	人工波	AW-x0.4-F	0.04	人工波	AW-x0.4-FR
	0.05	第3次白噪声	WN-3-X		0.05	第6次白噪声	WN-6-X

地震波	参数	PGA=0.2 g	PGA=0.4 g
El Centro波	a_F	5.31	5.23	4.80	4.68	2.16	8.34	8.00	6.17	5.79	4.08
a_FR	4.68	4.37	3.83	3.51	2.02	5.34	4.85	4.15	3.94	3.89
R_FR/%	11.86	16.44	20.21	25.00	6.48	35.97	39.38	32.74	31.95	4.66
Taft波	a_F	5.86	5.13	4.90	5.42	2.44	8.15	7.24	5.69	5.65	3.99
a_FR	5.03	4.64	4.14	3.73	2.24	6.55	5.99	5.03	4.18	3.91
R_FR/%	14.16	9.55	15.51	31.18	8.20	19.63	17.27	11.60	26.02	2.01
人工波	a_F	5.68	4.95	4.28	3.96	2.34	8.95	7.96	6.26	5.60	4.13
a_FR	4.80	4.53	3.59	3.51	2.27	5.61	5.76	4.11	4.43	3.95
R_FR/%	15.49	8.48	16.12	11.36	2.99	37.32	27.64	34.35	20.89	4.36

地震波	参数	PGA=0.2 g	PGA=0.4 g
El Centro波	a_F	5.31	5.23	4.80	4.68	2.16	8.34	8.00	6.17	5.79	4.08
a_FR	4.68	4.37	3.83	3.51	2.02	5.34	4.85	4.15	3.94	3.89
R_FR/%	11.86	16.44	20.21	25.00	6.48	35.97	39.38	32.74	31.95	4.66
Taft波	a_F	5.86	5.13	4.90	5.42	2.44	8.15	7.24	5.69	5.65	3.99
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R_FR/%	14.16	9.55	15.51	31.18	8.20	19.63	17.27	11.60	26.02	2.01
人工波	a_F	5.68	4.95	4.28	3.96	2.34	8.95	7.96	6.26	5.60	4.13
a_FR	4.80	4.53	3.59	3.51	2.27	5.61	5.76	4.11	4.43	3.95
R_FR/%	15.49	8.48	16.12	11.36	2.99	37.32	27.64	34.35	20.89	4.36

RC框架-摇摆墙式减震结构振动台试验研究

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聂伟 ¹^,² , 熊咸玉 ¹ , 魏晓刚 ³ , 白春 ⁴^,⁵ , 刘先省 ²

地震工程与工程振动 | 2025,45(2): 227-237

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地震工程与工程振动 | 2025, 45(2): 227-237

RC框架-摇摆墙式减震结构振动台试验研究

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聂伟¹^,², 熊咸玉¹, 魏晓刚³, 白春⁴^,⁵, 刘先省²

作者信息

^1.河南财经政法大学管理科学与工程学院，河南郑州 450046

^2.河南大学计算机与信息工程学院，河南郑州 450046

^3.郑州航空工业管理学院土木与环境学院，河南郑州 450046

^4.江河创建集团股份有限公司，北京 101300

^5.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000

聂伟（1992—），女，讲师，博士，主要从事工程结构防灾减灾研究。E-mail：nwstudy@163.com

通讯作者:

熊咸玉（1992—），女，讲师，博士，主要从事岩土工程研究。E-mail：xiongxianyu520@163.com

Study on shaking table test of RC frame-rocking wall damping structure

Wei NIE¹^,², Xianyu XIONG¹, Xiaogang WEI³, Chun BAI⁴^,⁵, Xiansheng LIU²

Affiliations

^1.School of Management Science and Engineering, Henan University of Economics and Law, Zhengzhou 450046, China

^2.School of Computer and Information Engineering, Henan University, Zhengzhou 450046, China

^3.School of Civil and Environmental Engineering, Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450046, China

^4.Jianghe Group Company Limited, Beijing 101300, China

^5.School of Civil Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China

出版时间: 2025-04-24 doi: 10.13197/j.eeed.2025.0222

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摘要

收起

针对摇摆墙的特殊性能要求使其在工程运用中陷入施工工艺、摇摆幅度和成本控制等方面的困局，综合经济效益、施工方便、震后易更换等理念，发明了一种连接框架与摇摆墙的耗能连接装置以及摇摆墙摇摆可控的铰支座；基于此，利用摇摆墙结构的构造优势以及被动控制技术的减震原理，提出了一种新型的钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）框架-摇摆墙式减震结构。为研究该结构的抗震性能，设计了缩尺比例为1/10的6层框架结构和框架-摇摆墙式减震结构，通过振动台试验研究这2种结构模型在不同地震作用下的动力特性、加速度反应、位移反应，描述了模型结构的破坏模式以及抗震性能。结果表明，摇摆墙式减震系统能够有效消耗地震输入能量，衰减结构的动力响应，使结构最大加速度峰值和最大位移峰值降低率分别达到36%和20.15%，而且能够利用被动减震的原理有效抑制主结构的振动，改善框架结构的侧向变形模式，延缓结构的损伤进程，提高结构的整体抗震能力。

关键词

框架-摇摆墙式减震结构 / 被动控制 / 振动台试验 / 累积损伤 / 抗震性能

Abstract

收起

In view of the special performance requirements of the rocking wall, the rocking wall structure is often trapped in the dilemma of construction technology, rocking range and cost control in engineering application. Based on the concepts of economic benefits, convenient construction, and easy replacement after earthquake, an energy-consuming connection device between the frame and the rocking wall was developed. Additionally, a hinge support with controllable swing of the rocking wall was also designed for the test models. Thus, a new type of reinforced concrete (RC) frame-rocking wall damping structure is proposed by loveraging the structural advantages of the rocking wall structures and the principle of passive control technology. Then, 1/10 scale shaking table tests of six-story RC frame structure and RC frame-rocking damping wall were conducted to verify the effectiveness of the structure. The dynamic characteristics, acceleration response, and displacement response of the test models under different earthquakes were studied by shaking table tests. The failure mode and seismic performance of the test models were also described. The results show that the rocking wall damping system can effectively consume seismic input energy and attenuate structural dynamic response, reducing the maximum peak acceleration and the maximum peak displacement of the structure by 36% and 20.15%, respectively. Moreover, the rocking wall damping structure can also effectively suppress the vibration of the main structure by using the principle of passive damping, improving the lateral deformation mode of the frame structure. Additionally the damage process of the structure is delayed, enhanced the overall seismic capacity of the structure.

Key words

frame-rocking wall damping structure / passive control / shaking table test / cumulative damage / seismic performance

引用本文

聂伟, 熊咸玉, 魏晓刚, 白春, 刘先省. RC框架-摇摆墙式减震结构振动台试验研究. 地震工程与工程振动, 2025 , 45 (2) : 227 -237 . DOI: 10.13197/j.eeed.2025.0222

Wei NIE, Xianyu XIONG, Xiaogang WEI, Chun BAI, Xiansheng LIU. Study on shaking table test of RC frame-rocking wall damping structure[J]. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics, 2025 , 45 (2) : 227 -237 . DOI: 10.13197/j.eeed.2025.0222

正文

收起

0　引言

收起

钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）框架结构是多层公共建筑（如学校、行政办公室和博物馆等）中使用最广泛的一种结构体系^[1]，且抗震要求相对较高，但大量震害结果表明，房屋建筑的破坏与倒塌是造成地震中巨大人员伤亡和财产损失的主要原因^[2]，且RC框架结构在强震下的抗震性能无法可靠地预测和控制^[3]，常表现出典型的薄弱层倒塌破坏，造成的经济损失和社会影响巨大，其中很大一部分的经济损失是由于震后建筑物受损严重，难以修复，或者修复时间过长，建筑功能中断，影响正常的生产和生活^[4]。虽然非结构构件的破坏对建筑主体结构安全影响较小，但威胁着人们的生命和财产安全，影响正常的生产和生活^[5]。因此，随着全国城镇化率的不断增加，如何降低建筑结构的损伤，实现“中小地震无影响，强大地震无伤亡，特大地震不混乱，震后恢复速度快，社会发展可持续”的城市抗震韧性目标，是国际防灾减灾领域最新的前沿课题^[6]。而在延性框架中安装摇摆墙，并以此为载体设置消能器，形成基于摇摆机制的消能减震框架，是实现结构功能可恢复性的一种解决方法，也是韧性城市建设与发展的重大需求。

摇摆墙结构是结构抗震设计概念的一种新技术，属于自复位结构的一种新型结构形式^[7]，在“可恢复功能城市”建设领域中有着较好的应用前景。目前，国内外学者对框架-摇摆墙结构体系在设计方法^[8]、整体结构抗震性能与破坏模式^[9]、摇摆墙与框架连接方式^[10]等方面进行了大量研究，并对摇摆墙结构优良的减震效果进行了证明^[1，8，11]。其中摇摆墙与框架相连的节点构造以及摇摆墙与基础的连接是实现该结构体系的关键技术。为了解决摇摆墙结构中的关键技术问题，QU等^[11]、曹海韵等^[12]、张富文等^[13]以及董金芝等^[14]从不同角度出发，设计了不同的连接构件并通过试验研究证明了连接构件的有效性。虽然摇摆墙能显著提高框架结构的抗震性能，但目前仅有个别工程实例^{[7，11，15]}，尚未形成成熟的设计和建造方法。而且，工程实例中所用的连接形式，大多数价格昂贵且工作效率较低^[11，15]，这是因为摇摆墙与主结构之间常采用大量的位移型阻尼器来增加耗能，由于摇摆墙与框架主结构之间的相对位移较小，导致阻尼器屈服耗能较小，利用率偏低，且造价较高，阻尼器的特性在一定程度上限制了其在实际工程中的应用。此外，面对我国框架结构存在量大面广的特点，框架与摇摆墙之间连接结构设计的复杂性以及繁琐性，使摇摆墙结构在实际工程中普适性较低。

综合经济效益、施工方便和震后易修复等因素，本文在前期研究的连接构件^[16]基础上设计了一种新型连接框架与摇摆墙的耗能连接结构，并根据摇摆墙的摇摆振动特性研制了一种摇摆墙摇摆可控的铰支座，结合被动控制技术的减震原理以及摇摆墙结构的构造优势，提出了一种RC框架-摇摆墙式减震结构。为了验证该新型结构的有效性，根据相似原理设计并制作了1∶10的缩尺试验模型，采用地震模拟振动台试验研究了框架结构以及框架-摇摆墙式减震结构分别在不同强度的El Centro波、Taft波、人工波激励下的抗震性能，证明了该结构的减震有效性，为框架-摇摆墙结构的应用推广提供了基础性的分析方法。

1　振动台模型试验设计

收起

1.1　工程概况

为了研究摇摆墙式减震装置的振动控制效果，采用PKPM软件分别设计了普通RC框架结构（F模型）以及RC框架-摇摆墙式减震结构（FR模型）。结构模型共6层，层高为3 m，各层平面布置相同，X与Y方向各取2跨，轴间距均为4 m。建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第1组，结构抗震设防烈度为7度（0.1 g）和8度（0.2 g）。混凝土采用C30，钢筋选择HRB335，箍筋选择HPB300。柱截面尺寸为600 mm×600 mm，梁截面尺寸为300 mm×600 mm，楼面板与屋面板厚度均为120 mm。由于试验条件限制，张敏政^[17]根据Bukingham π定理，通过定义等效密度建立的设置任意附加质量的“一致相似律”确定模型试验设计的相似关系，试验模型的缩尺比例为1∶10，其他物理参数的相似关系如表1所示。为了施工方便，参考贾剑辉等^[18]提出的摇摆墙与框架结构的刚度比计算方法，初步确定缩尺模型中摇摆墙的尺寸为30 mm×180 mm×1800 mm，验算可得结构已经基本具有稳定的整体破坏机制，满足设计要求。试验模型采用微粒混凝土和镀锌铁丝制成，模型结构的平面尺寸如图1（a）所示，楼层连接构件的设计（L示意图）在后文进行详细介绍，按照普通混凝土力学性能试验方法对微粒混凝土试块进行力学性能测试，测得平均抗压强度为24.65 MPa，弹性模量为2.13×10⁴ MPa，最终的试验模型如图1（b）所示。

1.2　模型设计中的关键技术

1）模型底座以及不同材料构件连接的设计

首先，在进行振动台试验时，为6层缩尺模型专门设计了一种连接试验模型和振动台台面的底座^[19]，如图2所示。该发明装置不仅可以实现模型结构与刚性振动台台面的连接，还可以用来分析地表建筑物在不同地基沉降下的抗震稳健性，本文不考虑地基的沉降。其次，为了实现刚性底座与混凝土模型的连接，发明了不同材料属性构件的连接方法与装置，具体可以参考专利[20]中的介绍。

2）楼层连接装置的设计

为了实现摇摆墙式减震装置与主结构之间的连接，发明了一种经济实用，构造简单，震后易更换且适合工程运用的连接构件^[16]。为了摇摆墙结构更好地摆动和更换，本文在此连接构件的基础上进行了改进，设计了如图3（a）所示的连接框架与摇摆墙的连接装置，该装置由1根带有螺纹的延性螺杆、与之配套的2个螺母、弹簧以及延性垫片组成。为了方便连接结构出现损伤后的更换以及维修，将螺杆上的螺母布置在摇摆墙体厚度方向上的2个螺母中间，通过六角螺栓进行销轴连接，其中在摇摆墙体厚度方向分别焊接2个螺母，如图3（b）所示，并且通过调整螺栓与螺母之间的咬合程度即图3（c）中的插销装置可以实现震后连接构件的快速更换。

3）摇摆墙摇摆可控的铰接底座设计

为了实现摇摆墙体的有效摆动并提供竖向支撑，避免摇摆墙在地震作用下与基础发生碰撞损伤，设计了如图4（a）所示的铰接底座。为了使摇摆墙体的转动中心控制在一点，在方钢上焊接一个10 mm高的螺母，作为铰接支座的内槽，如图4（b）所示。为了方便摇摆墙与框架主结构的连接，用高1 800 mm和180 mm的等边角钢（∠30×30×3）作为摇摆墙体的外模，并且将其中一个180 mm的等边角钢打磨成弧形的墙底，如图4（c）所示。为了实现摇摆墙墙体铰接效果，则在弧形墙体下焊接一根长20 mm、直径10 mm的钢棒，并将其打磨成圆弧面，直接嵌入铰支座底座的内槽内，如图4（a）所示，可以实现弱约束条件下摇摆墙的摇摆。

4）摇摆墙体浇筑成形

框架-摇摆墙结构中的摇摆墙是控制结构变形模式的整体型关键构件，宜在地震作用下保持弹性，通常被设计为无损结构。在实际工程中常采用高配筋或者预应力的方法使摇摆墙墙体的纵筋在大震下不发生屈服^[12]，因此摇摆墙体的纵筋为4ϕ6@45钢筋。由于纵筋较长，为了避免墙体面外出现漏筋以及混凝土振捣出现钢筋错位，沿着摇摆墙高度方向布置了6ϕ6@260的横筋，并将摇摆墙体内的纵筋和横筋的端部焊接在摇摆墙体的外模上，方便钢筋的绑扎，如图5（a）所示。按照混凝土的施工工艺，浇筑微粒混凝土，并在标准条件下进行养护，最终形成如图5（b）所示的摇摆墙体。随后摇摆墙体按照图4所示的方式实现与基础底座的连接，进行相应的试验研究。

1.3　加载方案

根据结构周期和试验目的，选择El Centro波NS，Taft地震波NS，以及人工波作为振动台台面单向（X向）激励，按照相似关系，地震波的持时为15 s，地震波的时间间隔取0.02 s，根据表1中加速度相似关系调整3种地震波的峰值加速度，调整后的加速度时程曲线和频谱曲线如图6和图7所示。由图7可知，所选的3条地震波在基本周期内与设计反应谱拟合较好，频谱范围广泛，在0~2 s内3条地震波的平均振幅与设计谱的偏差小于10%，满足本文的设计需求。根据文献[21]中的计算可知，在相同的激励时间内，人工波输入的能量最大，为了减少模型结构的累积损伤，地震波输入顺序为El Centro波、Taft波与人工波。框架模型中共布置6个加速度传感器，分布在每层的Y方向（非振动方向），图8描述了加速度传感器在模型中的位置。为了检测模型结构在不同地震波激励后的损伤情况，对模型结构输入峰值为0.5~0.8 m/s²的白噪声，测量模型在不同工况下的动力特性，试验工况如表2所示。

2　试验结果及分析

收起

2.1　试验现象

2组试验模型在经历不同设防烈度的地震后，最终的损伤现象为F模型相比于FR模型的整体损伤程度较大，出现的水平、竖向和斜向裂缝的数量要多于FR模型，且裂缝主要出现在3层以下。并且随着地震强度的增加，F模型上原有裂缝出现加宽和延伸的现象，并产生新的裂缝，尤其是1层柱顶处的集中受弯裂缝的塑性损伤，首层柱端以及2层梁柱节点处出现粉刷层和混凝土脱落现象，如图9（a）所示，其中2层梁柱节点区的塑性发展比较明显，柱端的裂缝不断变宽并向梁端延伸。另外，随着地震强度的增加，F模型内部的耗能机制无法承受更强的地震激励，使模型结构的塑性损伤增加，原有裂缝不断变宽和发展，新裂缝不断产生，如图9（b）所示，梁端裂缝从梁底部到梁外侧裂开，并向柱端延伸，而且梁的底端出现混凝土脱落现象，如图9（c）所示。

相应地，在相同地震波激励下，FR模型在第1层角柱处的框架柱首先出现裂缝，随着地震强度的增加，一层柱顶裂缝宽度增加并且不断延伸发展，混凝土保护层局部脱落，如图10（a）所示。另外通过图10（b）可以看出，FR模型顶层梁端截面的竖向裂缝痕迹不断向梁顶延伸，且在梁端附近还有斜裂缝的产生，说明摇摆墙式减震装置的存在可以将输入结构模型中的地震能量传递至子结构中，减轻了底层构件承载的压力，随后子结构将其存储的能量以阻尼耗能和摩擦耗能的形式释放，使结构的局部损伤有所缓解，减少了结构的损伤程度。然而，楼层连接装置在振动过程中不断地与主体结构的限位装置摩擦碰撞，导致构件的磨损比较明显，因此加有摇摆墙一跨的梁柱在地震作用下的裂缝较未加摇摆墙方向的严重，主要表现为梁柱节点处的剪切破坏，如图10（c）所示，而未安装摇摆墙方向的构件破坏主要发生在梁端，并且随着地震的往复作用，梁端裂缝不断地向柱端发展，最后与柱端交汇一起，形成塑性区域如图10（b）所示。

2.2　结构动力特性分析

由于某种原因导致第6层的加速度计测得的数据失真，但不影响整体结构响应分析。结构刚度大致和自振频率的平方成正比，因此自振频率的变化在一定程度上可以反映结构的破坏情况和承载能力的变化，对结构的自振频率的分析情况如图11所示。由图可知，F模型与FR模型经历3次白噪声扫频后的频率分别为6.108、5.411、4.122 Hz以及6.216、5.692、4.753 Hz，试验模型的自振频率随着输入地震波强度的增加而不断降低，其中F模型在第2次与第3次扫频后的频率降低率分别为11.42%与32.52%，FR模型的频率降低率分别为8. 44%与23.53%，说明在经历不同的地震动激励后，2组模型结构都出现了不同程度的损伤，但是F模型的自振频率下降较为明显，累积损伤较大，FR模型中摇摆墙式减震系统可以有效减少结构的损伤，提高结构整体承载能力。

2.3　楼层峰值加速度减幅分析

为了更好地反映FR模型对框架主结构动力响应的衰减效果，定义了楼层峰值加速度减幅（R_FR）（F模型与FR模型的楼层峰值加速度差值与F模型的楼层峰值加速度比值）来量化加速度的衰减程度，得到不同工况下模型结构各楼层的R_FR值如表3所示。由表可知，在X向输入不同峰值的地震波时，FR模型各楼层的R_FR均为正值，说明框架-摇摆墙式减震结构对主结构的振动响应控制具有积极作用，可以有效衰减结构各层的加速度峰值。并且FR模型相比于F模型在不同工况下均具有较好的减震效果，尤其是在地面峰值加速度（peak ground acceleration，PGA）分别为0.2 g和0.4 g的El Centro波激励下，除了底层R_FR值较小外，其它层的R_FR值可以分别达到10%~25%和30%~36%，证明了FR模型整体减震的有效性。这是由于摇摆墙式减震装置沿着结构高度布置，有助于摇摆墙式减震装置与主结构之间在每层进行能量交换，进而可以有效耗散地震能量，降低主结构的动力响应。此外，对于相同峰值加速度的不同地震波而表现出R_FR值不同的现象，是由于地震波不同的频谱特性所致。

2.4　加速度放大系数

将各楼层测点采集到的加速度峰值与台面测得的加速度峰值之比定义为该楼层的加速度放大系数（β_floor），F模型与FR模型在不同工况下的加速度放大系数包络图如图12所示。

由图12可知，模型结构的β_floor值与地震波的频谱特性、加速度峰值以及楼层高度有关，且F模型的β_floor最大值在不同强度的3种地震波激励下均大于FR模型，说明摇摆墙式减震装置可以有效减少结构的损伤程度。此外，在相同的地震强度下，人工波与El Centro波激励下的β_floor值相比于Taft波更加显著，这是因为3种地震波的频谱特性不同，而且相比于另外2种地震激励，人工波输入模型结构中的能量最大，对结构的激励程度相对较大。另外，模型结构的累积损伤随输入地震波能量的增大而增加，改变了模型结构的动力特性，使2组模型结构在不同频率特性的地震波作用下的β_floor值有所不同；但是具有相似的变化规律，即随着输入地震波强度越大，β_floor值越小，说明地震波强度增大，模型出现累积损伤较大，结构的抗侧刚度减少，阻尼比增大。另外，通过图12（a）可知，F模型在PGA = 0.2 g的Taft波激励下，第3层的β_floor值显著小于第2层，说明F模型在第3层出现了明显的损伤，在输入地震能量一定的情况下，第3层通过塑性损伤耗散部分地震能量，导致其刚度变化较大。然而FR模型在此工况下的β_floor值变化趋势相对均匀，表现出相对稳定的抗震性能，直至PGA=0.2 g的人工波激励下，FR模型的β_floor值在第3层的位置出现明显的转折，如图12（a）所示，说明摇摆墙式减震装置的存在不仅可以有效地衰减结构的振动响应，而且可以显著地延缓结构的损伤进程，同样的结果也可以参见位移响应的分析。

2.5　位移响应分析

通过加速度分析结果可知，随着地震强度的增加，摇摆墙式减震系统的减震效果越好。由于篇幅的限制，本文只给出F模型和FR模型分别在PGA=0.4 g的El Centro波、Taft波以及人工波激励下的顶层最大位移时程曲线，如图13所示。

由图13可知，2组模型结构顶层的最大位移分别为20.60、20.96、21.60 mm和16.45、18.87、18.50 mm，最大位移的降低率（F模型与FR模型的位移差值与F模型的位移比值）分别为20.15%、9.97%、14.35%，证明了摇摆墙式减震系统的减震有效性。此外，FR模型相比于F模型出现最大峰值的时间点分别延迟了0.39、0.32、0.80 s，而且FR模型的位移时程曲线出现了明显的滞后，体现了FR模型被动减震的特点，说明摇摆墙式减震系统与主结构之间的异相振动比较明显，产生的作用于主结构的反作用力较大，因此可以有效地控制主结构的振动反应，衰减结构的损伤进程，提高结构的整体的抗震能力。而且摇摆墙式减震系统可以利用自重摆动以及弹簧势能实现较好的复位效果，由图13（a）也可以明显看到，即FR模型在振动结束时的残余变形相对较小，而F模型的偏离基准线较大，其他工况亦是如此。但是在图13（c）中可以看到，FR模型在振动后期的位移响应衰减程度相对较低，这是因为本文采用的加载方式为逐级增大加速度峰值的方法，试验模型出现了明显的累积损伤，刚度折减较大，抗震能力降低。而且摇摆墙式减震系统在反复的摇摆振动过程中出现了一定的疲劳损伤，影响了其减震效果，但是由于摇摆墙式减震装置具有可更换性，可以在试验中快速更换实现更好的减震效果。

2.6　层间位移角分析

结构整体损伤程度与结构的最大层间位移角具有很好的相关性^[22]，因此将2组模型结构在不同工况下的最大层间位移角进行分析，如图14所示。由图可知，2组模型结构的底部薄弱层表现出明显的非线性。F模型的损伤主要出现在底部3层，符合框架结构典型的层屈服破坏特征，即在试验中F模型的底部3层的层间刚度退化相对较快，尤其是第1层与第2层的损伤相对严重，极易发展为“机构”体系形成薄弱层；而沿着结构高度布置的摇摆墙式减震系统，由于增加了各层的能量交换能力，并且通过其摇摆振动可以使结构各层的抗震性能得到提高，塑性铰向上层分布，各层的层间位移角的变化趋势相对均匀，各层的刚度折减程度相对较小，因此整体的损伤程度相对较小，这与试验现象相一致。另外，由于FR模型可以有效地衰减主结构的振动响应并且延缓主结构的损伤进程，因此在不同工况下的最大层间位移角（1/198）小于F模型（1/164），满足抗震变形验算的相关规定，证明了FR模型优越的抗震性能。

3　结论

收起

本文设计了一种连接框架与摇摆墙的耗能连接构件以及摇摆墙摇摆可控的铰接底座，提出了一种RC框架-摇摆墙式减震结构，通过振动台试验分析了该结构在不同地震作用下的抗震性能，得出如下结论：

1）沿着结构高度布置的摇摆墙式减震系统可有效利用与各层的能量交换，提高结构的耗能能力和整体承载能力，减少结构的累积损伤，控制结构底层的变形集中，改善框架结构的侧向变形模式，使框架结构各层层间位移角变化趋势相对均匀。

2）摇摆墙式减震结构具有良好的抗震性能，与框架结构相比，最大楼层峰值加速度减幅和最大位移峰值降低率可分别达到36%、20.15%，并且随着地震强度的增加，减震效果越显著。

3）摇摆墙式减震子结构能够有效延缓主结构的损伤进程，减少震后残余变形，降低结构各层的加速度放大系数，使结构在3种不同地震波激励下的位移峰值时间点分别延迟0.39、0.32、0.80 s，体现了被动减震的特点。

基金

收起

河南省科技攻关项目(242102321010; 242102220091)
河南省高校青年骨干教师培养计划(2021GGJS116)
河南省高等学校重点科研项目(25A560010; 23A440002)

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文献

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2025年第45卷第2期

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doi: 10.13197/j.eeed.2025.0222

接收时间：2023-04-01
首发时间：2026-03-20
出版时间：2025-04-24

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收稿日期：2023-04-01
修回日期：2024-05-21

基金

河南省科技攻关项目(242102321010; 242102220091)

河南省高校青年骨干教师培养计划(2021GGJS116)

河南省高等学校重点科研项目(25A560010; 23A440002)

作者信息

^1.河南财经政法大学管理科学与工程学院，河南郑州 450046

^2.河南大学计算机与信息工程学院，河南郑州 450046

^3.郑州航空工业管理学院土木与环境学院，河南郑州 450046

^4.江河创建集团股份有限公司，北京 101300

^5.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000

通讯作者:

熊咸玉（1992—），女，讲师，博士，主要从事岩土工程研究。E-mail：xiongxianyu520@163.com

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/dzgcygczd/CN/10.13197/j.eeed.2025.0222

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

物理量	相似关系	相似比	物理量	相似关系	相似比
应力	S_σ	0.67	频率		4.47
弹性模量	S_E	0.67	时间		0.22
等效密度		3.33	重力加速度	S_g	1.00
长度	S_l	0.10	加速度		2.00

物理量

相似关系

相似比

物理量

相似关系

相似比

应力

S_σ

0.67

频率

4.47

弹性模量

S_E

0.67

时间

0.22

等效密度

3.33

重力加速度

S_g

1.00

长度

S_l

0.10

加速度

2.00

模型	烈度	峰值/g	地震激励	工况编号	模型	烈度	峰值/g	地震激励	工况编号
F模型	7度设防	0.05	第1次白噪声	WN-1-X	FR模型	7度设防	0.05	第4次白噪声	WN-4-X
0.20	El Centro	EW-x0.2-F	0.20	El Centro	EW-x0.2-FR
0.20	Taft	TW-x0.2-F	0.20	Taft	TW-x0.2-FR
0.20	人工波	AW-x0.2-F	0.20	人工波	AW-x0.2-FR
8度设防	0.05	第2次白噪声	WN-2-X	8度设防	0.05	第5次白噪声	WN-5-X
0.40	El Centro	EW-x0.4-F	0.40	El Centro	EW-x0.4-FR
0.40	Taft	TW-x0.4-F	0.40	Taft	TW-x0.4-FR
0.40	人工波	AW-x0.4-F	0.04	人工波	AW-x0.4-FR
	0.05	第3次白噪声	WN-3-X		0.05	第6次白噪声	WN-6-X

模型

烈度

峰值/g

地震激励

工况编号

模型

烈度

峰值/g

地震激励

工况编号

F模型

7度设防

0.05

第1次白噪声

WN-1-X

FR模型

7度设防

0.05

第4次白噪声

WN-4-X

0.20

El Centro

EW-x0.2-F

0.20

El Centro

EW-x0.2-FR

0.20

Taft

TW-x0.2-F

0.20

Taft

TW-x0.2-FR

0.20

人工波

AW-x0.2-F

0.20

人工波

AW-x0.2-FR

8度设防

0.05

第2次白噪声

WN-2-X

8度设防

0.05

第5次白噪声

WN-5-X

0.40

El Centro

EW-x0.4-F

0.40

El Centro

EW-x0.4-FR

0.40

Taft

TW-x0.4-F

0.40

Taft

TW-x0.4-FR

0.40

人工波

AW-x0.4-F

0.04

人工波

AW-x0.4-FR

0.05

第3次白噪声

WN-3-X

0.05

第6次白噪声

WN-6-X

地震波	参数	PGA=0.2 g	PGA=0.4 g
El Centro波	a_F	5.31	5.23	4.80	4.68	2.16	8.34	8.00	6.17	5.79	4.08
a_FR	4.68	4.37	3.83	3.51	2.02	5.34	4.85	4.15	3.94	3.89
R_FR/%	11.86	16.44	20.21	25.00	6.48	35.97	39.38	32.74	31.95	4.66
Taft波	a_F	5.86	5.13	4.90	5.42	2.44	8.15	7.24	5.69	5.65	3.99
a_FR	5.03	4.64	4.14	3.73	2.24	6.55	5.99	5.03	4.18	3.91
R_FR/%	14.16	9.55	15.51	31.18	8.20	19.63	17.27	11.60	26.02	2.01
人工波	a_F	5.68	4.95	4.28	3.96	2.34	8.95	7.96	6.26	5.60	4.13
a_FR	4.80	4.53	3.59	3.51	2.27	5.61	5.76	4.11	4.43	3.95
R_FR/%	15.49	8.48	16.12	11.36	2.99	37.32	27.64	34.35	20.89	4.36

地震波

参数

PGA=0.2 g

PGA=0.4 g

5层

4层

3层

2层

1层

5层

4层

3层

2层

1层

El Centro波

a_F

5.31

5.23

4.80

4.68

2.16

8.34

8.00

6.17

5.79

4.08

a_FR

4.68

4.37

3.83

3.51

2.02

5.34

4.85

4.15

3.94

3.89

R_FR/%

11.86

16.44

20.21

25.00

6.48

35.97

39.38

32.74

31.95

4.66

Taft波

a_F

5.86

5.13

4.90

5.42

2.44

8.15

7.24

5.69

5.65

3.99

a_FR

5.03

4.64

4.14

3.73

2.24

6.55

5.99

5.03

4.18

3.91

R_FR/%

14.16

9.55

15.51

31.18

8.20

19.63

17.27

11.60

26.02

2.01

人工波

a_F

5.68

4.95

4.28

3.96

2.34

8.95

7.96

6.26

5.60

4.13

a_FR

4.80

4.53

3.59

3.51

2.27

5.61

5.76

4.11

4.43

3.95

R_FR/%

15.49

8.48

16.12

11.36

2.99

37.32

27.64

34.35

20.89

4.36