張 志,孟少平,于 琦,周 臻
(1.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096;2.華東建筑設(shè)計(jì)研究院 有限公司,上海 200002)
邊柱加強(qiáng)型預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)研究
張 志1,孟少平1,于 琦2,周 臻1
(1.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096;2.華東建筑設(shè)計(jì)研究院 有限公司,上海 200002)
國內(nèi)的既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)(簡稱PC框架)大都是基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ 10-89)》(簡稱89規(guī)范)進(jìn)行設(shè)計(jì),研究表明,其耗能機(jī)制為層間屈服機(jī)制。為了提高結(jié)構(gòu)的抗震能力,對基于89規(guī)范設(shè)計(jì)的三層兩跨空間PC框架進(jìn)行了邊柱加強(qiáng),并完成了1∶7.2縮尺模型振動臺試驗(yàn)。試驗(yàn)表明:加強(qiáng)的邊柱在地震作用下的破壞推遲,結(jié)構(gòu)損傷在各樓層分布均勻,模型能夠形成梁端和柱端出鉸的混合出鉸機(jī)制,結(jié)構(gòu)整體抗震能力大大提高。此外,脈沖型近場地震動Chi-Chi波對結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)影響更大,而El Centro波則更容易激發(fā)模型的高階振型。
預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu);振動臺試驗(yàn);混合出鉸機(jī)制;脈沖型近場地震動
20世紀(jì)80年代以來,預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)(簡稱PC框架)由于具有跨越能力大、結(jié)構(gòu)布置靈活、經(jīng)濟(jì)性能良好等優(yōu)點(diǎn),在我國的房屋建筑中得到了大力推廣和廣泛應(yīng)用。目前,我國建成的PC框架都是依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ 10-89)》(簡稱89規(guī)范)設(shè)計(jì)和施工的,研究這些結(jié)構(gòu)在地震作用下的真實(shí)抗震能力是十分必要的。
蘇小卒[1-2]對有粘結(jié)與無粘結(jié)單跨單層PC框架的動力試驗(yàn)研究表明:PC框架在經(jīng)受強(qiáng)烈持久的模擬地震激勵后仍難以倒塌,表現(xiàn)出良好的震后恢復(fù)性能,但其耗能不完全都是梁鉸機(jī)制。Park等[3]指出在地震作用下,由于高階振型影響,無法預(yù)測的彎矩重分布,多層框架結(jié)構(gòu)將不可避免地會在柱端出現(xiàn)塑性鉸。王鑫[4]通過理論分析指出基于89規(guī)范設(shè)計(jì)的PC框架不僅難以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”,甚至在強(qiáng)震作用下容易產(chǎn)生層間耗能機(jī)制。王紅囡等[5]在對兩榀單跨有粘結(jié)和無粘結(jié)PC框架進(jìn)行偽靜力試驗(yàn)之后指出,即使按照“強(qiáng)柱弱梁”進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)亦難以形成最理想的耗能機(jī)制。黃紅霞[6]對某四層單跨的PC框架的擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明在外荷載作用下框架首先在柱端出鉸,最后才在一層梁端出鉸。李宗森[7]在對某火電廠煤倉間的四層單跨PC框架進(jìn)行振動臺試驗(yàn)后也指出框架底層是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。但是,由于PC框架跨度大,荷載重的特點(diǎn),框架梁承載力較大,如果要實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱”,需要將柱截面增大到非常不合理的程度。鑒于此,有學(xué)者提出了更為經(jīng)濟(jì)合理的混合出鉸耗能機(jī)制。如:Paulay等[8]提出對于重力荷載起控制作用的框架,設(shè)計(jì)時(shí)在保證部分梁端出鉸的前提下,可以允許部分內(nèi)柱柱端出鉸使結(jié)構(gòu)形成混合耗能機(jī)制。余志武等[9]對基于“強(qiáng)柱”和“弱柱”概念設(shè)計(jì)的5榀部分無粘結(jié)PC框架進(jìn)行了低周反復(fù)試驗(yàn),探討了無粘結(jié)PC框架的延性、耗能和破壞形態(tài),指出若能滿足“弱柱”型框架柱的抗側(cè)能力,采取有效的抗震措施,該型框架不失為一種有利的抗震結(jié)構(gòu)型式。孟少平[10]通過多層多跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架的抗震能力試驗(yàn),建立了PC框架基于邊柱加強(qiáng)的混合耗能破壞機(jī)制。
為了考察國內(nèi)現(xiàn)存的基于89規(guī)范設(shè)計(jì)的多層多跨PC框架的抗震性能,于琦[11]進(jìn)行了基于89規(guī)范設(shè)計(jì)的空間三層兩跨PC框架的振動臺試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明該框架表現(xiàn)出明顯的層間屈服機(jī)制,模型損傷集中在底層柱端,且在大震作用下倒塌破壞。在此基礎(chǔ)上,本文采用加強(qiáng)邊柱的方法對文獻(xiàn)[11]中的模型進(jìn)行了改進(jìn),并進(jìn)行1∶7.2縮尺模型振動臺試驗(yàn),研究改進(jìn)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和耗能機(jī)制,為現(xiàn)有PC框架抗震能力的改進(jìn)、新PC框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。
試驗(yàn)?zāi)P蜑?∶7.2的三層兩跨有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架,各參數(shù)相似關(guān)系如表1所示。由于文獻(xiàn)[11]中的模型表現(xiàn)出明顯的層間耗能機(jī)制,損傷集中在模型底層,因此改進(jìn)模型擴(kuò)大了一、二層邊柱截面尺寸,并增配了柱的縱向受力鋼筋和箍筋。為了防止模型節(jié)點(diǎn)區(qū)發(fā)生剪切破壞,對模型一、二層梁端進(jìn)行了加腋,加腋高度55 mm,加腋長度250 mm,實(shí)際模型如圖1所示。模型側(cè)立面圖如圖2所示,其中小黑點(diǎn)代表鋼筋應(yīng)變片測點(diǎn)的位置。
圖1 模型照片F(xiàn)ig.1 Model picture
表1 模型與原型相似系數(shù)Tab.1 Similarity coefficient of the model and the prototype
模型采用C20微?;炷林谱?,普通鋼筋用12號、16號鍍鋅鐵絲(以下簡稱“#12、#16”)代替,樓面預(yù)應(yīng)力筋采用直徑7 mm抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1 570 MPa高強(qiáng)鋼絲,屋面預(yù)應(yīng)力筋采用直徑5 mm抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1 570 MPa高強(qiáng)鋼絲。材料的材性參數(shù)如表2所示。
圖2 模型側(cè)立面圖Fig.2 Profile of the model
模型預(yù)應(yīng)力梁截面尺寸、配筋如表3所示。模型框架柱截面尺寸、配筋如表4所示。
表2 模型的材性參數(shù)Tab.2 Material characteristic of the model
表3 模型結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力梁截面與配筋Tab.3 Sections and reinforcement arrangement of the prestressed beams of the model
表4 模型結(jié)構(gòu)的柱截面與配筋Tab.4 Sections and reinforcement arrangement of the columns of the model
加速度傳感器:采用Lance ICP型加速度傳感器,共7只,布置在PC框架端立面。位移傳感器:采用ASM拉線式位移傳感器,共4只,布置在PC框架端立面,用來校核加速度積分計(jì)算得出的位移。加速度傳感器和位移傳感器的布置如圖3所示。所有的加速度和位移數(shù)據(jù)采用南京安正軟件工程有限公司開發(fā)的動態(tài)采集系統(tǒng)采集。
圖3 模型測量儀器布置圖Fig.3 Arrangement of the acquisition instruments
在模型底層和頂層柱端以及邊柱加腋處框架梁梁端布設(shè)應(yīng)變片監(jiān)測模型配筋在試驗(yàn)過程中的應(yīng)變變化,使用DH-3817動態(tài)應(yīng)變采集儀采集試驗(yàn)過程中的鐵絲應(yīng)變。
試驗(yàn)選用三條地震波,如表5所示。
表5 試驗(yàn)用地震波Tab.5 Earthquake records used in the experiment
經(jīng)過基線校正之后的Chi-Chi波及相應(yīng)的速度、位移時(shí)程如圖4所示,從圖中可以看出,校正后的時(shí)程依然含有明顯的速度脈沖效應(yīng),可以檢驗(yàn)速度脈沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響。根據(jù)相似條件,輸入地震動時(shí)間間隔壓縮至0.003 375 s。
圖4 某工況下輸入的Chi-Chi波的加速度以及相應(yīng)的速度、位移時(shí)程曲線Fig.4 Acceleration and relative velocity,displacement traces of the Chi-Chi earthquake
振動臺試驗(yàn)的加載制度如表6所示。
本文對1.1節(jié)中模型進(jìn)行了振動臺試驗(yàn)研究,獲得其在各級地震作用下的實(shí)際表現(xiàn)。
工況1之后,模型沒有發(fā)現(xiàn)可見裂縫,基本處于彈性狀態(tài)。工況2之后,框架一邊柱柱底外側(cè)出現(xiàn)微小裂縫,框架其他部位仍保持完好。工況3之后,部分底層邊柱柱頂與梁相交處開裂。工況4~工況6之后,框架柱底層柱頂均開裂,在框架二、三層柱頂發(fā)現(xiàn)裂縫,如圖5(a)所示。工況7的地震波輸入過程中,模型的底層發(fā)生了明顯的層間變形,地震波輸入完成后,除底層柱頂開裂加劇,中柱柱底出現(xiàn)裂縫外,二層和三層部分柱頂都發(fā)生了開裂,底層預(yù)應(yīng)力框架梁位于邊柱附近的加腋端部出現(xiàn)了豎向裂縫,如圖5(b)所示,說明在模型梁端出現(xiàn)損傷,相比較于文獻(xiàn)[11]中未經(jīng)過邊柱加強(qiáng)的模型表現(xiàn)出了更為合理的耗能能力。工況8的El Centro波和Taft波輸入之后,在前一個(gè)工況中框架梁加腋處出現(xiàn)的裂縫加劇,二、三層柱端開裂位置分布更為廣泛,主要集中在中柱附近。工況8的Chi-Chi波輸入完成后,底層框架梁在邊柱附近的加腋端部全部開裂,二層中柱附近的加腋端部開裂,三層邊柱柱頂環(huán)繞開裂。工況9地震波用于模擬大震過后的余震,地震動強(qiáng)度較前面工況有所減小,輸入完成后,模型損傷沒有明顯改變??蚣苣P驮囼?yàn)的損傷如圖6所示。
表6 振動臺試驗(yàn)加載制度Tab.6 Test design cases
從圖6可以看出模型損傷比較分散,而且梁端和中柱的開裂都比較明顯。根據(jù)鋼絲材性試驗(yàn)結(jié)果,#12鐵絲屈服應(yīng)變大概在1 500 με,底層中柱柱頂和柱底鋼筋在Taft波激勵下的應(yīng)變時(shí)程曲線以及模型測點(diǎn)的應(yīng)變水平如圖7所示。
圖7 工況8激勵下模型應(yīng)變示意圖Fig.7 Strain of the model in case 8 stimulation
由于模型制作過程中損壞了部分應(yīng)變片,根據(jù)存活的鐵絲應(yīng)變采集數(shù)據(jù),底層中柱柱端、框架梁梁端和三層邊柱柱端的應(yīng)變相比其他測點(diǎn)較大,加腋處梁底鐵絲應(yīng)變較梁頂鐵絲應(yīng)變要大。從圖7(a)可以看出底層中柱的柱頂鐵絲應(yīng)變峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于屈服應(yīng)變,底層中柱頂端形成了塑性鉸。雖然模型沒有形成足夠多的塑性鉸,但是根據(jù)現(xiàn)有的應(yīng)變測試結(jié)果可以推斷出在更大強(qiáng)度的地震動激勵下,模型的出鉸順序依次為底層中柱柱端,頂層邊柱柱端和框架梁端,形成梁端、中柱和部分頂層邊柱同時(shí)出鉸的混合耗能機(jī)制。由于頂層中柱柱端應(yīng)變僅在400 με水平,在頂層部分邊柱柱端出鉸的情況下,頂層柱整體仍具有一定的抗側(cè)能力。在框架梁端出鉸之后,模型已經(jīng)形成了混合出鉸機(jī)制,此時(shí)底層邊柱柱端還未出鉸,可以有效防止模型的倒塌,所以相比較文獻(xiàn)[11]中的模型所表現(xiàn)出的典型的層間屈服機(jī)制,經(jīng)過邊柱加強(qiáng)之后的模型具有更合理的耗能機(jī)制和更好的抗震能力。
在振動臺試驗(yàn)之前,白噪聲掃頻得到模型初始基頻為8.133HZ。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,結(jié)構(gòu)的基頻變化如圖8所示。
圖8 模型結(jié)構(gòu)基頻變化示意圖Fig.8 Variation of the fundamental frequency
從圖8可以看出隨著輸入地震動強(qiáng)度的增大,模型自振頻率降低,說明結(jié)構(gòu)損傷越來越大。在初始幾個(gè)工況激勵中,模型自振頻率沒有降低或者降低很小,這是由于輸入的地震動強(qiáng)度較小,模型基本處于彈性狀態(tài)。從工況5開始,結(jié)構(gòu)的頻率降低非常顯著,模型底層柱端開裂明顯增加,二、三層柱端也出現(xiàn)開裂,從工況7開始,在梁端也出現(xiàn)開裂,結(jié)構(gòu)基頻變化和試驗(yàn)現(xiàn)象相符。數(shù)值模擬采用OpenSees模擬二維框架,從圖8中可以看出數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果趨勢相符。
模型的第一階振型變化如圖9所示。
從圖9可以看出,前7個(gè)工況模型的一階振型相近,從工況8開始,結(jié)構(gòu)一階振型明顯發(fā)生了變化,這說明隨著地震波強(qiáng)度的提高,結(jié)構(gòu)損傷已經(jīng)很大,可以從振型模態(tài)表現(xiàn)出來。這也和模型本身的自振頻率變化以及試驗(yàn)現(xiàn)象相符。
模型在 El Centro波,Taft波,Chi-Chi波輸入過程中的每層受到的加速度響應(yīng)如圖10所示。
從圖10可以看出,在三條地震波激勵下一、二、三層的加速度時(shí)程逐漸增大,說明模型在地震波激勵下的反應(yīng)隨著測點(diǎn)所在高度的升高而增大。
圖9 模型的一階振型的變化Fig.9 Variation of the first modal shape
圖10 模型在不同強(qiáng)度地震動激勵下每層加速度響應(yīng)包絡(luò)圖Fig.10 Envelope of the acceleration of every floor under different earthquake stimulation
由于振動臺實(shí)際輸出的El Centro波的卓越周期在0.16 s附近,在工況4結(jié)束時(shí),模型掃頻得到的一階自振頻率為0.125 s,在工況8結(jié)束后模型掃頻得到的一階自振頻率為0.163 s,更為接近El Centro波的卓越周期,故模型在工況9的加速度反應(yīng)大于工況5的加速度反應(yīng)。振動臺實(shí)際輸出Taft波的卓越周期在0.149 s,但是根據(jù)該波的頻譜,在0.125 s時(shí)的反應(yīng)要大于0.163 s時(shí)的反應(yīng),故Taft波激勵時(shí),模型在工況5下的反應(yīng)要大于工況9。
模型在各條地震波下的最大層間位移角如圖11所示。由于在低強(qiáng)度地震動輸入時(shí)模型響應(yīng)較小,而位移傳感器采集的數(shù)據(jù)受到外界影響較大,故層間位移采用加速度在頻域內(nèi)的積分獲得。
根據(jù)圖10的結(jié)果,隨著地震動強(qiáng)度的增加,模型每一層受到的地震作用也增加,所以在圖11中,模型的層間位移角隨著輸入地震動強(qiáng)度的增大而增大。模型一、二層邊柱抗側(cè)剛度較三層有所加強(qiáng),在El Centro波激勵下,模型層間位移表現(xiàn)出了高階模態(tài),三層的層間位移角較二層要大,但是在Taft波和Chi-Chi波激勵下,模型層間位移從上到下逐層增大,模型側(cè)移曲線表現(xiàn)為剪切型。在三種地震動激勵下,Chi-Chi波產(chǎn)生的底層層間位移角最大,說明低層建筑受到含有速度脈沖的近場地震動激勵產(chǎn)生的底層層間位移要比普通中遠(yuǎn)場地震動大。
圖11 模型在不同地震激勵下的層間位移角示意圖Fig.11 Story drift of different earthquake stimulation
通過對比進(jìn)行邊柱加強(qiáng)之前和之后的層間位移角響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn),雖然圖11中底層的層間位移角是三層之中最大的,但是相比較于文獻(xiàn)[11]中的模型,該模型在三種地震波激勵下底層層間位移角最大值都超過了2%,在Chi-Chi波激勵下達(dá)到了3.5%,進(jìn)行邊柱加強(qiáng)后的模型的層間位移角已經(jīng)大為減小,損傷分散在各層,邊柱加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的抗震能力。
模型在工況3和工況7不同類型地震波激勵下的響應(yīng)對比如圖12所示。
圖12 在不同類型地震動激勵下模型響應(yīng)對比圖Fig.12 Comparison of the response of the model under different earthquake stimulation
從圖12可以看出,從工況3到工況7,模型三個(gè)樓層的層間位移角增加相當(dāng),說明模型的損傷分散在各層。工況7中Chi-Chi波的加速度響應(yīng)遠(yuǎn)小于Taft波和El Centro波,一方面可能由于數(shù)據(jù)記錄存在的時(shí)間間隔造成記錄數(shù)據(jù)時(shí)的部分峰值丟失,另一方面應(yīng)該和模型自振周期遠(yuǎn)離Chi-Chi波卓越周期有關(guān),可是Chi-Chi波的層間位移角響應(yīng)卻明顯大于其他兩條地震波,說明速度脈沖型地震波對于結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)較其他中遠(yuǎn)場地震波有更大的影響。
通過上述分析,得出以下結(jié)論:
(1)基于89規(guī)范設(shè)計(jì)的PC框架經(jīng)過邊柱加強(qiáng)后,雖然在地震作用下底層的層間位移角是三層之中最大的,但是相比較于邊柱加強(qiáng)之前的模型,已經(jīng)大為減小,模型損傷分散在各層,抗震能力得到了極大的提高。
(2)基于89規(guī)范設(shè)計(jì)的PC框架經(jīng)過邊柱加強(qiáng)后,在地震動激勵下易于形成混合出鉸機(jī)制,能夠滿足小震不壞,中震可修,大震不倒的設(shè)防要求,并可以抵御高于原設(shè)防烈度的大震作用。
(3)模型結(jié)構(gòu)在工況9激勵下?lián)p傷沒有發(fā)生明顯的增加,說明邊柱加強(qiáng)可以有效地提高結(jié)構(gòu)在大震后抵御余震沖擊的能力。
(4)模型結(jié)構(gòu)在速度脈沖型近場地震動激勵下的位移響應(yīng)較其他中遠(yuǎn)場地震動更為明顯,且速度脈沖型近場地震動更容易激發(fā)模型結(jié)構(gòu)的一階振型。
[1]蘇小卒,朱伯龍.預(yù)應(yīng)力混凝土框架的振動臺試驗(yàn)及非線性系統(tǒng)識別[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1990,18(2):157-166.
[2]蘇小卒.預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的研究[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1998.
[3]Park R,Paulay T.Reinforced concrete structures[M].John Wiley& Sons,Inc,1975.
[4]王 鑫.既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震能力評估及相關(guān)問題研究[D].南京:東南大學(xué),2010.
[5]王紅囡,周德源,吳曉涵.預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能偽靜力試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2005,35(5):74-76.
[6]黃紅霞.預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.
[7]李宗森.火電廠煤倉間預(yù)應(yīng)力砼框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.
[8]Paulay T,Priestley M J N.Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings[M].John Wiley& Sons,Inc,1992.
[9]余志武,羅小勇.水平低周反復(fù)荷載作用下無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土框架的抗震性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1996,17(2):30-36.
[10]孟少平.預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震能力及設(shè)計(jì)方法的研究[D].南京:東南大學(xué),2000.
[11]于 琦.既有預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)基于性能的抗震能力評估與改進(jìn)研究[D].南京:東南大學(xué),2010.
Shaking table test of a side-column-strengthened prestressed concrete frame structure
ZHANG Zhi1,MENG Shao-ping1,YU Qi2,ZHOU Zhen1
(1.Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China;2.East China Architecture Design& Research Institute Co.Ltd.,Shanghai 200002,China)
The frame hinge mechanisms of the plenty of existing prestressed concrete frame structures(PC frame structures)which were designed according to the 89 code are story sway mechanisms.In order to improve the seismic resistance of this kind of structures,a shaking table test on the 1∶7.2 reduced scale model of a modified 3 story-2 bay PC frame structure was carried out.The results indicated that the strengthened side columns'damage was postponed,the breakage was dispersed to all stories,the structure acted as a combined hinges yield mechanism and the seismic resistance of the PC frame structure was improved.Comparing to the earthquakes of El Centro and Taft,the model responded more severely during the input of Chi-Chi earthquakes.El Centro triggers more easily higher-mode shapes than other earthquakes.
prestressed concrete frame structure;shaking table test;combined hinges yield mechanism;impulsive near-field ground motion
TU378.4
A
國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)基金項(xiàng)目資助(2007CB714200);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(50878055)
2011-06-20 修改稿收到日期:2011-09-07
張 志 男,碩士生,1986年生
孟少平 男,教授,1960年生