蔡玉軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架的抗震性能研究及在鐵路旅客站房上的應(yīng)用

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

在對(duì)高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土和普通混凝土力學(xué)特性對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，以某鐵路旅客站房為例，運(yùn)用SAP2000有限元軟件，對(duì)C40、LC40兩種材料的混凝土框架進(jìn)行動(dòng)力特性和地震作用反應(yīng)譜對(duì)比分析。首次進(jìn)行1∶5比例的兩層兩跨高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架模型的縮尺試驗(yàn)，對(duì)框架的破壞機(jī)制、延性及恢復(fù)力特性進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析，其研究結(jié)論表明:高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架具有良好的滯回特性和耗能能力，可滿足地震區(qū)抗震性能的要求。

鐵路旅客站房；高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架；反應(yīng)譜分析；試驗(yàn)研究；縮尺試驗(yàn)

高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土(High Strength Lightweight Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)HSLC)兼有結(jié)構(gòu)材料和功能材料的特點(diǎn)，具有高強(qiáng)輕質(zhì)、保溫隔熱、隔音性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有良好發(fā)展前景的綠色建筑材料，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家將該種混凝土廣泛應(yīng)用于高層建筑、公共建筑、海洋工程、橋梁工程等領(lǐng)域[1-4]。在我國(guó)，由于受粗骨料強(qiáng)度、摻和料性能及配合比等因素的制約，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用受到一定的限制，特別是在鐵路旅客站房方面更是如此。

新時(shí)期，隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路旅客站房的功能和空間要求得到了進(jìn)一步提升，涌現(xiàn)出一批結(jié)構(gòu)和體型較為復(fù)雜和具有標(biāo)志性的旅客站房[5]。目前，鐵路旅客站房多采用現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，在普通混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，混凝土自重在結(jié)構(gòu)荷載中占了很大比例，造成結(jié)構(gòu)自重大、地震效應(yīng)突出等問(wèn)題，應(yīng)該在材料的合理選用方面做出創(chuàng)新，走符合國(guó)家健康發(fā)展高性能混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的政策道路。

本文以鐵路旅客站房為研究對(duì)象，開(kāi)展了高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架的反應(yīng)譜反應(yīng)分析和1∶5縮尺模型試驗(yàn)，為高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土材料在鐵路旅客站房的應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的研究現(xiàn)狀

S.H.Ahmad等[6]、Keun-Hyeok Yang等[7]、Kowalsky[8]、Serena[9]等學(xué)者對(duì)高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土簡(jiǎn)支梁、深腹梁、柱和橋墩等構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明：由于高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的脆性顯著，直接將其用于工程還存在強(qiáng)度、剛度和延性難以滿足地震區(qū)重要建筑結(jié)構(gòu)要求的技術(shù)問(wèn)題。因此，對(duì)高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的強(qiáng)度給出了嚴(yán)格的限制。如ACI318—08規(guī)范規(guī)定“地震區(qū)輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜超過(guò)34.5 MPa”、我國(guó)《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ12—2006)規(guī)定“設(shè)防烈度為8度時(shí)，輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜超過(guò)LC45”。

高永孚[10]等對(duì)高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能研究，研究表明：輕骨料混凝土較普通混凝土節(jié)點(diǎn)剪切變形影響顯著，在高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架地震反應(yīng)分析中，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)剪切變形對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，需要建立節(jié)點(diǎn)的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的計(jì)算模型。

劉哲鋒[11]等基于輕骨料混凝土對(duì)普通混凝土框架結(jié)構(gòu)作等截面代換的研究，提出了結(jié)構(gòu)底部彈性層間位移放大系數(shù)及地震力放大系數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。研究表明，當(dāng)采用的輕骨料混凝土的強(qiáng)度以及密度等級(jí)足夠高時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的抗震性能并不會(huì)降低，且結(jié)構(gòu)自重的降低、混凝土抗壓強(qiáng)度的提高以及地震力的減小將使工程造價(jià)有所降低。

但目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架模型的抗震性能試驗(yàn)研究。本文在對(duì)C40普通混凝土和LC40高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架地震反應(yīng)響應(yīng)對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，首次進(jìn)行了1∶5比例的雙跨雙層高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架模型的試驗(yàn)，對(duì)框架的破壞機(jī)制、強(qiáng)度、延性及耗能性能進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集和分析，對(duì)進(jìn)一步研究高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土在旅客站房上的應(yīng)用提供了依據(jù)。

2 高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的本構(gòu)關(guān)系及相關(guān)材料特性

以陶料為粗骨料配制高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土，陶粒混凝土和普通混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。可以看出，陶?；炷僚c普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類(lèi)似，但陶粒混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段與普通混凝土不同。這主要是因?yàn)樵囼?yàn)中所采用的輕骨料陶粒強(qiáng)度相比碎石低，在配制強(qiáng)度較高的輕骨料混凝土?xí)r，其表現(xiàn)出一定的脆性，所以在試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段還未完整的得到時(shí)，陶?；炷翗?gòu)件已發(fā)生了脆性斷裂，由此說(shuō)明陶粒的優(yōu)劣在很大程度上影響著陶?；炷恋馁|(zhì)量[12-13]。

依照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)和《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ12—2006)，C40、LC40兩種材料的力學(xué)性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖1 混凝土本構(gòu)關(guān)系

材料強(qiáng)度/MPa容重/(kN/m3)彈性模量/MPa泊松比C4019.124.03.25×1040.2LC4019.118.02.33×1040.2

注：混凝土切剪模量約為彈性模量的40%。

3 高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架的地震反應(yīng)分析

結(jié)合某鐵路旅客站房結(jié)構(gòu)框架，運(yùn)用SAP2000有限元軟件對(duì)C40、LC40兩種材料的混凝土框架進(jìn)行了動(dòng)力特性和地震作用反應(yīng)譜對(duì)比分析，研究其在彈性范圍內(nèi)地震作用下的結(jié)構(gòu)位移、基底剪力的差異。

3.1 工程概況

某鐵路旅客站房，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架體系，中部候車(chē)廳屋蓋為鋼網(wǎng)架。原設(shè)計(jì)中框架梁、柱及板均采用普通混凝土，等級(jí)為C40，現(xiàn)采用LC40高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土代替原結(jié)構(gòu)普通混凝土材料，其他條件不變。站房平面軸線尺寸為21.0 m×36.0 m，一層結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。兩側(cè)站房地上兩層(含局部夾層)，層高分別為8.0 m和6.0 m，中部候車(chē)廳網(wǎng)架頂高程為23.5 m，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3所示。

圖2 一層結(jié)構(gòu)平面(單位：mm)

圖3 整體結(jié)構(gòu)空間模型

站房計(jì)算主要參數(shù)如下

地震烈度：7度(0.15g)；地震分組：第二組；場(chǎng)地類(lèi)型：Ⅱ類(lèi)，Tg=0.40 s；阻尼系數(shù)：0.05；基本風(fēng)壓：0.50 kN/m2；基本雪壓：0.40 kN/m2。

3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

采用特征向量法對(duì)C40混凝土和LC40混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，兩種混凝土材料的結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)及周期如表2所示，兩種混凝土材料的結(jié)構(gòu)振型質(zhì)量參與系數(shù)如表3所示。

表2 不同混凝土材料模型的自振周期和模態(tài)

表3 結(jié)構(gòu)振型質(zhì)量參與系數(shù)

由表2可得，LC40混凝土框架結(jié)構(gòu)的周期有所加大，根據(jù)高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的材料性能可知，同等級(jí)輕質(zhì)混凝土材料彈性模量相比普通混凝土低27%左右，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的周期相比同級(jí)別普通混凝土有所加大；由表3可知，LC40混凝土結(jié)構(gòu)在第10階模態(tài)水平方向的質(zhì)量參與系數(shù)大于90%，滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，C40混凝土結(jié)構(gòu)在第10階振型仍沒(méi)有滿足要求。由此可見(jiàn)，采用特征向量法對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土更易滿足規(guī)范規(guī)定的水平地震作用下的質(zhì)量參與系數(shù)要求。

3.3 地震作用反應(yīng)譜分析

兩種混凝土框架按QCC法地震作用下基底反力如表4所示，LC40混凝土在反應(yīng)譜作用下的基底剪力比C40混凝土在反應(yīng)譜作用下的基底剪力減小約20%。由此可見(jiàn)，在地震作用下采用高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架的基底反力因其自重的減輕而減小，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面、配筋及柱下基礎(chǔ)具有積極的意義。

表4 兩種混凝土框架地震作用下基底反力

兩種混凝土框架在縱、橫向地震作用下A～E列柱的剪力及結(jié)構(gòu)層間總剪力如表5、表6所示。由表可知，橫向(Y向)地震作用下，LC40混凝土結(jié)構(gòu)Y向總剪力為6 339 kN，比C40混凝土結(jié)構(gòu)Y向總剪力7 618 kN減少了20.2%；縱向(X向)地震作用下，LC40混凝土結(jié)構(gòu)X向總剪力為6 468 kN，比C40混凝土結(jié)構(gòu)X向總剪力7 940 kN減少了22.8%。

表5 橫向(Y向)地震作用下柱列剪力 kN

表6 縱向(X向)地震作用下柱列剪力 kN

地震作用下結(jié)構(gòu)位移及層間位移角如表7所示。結(jié)果表明，由于LC40混凝土材料的彈性模量較C40混凝土的彈性模量小，導(dǎo)致LC40混凝土框架的結(jié)構(gòu)位移要略大于LC40混凝土框架，柱頂側(cè)移增大約12%，但均可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表7 地震作用下結(jié)構(gòu)位移及位移角

圖5 典型構(gòu)件各個(gè)階段特征

綜上所述，由于界面彈性模量的變化，采用高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的框架位移略大于普通混凝土框架，其柱頂側(cè)移增大量往往不大，一般均可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；但高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架在地震作用下的內(nèi)力可有效地減小，可據(jù)此對(duì)結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架縮尺試驗(yàn)

4.1 試件的主要參數(shù)

試驗(yàn)選取原型結(jié)構(gòu)中橫向兩層兩跨的平面框架，縮尺比例采用1∶5。一層層高為1.57 m，二層層高為1.25 m；第一跨跨度為1.3 m，第二跨跨度為2.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用LC40，構(gòu)件配筋按原結(jié)構(gòu)配筋率設(shè)置，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 模型加載裝置

4.2 破壞過(guò)程及破壞機(jī)制

框架在水平反復(fù)荷載作用下經(jīng)歷了開(kāi)裂、屈服、極限和破壞4個(gè)階段，共經(jīng)歷了27次循環(huán)到達(dá)破壞。首先，采用荷載控制加載，加載至接近屈服荷載后采用位移控制加載，且每個(gè)位移循環(huán)3圈。典型構(gòu)件各個(gè)階段破壞過(guò)程如圖5所示。

從試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞過(guò)程可以看出，框架的破壞機(jī)制基本上是梁鉸機(jī)制，塑性鉸出現(xiàn)的次序見(jiàn)圖6，框架裂縫及破壞形態(tài)見(jiàn)圖7。

圖6 塑性鉸形成順序

圖7 框架破壞模態(tài)

實(shí)際工程中為保證框架的延性，一般要求框架的破壞機(jī)制為梁鉸機(jī)制。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)滿足了強(qiáng)柱弱梁的要求，并且在試驗(yàn)中梁上首先出現(xiàn)塑性鉸，框架的破壞過(guò)程屬于梁鉸機(jī)制破壞，當(dāng)多處梁鉸形成后出現(xiàn)了柱腳塑性鉸，此時(shí)梁端塑性鉸的發(fā)展將不再明顯。

4.3 滯回曲線

試驗(yàn)測(cè)得的荷載-位移曲線見(jiàn)圖8，根據(jù)滯回曲線可得出以下結(jié)論。

(1)在頂點(diǎn)和層間滯回曲線上均明顯地表現(xiàn)出3個(gè)特征點(diǎn)，即開(kāi)裂點(diǎn)、屈服點(diǎn)和極限點(diǎn)。

(2)頂點(diǎn)位移在21 mm以前，荷載和位移之間基本呈線性關(guān)系，同時(shí)卸載后殘余變形較小，這說(shuō)明框架的工作狀態(tài)基本處于彈性狀態(tài)；梁柱端部開(kāi)裂后，隨著頂點(diǎn)側(cè)移和加載次數(shù)的增加，構(gòu)件端部裂縫不斷發(fā)展和增加，加載滯回曲線逐漸開(kāi)始偏向位移軸，卸載為零時(shí)殘余變形不斷增大，表明結(jié)構(gòu)的剛度不斷退化，框架的工作狀態(tài)進(jìn)入了彈塑性階段。

(3)在同一位移的3個(gè)加載循環(huán)中，第1循環(huán)的荷載峰值點(diǎn)明顯高于其他兩次，表現(xiàn)出一定程度的強(qiáng)度退化特征，然而強(qiáng)度退化不明顯。在頂點(diǎn)相對(duì)側(cè)移大于1/50時(shí)，框架的承載能力隨著側(cè)移量級(jí)和循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，但下降的幅度不大，說(shuō)明框架具有較好的位移延性。

(4)無(wú)論是頂點(diǎn)還是層間滯回曲線，在正反兩個(gè)方向上都有一個(gè)明顯的定點(diǎn)，同時(shí)各個(gè)滯回曲線都較為飽滿，表現(xiàn)出良好的耗能能力。

圖8 框架荷載-位移滯回曲線

5 結(jié)論

在對(duì)高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土和普通混凝土力學(xué)特性對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，以某鐵路旅客站房實(shí)際工程為背景，運(yùn)用SAP2000有限元軟件，對(duì)C40、LC40兩種材料的混凝土框架進(jìn)行了動(dòng)力特性和地震作用下的反應(yīng)譜分析，進(jìn)行了1∶5比例的兩層兩跨高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架模型的縮尺試驗(yàn)，研究結(jié)論如下。

(1)由于高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土較普通混凝土質(zhì)量輕，可顯著降低恒載比重，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力，同時(shí)也減小了地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在混凝土框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上具有較好的潛力。

(2)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的模態(tài)及反應(yīng)譜分析可得出，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土相比同等級(jí)普通混凝土結(jié)構(gòu)周期大、結(jié)構(gòu)層間位移略大，但結(jié)構(gòu)基底反力及構(gòu)件內(nèi)力有所減小，且均可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(3)通過(guò)單榀1∶5比例的兩層兩跨高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架模型的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，系統(tǒng)的研究了框架受力過(guò)程、破壞形態(tài)、破壞機(jī)制、位移延性、滯回特性和耗能能力等。試驗(yàn)表明，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土框架具有良好的滯回特性和耗能能力，可在高烈度區(qū)應(yīng)用。

通過(guò)系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)等特點(diǎn)，其框架具有良好的滯回特性和耗能能力，可滿足地震區(qū)抗震性能的要求，為其應(yīng)用于鐵路旅客站房提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

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Study on Seismic Performance of High Strength Lightweight Concrete Framework and Its Application to Railway Passenger Station

CAI Yu-jun

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Based on the analysis of high strength lightweight concrete and ordinary concrete mechanical properties of one railway station， the dynamic characteristics and response spectrum of concrete frames made of C40 and LC40 are compared and analyzed with SAP2000 finite element software. For the first time， scale test of two-span and two-storey high strength lightweight concrete frame model of 1∶5 ratio is carried out， and the datum on framework failure mechanism， ductility and characteristics of restoring force are collected and analyzed. The research results show that the high strength lightweight concrete frame has good hysteretic properties and energy dissipation capacity， which meet the seismic requirements for seismic zone.

Railway passenger station building; High strength lightweight concrete framework; Response spectrum analysis; Experimental study; Scale test

2015-04-09；

2015-04-25

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研課題(編號(hào)：院科11-52)

蔡玉軍(1980—)，男，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士。

1004-2954(2015)11-0092-05

U291.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.022