钢筋混凝土框架结构振动台试验研究.pdf

钢筋混凝土框架结构振动台试验研究 唐曹明 徐培福 肖从真 杨韬 田春雨 徐 自国 ( 中国建筑科学研 究院 建设部防灾研究中心 ) I 提要l本文通过三个首层层高不 同的钢筋混凝土框架结构模型振动 台试验，研 究 了楼层刚度突变对钢 筋 混凝土框架结构 的破坏过程和破坏形态的影响，结果表明：软弱层直接影响建筑结构 的破坏过程和倒塌模 式；控制楼层侧 向刚度不小于相邻上一层的 7 0 或不小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的 8 0 ；采用 楼层剪力与层 间位移比的方法来计算楼层侧 向刚度比，并以此方法判定结构的软弱楼层是合理的。 【 关键词】模型振动台试验钢筋混凝土框 架结构软弱层 1引言 在地震工程实践中，人们逐步认识到对于一般 结构而言，应 允许结构进入非弹性阶段，因为要求 结构在 强烈地震 中仍然处于弹性阶段是很不经济 的，有时甚至是不可能的。为此 ，结构非弹性研究 在近几十年来获得 了迅速的发展；与此相 匹配，结 构试验工作也变为以破坏阶段为主 ；结构模型不断 增多，试验设备愈来愈大，外加干扰也愈来愈接近 于地震动。这一发展集 中表现在模拟地震动的大型 振动台上。 地震模拟振动台可 以很好地再现地震过程和进 行人工地震波的实验 ，它是在实验室中研究结构地 震反应和破坏机理的最直接方法。 为全面、直观地揭示层高不 同变化 引起楼层侧 向刚度 突变 的钢筋混凝土框架结构在地震作用下 的反应特征、破坏过程和破坏形态，进行 了底层层 高不等的三个高层框架结构振动台模型试验 。 2模型设计 与加工 2 1试验相似关系 模型设计的关键就是要给出各相似常数之间关 系的相似条件 ，即物理条件、几何条件和边界条件 相似 ，本次振动 台试验所采用的主要相似关系见表 1 唐曹明，中国建筑科学研究院，建设部防灾研究中心 地址 ：北京市北三环中东路 3 O号 o i l h 0 1 0 6 4 5 1 7 4 4 7 ，E ma i l ：t a n g c a o mi n 1 6 3 t o m 表 l模型试验主要相似 比 物 相似比 物 相似比 理 量纲 ( 模 理 量纲 ( 模型 ： 性 型 ：原 性 能 型) 能 原型) 几 长度 L L 1 ： 1 0 动 周期 T 1 ： 3 1 6 何 力 t 1 性 线位移 L 1 ： 1 O 性 加速 L T 2 1 ： 1 能 6 】 能 度 a 材 应变 】 1 ： 1 荷 集中 F 1 ： 1 2 0 料 载 力 P 性 应力【 a 】 F L 。 2 1 ： 1 2 及 面荷 F L 。2 1 ： 1 2 内 载 q 】 能 弹性模 F L 。2 1 ： 1 2 力 力矩 F L 1 ： 1 2 0 0 量 E 【 M 2 2模型设计 为尽量减小尺寸效应影响、同时考虑试验室振 动台等设备条件的实际情况， 本试验按 1 ： 1 0几何缩 尺设计结构模型。因实际工程中建筑物一层常作为 公共场所层高变化较多，故本次试验三个高层 ( 十 层)框架模型的层高变化均设在一层，其一层层高 分别为 5 4 0 mm、6 8 0 mm 和 7 8 0 mm，其余九层层 高均为 3 6 0 mm。三模型结构的楼层相对刚度 比见 表 2 ，有关详细内容参见文献 3 】 。这里，模型二、 三均是按照 国家现 行有关规范 的规定进行计算配 筋的，即薄弱层的地震剪力乘 了 1 1 5的增大系数。 模型平面见图 1 ，剖面见图 2 。 表 2模型结构的楼层相对刚度比 计算方法 模型结构一 模型结构二 模型结构三 首层层高 5 4 0 mm 6 8 0 mm 7 8 0 mm 层 间位移角 比法 1 2 5 0 8 6 0 6 5 等效剪切刚 度 比法 0 6 7 0 5 3 0 4 6 楼层剪力与 层间位移 比 0 8 7 0 4 9 0 3 2 法 4 3 8 0 0 8 0 0 8 0 0 - l 霜 磊 吕 - 8 8 _ 一 _ 一 _ 8 o 0 8 0 0 8 0 0 2 4 0 0 图 1 模型平面图 R i U 铺 = 嚣 _ 昌 o 苍 潼 辎 _ 0 导 U 誊 _ 铺 = 。 ： 晷 殳 0 _ 罐 = 鞘 曩 暑晷 娶 8 0 0 8 0 0 0 2 4 0 0 图2剖面 图 鬟 巢 2 0 1 2年 3月第 9卷第 1期 深 圳土 木 与 建筑 表 6 各模型裂缝开展情况一览表 型 模型一 模型二 模型三 加载方 向，四、六、八、九层顶梁端产生竖向裂缝； 加载方向，一层顶梁、柱端出现裂缝； 加载方向，个别梁梁端、梁柱 1 5 0 g a l 垂直加载方向，三、四、七、八层顶各有一根梁梁 垂直加载方向，四、五、八层顶各有 节点处产生微细裂缝。 端产生竖向裂缝。 一根梁粱端出现裂缝。 加载方 向，各层梁端均有裂缝，原有裂缝发展； 加载方向，梁端裂缝增多； 梁端裂缝明显增多； 3 1 0 g a l 底层中间四柱柱顶出现贯通裂缝，角 垂直加载方向，继续产生梁端裂缝。 底层中间四柱柱顶出现裂缝 。 柱柱顶也出现裂缝。 加载方向，梁上裂缝发展较充分，有的梁端出现上 下贯通缝 ； 梁上裂缝继续发展； 底层中间四根柱柱顶严重开裂，保护 4 0 0 g a l 底层柱上、下端均出现裂缝 ， 层脱落，柱根出现塑性铰； 垂直加载方向，梁端裂缝开展； 梁、柱节点处出现斜裂缝 。 角柱柱顶裂缝继续开展。 西侧一根框架柱在一层柱根保护层脱落。 加载方向，梁上裂缝继续开展，底部三层梁端裂缝 底层中间四根柱柱顶折断，其余底层 宽 度加宽； 梁上裂缝继续发展； 5 1 0 g a l 柱上、下端均出现塑性铰； 垂直加载方向，梁端裂缝继续开展； 底层柱上、 下端裂缝继续开展。 又一根框架柱在一层柱根保护层脱落 。 梁柱节点裂缝明显。 梁上裂缝继续发展； 6 2 0 g a l 裂缝继续增多。 底层柱上、 下端裂缝继续开展。 加载方向，梁上裂缝基本上下贯通； 底层柱上端混凝土保护层严重 75 0 g a l 垂直加载方向，梁端裂缝也较多。 脱落。 9 0 0 g a l 加载方向中间两排柱柱根均出现塑性铰。 5 2层间位移角 出于同样原因，层间位移角也仅列出台面加速度 1 5 0 g a l 及 以上的部分试验结果。图 6 图 8分别为三 个模型在 1 5 0 g a 、 3 1 0 g a l 和 4 0 0 g a l 地震作用下的各层最大层间位移角。 当输入地震波加速度峰值为 3 1 0 g a l 时，模型一各层位移角变化均匀，模型二、三一层层间位移角分别是二层层间位移角的 1 6 4和 2 0 6倍 ； 当输入地震波加速度峰值达 4 0 0 g a l 时，模型一各层位移角变化较为均匀，模型二、三一层位移角分别是 二层位移角的 1 8 6和 2 2 8倍；可 以看出，模型一在各工况地震作用下变形都较均匀，而模型二、三在罕 遇地震作用下表现出明显的塑性变形集中现象。 ( T i m ! 作用) ( T 蛐2 作用) 图6 备层最大t 左 移角 图 ( 1 g a D 国T 各层 最 大位移角 国 ( 3 l O c a 1 )圈8 各层 最大 位移角 圉 ( a 0 0 e a D 47 部分框支剪力墙结构设计的新旧规范比较 李党刘经纬 ( 中国建筑科学研究院，P K P M C A D工程部 ) I 摘要l 2 0 1 0版 高层建筑混凝土结构技术规程 J G J 3 2 0 1 0 对部分框 支剪力墙结构与 2 0 0 2版 比较有较 大 改动 ，本文结合实际工程说 明新规范的修改之处 ，并介绍新规范版 P KP M 软件如何 实现新版高规的要求。 【 关键词l框支剪力墙结构 设计新 旧规范比较 1前言 部分框支剪力墙结构于 2 0世纪 8 0 年代中期开 始采用，9 0年代初 钢筋混凝土高层建筑结构设计 与施工规程J G J 3 - 9 1列入该结构体系及抗震设计 有关规定。近几十年，部分框支剪力墙结构发展迅 李党，中国建筑科学研究院，建研科技股份有限公司设计软件事业部 地址 ：北京市北三环中路 3 O号 电话 ：0 1 0 - 8 4 2 7 6 1 6 1 E ma i l ：L i d a n g c a b r t e c h c o rn 6结语 1 )模型一在地震作用下变形均匀，先是框架 梁开裂、裂缝发展、增多，直到输入地震波峰值加 速度为 4 0 0 g a l 时， 梁上裂缝发展较充分 ， 有的梁端 裂缝上、下贯通，模型西侧有一根框架柱在一层柱 根部位混凝土保护层脱落；第二阶段在双向大震作 用下最终模型结构整体倾倒 ，表现出 良好的整体屈 服机制 。 2 )模型二在输入单向地震波峰值加速度为 3 1 0 g a l 时，一层中柱柱顶开裂 ，一层层问位移角为 二层层间位移角的 1 6 4倍， 底层己表现 出明显的塑 性变形集中现象；第二阶段在双向地震作用下模型 结构一层柱上、下端均 出现塑性铰，该层结构变形 迅速加大， 柱上、 下端混凝土酥碎， 有的钢筋拉断， 整个模型坍塌、“ 坐” 到保护振动台的两根钢梁上 。 3 )模型三在输入单向地震波峰值加速度为 3 1 0 g a l 时，一层中间四根框架柱柱顶裂缝贯通，框 架角柱柱顶也产生裂缝，一层层间位移角是二层层 间位移角的 2 0 6倍， 底层塑性变形集中现象较模型 二更为严重 ；当峰值加速度为 5 1 0 g a l 时，一层中间 四柱上部折断，其余框架柱上、下端也均出现明显 的塑性铰，模型结构严重破坏 。 48 速。特别是在地震区，很多工程应用此结构形式 。 对于部分框支剪力墙结构，2 0 1 0 高层建筑混 凝土结构技术规程 ( 1 G I 3 2 0 1 0 ) 相对于 O 2高规 ( J G J 3 2 0 0 2 )很多地方都有所改动。本文将从结 构设计的角度 ，结合 2 0 1 0新规范版 P K P M，以实 际工程为例，重点说明新规范相对于 0 2高规的修 改之处。本文将从三个方面来介绍软件中是如何实 现 1 0高规中对部分框支剪力墙结构所要求的各项 由上述三个模型试验结果可知， 采用“ 楼层剪 力和层间位移 比法” 计算楼层刚度比较“ 层 间位移角 比法” 和“ 等效剪切刚度 比法” 能更好地反映结构在 罕遇地震作用下的抗震性能 ； 当采用楼层剪力和 层间位移 比法计算楼层侧向刚度 比时 ，若结构竖 向 刚度不规则存在软弱层 ，为避免罕遇地震作用下结 构软弱层发生严重 的塑性变形集 中，应提高该软弱 层的承载 能力，现行规范规定将软弱层地震剪力乘 以 1 1 5的增大系数 。 本试验表 明，在某些情况下乘 以 1 1 5的增大系数仍不能避免结构在罕遇地震作 用下发生塑性变形集中的层破坏模式 。 4 )由现场倒塌试验过程可知 ，结构布置完全 对称的高层钢筋混凝土框架结构，在双 向强震作用 下表现 出有 明显的扭转振动现象。 参考文献 ： 1 胡聿贤 地震工程学 北京：地震出版社，2 0 0 6 2 邱法维 ，钱稼茹 ，陈志鹏 结构抗震实验方法 北京：科学出版社， 2 0 0 0 3 唐曹明，徐培福 ，徐 自国，等 钢筋混凝土框架结构楼层刚度比限制 方法研究 J 土木工程学报，2 0 0 9 ， 1 2 ： 1 2 8 1 3 4 4 吕西林 复杂高层建筑结构抗震理论与应用 北京科学出版社， 2 0 0 7 m