低周反复荷载作用下钢筋混凝土异形柱框架的滞回性能分析.pdf

第34卷第2期应用科技Vol . 34,. 2 2007年2月AppliedScienceandTechnologyFeb. 2007 文章编号: 1009 - 671X(2007) 02 - 0069 - 04 低周反复荷载作用下钢筋混凝土 异形柱框架的滞回性能分析 田承昊 1 ,王铁成 2 ,刘旭华 3 ,孙金云 4 (1. 铁道第三勘查设计院,天津300251; 2.天津大学 土木系,天津300071; 3.中国试飞院,陕西 西安710089; 4.北京强度环 境研究所,北京100076) 摘 要:对一榀异形柱框架进行低周反复荷载试验研究,介绍了试验情况,对试件破坏过程及结果进行了描述, 给出了荷载-位移曲线及骨架曲线;并基于框架试验数据,分析了模型的试验滞回特性,评估了框架的抗震性 能,建立了框架的恢复力模型.得出如下结论:钢筋混凝土异形柱框架结构具有较好的滞回特性,变形特性介于 剪力墙结构和普通框架结构之间;框架整体受力分析可采用退化三线型恢复力模型. 关键词:异形柱;抗震性能;低周反复荷载试验;恢复力模型 中图分类号: TB302 文献标识码:A Analysis of hysteretic performance of RC frame with speci al2shaped columns under horizontal low cyclic repeated loadi ngs TI AN Cheng2hao 1 ,WANG Tie2cheng 2 ,L I U Xu2hua 3 , SUN Jin2yun 4 (1. The Third Railway Survey and Design Institute, Tianjin 300251 , China; 2. Department of Building, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3. Chinese Flight Test Establishment , Xian 710089 , China; 4. Beijing Institute of Strength Environment Engineering, Beijing 100076 , China) Abstract:Based on the low2cycle repeated loading test of a three2storey RC frame with special2shaped columns , this paper describes the failure procedure and results in detail . The load2displacement curves and skeleton curves are given.The hysteretic relations between the measured horizontal load and the top storey drift are analysed. At last, this paper gives a restoring force model of the frame with special2shaped columns .The behavior of the model subjected to earthquakes offers the basis for the earthquake resistant design and analysis of special2shaped column. Keywords: special2shaped column; earthquake resistance; low2cycle repeated loading test; restoring force model 收稿日期: 2006 - 04 - 25. 作者简介:田承昊(1975 - ) ,男,硕士研究生,主要研究方向:大跨空间结构, E2mail: Tianchhao2003163. com. 结构抗震试验的目的 1 ,归根到底是抗震性能 的评定,通过获得的数据和破坏现象来研究结构或 构件的强度、 抗裂度、 变形能力、 耗能能力、 刚度和破 坏机制等问题,进而对不同构件的性能进行比较.这 些问题的研究都与恢复力曲线有关.恢复力表征构 件卸载后恢复原有变形的能力.恢复力曲线表征构 件恢复力与变形的关系,或表示在循环反复荷载下 构件的变形过程.它包括荷载-位移滞回曲线和骨 架曲线.为了近一步掌握异形柱结构在高烈度地区 的适用性,由天津大学完成了8度区3榀异形柱结 构的拟静力试验研究.文中分析了其中一榀模型的 试验滞回特性,建立了框架的恢复力模型. 1 试验概况 1. 1 模型设计 本试验模型是在“8度区异形柱框架结构振动 台试验研究 ” 的试验模型 2的基础上所进行的模型 试验.模型原型各种参数的大致情况是:丙类建筑, 6 层,层高为3 m; 8度(0. 20 g) , 类场地,抗震等级 2级;柱的混凝土强度等级为C45;模型依据相似关 系以13比例设计成一个缩尺模型.取其中的一榀 中框架,按8度区 类场地土所得的地震力进行分 配,模型为3层2跨异型柱框架;把模型的46层 的竖向作用等效为竖向力分别加在模型3层柱顶 上,水平地震作用的等效水平力加在3层梁端,用以 模拟8度抗震设防的6层民用建筑异形柱框架结构 底层的轴压比,并依此进行梁、 柱配筋. 试验框架模型底层边柱和中柱的设计轴压比分 别为0. 2和0. 3.模型尺寸和梁柱配筋如图1所示. (a)模型尺寸 (b)配筋详图 图1 异型柱框架模型配筋图 1. 2 测试方法 试验中测试了框架各层顶点位移,每一梁端及 柱脚处截面的主筋应变;用手持应变仪量测一层梁 柱节点及柱脚处的变形. 1. 3 试验过程 采用拟静力试验方法 3 ,加载装置如图2所示. 图2 试验装置图 试验水平荷载的加载采用荷载-变形混合控制 的加载方法.第1阶段为荷载控制阶段,加载至结构 屈服.试验屈服位移dy根据受拉区主筋达到屈服应 变时来确定.在第2阶段,即结构屈服后进入位移控 制加载阶段,按顶层屈服位移的倍数作为加载控制 点,每一位移量级循环3次,直至荷载下降到最大荷 载的85%,且不低于屈服荷载时宣告结构破坏. 2 滞回曲线与试件的恢复力特性 钢筋混凝土异形框架的荷载-位移滞回曲线, 是其在反复周期荷载下受力性能的变化,即裂缝的 开闭,钢筋的屈服和强化、 粘结退化和滑移,局部混 凝土的酥裂剥落,以致破坏等的综合反映,它概括了 承载能力、 刚度和延性等力学特征,是钢筋混凝土异 形柱框架抗震性能的集中体现. 在全过程加载过程中,荷载-顶点位移P2 滞 回曲线如图3所示,荷载-层间位移滞回曲线P 2 滞回曲线如图4、 图5所示. 滞回曲线峰值点连线得P2 骨架线(见图6). 加荷时,由骨架曲线可看出,框架在水平反复荷载作 用下经历了开裂(A及A,点 ) , 屈服 (B 及B,点)、 最 大荷载 (C 即C,点 ) , 最后到极限荷载 (D 及D,点) 而破坏.框架总共经历了20次循环,亦即40个工况 达到破坏. 07应 用 科 技 第34卷 图3P-3滞回曲线 图4P-1滞回曲线 图5P-2滞回曲线 图6 框架P2 骨架曲线图 低周反复荷载作用下的结构变形特性称为恢复 力特性.滞回曲线综合反映了模型受力与变形的关 系,是结构抗震性能的综合体现,是进行结构抗震弹 塑性分析的主要依据 4 . 2. 1 滞回曲线的分析 经与试验现象对比分析,可看出: 1) 异形柱框架结构在水平荷载作用下的变形 曲线呈一定程度的弯剪性,变形特性介于剪力墙结 构和普通框架结构之间. 2) 框架梁裂缝出现前或只有少量裂缝时,即荷 载约在极限荷载的35%左右,滞回曲线所包围的面 积极小,滞回曲线基本重合成一直线,刚度无明显的 变化,残余变形也很小,结构基本上处于弹性状态. 3) 随着荷载的增加,梁端出现较多的弯曲裂 缝,滞回环面积逐渐增大;水平荷载卸零时,框架的 位移不再归零,有较大的残余变形.结构已进入非线 性阶段,此时框架的梁端的耗能体现之一为梁端的 开启与闭合. 4) 框架屈服以后,屈服后各滞回环呈反S形, “ 捏缩效应 ” 明显,表明存在较大剪力、 滑移影响.梁 柱构件斜裂缝发展充分,锚固钢筋在混凝土中滑移 量逐渐变大.随着位移的逐渐增大,承载力仍有提 高,到达最大荷载点,其后承载能力逐步下降,框架 的有效变形能力逐渐衰减.从框架屈服开始,滞回环 的面积不断增大,此时主要依靠梁铰机制来进行耗 能.由于结构累积损伤的影响,框架屈服后滞回环出 现了刚度退化. 5) 从框架达到屈服起,施加于框架上的各级位 移都是反复循环3次,由于反复循环的作用,承载能 力逐次都有所降低,使承载能力具有非稳态现象,反 复循环3次,承载能力降低8. 2%15. 1% ,刚度亦 相应地退化,滞回曲线的刚度降低3. 7%1811%. 这是与一次反复作用所不同之处. 6) 框架屈服以前,在加载后卸载,然后再反向 加载时,此时刚度退化不明显,但是在层间屈服以 后,由于混凝土和钢筋的塑性变形,裂缝的闭合以及 钢筋的滑移等因素,上述的刚度退化现象比较明显. 7) 框架层间屈服之后,在施加各级位移的过程 中,滞回曲线基本上是指向前次已经历过的最大位 17第2期田承昊,等:低周反复荷载作用下钢筋混凝土异形柱框架的滞回性能分析 移点.这也是与一次反复所不同之处. 2. 2 恢复力特性 低周反复荷载作用下的结构变形特性称为恢复 力特性. 根据滞回曲线的以上特征,现确定框架的层间 恢复力模型如图7所示. 图7 恢复力模型 在滞回曲线上确定试验框架的有效塑性变形能 力,由以下2个条件共同控制 : 1) 承载力下降到最 大承载力85%时的位移点 ; 2) 承载力下降到屈服位 移的控制点.如位移超过此极限,则认为框架已失去 塑性变形的能力.同时,根据此极限,确定结构的延 性系数. 滞回曲线和连接滞回曲线各定点的骨架曲线经 整理,使曲线成为分段折线化,与图7所示的退化 三线型恢复力模型相似,其滞回过程的3阶段:开裂 前按弹性考虑,取初始刚度.卸载时,不考虑刚度退 化和残余变形;在 开裂 点 至 屈服点的区域内,取 开裂刚度,从屈服点卸载时则指向反向荷载的开裂 点,考虑刚度退化和残余变形;屈服以后,取屈服刚 度,卸载时的刚度系数折减,取折减系数 = uy um ; 式中uy为屈服位移; um为经历过的最大位移点位 移值;为试验系数,在0.49和0.63之间变化.卸 载后再反向施加位移时,在P= 0处指向反向曾经 历过的最大位移点. 3 结束语 由以上的讨论可知,钢筋混凝土异形柱框架结 构有较好的滞回特性,变形特性介于剪力墙结构和 普通框架结构之间;框架整体受力分析可采用退化 三线型恢复力模型. 参考文献: 1朱伯龙.结构抗震试验M .北京:地震出版社, 1989. 2潘 文,刘 建.八度区六层异形柱框架结构的振动台 试验J .建筑结构学报, 2004, 25(3) : 31 - 36. 3李桂清.建筑结构整体试验方法J .工程力学, 1988, 5 (1) : 78 - 83. 4朱伯龙,董振祥.钢筋混凝土非线性分析M .上海:同 济大学出版社, 1985. 责任编辑:李玲珠 27应 用 科 技 第34卷