異形柱框架
——短肢剪力墻結(jié)構(gòu)振臺試驗的探討

張玉宏

（貴州省建筑工程聯(lián)合公司）

異形柱框架
——短肢剪力墻結(jié)構(gòu)振臺試驗的探討

張玉宏

（貴州省建筑工程聯(lián)合公司）

異形柱框架2短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)體系. 文中通過12層鋼筋混凝土異形柱框架2短肢剪力墻結(jié)構(gòu)模型的模擬地震振動臺試驗以及彈塑性理論分析,研究了該結(jié)構(gòu)體系的動力特性、不同烈度地震作用下的反應(yīng)及破壞形式.結(jié)果顯示,該體系擁有優(yōu)越的建筑功能同時,在結(jié)構(gòu)上傳力明確,受力合理,滿足了小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震設(shè)防要求,適用于小高層住宅.

異形柱；異形柱框架2短肢剪力墻；振動臺試驗；彈塑性時程分析；中高層住宅

一、引言

近期國家出臺了《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,對異形柱的使用在高度上進(jìn)行了較大的限制. 以7 度區(qū)為例,異形柱框架結(jié)構(gòu)最大高度不超過21 m ,僅可用于多層建筑,而異形柱框架- 抗震墻結(jié)構(gòu)最大高度不超過40 m ,可用于十幾層的中高層住宅. 但在實際工程中,異形柱框架- 抗震墻結(jié)構(gòu)過長的墻肢會給建筑布局造成較大的影響,無法滿足中高層住宅建筑功能靈活多變的使用要求. 若將抗震墻墻肢長度縮短至5～8 倍肢厚范圍內(nèi),就成為短肢剪力墻,整體結(jié)構(gòu)也就成了異形柱框架—短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系. 該結(jié)構(gòu)體系是介于異形柱框架和異形柱框架- 抗震墻之間的一種新型結(jié)構(gòu)體系. 它不僅繼承了異形柱框架結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)勢,在一定程度上突破了其在高度上的限制,而且較短的墻肢布置起來更加靈活方便,適用于中高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計.

目前國內(nèi)還沒有開展該結(jié)構(gòu)體系的理論分析和試驗研究. 本文通過整體結(jié)構(gòu)振動臺試驗以及相應(yīng)的彈塑性理論分析,初步探討了其抗震性能和能力.

二、振動臺試驗

1、模型設(shè)計

本次試驗以某小區(qū)一幢在建的小高層住宅為背景,參考國內(nèi)一些采用了異形柱和短肢剪力墻的板式小高層住宅實際工程,從中抽象出具有代表性的一個開間進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?按7 度抗震設(shè)防, Ⅱ類場地設(shè)計了12 層異形柱框架—短肢剪力墻原型結(jié)構(gòu),再按相似比制作了振動臺試驗?zāi)Ｐ?模型的標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1 所示1

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

模型的幾何相似系數(shù)為1/ 7 ,其余主要的相似系數(shù)如表1 所示,采用設(shè)置人工配重的方法滿足質(zhì)量密度相似關(guān)系.竣工后模型總高度5. 22 m ,總重量11. 55 t .

表1 模型與原型相似系數(shù)

2、地震波選擇

本試驗選用三條地震波:兩條實際地震記錄Elcent ro 波和Taf t 波,一條上海人工波SHW2 ,作為臺面輸入. 地震波峰值和持續(xù)時間按規(guī)范要求和模型相似關(guān)系確定,以模擬不同設(shè)防烈度水準(zhǔn)地震作用.

3、試驗現(xiàn)象

7 度多遇地震作用下結(jié)構(gòu)未見裂縫,頻率下降不到1 %. 7 度基本烈度地震作用下結(jié)構(gòu)頻率下降了13.7 %,說明內(nèi)部有微裂縫產(chǎn)生,但肉眼很難觀察得到,部分應(yīng)變片拉應(yīng)變已超過300με.

7 度罕遇地震作用下,輸入Elcent ro 波和Taf t 波后,首先在3 、4層邊跨梁端出現(xiàn)裂縫,并擴(kuò)展到1～6層. 輸入上海波后,7～9 層邊跨梁端和1～4 層中跨梁端均出現(xiàn)裂縫,且部分裂縫貫通,形成塑性鉸。3 、4 層梁端裂縫延伸至樓板,形成連接L 形角柱柱肢兩端點的45°方向板角裂縫,如圖2 (a) 所示,頻率降幅達(dá)30 %.

7 度(0. 15 g) 罕遇Elcent ro 波作用下未見新裂縫產(chǎn)生. Taf t 波和上海波作用下,2～6 層邊跨中柱兩邊梁端出現(xiàn)裂縫;底部兩層電梯井連梁梁端出現(xiàn)“八”字形剪切裂縫,頻率降幅達(dá)40 %.

8 度罕遇Elcent ro 波和Taf t 波作用下除局部梁端裂縫增加外,無新裂縫產(chǎn)生. 上海波作用下,1～6層梁柱節(jié)點局部出現(xiàn)剪切斜裂縫,底部中柱柱腳和部分角柱上端出現(xiàn)水平裂縫;1～8 層電梯井連梁梁端出現(xiàn)“八”字形剪切裂縫;頻率降幅接近50 %.

8 度(0. 30 g) 罕遇上海波作用下,底層角柱柱腳開裂;7 層以上的短肢剪力墻在墻肢中、上部產(chǎn)生了兩三道因彎曲變形而形成的水平裂縫,如圖2 (b) 所示.

最后,對模型結(jié)構(gòu)施加破壞荷載,底層邊跨柱腳、墻腳混凝土崩裂,鋼筋壓屈外鼓;頂層位移過大,接近傾覆倒塌;但沒有出現(xiàn)薄弱層破壞.

圖2 模型破壞形態(tài)

三、試驗結(jié)果及分析

1、動力特性

輸入臺面各級地震波前后均對模型結(jié)構(gòu)施加一個位移方波激勵,經(jīng)掃頻得到各階段模型一階頻率變化如圖3 所示. 從中可以發(fā)現(xiàn),隨著試驗的進(jìn)程、模型裂縫的不斷發(fā)展以及塑性變形的增加,模型的各階頻率都呈下降趨勢,說明結(jié)構(gòu)剛度逐漸減小.

雖然同烈度不同地震波作用下,模型結(jié)構(gòu)反應(yīng)存在一個累積損傷的影響,但輸入波的順序是按照彈性階段結(jié)構(gòu)反應(yīng)由小到大的順序進(jìn)行,從而減小了這一影響,使其結(jié)果仍具可比性.

2、加速度反應(yīng)

Elcent ro 波作用下結(jié)構(gòu)第6 、9 、12 層加速度放大系數(shù)最大值隨試驗工況變化的趨勢如圖4 所示. 動力放大系數(shù)隨地震烈度的提高而減小,說明隨著地震烈度的增加,模型進(jìn)入塑性程度的加深,損傷加劇,剛度降低,阻尼增大,導(dǎo)致模型各層動力放大系數(shù)的減小,但這種減小的趨勢是逐漸減緩.

圖3 一階頻率變化圖

圖4 加速度放大系數(shù)圖

3、位移反應(yīng)

通過對各樓層加速度時程信號經(jīng)濾波處理后的二次積分,可獲得各樓層位移響應(yīng)時程,從而得到各層相對振動臺臺面位移最大值和層間位移角最大值包絡(luò)圖,如圖5 、圖6 所示. 模型結(jié)構(gòu)整體側(cè)移呈“S”形,具有明顯的彎剪復(fù)合變形特征;曲線比較平滑,不存在突變. 在設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)無明顯薄弱層;但在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)中下部4～6 層層間位移角最大,如表2 所示,易形成薄弱層.

表2 層間位移角最大值

圖5 模型結(jié)構(gòu)層位移包絡(luò)圖

圖6 模型結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)圖

規(guī)范給出的彈性階段異形柱框架結(jié)構(gòu)層間位移角限值為1/ 600 ,框架—抗震墻結(jié)構(gòu)為1/ 850. 可見El cent ro 波和Taf t 波的試驗結(jié)果均達(dá)到了異形柱框架—抗震墻結(jié)構(gòu)的要求;而上海人工波僅滿足了異形柱框架結(jié)構(gòu)的限值要求;在7 度(0. 15 g) 罕遇地震階段除上海人工波外,結(jié)構(gòu)塑性階段層間位移角均滿足規(guī)范規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)1/ 60 的限值要求,且接近或達(dá)到了框架- 抗震墻結(jié)構(gòu)1/ 110 的限值要求,說明該結(jié)構(gòu)在Ⅱ、Ⅲ類場地上按7 度抗震設(shè)防設(shè)計有較大的安全儲備. 在相同烈度地震情況下,輸入上海人工波后結(jié)構(gòu)反應(yīng)明顯大于Taf t 波和Elcent ro 波. 從三條地震波的頻譜圖可以發(fā)現(xiàn),上海人工波峰值頻率相對Taf t 波和Elcent ro 波更接近模型結(jié)構(gòu)的主頻,容易產(chǎn)生共振影響,且譜線峰值也明顯偏大,所以產(chǎn)生了上述結(jié)果.

4、樓層地震作用

模型結(jié)構(gòu)在Elcent ro 波作用下各樓層地震作用分布如圖7 所示.地震作用沿樓層分布趨勢大致相同,無明顯薄弱層;低烈度地震下結(jié)構(gòu)的樓層作用沿高度分布比較均勻,而高烈度時出現(xiàn)一些離散,說明隨著結(jié)構(gòu)塑性的發(fā)展,高階振型的作用越來越明顯.

圖7 El cent ro 波作用下模型結(jié)構(gòu)地震力包絡(luò)圖

圖8 滯回模型

四、試驗結(jié)果與理論分析對比研究

1、理論分析方法

由于空間問題的復(fù)雜性,目前結(jié)構(gòu)的彈塑性時程反應(yīng)分析主要還是以采用了層模型和桿系模型的平面非線性分析為主,其結(jié)果必然存在較大的近似性和局限性. 本文應(yīng)用三維空間結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件Midas Gen 對模型進(jìn)行了動力彈塑性時程分析. 軟件計算模型采用了兩端設(shè)塑性鉸的單分量桿空間桿系模型,樓板為采用了殼單元的彈性樓板,短肢墻按薄壁柱輸入. 分析方法選用Newmark 直接積分法,桿件的恢復(fù)力模型采用了Kinematic hardening 滯回模型,如圖8 所示,并用Rayleigh 阻尼進(jìn)行分析計算.

2、模型結(jié)果對比分析

（1）動力特性

經(jīng)掃頻得到的模型彈性階段的自振頻率和計算結(jié)果比較如表3 所示.試驗結(jié)果和計算結(jié)果吻合較好,說明計算結(jié)果有一定的精度.

（2）加速度時程反應(yīng)

模型在7 度罕遇地震下頂層加速度時程曲線和位移時程曲線如圖9 、圖10 所示. 由圖可見,試驗結(jié)果和計算結(jié)果基本吻合.

表3 理論和試驗得到的模型自振頻率（HZ）

圖9 7度罕遇烈度下模型結(jié)構(gòu)頂層加速度反應(yīng)

圖10 7度罕遇烈度下模型結(jié)構(gòu)頂層位移反應(yīng)

3、原型結(jié)果對比分析

要比較原型的結(jié)果,則應(yīng)先按照相似關(guān)系將模型試驗結(jié)果反推至原型,反推過程中應(yīng)根據(jù)臺面加速度設(shè)計值與實測值之間的誤差對結(jié)果修正.

（1）層間位移反應(yīng)

原型結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)圖如圖11 所示. 在7 度罕遇地震作用下理論結(jié)果和試驗結(jié)果存在一定的誤差,因為破壞越嚴(yán)重,塑性變形發(fā)展得越充分,混凝土結(jié)構(gòu)就越難以模擬,理論分析與實際情況的誤差也就越大. 試驗結(jié)果要大于計算結(jié)果,主要是因為理論計算中沒有考慮結(jié)構(gòu)累積損傷的影響,并且假定地震動過程中軸力保持不變. 試驗結(jié)果相對比較離散,這與試驗設(shè)備、試驗環(huán)境等許多因素有關(guān). 但總變化趨勢相同:多遇地震作用下結(jié)構(gòu)不存在明顯薄弱層;罕遇地震下,結(jié)構(gòu)薄弱層出現(xiàn)在中下部4～6 層范圍內(nèi).

圖11 原型結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)圖

（2）層間剪力

原型結(jié)構(gòu)層間剪力包絡(luò)圖如圖12 所示,從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著震級加大,剪力包絡(luò)曲線的離散性加大,說明隨著模型破壞程度的加深,高階振型參與的比例也相應(yīng)增大.

圖12 原型結(jié)構(gòu)各樓層剪力包絡(luò)圖

五、結(jié)論及建議

1、除上海人工波外,7 度多遇和7 度罕遇地震作用下,模型最大層間位移角分別滿足了規(guī)范給出的異形柱框剪結(jié)構(gòu)彈性及塑性層間位移角限值要求,且經(jīng)歷8 度罕遇,甚至9 度罕遇階段仍沒有倒塌,說明該結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震能力,滿足“小震不壞”和“大震不倒”的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn). 原型結(jié)構(gòu)按Ⅱ類場地,7 度抗震設(shè)防設(shè)計有一定的安全儲備.

2、從試驗現(xiàn)象看,該結(jié)構(gòu)總體破壞形態(tài)屬于“梁鉸破壞”,滿足了“強(qiáng)柱弱梁”的延性設(shè)計要求. 在試驗后期,模型底層柱腳出現(xiàn)出塑性鉸;異形柱內(nèi)折角處樓板出現(xiàn)板角開裂;短肢剪力墻以整體彎曲變形破壞為主,結(jié)構(gòu)上部樓層墻肢開裂嚴(yán)重. 這些薄弱部位在設(shè)計時應(yīng)予以重視.

3、試驗和計算結(jié)果均顯示結(jié)構(gòu)的受力和變形呈現(xiàn)典型的彎剪型特征,中下部樓層是相對薄弱環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)該部位構(gòu)件強(qiáng)度,避免薄弱層的破壞.

4、計算結(jié)果和試驗結(jié)果比較吻合,說明文中采用的計算模型和計算方法合理可行,能反映出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié).

總體來說,異形柱框架- 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)受力合理,具有一定的延性,整體抗震性能良好,同時也能很好的滿足建筑布局的需要,適合于在小高層住宅建筑中應(yīng)用.

TU145

1674-3954（2011）03-0228-03