框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究

袁 泉，何玉陽

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究

袁 泉，何玉陽

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

對1／6縮尺框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動臺試驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)模型經(jīng)歷彈性階段、開裂直至破壞的不同階段動力特性及反應(yīng)。以El Centro波、Taft波、人工波為輸入地震波，分別對設(shè)防烈度7度及8度多遇、基本、罕遇、超罕遇地震作用進(jìn)行試驗(yàn)，研究模型結(jié)構(gòu)在各階段地震作用下加速度、位移、應(yīng)變反應(yīng)及破壞形式、破壞機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層破壞模式為剪切型破壞，塑性變形主要集中在轉(zhuǎn)換層；框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)各層絕對加速度響應(yīng)主要取決于前兩階振型，高階振型影響較小，其中第一階振型起絕對控制作用。

底框結(jié)構(gòu)；密肋復(fù)合墻；轉(zhuǎn)換層；抗震性能；振動臺試驗(yàn)

框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)為由底部框架、上部密肋復(fù)合墻組成的新型結(jié)構(gòu)體系。，其中密肋復(fù)合墻為主受力構(gòu)件之一。該結(jié)構(gòu)具有自重輕、整體性好、承載能力大、耗能強(qiáng)等優(yōu)勢［1－2］，文獻(xiàn)［3－6］通過對密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究及理論分析表明，密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)中的填充砌塊、密肋框格及隱形框架整體工作性能較好，在地震作用下能逐漸發(fā)生損傷破壞并耗散地震能量，從而改變結(jié)構(gòu)的振動特性、提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

本文參考剪力墻結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)研究［7－10］，進(jìn)行1／6縮尺框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)地震模擬振動臺試驗(yàn)。通過測試模型結(jié)構(gòu)在7度及8度多遇、基本、罕遇地震作用下動力特性、加速度反應(yīng)、位移反應(yīng)研究框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)薄弱部位、破壞形式及破壞機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所選原型為二托六結(jié)構(gòu)，即底部2層均為框架剪力墻，上部6層均為密肋復(fù)合墻體，共8層，1層高3．6 m、2層高4．2 m，其它層高均為3 m，總高25．8 m。平面10．65 m×6．6 m。1、2層框架柱截面780 mm× 780 mm，其它層框架柱截面900 mm×200 mm，樓板厚160 mm，密肋復(fù)合墻板厚240 mm，剪力墻厚300 mm，按8°抗震設(shè)防。設(shè)計(jì)基本地震加速度0．15 g，地震分組第一組為Ⅱ類場地土，場地特征周期Tg＝0．35 g，50年一遇基本風(fēng)壓0．8 kN／m2。

圖1 模型尺寸圖Fig．1 Dimensions ofmodel

模型相似關(guān)系按原型1／6選取，由于振動臺載荷限制，選二托三結(jié)構(gòu)模擬原型二托六結(jié)構(gòu)。為準(zhǔn)確反應(yīng)原型結(jié)構(gòu)動力特性用人工質(zhì)量模擬方式，即在試驗(yàn)?zāi)Ｐ投腥Y(jié)構(gòu)各層附加質(zhì)量塊總重2．88 t，其中1、2層每層0．36 t，3～5層每層0．72 t。平面尺寸1．78 m ×1．10 m，1層高0．6 m、2層高0．7 m，其它層高均0．5m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。

1.2 模型相似關(guān)系

為使模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡量真實(shí)反映原型結(jié)構(gòu)性狀，應(yīng)合理確定原型與模型相似關(guān)系，滿足物理、幾何及邊界條件的相似要求。試驗(yàn)用主要相似系數(shù)見表1。

表1 模型結(jié)構(gòu)與原型相似關(guān)系Tab.1 Sim ilarity relation of themodel and prototype

1.3 實(shí)測材料

模型用C30細(xì)石混凝土澆筑，實(shí)測混凝土強(qiáng)度40．2 MPa、彈性模量2．76×104MPa。鋼筋用鍍鋅鐵絲，力學(xué)性能見表2。先按相似關(guān)系與原型換算，再遵循強(qiáng)度等效原則配筋。

表2 鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Properties of reinforcing bars

1.4 加載方案

試驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)抗震結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室地震模擬振動臺進(jìn)行，見圖2。據(jù)設(shè)防要求，輸入加速度幅值從小到大依次增加模擬基本烈度、多遇、罕遇等不同程度地震對結(jié)構(gòu)作用。采集模型結(jié)構(gòu)在不同程度地震作用下不同部位加速度、位移及應(yīng)變等數(shù)據(jù)，觀察結(jié)構(gòu)變形及開裂狀況。模型總重6．17 t，為滿足模型與原型質(zhì)量、活荷載相似關(guān)系，在模型各層樓板附加質(zhì)量塊。附加質(zhì)量塊總重2．88 t，其中1、2層各0．36 t，3～5層各0．72 t。

據(jù)原型場地條件及結(jié)構(gòu)動力特性，選三條地震波作為模擬地震振動臺臺面輸入波，分別為Taft波、El Centro波及據(jù)地震危險(xiǎn)性分析所得人工波。僅考慮N－S向（X向）地震作用，地震波輸入方向與圖1中①、②軸垂直。不同烈度地震波輸入順序依次為①Taft波、②El Centro波、③人工波。模型開裂前、后進(jìn)行自振特性測試，分別采用白噪聲法、錘擊法。調(diào)整激振頻率與模型發(fā)生共振后停止激振。共振、停止激振過程中采集模型各樓層加速度反應(yīng)。分析加速度反應(yīng)曲線獲得模型自振頻率、阻尼比及振型。試驗(yàn)中臺面加速度輸入峰值見表3。模型各階段動力特性測試見表4。

圖2 模型加載圖Fig．2 Load ofmodel

表3 試驗(yàn)實(shí)際臺面輸入過程Tab.3 Test procedures

表4 模型各階段動力特性測試過程Tab.4 Test procedu re of dynam ic character

1.5 測點(diǎn)布置及測試內(nèi)容

自振特性測試主要測試結(jié)構(gòu)自振頻率、振型等模態(tài)特征，考察試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c結(jié)構(gòu)原形及計(jì)算模型的特點(diǎn)與差異，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)動力特性及響應(yīng)規(guī)律、模型各層樓面及臺面絕對加速度、各樓層間相對位移、框架柱各樓層節(jié)點(diǎn)處應(yīng)變、框架梁兩端及中間處應(yīng)變、剪力墻中心處應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過程分析

輸入7度罕遇烈度地震動作用后模型結(jié)構(gòu)無可見裂縫。在7度罕遇烈度地震作用后模型結(jié)構(gòu)自振頻率開始下降，說明其剛度開始退化，混凝土內(nèi)部已產(chǎn)生微裂縫。輸入加速度峰值0．65 g的El centro波后3層密肋墻肋格中的填充砌塊出現(xiàn)細(xì)小斜裂縫，2層剪力墻出現(xiàn)細(xì)小垂直裂縫及斜裂縫。白噪聲掃頻及錘擊試驗(yàn)結(jié)果均顯示模型結(jié)構(gòu)自振頻率下降。臺面輸入加速度峰值0．75 g的Taft波及El Centro波地震動作用后密肋墻板肋格與填充砌塊接縫處出現(xiàn)大量裂縫，4層密肋墻底部出現(xiàn)水平裂縫。輸入加速度峰值0．75 g人工波后已有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大、延伸，2層連梁出現(xiàn)新的垂直裂縫及斜裂縫，4層密肋墻底部出現(xiàn)新水平裂縫，3、2層連梁出現(xiàn)新垂直裂縫及斜裂縫，已有裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大、延伸。臺面輸入加速度峰值0．85 g人工波后2層框架柱出現(xiàn)大量斜裂縫，2層剪力墻又現(xiàn)新裂縫，且原有裂縫不斷延伸。3層密肋墻底部轉(zhuǎn)角處現(xiàn)局部混凝土破壞。轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)因受轉(zhuǎn)換層本身剛度約束以剪切變形為主，位于轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)整體彎曲性能強(qiáng)于轉(zhuǎn)換層以下，因轉(zhuǎn)換層強(qiáng)度對轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)的嵌固作用，使轉(zhuǎn)換層以上部分相當(dāng)于固接于轉(zhuǎn)換層，因此轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)開裂后對上部結(jié)構(gòu)影響不大，位移影響相當(dāng)于底部剛度退化對上部結(jié)構(gòu)起減震效果。

臺面輸入加速度峰值1．2 g地震波后模型結(jié)構(gòu)普遍開裂，原裂縫延伸較多，框支柱中下部出現(xiàn)新水平裂縫，但未達(dá)完全破壞狀態(tài)，2層剪力墻處的裂縫已貫通成主裂縫。2層以上（即轉(zhuǎn)換層以上）密肋墻板大部分已破壞，說明底部開裂后轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)抗剪能力得以發(fā)揮，轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)以整體彎剪變形為主，在彎矩、軸力共同作用下使與轉(zhuǎn)換層直接相連的密肋墻出現(xiàn)破壞。對底層剪力墻及密肋墻肋格接縫處的破壞因地震強(qiáng)度增加及模型結(jié)構(gòu)本身施工中不足所致，模型結(jié)構(gòu)施工中先底座后底層剪力墻，二者之間存在施工縫，影響剪力墻強(qiáng)度，輸入加速度不足0．75 g時(shí)因裂面效應(yīng)影響，底層剪力墻強(qiáng)度能抵制地震反應(yīng)力，臺面輸入加速度超過0．75 g時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非線性變形，施工縫成為薄弱環(huán)節(jié)，造成開裂、甚至混凝土破壞。

由試驗(yàn)現(xiàn)象看出，轉(zhuǎn)換層附近樓層為結(jié)構(gòu)的薄弱樓層，與中上部結(jié)構(gòu)較大層間位移不同，其位移反應(yīng)基本為有害位移，較易在罕遇地震作用下破壞，因此該部位應(yīng)為加強(qiáng)重點(diǎn)。各階段破壞形態(tài)見圖3。

圖3 試件不同部位破壞圖示Fig．3 Damage of specimens different parts

圖4為在不同加速度EL-Centro波作用下結(jié)構(gòu)第5層加速度時(shí)程反應(yīng)曲線。

2.2 結(jié)構(gòu)動力特性

密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)中復(fù)合墻板填充材料－硅酸鹽砌塊為多孔輕質(zhì)、低強(qiáng)，隨地震作用強(qiáng)度增加硅酸鹽砌塊內(nèi)部微裂縫不斷開展、延伸。在不同工作階段處于不同受力狀態(tài)。砌塊開裂引起結(jié)構(gòu)動力特性變化。錘擊法所測數(shù)據(jù)經(jīng)快速傅里葉變換（FFT）可獲得模擬信號自譜、互譜傳遞函數(shù)。各階段傅里葉變換見圖5。前2階自振頻率測試結(jié)果見表5。

表5 前2階自振頻率測試結(jié)果Tab.5 Test results of frequencies

圖4 EL-Centro波作用下結(jié)構(gòu)5層加速度時(shí)程反應(yīng)Fig．4 EL-Centrowave five acceleration time history response

圖5 各階段對應(yīng)的傅里葉變換圖示Fig．5 Each stage of the corresponding FFT

2.3 模型結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)

模型各層絕對加速度反應(yīng)最大值見表6，臺面輸入相同加速度時(shí)各層加速度對比見圖6。

圖6 各層加速度對比Fig．6 Layers acceleration comparison chart

表6 模型各層絕對加速度反應(yīng)最大值Tab.6 Maximum acceleration responses of models at different floors

3 結(jié) 論

（1）框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層破壞模式為剪切型破壞，轉(zhuǎn)換層上部密肋復(fù)合墻受力后體現(xiàn)出墻體中砌塊、肋格、框架依次發(fā)揮作用的破壞機(jī)制，塑性變形主要集中于轉(zhuǎn)換層。

（2）框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)各層絕對加速度反應(yīng)主要取決于前兩階陣型，高階陣型影響較小；第一階陣型起絕對控制作用。

（3）結(jié)構(gòu)開裂及非彈性變形發(fā)展其自振頻率隨之下降速度更快。

（4）轉(zhuǎn)換層附近樓層是結(jié)構(gòu)的薄弱樓層，其位移反應(yīng)基本均為有害位移，較易在罕遇地震作用下破壞，設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)。

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Earthquake simu lation test on m ulti-ribbed com posite wall supported on fram e

YUAN Quan，HE Yu-yang
（School of Civil Eng．，Beijing Jiaotong Univ．，Beijing 100044，China）

The shaking table testof the 1／6 scalemodel of amulti-rib bed composite wall supported on frame was carried out．The test structure has undergone the whole process of elastic stage，cracking and destruction．The dynamic characteristics and the dynamic responses of the structure in the various stages were tested，taking respectively the El Centro wave，Taftwave，artificial seismic wave as the input signals，under the excitation of earthquakes with the seismic fortification intensity of frequent，basic，rare，very rare 7 degrees and 8 degrees．The acceleration，displacement and strain responses of themodel structure in each phase under the action of earthquack aswell as the failuremode and failure mechanism of the structure were investigated．The results show that：themain destructionmode of frame supported ribbed composite wall structure is the shear failure of its conversion layer．The plastic deformation ismainly concentrated on the conversion layer．The absolute acceleration response of each layer depends primarily on the first two vibration modes，the effect of higher ordermodes is rather small and the firstmode plays a decisive role．

shear wall supported on frame structure；multi-ribbed composite wall；conversion layers；seismic performance；the shaking table test

TU375

：A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．22．013

國家科技支撐計(jì)劃“村鎮(zhèn)住宅新型抗震節(jié)能結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2011BAJ08B02）

2014－06－04 修改稿收到日期：2014－07－01

袁泉男，副教授，1974年4生

何玉陽男，博士生，1986年10生