現(xiàn)澆板對RC框架結構抗震性能影響的試驗研究1

王振波 解子林

（南京工業(yè)大學土木工程學院，南京 210009）

現(xiàn)澆板對RC框架結構抗震性能影響的試驗研究1

王振波 解子林

（南京工業(yè)大學土木工程學院，南京 210009）

為了解現(xiàn)澆板對RC框架結構抗震性能的影響，對兩個框架結構進行了水平低周反復荷載試驗，分析了其破壞形態(tài)、滯回性能、骨架曲線和剛度退化等性能。結果表明：現(xiàn)澆板的存在，提高了框架結構的承載能力，耗能能力變化不大，變形能力降低，破壞機制使其由“強柱弱梁”變?yōu)椤皬娏喝踔薄?/p>

現(xiàn)澆板 低周反復 抗震性能

王振波，解子林，2015.現(xiàn)澆板對RC框架結構抗震性能影響的試驗研究.震災防御技術，10（4）：979—985. doi：10.11899/zzfy 20150416

引言

據(jù)對災后倒塌的鋼筋混凝土結構建筑物的考察發(fā)現(xiàn)，大量鋼筋混凝土框架結構房屋出現(xiàn)了柱端破壞而梁端未破壞的情況。這些建筑物在地震作用下極少有滿足鋼筋混凝土框架結構抗震設計中關于“強柱弱梁”設計準則的要求。根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，梁端附近一定范圍內的板筋與板的尺寸對其受彎承載力均有明顯的增強作用。

目前，關于現(xiàn)澆板對框架結構抗震性能影響國內外已做了一系列的理論分析與試驗研究，其中包括對帶現(xiàn)澆板框架結構的相關數(shù)值模擬分析（French，1991；Pantazopoulou等，2001），也包含帶樓板的框架結構節(jié)點以及平面框架等的低周反復試驗（鄭士舉等，2009）。結果表明，現(xiàn)澆板顯著提高了梁的抗彎剛度與承載能力，而該方面研究尚不完善。本文制作兩榀單層兩跨框架結構試件，研究二者在低周反復荷載作用下的破壞特征、破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、剛度退化和耗能情況等指標。

1 試驗設計

1.1 試件模型設計

試驗試件采用兩個1:3縮小尺寸模型（中華人民共和國建設部等，2010a；2010b）：未設現(xiàn)澆板的裸框架結構（RCF1）和帶有現(xiàn)澆板的框架結構試件（RCF2），框架試件尺寸與配筋見圖1，凈高均為1000mm，跨度均為1300mm，柱截面尺寸均為250mm×250mm，縱梁尺寸均為150mm×200mm，RCF2試件中，橫梁尺寸120mm×150mm，現(xiàn)澆板橫向寬度1000mm，縱向長度與縱梁長度相等，板厚60mm。底槽的混凝土強度等級采取C30，梁和柱為C25。

圖1 框架試件尺寸及配筋（單位：mm）Fig.1 Specimen dimension and the form of reinforcement

1.2 試驗裝置

試驗在宿遷學院建筑結構實驗室完成，試件豎向荷載通過3個千斤頂分別施加在各柱端，為保證柱頂?shù)呢Q向荷載能隨著框架側移時一起移動，每個豎向千斤頂和加載平臺之間布置小滑車。千斤頂通過滑輪將荷載傳遞給反力架。底槽通過地錨與剛性臺面固定，水平荷載通過鋼板結合4根拉桿固定在水平作動器端頭，圖2為裝載示意圖。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

1.3 加載方案

實驗邊柱軸壓比采用0.25，中柱為0.35，邊柱豎向荷載取200kN，中柱取280kN，荷載均分兩次施加，第一次先施加50%，然后加到100%的豎向荷載設計值后保持不變。

按《建筑抗震實驗方法規(guī)程》（JGJ101-96），水平荷載在構件屈服前采用力控制，每級加載25kN，各循環(huán)一次。構件屈服后，采用位移加載控制，位移選取屈服位移的整數(shù)倍，每級循環(huán)三次，直到構件破壞。具體加載方案如圖3。

圖3 加載方案Fig.3 Loading program

1.4 測試內容

測試內容包括：①梁、柱端縱筋應變；②水平荷載；③梁端水平位移。

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態(tài)

在豎向荷載方案與水平加載方案均相同的情況下，RCF1先于梁端相繼出現(xiàn)塑性鉸，接著柱底位置受力縱筋屈服進入塑性階段，屬于先梁鉸后柱鉸機制。RCF2先在柱腳出現(xiàn)塑性鉸，然后柱頂、柱底隨機出現(xiàn)屈服，而梁端并沒有屈服，屬于典型的柱鉸機制。

由于現(xiàn)澆樓板的存在，RCF2中的梁端在構件破壞時并沒有達到屈服，塑性鉸在柱端的出現(xiàn)是隨機的，在裂縫與破壞形態(tài)上，RCF1梁端有大量的裂縫，并伴有混凝土大量壓碎與剝落現(xiàn)象，RCF2的梁端僅有少量裂縫出現(xiàn)，在現(xiàn)澆板上側靠近柱端附近有細小裂縫。對于柱端，RCF2有混凝土嚴重的壓碎與剝落現(xiàn)象，并伴有鋼筋裸露于外，RCF1中柱頂均只有預留縫附近出現(xiàn)少量裂縫、混凝土局部壓壞與起皮現(xiàn)象，柱底雖壓碎破壞，但并沒有RCF2嚴重。

由破壞形態(tài)可知，現(xiàn)澆樓板的存在，在很大程度上提高了梁的抗彎承載能力，使得柱端屈服而梁端并未屈服，構件的破壞機制發(fā)生改變，由梁鉸機制變?yōu)橹q機制。

2.2 滯回曲線

RCF1和RCF2的滯回曲線分別如圖4和圖5所示，屈服前均大致呈線性關系，殘余應變很小，形成面積極小的滯回環(huán)，此階段構件有著較好的彈性變形能力。二者均有明顯的屈服點，RCF1的屈服荷載較RCF2低，屈服后，隨著循環(huán)位移的逐級加載，所形成的滯回環(huán)面積逐漸飽滿，說明有較好的塑性變形能力和抗震性能。在屈服階段內，殘余應變逐漸增大，滯回曲線的斜率不斷減小偏向位移軸，結構在每一級循環(huán)下的最大承載能力達到極值后均有下降趨勢，即有明顯的強度與剛度退化。整個加載中，RCF2的極限承載能力與位移高于RCF1。

圖4 RCF1滯回曲線Fig.4 Hysteresis curve of RCF1

圖5 RCF2滯回曲線Fig.5 Hysteresis curve of RCF2

2.3 骨架曲線

框架骨架曲線如圖6，加載過程中均經歷彈性、屈服、極限三階段，正向對應的荷載與位移均略大于負向，結果并不對稱，該現(xiàn)象符合典型的包辛格效應（Bauschinger effect），即正向加載引起的塑性應變強化導致材料在隨后的反向加載過程中呈現(xiàn)塑性應變軟化。

圖6 RCF1與RCF2骨架曲線Fig.6 Skeleton curve of RCF1 and RCF2

對比可以發(fā)現(xiàn)，二者在屈服前均呈線性增長，直至屈服，骨架曲線出現(xiàn)明顯的拐點，屈服后斜率變小，繼續(xù)增長到極限荷載值，最后結構達到破壞。現(xiàn)澆板的存在，使得結構的極限荷載和極限位移均有所提高，具體對比見表1。

表1 RCF1、RCF2荷載與位移對比Table 1 Comparison the load and displacement of RCF1 and RCF2

2.4 變形恢復能力

變形恢復能力是指結構在水平荷載作用下的殘余變形，意味著地震后結構的可修復性。用殘余變形和極限變形的比值來表示殘余變形率。表2、表3分別表示二榀框架結構在屈服之后的殘余變形、極限變形和殘余變形率，且表中Δ表示對應框架的屈服位移。

表2 RCF1變形恢復能力Table 2 Deformation resilience of RCF1

表3 RCF2變形恢復能力Table 3 Deformation resilience of RCF2

通過觀察表中的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，隨著位移等級的遞增，殘余變形也不斷增大，客觀說明了試件的損傷在反復荷載作用下不斷累積。對比可發(fā)現(xiàn)，在同等級位移下，RCF2的平均殘余變形率低于RCF1，說明現(xiàn)澆板的存在，使得鋼筋混凝土框架結構的變形恢復能力變強。

2.5 剛度退化

剛度退化曲線均呈明顯下降趨勢，如圖7，現(xiàn)澆樓板的存在，屈服后RCF1比RCF2剛度退化快一些，剛度退化到屈服階段剛度的30%后，二者退化比較接近。

2.6 耗能情況

關于結構耗能情況，從圖8可以看出：

（1）二榀框架構件的等效粘滯阻尼系數(shù)均隨試件位移的遞增呈上升趨勢，說明在整個實驗加載過程中，其仍然保持著良好的耗能能力；

（2）等效粘滯阻尼系數(shù)最高僅達到0.2，表明鋼筋混凝土框架結構具有良好的滯回耗能能力，現(xiàn)澆板的存在對耗能能力的影響不大。

圖7 剛度退化曲線Fig.7 Stiffness degradation curve of each frame

圖8 耗能曲線Fig.8 Energy dissipation of RFC1 and RFC2

2.7 延性性能

框架位移延性系數(shù)如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可看出，兩榀框架均有較好的延性，RCF2的延性略高于RCF1，表明現(xiàn)澆樓蓋存在較小的影響結構的延性性能。

表4 框架延性系數(shù)Table 4 Ductility factor of each frame

3 結論

（1）現(xiàn)澆板的存在，使得框架結構的破壞機制發(fā)生一定的變化，RCF1為梁鉸機制，而RCF2為柱鉸機制。

（2）滯回曲線顯示兩個框架結構試件都具有良好的塑性變形能力，而帶有現(xiàn)澆板的框架結構具有較高整體性能與承載能力，二者滯回曲線相似，但RCF2的滯回環(huán)面積有所增大。

（3）隨著位移量級的遞增，試件的損傷在反復荷載作用下不斷累積。對比可發(fā)現(xiàn)在同量級位移下，帶有現(xiàn)澆板框架結構的平均殘余變形率較低，變形恢復能力變強。

（4）帶現(xiàn)澆樓板框架結構的剛度退化快一些，剛度退化到屈服階段剛度的30%后，二者退化比較接近。

（5）整個實驗加載過程中，兩個框架均具有良好的耗能能力與延性性能，而現(xiàn)澆板的存在對耗能能力的影響不大，較小地提高了結構的延性性能。

（6）綜上，不能忽視現(xiàn)澆板對結構抗震性能的影響，影響框架結構“強柱弱梁”的其他因素如填充墻、軸壓比等仍有待進一步研究

鄭士舉，蔣利學，張偉平，顧祥林，2009.現(xiàn)澆混凝土框架梁端截面有效翼緣寬度的試驗研究與分析.結構工程師，25（2）：134—140.

中華人民共和國建設部，2010a.建筑抗震設計規(guī)范（GB 50011-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

中華人民共和國建設部，2010b.混凝土結構設計規(guī)范（GB 50011-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

French， 1991. Effect of Floor Slab on Behavior of Slab-Beam-Column Connections. ACI SP-123， Design of Beam-Column Joints for Seismic Resistance.

Pantazopoulou S.J.， French C.W.， 2001. Slab Participation in Practical Earthquake Design of Reinforced Concrete Frames. ACI Structrue Journal， 98 （46）: 479—489.

Study on the Seismic Performance of RC Frames Structure with Cast in Situ Slabs

Wang Zhenbo and Xie Zilin

（Department of Civil Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China）

In order to study the affection of cast in-situ slabs in RC frames during earthquakes， this paper presents a low cyclic loading test for two RC frames. To analyze the performances of failure mode， hysteretic behavior，skeleton curve， stiffness degradation etc， study the impact of construction joints to the overall seismic. The results showed that the exist of cast in-situ slabs improved the carrying capacity of the frame structure， reduced the deformability of RC frames structure and little change in energy dissipation capacity， the failure mechanism happened from “strong column-weak beam” to “strong beam weak column”.

Cast in-situ slabs； Low cycle reversed lateral load； Seismic performance

2015-04-08

王振波，男，生于1960年。博士后，教授。主要研究領域：混凝土結構抗震，混凝土結構斷裂與損傷，混凝土結構溫度控制及仿真，混凝土結構動力性能及基本理論。E-mall：liushuijianjian89@163.com