可恢復(fù)功能的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架擬動(dòng)力試驗(yàn)研究

張愛林, 張艷霞, 趙　微, 費(fèi)晨超(1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京　10014； . 北京建筑大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高校工程研究中心， 北京　100044; 3. 北京工業(yè)大學(xué) 北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京　10014)

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可恢復(fù)功能的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架擬動(dòng)力試驗(yàn)研究

張愛林1,3, 張艷霞1,2, 趙微2, 費(fèi)晨超2(1.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京100124； 2. 北京建筑大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高校工程研究中心， 北京100044; 3. 北京工業(yè)大學(xué) 北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京100124)

摘要：針對(duì)高層建筑，提出了腹板摩擦耗能的可恢復(fù)功能裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架結(jié)構(gòu)體系和性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。并設(shè)計(jì)了一個(gè)3×5跨4層原型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了0.75倍縮尺的子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架具有良好的開口閉合機(jī)制，震后能夠自動(dòng)復(fù)位和恢復(fù)結(jié)構(gòu)功能。試驗(yàn)結(jié)束后，鋼絞線索力損失在8%以內(nèi)，說明鋼絞線、錨具性能和鋼預(yù)應(yīng)力的施加方法是可靠的。結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了“多遇地震無開口、無損傷，設(shè)防地震開口耗能且主體結(jié)構(gòu)無損傷、罕遇地震結(jié)構(gòu)損傷很小能正常使用，超罕遇地震主體結(jié)構(gòu)損傷較小且仍能正常使用”的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：可恢復(fù)功能的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架；擬動(dòng)力試驗(yàn)；性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)

可恢復(fù)功能預(yù)應(yīng)力鋼框架結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在強(qiáng)震發(fā)生后具有控制結(jié)構(gòu)損傷，減少或消除殘余變形，震后容易修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)受到了國內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外研究主要集中在不同耗能裝置的預(yù)應(yīng)力鋼框架的結(jié)構(gòu)性能上,其中研究最多的有角鋼耗能[1]、耗能棒耗能[2]、上下翼緣摩擦耗能[3-4]和腹板摩擦耗能[5-9]等。我國高層建筑較多，國外提出的可恢復(fù)功能預(yù)應(yīng)力鋼框架體系(Resilient Prestressed Steel Frame，RPSF)如果用于高層建筑中，需要高空張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線，施工難度大、施工周期長。作者對(duì)此提出了一種腹板摩擦耗能的可恢復(fù)功能裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架體系(Resilient Prefabricated Prestressed Steel Frame，RPPSF)，該體系能夠?qū)崿F(xiàn)在施工現(xiàn)場地面張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線，柱翼緣無需開孔穿鋼絞線，梁柱節(jié)點(diǎn)只需像傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)一樣采用栓焊混合的方法進(jìn)行連接。從而降低了施工難度，提高了施工質(zhì)量同時(shí)縮短工期。本文在已經(jīng)完成的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)該體系平面框架進(jìn)行子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn),進(jìn)一步研究和探討該體系的抗震性能。

1裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架典型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

預(yù)應(yīng)力鋼框架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖1所示，腹板摩擦耗能的預(yù)應(yīng)力鋼框架梁腹板與柱采用剪切板和高強(qiáng)螺栓連接，梁翼緣與柱通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線連接，剪切板和高強(qiáng)螺栓同時(shí)作為耗能裝置。裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖2所示，其中鋼梁包括中間梁段和兩短梁段，三者通過中間梁腹板兩側(cè)剪切板、耗能用高強(qiáng)螺栓、豎板及預(yù)應(yīng)力鋼絞線連接，短梁段上焊有用于加強(qiáng)的橫向加勁肋和縱向加勁肋，同時(shí)用于放置鋼絞線的錨固端。中間梁段腹板與高強(qiáng)度螺栓對(duì)應(yīng)位置設(shè)置長孔，允許高強(qiáng)螺栓發(fā)生相對(duì)滑移耗散能量。中間梁段腹板和剪切板間夾有黃銅板，用以保證穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。

圖1　預(yù)應(yīng)力鋼框架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.1 Details of RPSF connection

圖2　裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.2 Details of RPPSF connection

當(dāng)?shù)卣鹱饔眠_(dá)到一定程度時(shí)，中間梁段與連接豎板的接觸面一端脫開，詳見圖3，腹板高強(qiáng)螺栓摩擦耗能，從而避免或減少了鋼框架梁和柱等主體構(gòu)件的損壞。地震作用后，鋼框架在預(yù)應(yīng)力作用下可以自動(dòng)復(fù)位，恢復(fù)了結(jié)構(gòu)原有的功能。

圖3　RPPSF節(jié)點(diǎn)脫開示意圖Fig.3 Schematic of RPPSF gap opening

2原型結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.1原型結(jié)構(gòu)

參照國內(nèi)外研究成果[10-13]，結(jié)合裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架特點(diǎn)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，提出了“多遇地震無開口、無損傷，設(shè)防地震開口耗能且主體結(jié)構(gòu)無損傷、罕遇地震結(jié)構(gòu)損傷很小能正常使用，超罕遇地震主體結(jié)構(gòu)損傷較小且仍能正常使用”的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)(性能化設(shè)計(jì)另文發(fā)表)。按此原則設(shè)計(jì)了一個(gè)采用腹板摩擦耗能的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架的4層原型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限50年，安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2 g，場地類別為Ⅲ類。樓面恒載包括樓板自重取7.0 kN/m2，樓面活載取2.0 kN/m2，屋面活載2.0 kN/m2，雪荷載按北京地區(qū)100年一遇取值0.45 kN/m2。結(jié)構(gòu)平面如圖4所示，橫向3跨，縱向5跨，每跨跨度為8 m，首層層高3.9 m，2～4層層高均為3.6 m。圖4中長方形高亮框選的梁柱截面為框架柱和框架梁，梁柱節(jié)點(diǎn)為裝配式預(yù)應(yīng)力連接方式，框架柱采用箱形截面，截面尺寸為□400×400×34，框架梁截面尺寸p88×300×12×20，其余梁柱節(jié)點(diǎn)采用鉸接連接，柱截面尺寸□400×400×30，梁截面尺寸p88×300×12×20。耗能用螺栓和梁柱連接螺栓規(guī)格為M24，鋼絞線采用1×19、極限強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線，公稱直徑21.8 mm，公稱面積為312.9 mm2，屈服力值Ty為540 kN，極限力值Tu為591 kN。

圖4　原型結(jié)構(gòu)平面圖(單位：mm)Fig.4 Plane schematic of prototype structure

2.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本試驗(yàn)采用子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)方法，選取柱腳易出現(xiàn)塑性的底層中間一榀裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架作為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)，基本處于彈性狀態(tài)的二到四層框架作為計(jì)算子結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5　試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural schematic of experiment

考慮試驗(yàn)條件，對(duì)原結(jié)構(gòu)縮尺0.75倍，試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣苤c原型結(jié)構(gòu)軸壓比相同，開口臨界彎矩與長梁截面塑性極限彎矩之比與原模型相同。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮敿?xì)尺寸如圖6所示。層高3.15 m，跨度6 m，框架柱截面尺寸h100×300×20×30，中間梁段截面尺寸p50×250×14×16，短梁段截面尺寸p82×250×14×30，柱加勁肋厚為30 mm，短梁橫向加勁肋和縱向加勁肋厚度分別為30 mm和20 mm，連接豎板厚為30 mm，中間梁段翼緣加強(qiáng)板厚為16 mm，長度800 mm，耗能用螺栓為8個(gè)10.9級(jí)M24扭剪型高強(qiáng)螺栓，梁柱連接螺栓為8個(gè)10.9級(jí)M20扭剪型高強(qiáng)螺栓。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用8根1×19-1860鋼絞線。單根預(yù)應(yīng)力鋼絞線初始預(yù)應(yīng)力值取0.25Tu。

圖6　試驗(yàn)框架詳圖Fig.6 Details ofspecimen RPPSF

2.3材料性能

試件截面的厚度分別為14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、30 mm五種，鋼材的牌號(hào)為Q345B，試件材料力學(xué)性能試驗(yàn)[14]結(jié)果見表1。鋼絞線材性試驗(yàn)結(jié)果見表2。螺栓采用10.9級(jí)扭剪型高強(qiáng)螺栓，黃銅板與鋼板之間的摩擦系數(shù)經(jīng)檢測機(jī)構(gòu)測試為0.34～0.38。

3試驗(yàn)方案

3.1加載裝置和輸入?yún)?shù)

整個(gè)試驗(yàn)采用子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)方案，試驗(yàn)采用由湖南大學(xué)郭玉榮教授等人開發(fā)的多層結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程協(xié)同擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái) (NetSLab_MSBSM1.0.0)。 由于試驗(yàn)

表1　標(biāo)準(zhǔn)板狀試樣拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　鋼絞線材性試驗(yàn)

框架跨度較大，實(shí)驗(yàn)室條件所限，柱頂上不容易施加軸向壓力，因此軸向壓力通過預(yù)應(yīng)力豎索施加，鋼絞線仍然采用公稱直徑21.8 mm的1×19-1860鋼絞線。施加的索力大小為189 kN。側(cè)向力由200 t作動(dòng)器施加，試驗(yàn)加載裝置示意圖和照片如圖7和8所示。作動(dòng)器施加的位移來自試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)輸入地震波計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算子結(jié)構(gòu)需要輸入樓層質(zhì)量和理論層間恢復(fù)力模型，樓層質(zhì)量按照原型樓層質(zhì)量和相似關(guān)系輸入地震質(zhì)量。因?yàn)槊總€(gè)樓層共有八根框架柱承受側(cè)向力，試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀袃筛蚣苤栽螛菍淤|(zhì)量為整個(gè)樓層質(zhì)量的四分之一。理論層間恢復(fù)力模型為課題組提供的如圖9所示的雙旗幟模型，輸入?yún)?shù)有開口前剛度K1、開口后剛度K2、臨界開口時(shí)的位移d1和最大開口轉(zhuǎn)角時(shí)的位移d2。具體參數(shù)取值通過平面框架有限元推覆分析并結(jié)合圖9所示的理論層間恢復(fù)力模型獲得，詳見表3。

圖7　試驗(yàn)加載裝置示意圖(單位:mm)Fig.7 Test setup

圖8　試驗(yàn)加載裝置示意圖Fig.8 Test photograph

圖9　理論層間恢復(fù)力模型Fig.9 Theretical story hysteresis model

3.2加載制度

選取Taft、LOS000和EL-Centro三條地震動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，圖10～圖12給出了三條地震動(dòng)時(shí)程曲線，將三條地震動(dòng)峰值調(diào)整至0.4 g，并利用SeismoSignal軟件將時(shí)程曲線轉(zhuǎn)換為加速度反應(yīng)譜，如圖13所示。原模型第一周期為1.23 s，由此可見，所用地震時(shí)程記錄幅值與持時(shí)滿足規(guī)范要求，反應(yīng)譜曲線與規(guī)范譜曲線在自振周期處也基本吻合。

表3　擬動(dòng)力試驗(yàn)輸入的參數(shù)

試驗(yàn)按照8度多遇、設(shè)防、罕遇和8度半罕遇四個(gè)不同的震級(jí)，分別輸入不同加速度峰值0.07 g、0.2 g、0.4 g和0.51 g的地震加速度記錄，三條地震動(dòng)時(shí)間步長0.01 s，考慮縮尺比例，調(diào)整時(shí)間步長為0.008 6 s。阻尼比取0.05。輸入地震動(dòng)之前先進(jìn)行預(yù)加載測量試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度，作為下一步計(jì)算的依據(jù)。

3.3測量內(nèi)容

(1) 荷載的測量：作動(dòng)器自帶荷載傳感器測量試驗(yàn)過程中往復(fù)荷載的變化。

(2) 預(yù)應(yīng)力鋼絞線索力的測量：采用16個(gè)50 t壓力傳感器用來實(shí)時(shí)記錄加載過程中梁和柱的鋼絞線索力的變化。

(3) 螺栓壓緊力的測量：螺栓應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)記錄加載過程中耗能螺栓壓緊力的變化。

圖10 Taft波時(shí)程曲線Fig.10Taftgroundmotionrecord圖11 LOS000波時(shí)程曲線Fig.11LOS000groundmotionrecord圖12 EL-Centro波時(shí)程曲線Fig.12EL-Centrogroundmotionrecord圖13 加速度反應(yīng)譜Fig.13Accelerationresponsespectrum

(4) 位移的測量：如圖14所示。節(jié)點(diǎn)開口處設(shè)置8個(gè)直線位移電位計(jì)，測量開口寬度；作動(dòng)器自帶位移傳感器記錄加載位置構(gòu)件側(cè)向位移值；在東側(cè)柱頂布置1個(gè)量程為150 mm的位移計(jì)記錄柱頂位移，在東西兩柱底分別布置兩個(gè)量程為50 mm的位移計(jì)記錄柱腳的水平滑移量。

圖14　位移計(jì)布置示意圖Fig.14 Arrangement of displacement meter

(5) 應(yīng)變的測量：分別在柱翼緣、柱腹板、梁上下翼緣及梁腹板縱橫方向粘貼應(yīng)變片，用于測量加載過程中各位置的應(yīng)變變化，具體布置如圖15所示。

圖15　應(yīng)變片布置示意圖Fig.15 Arrangement of strain gauges

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1樓層位移響應(yīng)

在8度多遇、設(shè)防、罕遇和8度半罕遇地震作用下，Taft波、LOS000波、EL-Centro波結(jié)構(gòu)側(cè)移的時(shí)程曲線如圖16所示，圖中均選取了地震動(dòng)典型的15 s。東西側(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均列于表4中。由于作動(dòng)器作用于西側(cè)梁上，結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱，西側(cè)側(cè)移和東側(cè)側(cè)移往往不一致，且西側(cè)位移為作動(dòng)器外位移，為此下面討論結(jié)構(gòu)的性能時(shí)以未加作動(dòng)器的東側(cè)框架柱為例進(jìn)行。從各級(jí)數(shù)據(jù)看，均是EL-Centro波作用下位移響應(yīng)最大。在多遇地震作用下，試驗(yàn)框架最大位移響應(yīng)為17.21mm，最大層間位移角1/218超出了文獻(xiàn)[10]中彈性位移角1/250的限值。在設(shè)防地震作用下，框架最大位移響應(yīng)為30.65 mm，最大層間位移角為1/103。在罕遇地震作用下，最大位移響應(yīng)為62.2 mm，最大層間位移角為1/50，正好達(dá)到了文獻(xiàn)[10]鋼框架彈塑性位移角1/50的限值。在8度半罕遇地震作用下，最大位移響應(yīng)71.53 mm，最大層間位移角分別1/44，已經(jīng)超出了文獻(xiàn)[10]鋼框架彈塑性位移角1/50的限值。圖17為0.2 g、0.4 g和0.51 g地震動(dòng)作用下試驗(yàn)框架柱最大位移時(shí)的照片。

圖16　三條地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)位移時(shí)程曲線Fig.16 Lateral displacement time history from EL-Centro,LOS000 and Taft

地震波峰值加速度最大位移/mm最大層間位移角/rad最大開口轉(zhuǎn)角%rad最大殘余轉(zhuǎn)角%rad東側(cè)西側(cè)東側(cè)西側(cè)東側(cè)西側(cè)東側(cè)西側(cè)Taft8.289.281/3801/339————0.07gLOS00012.6513.341/2491/236————EL-Centro17.2119.391/2181/162————Taft20.2823.291/1551/1350.260.410.020.030.2gLOS00024.6733.851/1281/930.410.650.030.07EL-Centro30.6541.081/1031/770.630.890.020.03Taft33.2444.901/951/700.811.060.180.010.4gLOS00044.0255.551/721/570.781.230.060.13EL-Centro62.2081.371/501/391.922.780.040.09Taft43.7358.101/781/541.041.650.060.020.51gLOS00053.9166.111/581/481.532.000.110.31EL-Centro71.5391.801/441/342.543.230.240.07

圖17　試驗(yàn)框架柱最大位移時(shí)的照片F(xiàn)ig.17 Photograph of maximum displacement of frame column

4.2裝配式預(yù)應(yīng)力梁柱節(jié)點(diǎn)開口

由表4可知，在多遇地震下，節(jié)點(diǎn)無開口。在設(shè)防地震作用下，西側(cè)加載端節(jié)點(diǎn)開口大于東側(cè)節(jié)點(diǎn)開口，最大開口轉(zhuǎn)角為EL-Centro地震動(dòng)下的0.89%。最大的殘余轉(zhuǎn)角為LOS000波作用后，數(shù)值為0.07%。在罕遇地震作用下，最大開口轉(zhuǎn)角為2.78%，最大殘余轉(zhuǎn)角為0.18%。在8度半罕遇地震作用下，最大開口轉(zhuǎn)角為3.23%，圖18 (a)～(b)為框架節(jié)點(diǎn)的東、西側(cè)最大開口時(shí)的照片。最大殘余轉(zhuǎn)角為0.31%，節(jié)點(diǎn)基本回到原始位置，如圖18 (c)～(d)所示。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出較好的開口閉合機(jī)制，結(jié)構(gòu)具有良好的自動(dòng)復(fù)位能力。同時(shí)試驗(yàn)框架中選用的腹板摩擦耗能裝置在不影響樓板和下翼緣空間布置的前提下，取得了良好而穩(wěn)定的耗能效果。

圖18　8度半罕遇EL-Centro地震動(dòng)下節(jié)點(diǎn)照片F(xiàn)ig.18 Connection photograph from EL-Centro(PGA=0.51 g)

4.3滯回性能

4.3.1滯回曲線

在多遇地震作用下，滯回圖形基本為線性，結(jié)構(gòu)無塑性發(fā)展。此時(shí)試驗(yàn)框架與剛接框架受力性能基本相同。圖19中列出了EL-Centro波在8度多遇、設(shè)防、罕遇和8度半罕遇地震作用下力-位移曲線。在設(shè)防地震作用下，由滯回模型可以看出，滯回環(huán)開始出現(xiàn)，這是因?yàn)樵谠O(shè)防地震時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)已有最大寬度3.86 mm的開口，高強(qiáng)螺栓開始摩擦耗能。在罕遇地震作用下，滯回環(huán)已基本形成。摩擦耗能較0.2 g時(shí)有所增加。在8度半罕遇地震作用下，滯回環(huán)完全形成，框架摩擦耗能較0.4 g時(shí)又有所增加。

4.3.2耗能能力

結(jié)構(gòu)的耗能能力可用耗能系數(shù)來定量分析，即是指滯回環(huán)包圍面積與彈性應(yīng)變能的面積之比。各級(jí)地震作用下結(jié)構(gòu)耗能系數(shù)如表5所示。在多遇地震作用下，沒有形成滯回環(huán)，能量耗散系數(shù)為0。設(shè)防地震EL-Centro地震波作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生開口，開始形成滯回環(huán)，結(jié)構(gòu)耗能系數(shù)為0.26，同一條地震動(dòng)作用下，隨著地震加速度峰值的增加， 耗能系數(shù)大體呈上升趨勢，8度半罕遇地震作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生最大開口，形成的滯回環(huán)面積最大，框架耗能能力最大，結(jié)構(gòu)的耗能系數(shù)在0.33至0.55范圍內(nèi)。

圖19　EL-Centro地震動(dòng)下力-位移曲線Fig.19 Force-displacement responses from EL-Centro

地震動(dòng)耗能系數(shù)剛度/(kN·m-1)0.2g0.4g0.51g0.2g0.4g0.51gTaft00.320.3318.8418.6917.39LOS00000.390.4119.2118.6016.55EL-Centro0.260.560.5518.6917.3615.02

4.3.3結(jié)構(gòu)剛度的退化

結(jié)構(gòu)剛度是結(jié)構(gòu)變形能力的反映，由于試驗(yàn)框架梁柱節(jié)點(diǎn)開口，在往復(fù)荷載試驗(yàn)過程中，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)剛度隨著試驗(yàn)循環(huán)周數(shù)和結(jié)構(gòu)變形增加而減小的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的剛度用割線剛度表達(dá)，如表5所示。結(jié)構(gòu)從8度設(shè)防地震到8度半罕遇地震，剛接框架剛度由19.21 N/mm退化至15.02 kN/mm，隨著節(jié)點(diǎn)開口增加，結(jié)構(gòu)剛度呈下降趨勢。

4.4鋼絞線索力的變化

4.4.1柱上鋼絞線索力的變化

圖20為不同水準(zhǔn)地震動(dòng)作用下柱上鋼絞線索力的時(shí)程曲線，由圖中可以看出，在8度多遇、設(shè)防、罕遇和8度半罕遇地震作用下，柱頂軸力的變化最大分別在0.59%、1.23%、2.87%和3.85%以內(nèi)，滿足試驗(yàn)柱頂施加軸力的要求。

圖20　EL-Centro地震動(dòng)下豎向索力時(shí)程曲線Fig.20 PT force time-histories of vertical strand from EL-Centro

4.4.2梁上鋼絞線索力的變化

8度多遇地震作用下，節(jié)點(diǎn)無開口，鋼絞線無伸長，索力無損失。在8度設(shè)防、罕遇、8度半罕遇地震作用下，試驗(yàn)框架在EL-Centro波作用下鋼絞線索力隨平均內(nèi)轉(zhuǎn)角的變化如圖21所示，在8度設(shè)防地震作用下，索力由于開口后鋼絞線長度的增加而有所增大，最大值為0.30Tu，地震動(dòng)結(jié)束后，索力又恢復(fù)到初始索力0.25Tu的大小，索力基本無損失。8度罕遇地震作用下，索力最大值為0.41Tu，地震動(dòng)結(jié)束后，索力又恢復(fù)到初始索力0.25Tu的大小，索力損失很小。8度半罕遇地震作用下，索力最大值為0.43Tu，地震動(dòng)結(jié)束后，索力恢復(fù)為0.23Tu或0.24Tu的大小，在峰值0.51g地震動(dòng)作用下三條地震動(dòng)鋼絞線平均預(yù)應(yīng)力損失為2.18%、3.25%和3.05%。從試驗(yàn)開始到試驗(yàn)結(jié)束，鋼絞線索力損失最大為7.95%，平均索力損失為6.12%。說明試驗(yàn)框架鋼絞線、錨具性能和預(yù)應(yīng)力張拉方法是可靠的。這也為罕遇地震和超罕遇地震后結(jié)構(gòu)能夠正常使用和承受較大和多次余震作用奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖21　EL-Centro地震動(dòng)下框架梁上鋼絞線索力變化Fig.21 PT force variation of frame beams from EL-Centro

4.5應(yīng)變變化

在8度多遇地震作用下，節(jié)點(diǎn)無開口，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件及預(yù)應(yīng)力鋼絞線全部處于彈性狀態(tài)；在8度設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)只有EL-Centro波作用下翼緣加強(qiáng)板進(jìn)入塑性，其他主體結(jié)構(gòu)均保持彈性狀態(tài)。8度罕遇EL-Centro地震作用下典型部位的應(yīng)變時(shí)程曲線如圖22所示，表6為8度罕遇地震作用下各個(gè)部位的最大應(yīng)變值。由此可以看出，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，長梁近豎板處加強(qiáng)板塑性應(yīng)變較大，長梁翼緣、節(jié)點(diǎn)域腹板處于彈性狀態(tài)。除此以外，短梁翼緣、節(jié)點(diǎn)域翼緣、柱腳翼緣和腹板均進(jìn)入屈服，但是應(yīng)變值均未超過2εy(根據(jù)材性試驗(yàn)，屈服應(yīng)變?chǔ)舮為2 000)，不會(huì)產(chǎn)生明顯的殘余變形。

圖22　8度罕遇EL-Centro地震作用下典型部位的應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.22 Strain time history of typical position of specimen from EL-Centro(PGA=0.4 g)

序號(hào)地震動(dòng)記錄應(yīng)變短梁翼緣長梁翼緣加強(qiáng)板節(jié)點(diǎn)域翼緣節(jié)點(diǎn)域腹板柱腳翼緣柱腳腹板1Taft最大應(yīng)變203790932192389124423352076殘余應(yīng)變68721181154375179618332LOS000最大應(yīng)變239693838522850156327682119殘余應(yīng)變1868419221692234216720203EL-Centro最大應(yīng)變3296126547342984180629512240殘余應(yīng)變28891352647165418423772096

表7為8度半罕遇地震下典型部位最大應(yīng)變值。從表7來看，長梁加強(qiáng)板近豎板處塑性應(yīng)變最大，長梁翼緣處于彈性狀態(tài)。短梁翼緣也進(jìn)入屈服，最大屈服應(yīng)變達(dá)2.25εy。除此以外，節(jié)點(diǎn)域腹板、節(jié)點(diǎn)域翼緣、柱腳翼緣和腹板均進(jìn)入屈服，但是塑性值均沒有超過2εy。

綜上所述，8度多遇地震作用下，節(jié)點(diǎn)無開口，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件及預(yù)應(yīng)力鋼絞線全部處于彈性狀態(tài)，加載結(jié)束后，鋼絞線索力無損失，實(shí)現(xiàn)了“多遇地震無開口、無損傷”的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。8度設(shè)防地震作用下，節(jié)點(diǎn)開口耗能，主體構(gòu)件及預(yù)應(yīng)力鋼絞線全部處于彈性狀態(tài)，加載結(jié)束后，結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來的位置，鋼絞線索力無損失，實(shí)現(xiàn)了“設(shè)防地震開口耗能且主體結(jié)構(gòu)無損傷”的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。8度罕遇地震作用下，節(jié)點(diǎn)開口耗能，主體構(gòu)件中柱節(jié)點(diǎn)域、柱底、短梁翼緣和腹板屈服，但應(yīng)變均在2倍屈服應(yīng)變范圍以內(nèi)，長梁翼緣、腹板及預(yù)應(yīng)力鋼絞線處于彈性狀態(tài)，加載結(jié)束后，結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來的位置，鋼絞線索力損失很小，實(shí)現(xiàn)了“罕遇地震主體結(jié)構(gòu)損傷很小且能正常使用”的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。8度半超罕遇地震作用下，節(jié)點(diǎn)開口耗能進(jìn)一步增大，柱節(jié)點(diǎn)域、柱底、短梁翼緣和腹板均已屈服，最大應(yīng)變值雖較8度罕遇地震值略大，但均在2εy左右，長梁翼緣、腹板和預(yù)應(yīng)力索仍處于彈性狀態(tài)。加載結(jié)束后，結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來的位置，鋼絞線索力損失均在8%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了“超罕遇地震主體結(jié)構(gòu)損傷較小且仍能使用”的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表7　8度半罕遇地震作用下構(gòu)件截面的最大應(yīng)變值

同時(shí)從表7中還可以看出，即使結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷過8度半罕遇地震Taft和LOS000地震動(dòng)后，再次承受強(qiáng)度更大的EL-Centro地震動(dòng)的作用，試驗(yàn)框架仍能實(shí)現(xiàn)恢復(fù)原位，主體結(jié)構(gòu)的最大殘余應(yīng)變值3 112也在2εy以內(nèi)，鋼材表面未見任何損傷。這本身就說明結(jié)構(gòu)具有非常好的震后恢復(fù)結(jié)構(gòu)功能的能力。

這里再進(jìn)一步討論震后可恢復(fù)功能的新型裝配式預(yù)應(yīng)力梁柱體系層間位移角的問題，由表4數(shù)據(jù)可知，在8度多遇時(shí)，試驗(yàn)框架柱層間位移角的最大值為1/218，已經(jīng)超出了文獻(xiàn)[10]普通鋼框架彈性位移角1/250的限值，地震動(dòng)后框架柱恢復(fù)到了初始位置。在8度半罕遇地震時(shí)，最大層間位移角達(dá)到了1/44，地震結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)最大殘余轉(zhuǎn)角為0.31%，框架柱基本恢復(fù)到了初始位置，柱腳塑性應(yīng)變值均未超出鋼材兩倍的屈服應(yīng)變值。經(jīng)過模型試驗(yàn)和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析后，建議裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架體系的彈塑性層間位移角限值可較普通鋼框架的限值有所放松。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)3×5跨4層采用腹板摩擦耗能的可恢復(fù)功能裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架原型結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行0.75倍縮尺，進(jìn)行了不同水準(zhǔn)地震動(dòng)作用下的平面框架子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)，得出如下結(jié)論:

(1) 裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架的樓層力-位移滯回曲線表現(xiàn)為雙旗幟模型，在相當(dāng)于8度多遇、設(shè)防、罕遇和8度半罕遇地震作用下，裝配式預(yù)應(yīng)力梁柱節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出了良好的開口閉合機(jī)制，整個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了震后自動(dòng)復(fù)位和恢復(fù)結(jié)構(gòu)功能的目標(biāo)。

(2) 節(jié)點(diǎn)開口后，該試驗(yàn)框架耗能能力良好，同時(shí)試驗(yàn)框架中選用的腹板摩擦耗能裝置在不影響樓板和下翼緣空間布置的前提下，取得了良好而穩(wěn)定的耗能效果。

(3) 試驗(yàn)結(jié)束后的鋼絞線索力損失在8%以內(nèi)，說明鋼絞線、錨具性能和鋼預(yù)應(yīng)力的施加方法是可靠的。這也為罕遇地震和超罕遇地震后結(jié)構(gòu)能夠正常使用和承受較大和多次余震作用奠定了良好的基礎(chǔ)。

(4) 從整個(gè)試驗(yàn)框架典型部位的應(yīng)變時(shí)程和最大塑性應(yīng)變值來看，在8度多遇、設(shè)防地震中，結(jié)構(gòu)無塑性、無損傷；在罕遇和超罕遇地震后除長梁加強(qiáng)板塑性應(yīng)變較大外，節(jié)點(diǎn)域腹板、節(jié)點(diǎn)域翼緣、柱腳翼緣、腹板和短梁翼緣等主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值均沒有超過屈服應(yīng)變的兩倍，主體結(jié)構(gòu)仍能正常使用。

(5) 試驗(yàn)框架在8度多遇、罕遇和8度半罕遇地震時(shí)的最大層間位移角分別為1/218和1/44均已超出了文獻(xiàn)[10]關(guān)于普通鋼框架的彈性和彈塑性層間位移角限值，但地震動(dòng)后框架柱恢復(fù)到了初始位置，框架柱柱腳塑性應(yīng)變值都沒有超出鋼材兩倍的屈服應(yīng)變值。因此，建議將可恢復(fù)功能的裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架體系的彈性和彈塑性層間位移角限值較普通鋼框架的限值適當(dāng)放寬，兩限值有待模型試驗(yàn)和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析后確定。

(6) 總體來看，試驗(yàn)框架實(shí)現(xiàn)了“多遇地震無開口、無損傷，設(shè)防地震開口耗能且主體結(jié)構(gòu)無損傷、罕遇地震結(jié)構(gòu)損傷很小能正常使用，超罕遇地震主體結(jié)構(gòu)損傷較小且仍能正常使用”的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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Pseudo dynamic tests for a resilient prefabricated prestressed steel frame

ZHANGAi-lin1,3,ZHANGYan-xia1,2,ZHAOWei2,FEIChen-chao2(1. College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2. Beijing Municipal Higher Institution Engineering Research Center of Structural Engineering and New Materials, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China;3. Beijing Municipal Engineering Research Center of High- Rise and Large-Span Prestressed Steel Structure, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract:The structure system and performance-based design objectives of a resilient prefabricated prestressed steel frame with web friction energy-dissipation device were proposed for high-rise buildings. A four-story 3×5 span prototype structure was designed and a 0.75 scale substructure pseudo dynamic test was conducted. The results indicated that the resilient prefabricated prestressed steel frame has a good gap-opening and closing mechanism with self-centering and recovering the structural functions after earthquake; the loss of PT force is within 8% after test to reveal that PT strands, anchorage performance, and applying methods of PT force are reliable; the performance-based design objectives are realized with no gap-opening and damage under a frequent earthquake, with no damage of the main structure and the gap-opening energy-dissipated ability under a specified earthquake, with little damage and the normal serviceability under a rare earthquake, and with a little damage and the normal serviceability under a severe earthquake.

Key words:resilient prefabricated prestressed steel frame; pseudo dynamic test; performance-based design objective

中圖分類號(hào):TU375.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.05.034

通信作者張艷霞 女，博士生，副教授，1970年生

收稿日期：2015-01-21修改稿收到日期：2015-03-17

基金項(xiàng)目：國家自然基金面上項(xiàng)目資助(51278010);國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51278027)

第一作者 張愛林 男，博士，教授，1961年生