兩種支撐體系混凝土框架動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

高向宇, 李建勤, 劉 超, 李楊龍

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

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兩種支撐體系混凝土框架動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

高向宇, 李建勤, 劉 超, 李楊龍

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了鋼支撐- 混凝土框架和防屈曲支撐- 混凝土框架結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力性能. 對(duì)比研究了設(shè)置這兩種支撐體系的混凝土框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、動(dòng)力放大效果、結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài). 研究表明防屈曲支撐- 混凝土框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能優(yōu)于鋼支撐- 混凝土框架結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震下的抗震性能.

鋼支撐； 防屈曲支撐； 混凝土框架； 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡(jiǎn)稱(chēng)抗震規(guī)范)推薦消能減震結(jié)構(gòu)和鋼支撐混凝土框架結(jié)構(gòu). 其中消能減震結(jié)構(gòu)另有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)予以細(xì)化，并將防屈曲支撐作為消能減震的有效構(gòu)件，可用于混凝土框架結(jié)構(gòu)中. 鋼支撐混凝土框架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)行抗震規(guī)范附錄G中予以細(xì)化. 從建筑工程應(yīng)用角度上看，兩者使用的都是支撐- 框架結(jié)構(gòu)體系. 然而，在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，由于牽扯到抗震可靠性和經(jīng)濟(jì)性，究竟選擇哪一種支撐體系，是建設(shè)單位和設(shè)計(jì)院非常關(guān)心的問(wèn)題. 如按抗震規(guī)范的附錄G設(shè)計(jì)鋼支撐- 混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，其抗震性能如何，可否用于乙類(lèi)建筑等尚缺乏動(dòng)力試驗(yàn)研究. 兩種支撐體系的動(dòng)力性能對(duì)比試驗(yàn)研究尚屬空白. 這對(duì)于選取哪種結(jié)構(gòu)體系是十分必要的，在抗震規(guī)范即將重新修訂之際，在抗震設(shè)防水準(zhǔn)及地震參數(shù)可能提高的情況下，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的研究更具緊迫性.

相關(guān)于上述議題，搜集了國(guó)內(nèi)外的一些研究資料. 文獻(xiàn)[2]分別對(duì)5 層、8 層和12 層鋼筋混凝土框架和X 型中心鋼支撐鋼筋混凝土框架模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和彈性地震反應(yīng)進(jìn)行分析，探討X 型中心鋼支撐對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度、自振周期、水平地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響. 文獻(xiàn)[3]利用大型結(jié)構(gòu)分析軟件ETABS 建立了包含和不包含鋼管支撐的鋼筋混凝土框架計(jì)算模型，設(shè)置鋼支撐，可以達(dá)到增加框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，明顯降低結(jié)構(gòu)側(cè)向變形，而基底剪力僅略有增加，且可實(shí)現(xiàn)多道設(shè)防的效果. 文獻(xiàn)[4]通過(guò)普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼支撐- 混凝土框架結(jié)構(gòu)在高烈度地區(qū)的對(duì)比試算，研究表明，鋼支撐- 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能. 認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)體系具備框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，可避免較低建筑中框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻剛度太大的問(wèn)題，又彌補(bǔ)了框架結(jié)構(gòu)剛度太小，且無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)側(cè)移限制的要求. 文獻(xiàn)[5]針對(duì)現(xiàn)行抗震規(guī)范所提出的鋼支撐- 混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，采用一種兩階段優(yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化研究，編寫(xiě)了相應(yīng)的優(yōu)化程序并結(jié)合工程算例對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行了驗(yàn)證. 文獻(xiàn)[6]采用三種不同截面形式的鋼支撐，來(lái)研究鋼支撐截面形式對(duì)原鋼筋混凝土純框架結(jié)構(gòu)的位移、周期、底層框架承受的彎矩以及框架柱內(nèi)力的影響. 文獻(xiàn)[7]作者認(rèn)為支撐延性對(duì)提高框架- 中心支撐體系抗震性能的貢獻(xiàn)在我國(guó)相關(guān)規(guī)范中尚未涉及. 支撐滯回行為模擬的復(fù)雜性及支撐疲勞累積損傷研究的不足是限制框架- 中心支撐體系彈性、彈塑性動(dòng)力響應(yīng)分析深入開(kāi)展的兩大門(mén)檻. 建議針對(duì)現(xiàn)有框架- 中心支撐結(jié)構(gòu)中支撐設(shè)計(jì)方法的不足, 從總耗能角度尋求延性框架- 中心支撐體系中支撐的合理設(shè)計(jì)方法. 文獻(xiàn)[8]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，研究了設(shè)置抗剪栓支撐型阻尼器加固的混凝土框架的抗震性能，阻尼器起到了消減地震輸入能量及保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的效果. 文獻(xiàn)[9]認(rèn)為框架- 中心支撐結(jié)構(gòu)中鋼支撐局部屈曲加大了支撐出現(xiàn)低周疲勞破壞的趨勢(shì)，使得體系延性及耗能能力變差. 文獻(xiàn)[10]介紹了美日聯(lián)合進(jìn)行的6層足尺鋼框架- 支撐結(jié)構(gòu)試驗(yàn). 文獻(xiàn)[11]談到我國(guó)的工業(yè)廠房建筑大多采用框、排架結(jié)構(gòu)加柱間鋼支撐的形式, 在地震中, 由于支撐屈曲消能保護(hù)了柱子，可使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo).

綜上可知，本文主要研究的關(guān)于設(shè)置兩種支撐(防屈曲支撐和普通鋼支撐)的混凝土框架結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力性能的差異，目前的研究尚難以回答.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證混凝土框架設(shè)置兩種不同支撐體系的動(dòng)力性能，檢驗(yàn)防屈曲支撐消能減震的效果，觀察并研究?jī)煞N支撐體系抗震機(jī)理的差異，為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供動(dòng)力試驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)行本次試驗(yàn)研究.

設(shè)計(jì)了兩個(gè)側(cè)移剛度相同，但支撐性能不同的混凝土框架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ? 其中，圖1為設(shè)置普通鋼支撐(BRC)的混凝土框架(簡(jiǎn)稱(chēng)F-BRC)，圖2為設(shè)置防屈曲支撐(BRB)的混凝土框架(簡(jiǎn)稱(chēng)F-BRB). 兩個(gè)模型的主體結(jié)構(gòu)尺寸相同，其中，模型縮比1∶6，總高為2 425 mm，共3層，層高分別為833、666、666 mm，樓板平面尺寸為2 600×1 800 mm2. 其它相似比參數(shù)：微?；炷敛牧吓c設(shè)計(jì)混凝土材料的彈性模量相似比經(jīng)測(cè)試為1∶1.333，質(zhì)量密度比為1∶0.556，時(shí)間相似比為1∶3.87，加速度相似比為1∶0.4，質(zhì)量相似比為1∶120，剛度相似比為1∶8. 限于試驗(yàn)條件，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榍焚|(zhì)量模型，保證慣性力相似條件.

防屈曲支撐BRB模型屈服力為8.5 kN，屈服起始位移為0.62 mm，剛度為13.6 kN/mm，采用夾心一字形鋼板截面，角鋼作為約束構(gòu)件，保證屈服力、屈服位移和剛度滿(mǎn)足與原型BRB的相似條件；與節(jié)點(diǎn)鋼板采用螺栓連接；普通鋼支撐彈性剛度與防屈曲支撐彈性剛度相同，采用圓形鋼管截面，與節(jié)點(diǎn)鋼板采用焊接連接.

其它具體內(nèi)容及詳細(xì)結(jié)構(gòu)和支撐設(shè)計(jì)參數(shù)請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[12].

試驗(yàn)選用El-Centro NS、Northridge和人工波，按峰值加速度0.175 g、0.263 g、0.525 g、0.75 g和1.0 g五種工況加載，分別代表多遇地震(70 gal)、多遇與設(shè)防中間工況、設(shè)防地震(210 gal)、設(shè)防與罕遇中間工況、罕遇地震(400 gal). 每個(gè)工況試驗(yàn)完成后輸入白噪聲(幅值為60 gal)進(jìn)行動(dòng)力性能測(cè)試試驗(yàn). 模型各樓層及頂層對(duì)稱(chēng)堆放配重砝碼，補(bǔ)充樓層及3層以上結(jié)構(gòu)重量以及補(bǔ)充質(zhì)量密度比所要求的附加質(zhì)量. 模型總重10.1 t，其中底座1.5 t，模型結(jié)構(gòu)及配重共8.6 t.

在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面、混凝土基座和每層樓板的中間和兩側(cè)設(shè)置加速度計(jì)量測(cè)模型水平加速度反應(yīng)，在BRC中部、BRB端部設(shè)置應(yīng)變片量測(cè)桿件軸向應(yīng)變，在支撐縱軸方向(斜向)設(shè)置拉線式位移計(jì)量測(cè)支撐軸向變形. 數(shù)據(jù)采樣頻率1 000 Hz.

2 結(jié)構(gòu)模型動(dòng)力特性

2.1 自振頻率及振型

本文取樓面兩端雙加速度計(jì)的平均波形與模型底座輸入的波形計(jì)算傳遞函數(shù)(4 096點(diǎn))，以檢測(cè)平動(dòng)響應(yīng)特性. 根據(jù)白噪聲結(jié)構(gòu)底座輸入加速度和樓面加速度輸出的傳遞函數(shù)確定模型的自振頻率，詳見(jiàn)表1.

表1 各加載工況下模型的一階自振頻率

從表1可以看出，F(xiàn)-BRB結(jié)構(gòu)的一階自振頻率略低于F-BRC結(jié)構(gòu)的相應(yīng)值. 說(shuō)明前者剛度略低于后者，這與使用防屈曲支撐進(jìn)行消能減震的設(shè)計(jì)方案是一致的，此點(diǎn)設(shè)計(jì)的消能減震設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題將另文討論；兩個(gè)模型在經(jīng)歷了地震輸入幅值不斷增加的試驗(yàn)后，結(jié)構(gòu)自振頻率均有所下降；F-BRC模型自振頻率的下降在經(jīng)歷設(shè)防地震后明顯加快，且下降速度明顯高于F-BRB結(jié)構(gòu).

一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率在經(jīng)歷地震后降低的原因有質(zhì)量增加和剛度降低. 由于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷馁|(zhì)量不變，所以自振頻率降低的根本原因是結(jié)構(gòu)整體剛度的降低. 結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)來(lái)自于主體框架結(jié)構(gòu)和支撐體系. 因此，從結(jié)構(gòu)自振頻率不斷降低的情況可以推斷，F(xiàn)-BRC結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷設(shè)防地震后整體損傷速度加快，且損傷程度(包括主體結(jié)構(gòu)和支撐體系)明顯高于F-BRB結(jié)構(gòu).

有關(guān)振型的分析詳見(jiàn)下述傳函特性.

2.2 傳函特性

下面使用模型各樓層加速度和模型底座輸入白噪聲的傳遞函數(shù)來(lái)分析自振頻率下降等情況.

在經(jīng)歷多遇地震之后實(shí)測(cè)得到兩種結(jié)構(gòu)的加速度傳函(幅值與相位)如圖3所示. 圖中顯示，實(shí)測(cè)得到的F-BRB結(jié)構(gòu)的一階自振頻率略低于F-BRC結(jié)構(gòu)相應(yīng)值，這與設(shè)計(jì)相符. 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型時(shí)考慮到普通鋼支撐的穩(wěn)定系數(shù)，BRC在彈性狀態(tài)下的剛度大于BRB的彈性剛度. 另外，在設(shè)計(jì)BRB消能減震方案時(shí)，在滿(mǎn)足多遇地震側(cè)移限值的條件下，略微降低BRB支撐剛度可取得較好的減震效果和經(jīng)濟(jì)效益平衡.

注意到第2層和第3層信號(hào)達(dá)到峰值的相位略大于第1層，說(shuō)明振動(dòng)的傳遞自下而上有一定滯后，F(xiàn)-BRC和F-BRB兩種結(jié)構(gòu)在此規(guī)律上相同. 另外，第2層和第3層在一階峰值頻率和11 Hz之間的反應(yīng)高于第1層，說(shuō)明在此階段上部結(jié)構(gòu)存在一定的高振型影響，而此影響在后續(xù)設(shè)防地震階段和罕遇地震階段有明顯減弱，說(shuō)明首層損傷后的振動(dòng)逐漸發(fā)揮主控作用.

二階頻率，F(xiàn)-BRC結(jié)構(gòu)約為22 Hz，F(xiàn)-BRB結(jié)構(gòu)與之接近. 注意第1、2層加速度反應(yīng)相位一致，第3層加速度反應(yīng)相位相反. 另外，F(xiàn)-BRB結(jié)構(gòu)的二階頻率顯示不太明顯，但仍可看出與F-BRC還是比較接近的，如用傳函實(shí)部/虛部曲線看還是比較明顯的，這里給出幅值和相位曲線，主要用于觀察各樓層反應(yīng)的相位關(guān)系，以判斷振型.

在經(jīng)歷設(shè)防地震以后，實(shí)測(cè)得到的兩種結(jié)構(gòu)的加速度傳函如圖4所示. 可以看出，F(xiàn)-BRC結(jié)構(gòu)一階和二階頻率分別下降約38%和30%，而F-BRB結(jié)構(gòu)的自振頻率基本沒(méi)有變化. 兩種結(jié)構(gòu)的振型沒(méi)有太大變化，二階振型依舊是第3層樓蓋處地震反應(yīng)與第1和2層相反. 在此階段F-BRC結(jié)構(gòu)自振頻率下降如此明顯，說(shuō)明結(jié)構(gòu)乃至BRC支撐體系有較大的剛度退化，伴隨明顯的結(jié)構(gòu)損傷.

在經(jīng)歷罕遇地震以后(圖5)，F(xiàn)-BRC結(jié)構(gòu)自振頻率降低很多，一階頻率相比多遇地震階段下降55%，且存在一階扭轉(zhuǎn)(此點(diǎn)將另文研究)，F(xiàn)-BRB結(jié)構(gòu)一階頻率僅下降5%. 說(shuō)明前者結(jié)構(gòu)和支撐體系剛度退化嚴(yán)重，損傷加劇.

以上通過(guò)傳函分析所得的推測(cè)可在后續(xù)阻尼比、動(dòng)力放大效果以及開(kāi)裂情況中相互印證.

2.3 阻尼比特性

本文使用半功率帶寬法，計(jì)算了3條地震波下結(jié)構(gòu)阻尼比平均值，見(jiàn)表2. 可以看出，F(xiàn)-BRB結(jié)構(gòu)相較F-BRC結(jié)構(gòu)具有較高的阻尼比，在罕遇地震下，F(xiàn)-BRC阻尼比突然加大.

分析上述現(xiàn)象的原因，要考慮上述頻率變化規(guī)律和下述結(jié)構(gòu)損傷狀況. 在全部地震工況下，F(xiàn)-BRB結(jié)構(gòu)的阻尼比主要靠BRB提供，包括早期的套筒摩擦和中、后期的鋼芯屈服滯回耗能，全程提供的阻尼比穩(wěn)定、可靠、遞增規(guī)律強(qiáng). 反觀F-BRC結(jié)構(gòu)，在罕遇地震到達(dá)前主要靠主體混凝土結(jié)構(gòu)和鋼支撐屈曲微彎變形提供，呈現(xiàn)阻尼比較小；在罕遇地震下F-BRC結(jié)構(gòu)阻尼比突增，主要可歸結(jié)為結(jié)構(gòu)損傷加大，梁柱構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸，樓板裂通，鋼支撐出現(xiàn)大幅度屈曲(但非金屬屈服)等.

模型多遇地震中間工況1設(shè)防地震中間工況2罕遇地震F-BRB結(jié)構(gòu)0.0700.0960.1220.1460.180F-BRC結(jié)構(gòu)0.0320.0480.0900.1650.282

3 動(dòng)力放大效果

3.1 樓層加速度

圖6(a)為F-BRC結(jié)構(gòu)在各工況下3條地震波輸入后量測(cè)到的模型底座和第1～3層水平加速度反應(yīng)最大值的包絡(luò)圖. 圖6(b)為同條件下F-BRB結(jié)構(gòu)水平加速度最大值包絡(luò)圖. 可以看出，雖然兩種結(jié)構(gòu)模型的底座加速度峰值在罕遇地震試驗(yàn)時(shí)控制不夠準(zhǔn)確，但是可明顯看出兩種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大效果是不同的. F-BRC結(jié)構(gòu)的加速度動(dòng)力放大系數(shù)較大(3～5倍)，而F-BRB結(jié)構(gòu)的加速度動(dòng)力放大系數(shù)明顯小于前者. 說(shuō)明F-BRB結(jié)構(gòu)中BRB所提供的阻尼明顯抑制了結(jié)構(gòu)的加速度.

3.2 樓層側(cè)移

圖7(a)為F-BRC結(jié)構(gòu)在各工況下3條地震波輸入后量測(cè)到的模型底座和第1～3層水平位移反應(yīng)最大值的包絡(luò)圖. 圖7(b)為同條件下F-BRB結(jié)構(gòu)水平側(cè)移最大值包絡(luò)圖. 可以看出，兩種結(jié)構(gòu)模型最大位移反應(yīng)在絕大多數(shù)情況下比較接近，在El-Centro NS罕遇地震下F-BRC結(jié)構(gòu)在首層出現(xiàn)非常大的側(cè)移，最大層間側(cè)移角已超過(guò)倒塌限值1/50，究其原因，緣于首層北側(cè)連接鋼支撐的預(yù)埋件部分錨筋剪切斷裂發(fā)生剛度突變所致(見(jiàn)第4部分結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)).

4 結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)

4.1 開(kāi)裂情況

4.1.1 F-BRC結(jié)構(gòu)

在多遇烈度地震后未出現(xiàn)明顯裂縫. 在設(shè)防地震后期人工波下首層和第2層北側(cè)支撐預(yù)埋件錨板與梁底部黏結(jié)面出現(xiàn)開(kāi)裂，緊接中間工況1后，在El-Centro NS地震波下首層、2層南側(cè)及3層北側(cè)的支撐預(yù)埋件錨板與梁底部黏結(jié)面出現(xiàn)開(kāi)裂. 首層連接鋼支撐的梁跨中截面出現(xiàn)彎曲裂縫，首層兩側(cè)共4個(gè)支撐在此階段均出現(xiàn)明顯屈曲的彎曲殘余變形，其中最大的中部殘余彎曲變形達(dá)12 mm以上，且這種殘余變形并未因此后多次地震反復(fù)作用而拉直. 連接鋼支撐的框架首層北側(cè)柱底和柱頂在罕遇烈度北嶺地震下首現(xiàn)貫通彎曲裂縫并伴有混凝土壓碎.

罕遇烈度工況El-Centro NS地震波下首層北側(cè)預(yù)埋件部分錨筋剪斷，隨后1.25 g超大震北嶺波下首層南側(cè)鋼支撐拉斷，首層樓板貼近柱處出現(xiàn)貫通裂縫，結(jié)構(gòu)首層殘余層間側(cè)移角達(dá)到1/45以上.

4.1.2 F-BRB結(jié)構(gòu)

設(shè)防地震和中間工況1后并未出現(xiàn)明顯裂縫. 罕遇地震工況人工波輸入下第2層BRB預(yù)埋件錨板與梁底部黏結(jié)面出現(xiàn)裂縫，至超罕遇烈度北嶺波時(shí)該裂縫貫通，其它部位預(yù)埋件錨板與梁接觸部位未出現(xiàn)裂縫. 自始至終未發(fā)生預(yù)埋件錨筋剪斷(僅首層北側(cè)錨板與梁底部黏接面出現(xiàn)開(kāi)裂)和支撐斷裂事件.

對(duì)比主體結(jié)構(gòu)開(kāi)裂狀態(tài)及預(yù)埋件錨板與梁的黏結(jié)部位開(kāi)裂狀態(tài)，F(xiàn)-BRB結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的性能好于F-BRC結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震過(guò)程中的性能.

4.2 支撐滯回曲線

以鋼支撐中部和防屈曲支撐段部設(shè)置的應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)榱繙y(cè)數(shù)據(jù)，按虎克定律推測(cè)力的數(shù)據(jù). 這個(gè)推測(cè)方法對(duì)BRB來(lái)說(shuō)較為準(zhǔn)確，對(duì)于普通鋼支撐來(lái)說(shuō)有一定誤差. 主要原因是BRB的應(yīng)變片貼在支撐的連接段(此段內(nèi)鋼材處于彈性階段，不屈服)，而普通支撐的應(yīng)變片貼在支撐的“中和軸”位置，但普通鋼支撐往往發(fā)生雙向失穩(wěn)，而不是僅僅是“平面內(nèi)的”，因此實(shí)際中和軸與預(yù)測(cè)中和軸存在誤差. 因此，這里作為參考，僅用于比較兩種支撐的抗震性能使用，并不作為標(biāo)定普通鋼支撐恢復(fù)力模型的數(shù)據(jù). 變形量測(cè)方面，以支撐軸向方向設(shè)置的拉線式位移計(jì)量測(cè)的變形數(shù)據(jù)作為支撐變形的依據(jù). 由此可間接繪出兩種支撐的力- 變形滯回曲線. 以下以罕遇烈度工況El-Centro NS地震波下首層的兩種支撐的力- 變形曲線作為例子，比較其抗震性能，如圖8、圖9所示.

可以看出，普通鋼支撐拉壓不對(duì)稱(chēng)，滯回環(huán)面積較小，見(jiàn)圖8；BRB支撐拉壓對(duì)稱(chēng)性好，滯回曲線豐滿(mǎn)，滯回環(huán)面積較大，見(jiàn)圖9. 在強(qiáng)震下(設(shè)防及罕遇烈度)，BRB能夠發(fā)揮金屬屈服滯回耗能作用，進(jìn)而保護(hù)主體結(jié)構(gòu).

值得注意的是，上述兩種支撐滯回曲線的力或位移并不是從“0”點(diǎn)(原點(diǎn))開(kāi)始，而是存在一定的力或位移初值. 原因分析如下：振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)按地震強(qiáng)度工況由弱至強(qiáng)分別加載，在某工況地震波加載下量測(cè)的應(yīng)變(含折算力)、變形數(shù)據(jù)，均包含在此之前完成的試驗(yàn)后的殘余應(yīng)變和殘余變形，這相當(dāng)于一個(gè)積累的過(guò)程. 從試驗(yàn)研究的角度看，我們主要觀看每個(gè)試驗(yàn)曲線的峰- 峰值及其之間連續(xù)變化的關(guān)系，即可從中分析出需要知曉的抗震性能信息.

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了設(shè)置鋼支撐和防屈曲支撐兩種支撐體系的混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)輸入El-Centro NS、Northridge和人工波進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力性能，得出結(jié)論如下：

在經(jīng)歷罕遇地震以后，F(xiàn)-BRC結(jié)構(gòu)的一階頻率相比多遇地震階段下降55%，且存在一階扭轉(zhuǎn)，F(xiàn)-BRB結(jié)構(gòu)一階頻率僅下降5%.

F-BRB結(jié)構(gòu)的阻尼比主要由BRB提供. 多遇地震下靠套筒與鋼芯之間的摩擦效應(yīng)，設(shè)防和罕遇地震階段靠鋼芯屈服滯回耗能，可向結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定、可靠、遞增規(guī)律強(qiáng)的阻尼比. F-BRC結(jié)構(gòu)主要靠主體混凝土結(jié)構(gòu)和鋼支撐屈曲微彎提供較小的阻尼比，在罕遇地震下通過(guò)梁柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸損傷、支撐大幅度屈曲失穩(wěn)、樓板裂縫貫通等提供阻尼比.

F-BRC結(jié)構(gòu)的加速度動(dòng)力放大系數(shù)較大(3～5倍)，在罕遇地震下F-BRC結(jié)構(gòu)的最大層間側(cè)移角已超過(guò)倒塌限值1/50，但未出現(xiàn)倒塌. F-BRB結(jié)構(gòu)的加速度動(dòng)力放大系數(shù)明顯小于前者，最大層間側(cè)移角接近1/300，尚處于準(zhǔn)彈性階段，BRB耗能在保護(hù)主體結(jié)構(gòu)地震損傷方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用.

F-BRC結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震下出現(xiàn)鋼支撐屈曲失穩(wěn)，殘余變形在以后反復(fù)震動(dòng)過(guò)程中不能恢復(fù)，罕遇烈度下個(gè)別預(yù)埋件部分錨筋剪斷，梁柱構(gòu)件大多出現(xiàn)塑性鉸，在超罕遇大震下個(gè)別鋼支撐拉斷，首層樓板出現(xiàn)貫通裂縫，結(jié)構(gòu)首層殘余層間側(cè)移角達(dá)到1/45以上. 而F-BRB結(jié)構(gòu)也同樣經(jīng)歷了超罕遇地震考驗(yàn)，自始至終未發(fā)生支撐失穩(wěn)、預(yù)埋件錨筋剪斷和支撐拉斷事件，裂縫輕微，更未出現(xiàn)塑性鉸. 總體上說(shuō)，F(xiàn)-BRB結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的性能優(yōu)于F-BRC結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震過(guò)程中的性能.

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[責(zé)任編輯：佟啟巾]

Test Research on Dynamic Properties of Concrete Frames with Two Different Types of Brace

Gao Xiangyu, Li Jianqin, Liu Chao, Li Yanglong

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit of Beijing, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

Shaking table tests are conducted for studying the dynamic properties of the steel-braced concrete frame and the buckling-restrained braced concrete frame. The dynamic characteristics, dynamic response amplifying effect, as well as the damage status are included in the comparison studies. It is clearly concluded that the seismic behavior of buckling-restrained braced concrete frame within the rare intensity earthquakes is better than the behavior of steel braced concrete frame within the design intensity earthquakes.

steel brace (BRC); buckling-restrained brace (BRB); concrete frame; shaking-table test

1004-6011(2016)03-0036-07

2016-06-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378038)；北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(8141001)

高向宇(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程及防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程.

TU352.1

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