錯層板柱結構體系振動臺試驗與分析

許 巍，梁書亭

(1. 東南大學建筑設計研究院有限公司，江蘇南京 210096； 2. 東南大學土木工程學院，江蘇南京 210096)

0 引 言

將“板柱”和“錯層”2種結構形式組合應用在停車庫建筑中，可以有效地提高空間的利用率，產生較大的經濟效益。然而這2種結構形式在中國的設計規(guī)范中均屬于限制使用范圍的結構類型[1-2]，錯層結構樓板不連續(xù)，地震作用在豎向構件之間的分配不滿足剛性樓板假定，且由于樓板錯層導致錯層位置的框架柱為短柱或極短柱，地震作用下易導致框架柱脆性破壞；板柱結構常見于地下室結構，其抗側剛度較弱，應用于上部結構時在地震作用下也極易發(fā)生破壞[3-6]。

板柱結構的研究重點主要是在豎向荷載作用為主的工況下板柱節(jié)點的抗沖切能力[7-12]以及力學模型提取[13-17]，板柱結構作為上部結構的抗側力結構體系的研究較少。錯層結構的研究重點主要是錯層部位的梁柱節(jié)點[18-19]和錯層結構在不同應用場景下的抗震性能[20-28]。

錯層板柱結構結合了2種抗震不利的結構類型，其在地震作用下的抗震性能應當引起足夠的重視。多種不利因素的耦合也使得理論分析無法全面地把握錯層板柱結構的抗震性能，因此對錯層板柱結構的試驗研究顯得尤為重要。目前還未見國內外學者對此類結構類型進行試驗研究的相關文獻，本研究通過錯層板柱結構縮尺模型的振動臺試驗，測試結構在地震作用下的力學響應和破壞情況，對結構的整體抗震性能展開評價，為此類結構的理論研究提供試驗基礎。

1 試驗概況

1.1 試驗模型設計

原型結構為24.0 m×24.0 m的3層錯層框架結構，柱網尺寸為6.0 m×6.0 m，層高2.80 m，錯層部位高差為1.40 m，框架梁尺寸為250 mm×600 mm，框架柱尺寸為500 mm×500 mm，樓板厚度均為240 mm。錯層部位為3軸線位置，錯層部位兩側均為帶邊梁的板柱結構，板柱節(jié)點為45°柱帽，柱帽平面尺寸為1 000 mm×1 000 mm，柱帽高度為250 mm。所在地區(qū)的基本加速度為0.1g(g為重力加速度)，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。

考慮試驗場地條件，試驗縮尺模型的相似常數為1∶7，試驗模型的結構平法施工圖如圖1所示。該試驗模型的主要特點是在3軸線位置有較大的錯層，錯層的高差為層高的一半，在錯層部位框架柱的剪跨比為0.8，屬于極短柱，在地震作用下極易發(fā)生脆性破壞。本次試驗區(qū)別于一般錯層結構的另外一個特點是在垂直與錯層部位的方向均為板柱結構(邊跨除外)，板柱結構的節(jié)點在水平地震作用下會產生不平衡彎矩，且抗側剛度較弱。

圖1 試驗模型結構布置(單位:mm)Fig.1 Layout of Test Model Structure (Unit:mm)

根據相似理論，試驗模型設計時預定參數采用了尺寸相似常數、重力相似常數和彈性模量相似常數。尺寸相似常數SL=1∶7；縮尺試驗采用的微?；炷翉椥阅Ａ繛? 034.5 MPa，普通混凝土彈性模量為3×104MPa，則彈性模量相似常數SE=0.234 5；微?；炷量箟簭姸葴y試值為11.9 MPa，材料強度相似常數Sσ=0.383。由以上3個參數推算應變相似常數Sε=Sσ/SE=1.617，因此本次試驗縮尺模型屬于應變失真模型。其他相似常數的計算結果見表1。

根據表1可知質量相似常數Sm=0.007 76，即模型的質量需要達到原始結構質量的0.776%。原始模型的質量為1 246.46 t，試驗模型質量為3.146 5 t，因此確定的附加質量為6.527 t。根據原型結構恒載取值為1.5 kPa，活載取值2.5 kPa，按“恒載+0.5倍活載”計算附加質量，每一樓層需要配重1 742 kg。附加質量塊采用水泥砂漿將質量塊固定在模型上，如圖2所示。在施加附加質量塊后，測量試驗模型測點的應力，將其作為振動臺試驗的初始應力。

圖2 振動臺試驗模型Fig.2 Shaking Table Test Model

表1 試驗模型相似常數Table 1 Similarity Constant of Test Model

1.2 試驗測點布置

將7個位移傳感器分別布置在錯層板柱結構的每一樓層上，編號為D1～D7；在縮尺模型的各樓層以及模型頂部共布置了11個加速度傳感器，編號為A1～A11；根據本試驗的目的，并綜合考慮測量儀器的測點數量等因素，共設置了34個鍍鋅鐵絲應變片(SG)測點以及30個微?；炷帘砻?SH)測點。測點具體布置位置及柱編號詳見圖3。

圖3 測點布置Fig.3 Arrangement of Measuring Points

2 地震波選取及工況設置

2.1 地震波選取

綜合考慮試驗目的和模型的結構特點等因素，本次試驗分別選取El Centro波、Taft波和人工波SHW4三條地震波，地震波參數見表2。

表2 地震波參數Table 2 Parameters of Earthquake Waves

2.2 試驗工況設置

試驗基本進程為：采用白噪聲對模型進行掃頻，測出結構的頻譜特性；依次輸入3條地震波；重新進行白噪聲掃頻，對比結構試驗前后的動力特性，檢測模型損傷程度，繼續(xù)輸入下一個工況；如此反復，直至結構破壞倒塌。工況設置如表3所示。

表3 試驗加載工況Table 3 Loading Cases of Test

3 試驗過程及結果分析

3.1 試驗現象

在7度多遇(0.035g)及6度基本(0.05g)地震作用下，試驗模型未出現明顯的整體晃動，構件表面無裂縫，頻譜分析自振頻率沒有改變。8度多遇(0.07g)及7度基本(0.10g)地震作用下，模型開始出現晃動，自振頻率略微降低，模型未見裂縫。7度罕遇(0.22g)地震作用下，模型多處出現裂縫，主要集中在柱端水平方向和梁端垂直方向。隨著不同烈度地震波的輸入，裂縫逐漸延伸，部分梁端裂縫貫通，出現塑性鉸，結構第1階自振頻率持續(xù)下降，結構出現明顯損傷。為保證測試儀器安全，在8度罕遇(0.4g)地震作用時取下位移傳感器，此烈度下結構晃動幅度明顯增大，柱端開始出現塑性鉸，中間板柱節(jié)點的柱端和外周框架均出現混凝土剝落，底層邊柱出現一處鋼絲鼓曲。在8度罕遇(0.4g)烈度加載前撤除了全部測試設備，此時結構晃動幅度巨大，底層柱頂全部出現塑性鉸，隨后底層柱底出現塑性鉸，結構整體倒塌。結構破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 結構破壞形態(tài)Fig.4 Failure Patterns of Structure

3.2 試驗結果分析

3.2.1 結構動力特性

采用白噪聲對縮尺模型進行掃頻得到各級加載前結構自振頻率和阻尼，如圖5所示。隨著結構損傷不斷累積，結構剛度減小，自振頻率逐漸降低，結構阻尼提高。第4個工況加載前結構自振特性變化不大，結構雖然已出現裂縫，但損傷不大。第6個工況加載后，第1階自振頻率出現較大變化，說明結構出現了明顯的損傷。最后一個工況開始前，結構模型的自振頻率下降到了3.5 Hz，相比初始自振頻率下降了44%。

圖5 模型結構動力特性Fig.5 Dynamic Characteristics of Model Structure

3.2.2 結構加速度

根據各樓層在不同烈度地震作用下的加速度響應值，可以計算出各樓層的加速度放大系數，其結果見圖6，其中，a為峰值加速度。由圖6可知：相同烈度的地震作用時，人工波下結構的加速度響應明顯要大于其他地震波所引起的結構加速度響應。各樓層峰值加速度a隨地震烈度的增加不斷增加，但加速度放大系數增長不明顯，甚至有所降低。主要原因是隨著地震烈度增加，結構進入塑性，阻尼比增加，減小了結構的動力響應。結構模型第2層的峰值加速度要遠高于上下兩層，成為模型結構中加速度包絡曲線的一個凸點，形成結構薄弱層。此現象的原因是由于錯層柱的存在，結構錯層兩邊的結構動力反應存在差別，而第2層的層高要高于其他樓層，結構柱的長度較長，造成地震反應較大。

圖6 加速度包絡圖與加速度放大系數圖Fig.6 Acceleration Envelope Diagram and Acceleration Amplification Coefficient Diagram

3.2.3 結構位移

圖7為試驗模型在不同烈度地震作用下的最大層間位移角。7度基本(0.1g)地震作用下，模型出現最大層間位移的位置從第5層變成了第3層，原因是由于模型下部樓層出現了較大的損傷，抗側剛度降低造成了層間位移的突然增大。

圖7 模型結構最大層間位移角響應Fig.7 Maximum Interlayer Displacement Angle of Model Structure

由于錯層的存在，錯層兩邊結構各樓層最大位移出現的時間差距為0.1 s左右，此差異使得錯層柱的受力更為復雜。7度多遇(0.035g)地震作用下結構的最大層間位移角已經超過《建筑抗震設計規(guī)范》中規(guī)定的層間位移角限值1/550，主要原因是錯層柱缺乏框架梁的約束，層間位移角峰值偏大。7度罕遇(0.22g)地震時，人工波作用下結構的層間位移角約為1/100，小于彈塑性層間位移角限值1/50，滿足規(guī)范的要求。

3.2.4 結構應變

本次試驗所測得的結構應變主要以鍍鋅鐵絲和微?；炷翍?yōu)橹?圖8)。由試驗結果可以看出，在結構出現明顯損傷之前，結構的應變基本沒有什么變化，7度罕遇(0.22g)地震時，Taft波加載完成后結構底層出現塑性鉸，不同地震波下的最大應變變化趨勢開始出現不一致。錯層板柱結構中的普通框架柱的應變較小，其中框架中柱的應力略大于框架邊柱，錯層柱的受力最為復雜，其變形以彎曲變形為主，其應變也高于其他結構柱。板柱節(jié)點對應的結構柱底層應變最大，損壞最嚴重，設計中應重點關注。

圖8 模型結構應變包絡圖Fig.8 Strain Envelope Diagram of Model Structure

3.2.5 結構剪力

根據試驗中測得的加速度時程數據，可以計算出各樓層剪力的分布情況(圖9)。根據試驗結果可以看出，在各加載工況作用下，人工波的樓層剪力均明顯大于其他地震波作用下的樓層剪力。在7度罕遇(0.22g)地震工況作用下，3條地震波的樓層剪力響應差別較大，這是因為7度罕遇地震作用時模型已經發(fā)生了較大的損傷，并且在3條地震波的先后作用下損傷持續(xù)積累，導致3條地震波分別加載時，結構已經發(fā)生的損傷程度并不相同，從而影響了模型的加速度響應，最終導致計算出的樓層剪力分布存在較大的差異。

圖9 樓層剪力分布圖Fig.9 Shear Forces Distribution of Floors

4 結語

(1)7度罕遇地震工況加載完成后，主體結構開始出現損傷，結構的基頻降低了44%。8度罕遇地震工況加載完之后，主體結構出現明顯的損傷，部分結構柱被壓碎，結構最終倒塌。因此在8度及更高的設防烈度區(qū)不建議采用錯層板柱結構。

(2)不同烈度地震工況作用下，錯層板柱結構的加速度響應隨樓層分布規(guī)律不盡相同，隨著地震烈度的不斷增加，主體結構的損傷程度不斷加劇，結構剛度降低，在地震作用下樓層加速度響應的放大系數不斷減小。

(3)下部樓層的最大層間位移角在較小的地震烈度作用時已經超過了抗震規(guī)范的限值，應采取措施確保結構的剛度，比如增加剪力墻等抗側力結構構件。

(4)普通框架柱發(fā)生的應變較小且中柱應力大于邊柱，而錯層柱受力復雜且應變較大。試驗過程中，底層板柱節(jié)點對應的結構柱應力大且破壞最為嚴重，當其頂端也出現塑性鉸后，結構柱發(fā)生了斷裂，并最終導致結構出現倒塌。