中柱失效后预应力混凝土框架子结构动力倒塌性能试验研究_杨涛.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金 项目 国家自然科学基金 中国博士后科学基金 广西重点实验室系统性研究项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 杨涛 男博士副教授 年生 通信作者 郝天之 男博士教授级高工 年生 中柱失效后预应力混凝土框架子结构动力倒塌性能试验研究 杨涛 陈万庆 郝天之 广西大学土木建筑工程学院南宁 广西防灾减灾与工程安全重点实验室南宁 工程防灾与结构安全教育部重点实验室南宁 广西交通科学研究院有限公司南宁 摘要为了研究预应力钢筋混凝土 框架结构的动力倒塌性能设计了个 比例的框架子结构模型 通过快速抽柱方式对其动力倒塌性能开展了试验研究试验结果表明在设计荷载的动力冲击作用下个试件在中柱 失效后的结构损伤主要表现为框架梁端开裂和结构基频的降低预应力的施加导致失效柱处的动态竖向位移增加当框 架梁的跨度相同时预应力可以显著改善框架梁端受拉纵筋的受力状态非预应力试件受倒塌荷载的动力冲击作用更为 显著合理选取框架梁的跨高比和预应力的施加方式有助于控制 框架结构的倒塌风险提出了针对 框架结构 倒塌荷载动力增大系数 的计算方法分析表明基于试验和计算所得的 框架试件倒塌荷载的 值均小于 在对 框架结构开展静力倒塌分析时应基于失效柱的目标竖向位移确定倒塌荷载 的合理取值 关键词预应力混凝土框架结构连续倒塌动态响应荷载动力增大系数 中图分类号 文献标志码 爆炸车辆撞击等偶然作用可能导致建筑结构中 部分承重构件失效并引发结构的整体连续倒塌破坏 近几十年来结构的倒塌性能得到了广泛的研究 由于钢筋混凝土 框架结构在工程结构中应用广 泛其倒塌性能得到了较多的研究 等对一栋 宾馆进行了现场倒塌试验研究证实了 效应 是荷载在剩余结构中进行重分布的重要机制 等 通过试验分别证明了悬链线效应和框架梁的压 拱效应会对框架结构的抗倒塌能力产生直接的影响 等对一榀层跨的 框架结构进行了数值 分析研究表明线性分析法和非线性分析法对判断结 构是否发生破坏有重要影响 等通过动静 力分析提出了可用于关键柱移除后竖向力的重分配过 程分析的局部鲁棒性评估法周云等通过数值计算 分析了楼板在框架结构防连续倒塌受力过程中对压拱 阶段和悬链线阶段承载力的提高作用并讨论了楼板 对结构在连续倒塌各个受力阶段的影响高佳明等 的研究表明框架梁破坏后结构转化为板柱模型现浇 板仍能将抗力维持在较高水平乔惠云等对中柱失 效下多层框架的连续性倒塌性能展开了研究提出了 梁机制和悬链线机制的抗力计算方法贾明明等开 展的研究表明填充墙提高了框架结构的抗倒塌能力 发生连续倒塌概率相同的情况下框架填充墙结构的承 载能力要比纯框架结构的高 骆欢等 对 框架结构倒塌全过程展开了振动台试验研究提 出了 框架结构抗倒塌的建议 为了提高钢筋混凝土 框架结构的承载能力 和刚度在结构构件中施加预应力便形成了预应力混 凝土框架结构与普通 框架结构相比由于单个承 重构件承担的荷载从属面积较大在承重构件失效后 预应力 框架结构的倒塌风险更高范云蕾等通 过对两榀单层双跨体外预应力钢筋混凝土框架结构的 试验研究建立了基于结构变形的体外预应力筋应力 变化分析方法推导了体外预应力 框架倒塌破坏的 极限荷载简化计算公式潘毅等对无黏结预应力装 配式框架结构的连续倒塌性能展开了研究指出在柱 截面尺寸和配筋相同梁截面尺寸和受弯承载力相同 的情况下无黏结预应力装配式框架结构防连续倒塌 性能优于现浇框架结构 等对无黏结预应力 框架子结构的倒塌性能开展了试验研究研究表明 预应力筋的有效预应力对框架结构的初始刚度和屈服 荷载没有显著的影响但对结构的极限变形能力和极 限抗倒塌承载能力影响显著目前针对预应力混凝 土框架结构的倒塌性能研究较少且多采用静力倒塌试 验或静力倒塌分析的方法对其在动力荷载下的倒塌 性能开展的试验研究较少针对存在的问题按照 的缩尺比例设计了个层跨的框架子结构模型对 其开展了中柱失效情况下的动力倒塌试验研究在设 计倒塌荷载作用下框架结构的动态倒塌响应并结合 随后开展的静力倒塌试验探讨进行静力倒塌分析时倒 塌荷载动力增大系数的取值方法 试验概况 试件设计 某多层预应力混凝土框架结构如图所示图中 和分别表示柱距和层高以该结构为原型设计框架 子结构模型子结构在原型结构中位于图中虚线方 框所围位置按照 的比例设计根框架子结构试 件试件编号及主要设计参数见表表中 表示梁的 净跨表示梁高试件的配筋和基本尺寸如图所 示其中短柱用于模拟失效中柱柱和柱分别用 于模拟与失效柱相邻的两根框架柱梁柱中的纵向 受力钢筋主要采用 级钢筋箍筋采用 级预应力筋采用 级直径 的钢绞线张 拉控制应力取 为预应力筋的极限抗拉强度 预应力筋线型布置如图所示实测钢筋的力学性能 见表表中 和分别代表钢筋的屈服强度极 限强度弹性模量和伸长率混凝土设计强度等级为 实测的混凝土轴心抗压强度和弹性模量分别为 和 为了便于实验室条件下 模拟试件的边界条件试件两个边柱的上层柱和下层 柱分别按原型结构的半层高和层高进行缩尺设计两 侧框架梁端分别预埋根直径 的高强螺杆螺 栓用于与反力架相连接柱中纵向钢筋分别焊接在预 埋于柱顶和柱底的 厚钢板上 图原型结构示意图 表试件设计 试件 预应力作用方式 后张无黏结 后张无黏结 后张无黏结 后张有黏结 振 动 与 冲 击年第卷 图试件尺寸与配筋 图预应力筋线型 表钢筋的力学性能 直径 加载方式及加载装置 试验过程中在试件的柱和柱的柱顶分别施加 轴向压力轴压比取 两个边柱柱脚通过高强螺栓 固接于钢梁支座上钢梁支座通过地锚螺栓固定在试 验台上试件的两个边柱的上层柱通过水平钢构件与 字形反力架铰接连接部位位于上层柱的反弯点位 置在中柱下部设置临时钢支撑钢支撑的下部设置 钢铰钢支撑顶部与试件中柱底部之间设置钢珠动 态抽柱试验时通过悬挂在反力架上的小钢梁撞击临 时钢支撑上部实现快速抽柱根据楼面设计荷载取楼 板传递到框架梁的线荷载为 将其等效为集 中荷载并以配重的形式均分成等份悬挂在每跨框架梁 的分点上根据上述等效原则跨度为 和 的框架梁上所悬挂的配重分别为 和 试验装置如图所示 图试验装置 测量内容 试验过程中在框架梁和失效柱处布置位移传感 器以测量结构的动态位移响应在靠近柱的框架梁端 截面的纵向钢筋上分别布置应变测点以测量钢筋应 变在失效中柱和梁的跨中分别布置加速度和速度传 感器用于测量结构的周期加速度和阻尼等动力特 性在每次抽柱前后分别测试子结构的频率和阻 尼比 试验结果及分析 试验现象 个试件在抽除中柱后的损伤主要表现为在靠近 柱的梁端产生若干条裂缝其余区域未观测到明显的 破坏现象此外框架梁产生了较明显的竖向变形不 同点在于在动态倒塌荷载作用下非预应力试件 的梁端产生了较多的裂缝且峰宽较大试件 为 后张无黏结预应力框架子结构个试件的框架梁跨度 不同在动力荷载作用下框架梁端裂缝较少但宽度相 对较大试件为后张有粘结预应力子结构试件在 动力倒塌荷载作用下梁端产生的裂缝较密但缝宽相 对较小从宏观上看个试件在中柱失效后结构上产 生的损伤都较小抽柱后试件的典型受力形态如图 所示 动态位移响应 个试件中柱处的动态位移时程曲线如图所示 在配重作用下中柱处的最大动态位移幅值和振动停 第期杨涛等中柱失效后预应力混凝土框架子结构动力倒塌性能试验研究 图抽柱后试件的典型受力形态 图中柱处位移时间曲线 止后的静态位移分别为 和将两者的比值定义 为动态位移增大系数 上述各值见表 分析可 知 在跨度相同的情况下最大的动态位移响应由大 到小排列依次为后张有黏结预应力试件后张无黏 结试件和非预应力试件这表明在靠近失效中柱 的框架梁负弯矩区施加的预应力对结构的抗倒塌性能 是不利的将导致失效柱处动态竖向位移的增大 试 件和的 值依次降低这与最大动态位移 响应的变化规律相反说明在倒塌过程中非预应力框架 试件的荷载动力冲击作用更为显著有黏结预应力试件 承受的动力冲击作用小于无黏结预应力试件 在相同 的楼面设计荷载作用下试件 的 和随着 跨高比的增大均呈递增趋势个试件的 值最大相 差不超过 跨高比对 的影响是有限的 表试件的动态位移响应 试件 钢筋动态应变响应 在与柱相邻梁端截面的纵向钢筋上布置钢筋应变 测点 测点位置如图所示抽柱后测点处 钢筋的动态应变时程曲线如图所示各试件梁端钢 筋测点 和 的最大动态拉应变见表分析可 知 抽柱后与边柱相邻的框架梁端截面的上部钢筋 受拉而下部钢筋受压与中柱相邻的梁端截面上部钢 图纵向钢筋应变时程曲线 振 动 与 冲 击年第卷 表梁端钢筋最大动态拉应变 试件 应变 筋受压而下部钢筋受压 在整个振动过程中框架梁 端受拉钢筋应变变化幅度明显高于受压区钢筋应变 对于试件 边柱梁端截面受拉钢筋应变明显 高于失效中柱梁端截面的钢筋拉应变而有黏结预应 力试件则呈现相反的特点 随着框架梁跨高比的 增加边柱梁端截面受拉钢筋的应变呈递增趋势 当跨度相同时预应力的存在能够显著降低梁端纵 向钢筋的拉应变 中柱加速度响应 抽柱试验中实测了个试件中柱处的竖向加速度 响应典型的加速度时程曲线如图所示其中加速度 以向上为正由于仪器存在问题所采集的试件和 的加速度数据不理想故图中未列出其时程曲线 由图可知试件的负向加速度明显大于试件和 非预应力框架试件在中柱失效时荷载动力冲击作 用偏大 图典型竖向加速度时间曲线 试件的频谱特征 采用敲击法测量试件的动力特性实测结构的基 频和阻尼比见表由表可见个试件在抽柱后 基频显著降低阻尼比均有不同程度的增加与非预 应力试件相比预应力混凝土试件 在抽柱 后的阻尼比普遍偏大这说明预应力的存在增大了结 构阻尼有利于缩短结构的振动过程 表试件基频和阻尼比 类别 拆柱前 拆柱后 拆柱前 拆柱后 静力倒塌试验概况 动态倒塌试验完成之后卸去梁上悬挂的配重在 试件中柱柱顶施加单调静力荷载直至试件破坏各试 件的主要受力过程如下 试件在试验过程中与边 柱相邻的梁端顶部和与失效中柱相邻的梁端底部的混 凝土首先发生开裂随着荷载的增加与边柱相邻的梁 端底部和与中柱相邻的梁端顶部的混凝土逐渐压碎并 剥落中柱竖向位移到达 时停止加载对应荷 载为 加载过程中未发生钢筋断裂现象 试件当中柱竖向位移达到 时预应力钢 绞线的部分钢丝发生断裂继续加载至中柱位移为 时由于框架梁端混凝土损伤严重而停止试 验 试件加载过程中当中柱竖向位移达到 时承载力发生了一次明显的下降随后又 开始上升失效中柱竖向位移值达到 时梁 端纵向受力钢筋发生断裂试件的承载能力明显下降 试验结束直至试验结束试件中预应力钢筋未发生断 裂 试件当失效中柱竖向位移值达到 时预应力钢绞线发生断裂承载力下降明显继续加 载时承载力再次开始上升直至中柱竖向位移达到 时停止试验 试件试件上裂缝数量较多 但缝宽较小裂缝较为均匀的分布于梁上当失效中柱 竖向位移值达到 预应力钢绞线发生断裂 试件的承载力显著下降试验结束 由静力倒塌试验得到试件的荷载中柱竖向位移 曲线如图所示对比可知 与非预应力试件和有粘 结预应力试件相比无黏结预应力试件的抗倒塌承载 力较高但后期刚度下降较明显 在配筋等条件相同 的情况下随着无黏结 框架梁跨高比的增加结构 的抗倒塌能力呈下降趋势无黏结预应力钢绞线一旦 发生破坏将导致结构的抗倒塌承载能力发生显著的 下降 第期杨涛等中柱失效后预应力混凝土框架子结构动力倒塌性能试验研究 图静力荷载竖向位移曲线 倒塌荷载动力增大系数 框架结构的连续倒塌是一个动态的过程现 有的连续倒塌试验多采用静力加载方式进行无法体 现承重柱失效瞬间荷载的动力冲击作用对结构受力性 能的影响因此在静力倒塌分析过程中一般会通过 动力增大系数 对荷载进行修正以下基于所开展 的倒塌试验对预应力混凝土框架结构的倒塌荷载 的取值进行探讨 设计荷载作用下的 取值 在动态抽柱试验中虽然框架梁上出现了一些裂 缝但结构中钢筋应变仍然较小可近似认为剩余结构 在楼面设计荷载作用下仍处于弹性受力状态将与失 效中柱相邻的框架梁端受拉钢筋的最大动态应变值与 振动停止后的静态应变的比值定义为 将试验得 到的各试件的 值列于表 与表中 的对 比表明基于位移和应变两种途径得到的同一试件的 值较为接近且介于 之间 基于能量法的 取值 当失效柱所承担的楼面荷载从属面积较大或者上 部结构倒塌对下部结构产生较大的冲击作用时剩余 结构可能进入塑性受力阶段此时难以通过动态倒 塌试验确定倒塌荷载 的取值参照文献的方 法提出了针对预应力混凝土框架结构倒塌荷载 值的计算方法 由于预应力筋按照抛物线线型布置按照荷载 平衡法将预应力筋的初始预应力等效为均布荷载 预应力的等效荷载如图所示 假定框架梁各截面的竖向位移与中柱处的竖向 位移成比例关系将预应力筋的初始预应力视作外 力可以得到初始预应力在结构倒塌过程中所做的功 式中 为框架梁任一截面按照比例关系求解出 的竖向挠度 为等效荷载沿梁长的分布长度 中柱失效后施加在中柱顶部的荷载引起的 中柱竖向位移为 则与 对应的外荷载的等效动 力荷载 为 令 则 图初始预应力的等效荷载 按照上述方法得到试件 的等效荷载动力 增大系数与中柱竖向位移之间的关系曲线如图所 示由图可知 随中柱位移的增加呈现以下变化规 律加载初期 值快速增加随后开始下降在达到 最小值后再一次上升 利用上述方法计算得到动态抽柱试验后中柱的静 态位移 见表和静力倒塌试验结束时中柱极限位 移 对应的等效荷载动力增大系数 和 详见表对比可知 换算得到的 值大于通过 动力倒塌试验直接获得的 和 值这主要归结 于换算 时所作的简化但从设计角度看 值是偏安全的 基于试验和能量法得到的倒塌荷载 值均小于 倒塌荷载 值与中柱竖向位 移密切相关在进行静力倒塌分析时应根据失效柱的 目标位移确定 的合理取值 图 与中柱竖向位移关系 振 动 与 冲 击年第卷 表荷载动力增大系数 试件 结论 在设计荷载的动力冲击作用下个框架子结 构试件在中柱失效后均产生了不同程度的损伤主要 表现为框架梁的开裂和结构基频的降低其中裂缝主 要分布于框架梁的两端中柱失效后与中柱相邻的 框架梁端的下部钢筋和与边柱相邻的框架梁端的上部 钢筋均承受拉力作用预应力的存在可以显著改善框 架梁中受拉纵筋的受力状态 在跨高比相同的情况下有黏结预应力 框 架结构中柱处的绝对竖向位移最大无黏结预应力 框架次之非预应力 框架中柱处的竖向位移最小 这说明框架梁负弯矩区施加的预应力在结构倒塌过程 中增大了失效柱处的动态竖向位移这对结构抗倒塌 是不利的分析表明合理选取框架梁的跨高比和预应 力施加方式有利于控制 框架结构的抗倒塌风险 基于试验和能量换算法所得的 框架子结 构试件的 值均小于 建议在对 框架结构 开展静力倒塌分析时应基于失效柱的目标位移确定 倒塌荷载 的合理取值 参 考 文 献 杨涛陆艺建筑结构连续倒塌性能研究进展 力学 与实践 周云陈太平胡翔等考虑周边结构约束影响的 框 架结构防连续倒塌性能研究 工程力学