新型装配式钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框撑体系振动台试验研究.pdf

第卷 第期 年月 土木工程学报 基 金 项 目中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 作 者 简 介李 正 良博 士教 授 收 稿 日 期 新 型 装 配 式 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 框 撑 体 系 振 动 台 试 验 研 究 李 正 良 徐 姝 亚刘 红 军焦 安 亮 重 庆 大 学重 庆 中 国 建 筑 第 七 工 程 局 有 限 公 司河 南 郑 州 摘 要结 合 装 配 式 建 筑 和 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 组 合 框 架 结 构 的 优 点提 出 新 型 装 配 式 方 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 组 合 框 撑 体 系为 研 究 该 类 新 型 体 系 的 整 体 抗 震 性 能设 计 制 作 了 缩 尺 比 为 的层 整 体 模 型对 该 模 型 输 入 了建 筑 抗 震 设 计 规 范 所 建 议 的 多 种 烈 度 下 的 地 震 激 励获 得 了 其 在 相 应 地 震 激 励 作 用 下 的 结 构 响 应 及 破 坏 形 态分 析 研 究 了 其 整 体 抗 震 性 能结 构 失 效 路 径 以 及 连 接 节 点 的 可 靠 性研 究 表 明 该 类 结 构 体 系 具 有强 钢 管 混 凝 土 柱弱 钢 筋 混 凝 土 梁及强 节 点弱 构 件的 理 想 失 效 路 径 梁 的 破 坏 点 位 于 工 字 型 钢 接 头 梁 段 与 钢 筋 混 凝 土 梁 段 交 界 位 置距 梁 柱 节 点 核 心 区 域 有 一 定 距 离从 而 保 证 了 节 点 核 心 区 域 的 完 整 性 结 构 部 分 楼 层 在 强 震 下 会 因 斜 撑 失 效 而 形 成 薄 弱 层造 成 结 构 响 应 的 放 大 关 键 词装 配 式 建 筑组 合 结 构框 撑 体 系振 动 台 试 验抗 震 性 能 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 文 章 编 号 引言 在 近 年 来 的 地 震 灾 害 中传 统 预 制 装 配 式 建 筑 破 坏 严 重这 些 严 重 的 破 坏 主 要 是 由 装 配 式 结 构 薄 弱 的 节 点 连 接 以 及 不 合 理 的 结 构 失 效 路 径 所 导 致从 而 使 得 预 制 装 配 式 建 筑 的 推 广 和 应 用 受 到 了 一 些 争 议 然 而装 配 式 建 筑 因 具 有 施 工 工 期 短施 工 质 量 易 于 控 制对 环 境 影 响 小 等 明 显 优 势已 成 为 不 可 替 代 的 建 筑 形 式近 几 年 来有 关 装 配 式 建 筑 抗 震 性 能 的 研 究 广 泛 开 展如 文 献 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 组 合 框 架 结 构 已 经 在 国 内 外 建 筑 工 程 中 得 到 一 些 应 用 等 对 现 浇 式 薄 壁 钢 管 混 凝 土 柱 钢 筋 混 凝 土 梁 节 点 进 行 了 循 环 荷 载 试 验其 研 究 表 明 此 种 节 点 遵 循 了强 柱弱 梁的 理 想 第卷第期李 正 良 等新 型 装 配 式 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 框 撑 体 系 振 动 台 试 验 研 究 失 效 路 径具 有 良 好 的 抗 震 性 能 等 对 现 浇 式 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 环 形 节 点 进 行 了 循 环 荷 载 试 验 验 证 了 此 种 节 点 具 有 良 好 的 承 载 力 与 变 形 能 力破 坏 始 于 梁 的 失 效从 而 具 有强 节 点弱 构 件及强 柱弱 梁的 优 点文 献 也 分 别 对 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 的 节 点 和 单 榀 框 架 进 行 了 一 些 理 论 和 试 验 研 究 然 而已 有 相 关 研 究 的 研 究 对 象 均 为 现 浇 式 或 部 分 现 浇 式 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 结 构预 制 装 配 式 方 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 框 架 结 构 的 整 体 抗 震 性 能 还 未 有 文 献 报 道本 文 结 合 装 配 式 建 筑 和 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 组 合 框 架 结 构 的 优 点提 出 新 型 装 配 式 方 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 组 合 框 撑 体 系 并 针 对 该 类 新 型 结 构 体 系 制 作 了 缩 尺 比 例 为 的层 结 构 整 体 模 型设 计 抗 震 设 防 烈 度 为度进 行 了建 筑 抗 震 设 计 规 范 所 建 议 的度 多 遇度 基 本度 罕 遇 度 罕 遇 及度 罕 遇 烈 度 下 的 模 拟 地 震 振 动 台 试 验 研 究 获 得 了 该 结 构 体 系 在 各 水 准 地 震 激 励 作 用 下 的 结 构 响 应破 坏 形 态分 析 研 究 了 该 类 结 构 体 系 的 整 体 抗 震 性 能结 构 失 效 路 径 及 连 接 节 点 的 可 靠 性 体 系 简 介 主 要 承 力 体 系 预 制 装 配 式 方 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 组 合 框 撑 体 系 是 一 种 以 方 钢 管 混 凝 土 柱带 工 字 型 钢 接 头 的 钢 筋 混 凝 土 梁 以 及 圆 钢 管 混 凝 土 斜 撑 为 主 要 承 力 体 系 的 新 型 装 配 式 结 构 体 系图该 体 系 以 插 入 梁 柱 节 点 核 心 区 域 的 带 工 字 型 钢 牛 腿 十 字 加 劲 肋 和 短 方 钢 管 柱 连 接 内 衬 保 证 梁 柱 节 点 核 心 区 域 的 强 度延 性 及 连 接 可 靠 性使 得 节 点 核 心 区 域 的 承 载 能 力 高 于 与 其 相 连 构 件 的 承 载 能 力形 成 具 有强 钢 管 混 凝 土 柱弱 钢 筋 混 凝 土 梁和强 节 点弱 构 件失 效 路 径 的 结 构 体 系此 种 体 系 的 柱 方 钢 管连 接 内 衬带 工 字 型 钢 牛 腿 十 字 加 劲 肋组 合 梁斜 撑叠 合 楼 板 底 层 及 外 挂 墙 等 均 可 在 工 厂 进 行 预 制仅 留 下 少 部 分 的 混 凝 土 浇 筑焊 接拼 装 等 工 序 需 在 工 地 现 场 进 行 装 配 过 程 装 配 过 程 为 将 带 工 字 型 钢 牛 腿 十 字 加 劲 肋 插 入 已 切 割 出 豁 口 的 带 连 接 内 衬 方 钢 管 混 凝 土 柱 顶并 在 接 缝 处 进 行 满 焊 将 带 工 字 型 钢 接 头 的 钢 筋 混 凝 土 梁 与 柱 上 的 工 字 型 钢 牛 腿 进 行 对 接腹 板 间 通 过 连 图体 系 承 力 内 部 型 钢钢 筋 骨 架 接 夹 板 以 高 强 螺 栓 连 接翼 缘 间 采 用 满 焊焊 接 斜 撑 连 接 劲 板 安 装 楼 板 预 制 层铺 设 楼 板 上 部 钢 筋 对 板 顶 及 梁 柱 拼 缝 处 进 行 混 凝 土 整 体 浇 筑 待 按 步 骤 循 环 施 工 完 毕 层 后按 施 工 图 纸 上 的 指 定 位 置 安 装 外 挂 墙再 继 续 向 上 施 工 试 验 概 况 振 动 台 试 验 设 备 本 次 振 动 台 试 验 在 重 庆 交 通 科 研 设 计 院 振 动 台 试 验 室 进 行振 动 台 试 验 设 备 为 双 台 阵 系 统包 括 一 个 固 定 台 和 一 个 移 动 台设 备 性 能 参 数 见 表由 于 本 次 试 验 不 考 虑 行 波 效 应所 以 仅 采 用 固 定 台 进 行 试 验 表重 庆 交 通 科 研 设 计 院 模 拟 地 震 振 动 台 性 能 指 标 性 能指 标 最 大 试 件 质 量 台 面 尺 寸 激 振 方 向 三 方 向 控 制 自 由 度六 自 由 度 最 大 驱 动 位 移 最 大 驱 动 加 速 度 频 率 范 围 试 验 对 象 本 次 振 动 台 所 选 取 的 原 型 结 构 的 平 面 及 立 面 图 如 图和 图所 示截 面 详 图 见 图和 图原 型 结 构 混 凝 土 采 用 混 凝 土纵 向 钢 筋 采 用 级 钢 筋箍 筋 采 用 级 钢 筋结 构 钢 材 均 采 用 钢连 接 螺 栓 为 级 高 强 螺 栓综 合 考 虑 试 验 目 的 与 要 求振 动 台 性 能 参 数试 验 室 施 工 条 件 和 吊 装 土木工程学报年 能 力 等 因 素确 定 模 型 结 构 几 何 相 似 常 数 模 型 结 构 混 凝 土 采 用 混 凝 土其 余 材 料 等 级 与 原 型 结 构 相 同各 材 料 力 学 性 能 通 过 材 料 试 验 测 得施 工 完 成 后 模 型 高 模 型 总 重 包 括 附 加 人 工 配 重 底 座 重 量 图最 终 确 定 的 相 似 关 系 见 表 图原 型 结 构 平 面 图 正背立 面左右立 面 图原 型 结 构 立 面 图 图原 型 结 构 斜 撑 详 图 图原 型 结 构轴 轴 梁 柱 节 点 详 图 图试 验 模 型 结 构 测 点 布 置 为 获 得 模 型 结 构 在 各 阶 段 模 拟 地 震 激 励 下 的 频 率 衰 减平 动 响 应 和 扭 转 响 应 以 及 应 变 反 应本 次 试 验 第卷第期李 正 良 等新 型 装 配 式 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 框 撑 体 系 振 动 台 试 验 研 究 表模 型 结 构原 型 结 构 相 似 关 系 物 理 量相 似 关 系物 理 量相 似 关 系 长 度 应 力 弹 性 模 量 应 变 加 速 度 周 期 质 量 频 率 线 位 移 质 量 密 度 共 布 置 测 点个图包 括加 速 度 传 感 器个 其 中 台 面 向 各个底 座 向 各个每 层 向 各 两 个位 移 计个其 中 底 座 向 各个每 层 向 各 两 个应 变 片个其 中 每 层轴 角 柱 柱 底 向 各个斜 撑 及 梁 应 变 片 仅层 布 置 加 载 方 案 根 据 结 构 特 点选 取 了条 天 然 波 波 波和条 人 工 波 作 为 激 励进 行 了度 多 遇度 基 本度 罕 遇 度 罕 遇度 罕 遇 五 个 阶 段 的 模 拟 地 震 激 励 输 入 经 相 似 比 关 系 换 算 后 的 激 励 输 入 加 速 度 峰 值 分 别 为 每 个 阶 段 分向 和向 依 次 按 波 波人 工 波 的 顺 序 进 行 单 向 地 震 输 入各 试 验 阶 段 模 拟 地 震 激 励 实 测 峰 值 见 表 图测 点 布 置 图 表试 验 模 拟 地 震 激 励 实 际 峰 值 度 多 遇 向向 度 基 本 向向 度 罕 遇 向向 度 罕 遇 向向 度 罕 遇 向 预 设 峰 值 波 实 际 峰 值 波 实 际 峰 值 人 工 波 实 际 峰 值 结 构 破 坏 现 象 及 失 效 路 径 结 构 破 坏 现 象 度 多 遇 烈 度 试 验 阶 段向 和向 各 地 震 波 输 入 后模 型 表 面 未 发 现 可 见 裂 缝模 型 自 振 频 率 从 初 始 值 向 一 阶 向 一 阶下 降 到 向 一 阶 向 一 阶频 率 下 降 程 度 轻 微结 构 几 乎 未 受 损 伤 度 基 本 烈 度 试 验 阶 段向 和向 各 地 震 波 输 入 后模 型 表 面 未 发 现 可 见 裂 缝模 型 自 振 频 率 降 至 向 一 阶 向 一 阶推 测 模 型 结 构 内 部 节 点 螺 栓 连 接 稍 有 松 动 度 罕 遇 烈 度 试 验 阶 段向 波 和 波 激 励 输 入 后部 分 梁 表 面 工 字 型 钢 接 头 梁 段 与 钢 筋 混 凝 土 梁 段 交 界 位 置 附 近 出 现 细 微 裂 缝向 人 工 波 激 励 过 程 中二 层轴 与 轴 斜 撑 端 板 变 形高 强 螺 栓 被 剪 断斜 撑 宣 告 失 效斜 撑 失 效 后 梁 表 面 的 裂 缝 加 速 发 展模 型 自 振 频 率 降 至 向 一 阶 向 一 阶模 型 结 构 受 到 一 定 损 伤 在向 波 和 人 工 波 激 励 过 程 中二 层轴 与 轴 相 交 处三 层轴 与 轴 相 交 处 斜 撑 分 别 相 继 失 效梁 表 面 裂 缝 继 续 发 展与 失 效 斜 撑 相 邻 的 梁 裂 缝 发 展 情 况 更 为 严 重梁 及 梁 板 连 接 位 置 出 现 水 土木工程学报年 平 裂 缝向 频 率 下 降 明 显模 型 自 振 频 率 降 至 向 一 阶 向 一 阶 度 罕 遇 烈 度 试 验 阶 段在向 人 工 波 输 入 过 程 中二 层轴 与 轴 相 交 处三 层轴 与 轴 相 交 处 及轴 与 轴 相 交 处 斜 撑 失 效结 构 摇 晃 剧 烈明 显 变 柔由 结 构 的 晃 动 激 烈 程 度 来 看 波 所 激 起 的 结 构 晃 动 程 度 明 显 轻 于 人 工 波 所 激 起 的 结 构 晃 动 程 度 波 介 于 两 者 之 间 向 频 率 明 显 下 降模 型 自 振 频 率 降 至 向 一 阶 向 一 阶 向 各 地 震 波 输 入 后三 层向 斜 撑 全 部 失 效梁 裂 缝 由 梁 侧 延 伸 至 梁 底 面板 底 出 现 拉 通 裂 缝部 分 梁 的 工 字 型 钢 接 头 梁 段 保 护 层 剥 落摇 晃 过 程 中 有 混 凝 土 块 从 高 处 坠 落向 频 率 急 剧 下 降模 型 自 振 频 率 降 至 向 一 阶 向 一 阶结 构 受 到 明 显 损 伤 度 罕 遇 烈 度 试 验 阶 段输 入 的 波 向过 程 中结 构 各 方 面 的 破 坏 情 况 继 续 发 展结 构 摇 晃 极 为 剧 烈考 虑 到 人 生 财 产 安 全不 再 进 行 地 震 波 输 入此 时模 型 自 振 频 率 降 至 向 一 阶 向 一 阶 梁 底 至 梁 侧 拉 通 裂 缝梁 斜 裂 缝 斜 撑 失 效 板 底 拉 通 裂 缝 梁 和 梁 板 接 缝 处 裂 缝 发 展 工 字 型 钢 接 头 段 保 护 层 脱 落 图结 构 破 坏 现 象 各 阶 段 各 向 激 励 输 入 前 后 模 型 结 构 向 一 阶 频 率 的 变 化 见 图由 图可 知模 型 结 构 频 率 随 地 震 输 入 激 励 峰 值 的 增 大 而 显 著 下 降向 地 震 激 励 的 输 入 使 得 模 型 结 构向 频 率 显 著 下 降而 对向 频 率 的 影 响 并 不 显 著反 之 亦 然在 斜 撑 失 效 数 量 越 多 的 地 震 激 励 输 入 阶 段结 构 频 率 下 降 越 显 著由 此 可 知 斜 撑 对 结 构 刚 度 贡 献 显 著 图为 各 地 震 激 励 输 入 后 的 结 构 向 前 两 阶 振 型初 始 情 况 下结 构 质 量 及 刚 度 均 匀 分 布向 和 向 一 阶 振 型 近 似 呈 线 性 分 布由 结 构 破 坏 现 象 可 知 模 型 结 构层 和层 最 先 发 生 破 坏 现 象 且 破 坏 较 其 他 层 更 为 严 重由向 和向 的 一 阶 振 型 图 可 知从 度 罕 遇 烈 度 试 验 阶 段 开 始层 和层 发 生 了 明 显 的 刚 度 退 化其 他 层 刚 度 退 化 相 对 滞 后向 和向 的 一 图模 型 结 构 频 率 变 化 第卷第期李 正 良 等新 型 装 配 式 钢 管 混 凝 土 柱钢 筋 混 凝 土 梁 框 撑 体 系 振 动 台 试 验 研 究 向 一 阶 振 型 向 二 阶 振 型 向 一 阶 振 型 向 二 阶 振 型 图模 型 结 构 振 型 变 化 阶 振 型 曲 线 越 来 越 曲 折随 着 地 震 输 入 激 励 的 加 大 二 阶 振 型 曲 线 在层 和层 位 置 相 对 于 初 始 振 型 曲 线 发 生 了 明 显 的 偏 离使 得 二 阶 振 型 曲 线 的 弯 曲 愈 加 明 显 结 构 失 效 路 径 由 模 型 结 构 的 破 坏 过 程 可 知在 地 震 作 用 下破 坏 始 于 工 字 型 钢 接 头 梁 段 与 钢 筋 混 凝 土 梁 段 交 界 位 置 混 凝 土 的 微 裂 缝 开 展随 着 地 震 激 励 的 加 剧斜 撑 开 始 失 效由 于 失 去 了 斜 撑 的 保 护失 效 斜 撑 附 近 的 梁 裂 缝 逐 渐 加 宽延 伸形 成 拉 通 裂 缝同 时部 分 楼 板 底 部 出 现 拉 通 裂 缝随 着 地 震 激 励 的 继 续 加 剧各 层 斜 撑 相 继 失 效梁 破 坏 进 一 步 加 剧结 构 逐 渐 变 柔 在 整 个 破 坏 发 展 过 程 中方 钢 管 混 凝 土 柱 未 受 到 可 见 破 坏结 构 整 体 具 有强 钢 管 混 凝 土 柱弱 钢 筋 混 凝 土 梁的 理 想 失 效 机 制同 时梁 柱 节 点 因 具 有 由 柱 方 钢 管 和 柱 连 接 内 衬 形 成 的 双 层 方 钢 管 外 壁 及 十 字 加 劲 肋具 有 更 高 的 强 度 与 延 性并 且 梁 的 破 坏 点 位 于 工 字 钢 接 头 梁 段 与 钢 筋 混 凝 土 梁 段 交 界 位 置距 梁 柱 节 点 核 心 区 域 有 一 定 距 离使 得 当 其 他 构 件 破 坏 严 重 时梁 柱 节 点 还 保 持 完 好因 而 结 构 整 体 具 有强 节 点 弱 构 件的 理 想 失 效 机 制 模 型 结 构 响 应 结 果 及 分 析 模 型 结 构 加 速 度 响 应 图为 不 同 阶 段 地 震 作 用 下 模 型 结 构 的 加 速 度 放 大 系 数从 图 中 可 以 看 出随 地 震 作 用 的 加 剧结 构 的 加 速 度 放 大 系 数 并 没 有 总 体 明 显 增 大 或 减 小 的 趋 势对 于 地 震 作 用 较 小 的 阶 段如度 多 遇 烈 度 试 验 阶 段 和度 基 本 烈 度 试 验 阶 段加 速 度 放 大 系 数 随 楼 层 的 增 高 而 增 大对 于 地 震 作 用 较 大 的 阶 段如度 罕 遇 烈 度 试 验 阶 段 度 罕 遇 烈 度 试 验 阶 段 和度 罕 遇 烈 度 试 验 阶 段加 速 度 放 大 系 数 随 楼 层 的 分 布 曲 线 主 要 呈形底 层 的 加 速 度 放 大 系 数 最 小在层 和 层 有 所 增 大在层 和层 又 有 所 减 小最 后 在 结 构 顶 部 放 大这 说 明 刚 度 明 显 退 化 的 楼 层 有 使 加 速 度 放 大 系 数 进 一 步 放 大 的 作 用 模 型 结 构 位 移 响 应 图为 不 同 阶 段 地 震 作 用 下 模 型 结 构 各 楼 层 相 对 于 底 座 的 位 移从 图 中 可 以 看 出随 地 震 作 用 的 加 剧结 构 的 总 体 位 移 响 应 明 显 增 大并 随 楼 层 的 增 高 而 增 大同 一 峰 值 的 不 同 地 震 波 对 结 构 激 起 的 响 应 有 较 大 差 别人 工 波 对 结 构 激 起 的 响 应 最 大 波 次 之 波 最 小对 于 地 震 作 用 较 小 的 阶 段如 度 多 遇 烈 度 试 验 阶 段 和度 基 本 烈 度 试 验 阶 段位 移 土木工程学报年 1 2 3 4 5 6 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 楼 层 X向 加 速 度 放 大 系 数 X向 7 度 多 遇 X向 7 度 基 本 X向 7 度 罕 遇 X向 7 .5 度 罕 遇 X向 8 度 罕 遇 1 2 3 4 5 6 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 3 .5 楼 层 X向 加 速 度 放 大 系 数 X向 7 度 多 遇 X向 7 度 基 本 X向 7 度 罕 遇 X向 7 .5 度 罕 遇 1 2 3 4 5 6 0 .00 .51 .01 .52 .02 .5 楼 层 X向 加 速 度 放 大 系 数 X向 7 度 多 遇 X向 7 度 基 本 X向 7 度 罕 遇 X向 7 .5 度 罕 遇 向 波向 波 向 人 工 波 1 2 3 4 5 6 0 .00 .51 .01 .52 .02 .5 楼 层 Y向 加 速 度 放 大 系 数 Y向 7 度 多 遇 Y向 7 度 基 本 Y向 7 度 罕 遇 Y向 7 .5 度 罕 遇 1 2 3 4 5 6 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 楼 层 Y向 加 速 度 放 大 系 数 Y向 7 度 多 遇 Y向 7 度 基 本 Y向 7 度 罕 遇 Y向 7 .5 度 罕 遇 1 2 3 4 5 6 0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0 楼 层 Y向 加 速 度 放 大 系 数 Y向 7 度 多 遇 Y向 7 度 基 本 Y向 7 度 罕 遇 Y向 7 .5 度 罕 遇 向 波 向 波 向 人 工 波 图模 型 结 构 加 速 度 放 大 系 数 1 2 3 4 5 6 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 楼 层 X向 位 移 m m X向 7 度 多 遇 X向 7 度 基 本 X向 7 度 罕 遇 X向 7 .5 度 罕 遇 X向 8 度 罕 遇 1 2 3 4 5 6 051 01 52 02 53 0 楼 层 X向 位 移 m m X向 7 度 多 遇 X向 7 度 基 本 X向 7 度 罕 遇 X向