高強鋼筋高強混凝土框架結構擬動力試驗研究

陳 鑫， 閻 石＊， 季 保 建

（1.大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連 116024；2.沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧 沈陽 110168）

0 引 言

地震是種非常嚴重的自然災害.目前，對高強混凝土結構在地震作用下的受力性能掌握得還不夠充分，針對高強混凝土結構的設計理論與設計方法還不夠系統(tǒng)，高強混凝土結構的推廣應用還沒有足夠的依據(jù)與保證.此外，隨著混凝土材料技術的不斷發(fā)展，鋼筋的強度也得到了很大的提高.過去鋼筋的設計強度一般為200～500MPa，如今設計強度超過1 000MPa的高強鋼筋在國內外已得到了普遍應用.鋼筋混凝土框架結構具有空間大、使用便捷、抗震能力好等諸多優(yōu)點，使其受到廣泛關注，一旦變形能力差的弱點得以解決，必然有更加廣泛的應用前景.高強混凝土的應用，更有效提高了該結構體系的使用效率.在該結構體系中配置高強度鋼筋，可以進一步提高其抗震能力，更有效發(fā)揮高強混凝土和高強鋼筋的作用.

通過配置數(shù)量足夠、形式合理的高強度的箍筋和縱向鋼筋，使核心區(qū)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可有效地約束混凝土的橫向膨脹，保持核心區(qū)混凝土的完整性，并提高核心區(qū)混凝土的極限抗壓能力，阻止縱向受壓鋼筋可能出現(xiàn)的屈曲.因此，適當?shù)脑O計處理和完善的配筋構造措施，可使高強鋼筋和高強混凝土都得到充分利用，并且其結構或構件的延性同樣可以滿足設計要求.本文在前期已進行的配有高強鋼筋高強混凝土柱、節(jié)點等構件抗震性能試驗研究[1－3]的基礎上，通過擬動力試驗對配有高強鋼筋高強混凝土框架結構的抗震性能進行較為系統(tǒng)的研究，以期為高強混凝土框架結構在地震區(qū)的應用提供一條有效的途徑.

1 試驗概況

1.1 擬動力試驗方法[4，5]

在擬動力試驗時，由于輸入的是真實的地震波記錄，而結構的恢復力又是試驗過程中實際測得的，能夠較真實地反映結構在地震過程中的動力特性，因而能夠比低周往復的擬靜力試驗更真實地描述地震反應過程；在整個加載過程中可以看成是靜態(tài)的，可以在靜力試驗臺座上進行，便于隨時觀察記錄，因此可以進行足尺結構或大比例模型的試驗，從而克服了振動臺試驗的不足.由于擬動力試驗綜合了擬靜力試驗的簡單性和振動臺試驗的真實性，國內外學者對此進行了大量的研究[6－10].

結構在地震作用下一般只在結構的某些部位或構件上產(chǎn)生破壞，其余部分仍處于完好或基本完好狀態(tài).故在擬動力試驗過程中將容易破壞的這部分結構進行試驗，而對其余處于彈性狀態(tài)的部分用計算機進行地震反應的數(shù)值模擬分析，這種方法稱為子結構法擬動力試驗[11].用于試驗的結構部分稱為試驗子結構，而由計算機來進行模擬的結構部分稱為計算子結構，整體結構由試驗子結構和計算子結構兩部分組成，并通過計算機結合起來進行整體結構的地震反應分析.也就是將傳統(tǒng)意義上單獨實施的試驗與數(shù)值模擬分析聯(lián)合起來同時進行，通過這種混合式試驗可以偽動態(tài)地再現(xiàn)地震反應，用較低的試驗成本獲得較為理想的地震反應分析結果.

本次試驗即采用子結構試驗技術.整體結構為8層鋼筋混凝土框架結構，其中試驗子結構2層，計算子結構6層.

1.2 試件情況

本次試驗的框架結構試件是根據(jù)現(xiàn)行抗震設計規(guī)范[12]進行設計制作的，體現(xiàn)了“強柱弱梁”的框架結構設計原則，實踐證明這種形式的框架結構具有很好的抗震性能（如圖1所示）.根據(jù)已完成的配有高強鋼筋高強混凝土柱、節(jié)點等的試驗研究成果，本次試驗試件中框架柱的混凝土強度等級取為C90，梁和板的混凝土強度等級為C40.本次試驗所采用的混凝土為商品混凝土，在澆筑每一種混凝土時，均保留3組（每組3塊）150mm×150mm×150mm立方體試塊.試塊與試件同條件養(yǎng)護，測得C40和C90混凝土立方體強度平均值分別為44.00MPa和83.67MPa.本文中柱的部分縱筋和全部箍筋采用高強鋼筋（高強鋼筋為沈陽超力鋼筋有限公司生產(chǎn)的預應力鋼棒，即PC鋼棒，如圖2所示），直徑為10.7mm和7.1 mm兩種；梁中箍筋和板中鋼筋采用HPB235級鋼筋；柱的部分縱筋和梁的全部縱筋采用HRB335級.鋼筋采取逐類取樣并進行拉伸試驗，其力學指標詳見表1.為防止試件發(fā)生平面外失穩(wěn)，模型設計成兩層兩榀單跨的結構形式，加載方式為二維平面加載.為避免在荷載施加作用點處發(fā)生局部破壞，各處均預埋鋼板.配筋參照混凝土結構設計規(guī)范[13]按原型結構和模型結構配筋率大體相等原則確定.

圖1 模型尺寸及配筋Fig.1 Model size and its reinforcement

圖2 PC鋼棒Fig.2 PC steel bars

表1 鋼筋力學性能Tab.1 Mechanical property of steel

本次試驗在沈陽建筑大學結構實驗室進行，模型結構各層的水平荷載借助于兩臺MTS電液伺服加載作動器（推力1 460kN，拉力960kN，行程500mm）施加.試驗采用子結構技術，全結構為8層，其中試驗子結構為底部二層，為考慮原結構二層以上豎向荷載的影響，在保證原結構和模型結構各柱軸壓比基本相同條件下，經(jīng)計算分析求出在模型結構的各柱頂施加70kN的豎向荷載.本次試驗采用了4臺500kN油壓千斤頂，通過分配梁將豎向荷載分別施加到各柱頂部，在計算柱頂豎向荷載時，梁上荷載也已考慮到.模型結構的加載裝置如圖3所示.試驗現(xiàn)場情況如圖4所示.

1.3 加載制度和測試內容

圖3 加載裝置Fig.3 Loading setup

圖4 試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 The photo of test site

試驗分為兩個階段.第一階段為擬動力試驗，分別輸入不同加速度峰值的地震加速度記錄，得到結構在各工況下的地震反應，分析了在不同峰值地震加速度作用下，結構反應大小、變形累積、周期的變化、剛度退化、能量耗散等.由于擬動力試驗在本質上是一種靜力試驗，可較詳盡地觀察裂縫的出現(xiàn)與開展，并記錄結構反應的全過程.在擬動力試驗完成后，試件并沒有徹底破壞，為充分利用，在試件已經(jīng)發(fā)生塑性變形的基礎上進行第二階段的擬靜力試驗，此階段試驗采用位移控制進行加載，按照倒三角形分布水平力，直到結構完全破壞.試驗內容如表2所示.

表2 模型結構擬動力試驗內容Tab.2 Contents of model structure pseudo－dynamic test

2 試驗結果與分析

2.1 試驗過程

進行擬動力試驗時，選取了3個地震波記錄，即El－Centro地震波（EL）、Taft地震波（TAFT）及天津地震波（TJ）.將各地震波加速度幅值進行適當調整，當結構處于彈性階段時，用以上3種地震波進行擬動力試驗；當結構進入塑性階段，只用El－Centro地震波進行擬動力試驗直到結束.各工況按最大加速度值的大小逐級進行試驗，研究模型彈性和彈塑性的動力反應.在擬動力試驗加載過程中，所選地震波及相應幅值由小到大依次為El－Centro波（35cm·s－2）、Taft波（35cm·s－2）、天津 波 （35cm·s－2）、El－Centro 波 （100cm·s－2）、Taft波（100cm·s－2）、天津波（100cm·s－2）、El－Centro波（200cm·s－2）、El－Centro波（400cm·s－2）、El－Centro 波 （600cm ·s－2）、El－Centro波（700cm·s－2）.地震波截取原則：保留地震波記錄中幅值最大部分，其富有頻率和試件基本頻率相近部分盡可能保留，以保證最大激振的效果.本次試驗按以上原則截取時間為12s左右的地震波記錄，根據(jù)相似系數(shù)原則，時間間隔調整為0.014s.試驗過程及簡要結果如表3所示.

2.2 滯回曲線

當加速度峰值小于400cm·s－2時，在正負兩個方向上，試件的基底剪力（N）－頂點位移（u）滯回曲線大體對稱.這是因為此時試件尚處于彈性階段或準彈性階段（200cm·s－2工況），即使混凝土出現(xiàn)輕微開裂現(xiàn)象，當荷載作用到另一側時，裂縫能夠完全閉合（圖5（a）所示）；而到了試驗的后階段（大于或等于400cm·s－2工況），此時試件已發(fā)生了較充分的塑性變形，混凝土出現(xiàn)的裂縫不能夠完全閉合，累計損失越來越嚴重，模型的彈塑性變形也不是均勻地分布和發(fā)展，兩個方向的反應差異非常大，滯回曲線呈現(xiàn)為明顯的不對稱現(xiàn)象（圖5（b）所示）.由擬靜力試驗結果可知，當柱的非線性變形較大時，由于柱截面的高寬比較小，模型試件中各柱的剪力－位移滯回曲線并不對稱，這也將導致結構剪力－位移滯回曲線表現(xiàn)為不對稱現(xiàn)象（如圖6所示）.

表3 試驗過程及簡要結果Tab.3 Test process and principal results

圖5 擬動力試驗的二層基底剪力－頂點位移滯回曲線Fig.5 Hysteretic loops of base shear and lateral displacement of the second floor under pseudo－dynamic test

圖6 擬靜力試驗的二層基底剪力－頂點位移滯回曲線Fig.6 Hysteretic loops of base shear and lateral displacement of the second floor under pseudo－static test

按《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ 101—96）第6.7.3.1要求，擬動力試驗需做“分段試驗滯回曲線組合圖”，確定結構開裂荷載、屈服荷載及破壞荷載等.本次試驗的“分段試驗滯回曲線組合圖”如圖7所示，由圖可知：

圖7 分段試驗滯回曲線組合圖Fig.7 Integrated graph of hysteretic loops at each stage

（1）當輸入加速度峰值為35cm·s－2和100 cm·s－2的El－Centro地震波時，試件上未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，基底剪力－頂點位移滯回曲線大體上呈線性關系，說明此時模型結構處于線彈性狀態(tài)；

（2）當輸入加速度峰值為200cm·s－2的El－Centro地震波時，試件表面出現(xiàn)輕微的裂縫，基底剪力－頂點位移滯回曲線基本上是對稱的，此時模型結構仍可視為處于彈性狀態(tài)；

（3）當輸入加速度峰值為400cm·s－2的El－Centro地震波時，試件結構出現(xiàn)較大的不可恢復的塑性變形，基底剪力－頂點位移滯回曲線明顯不對稱，此時模型結構處于塑性狀態(tài)；

（4）當輸入加速度峰值為600cm·s－2和700cm·s－2的El－Centro地震波時，結構的滯回曲線呈明顯的反S形，結構的損傷積累及鋼筋與混凝土之間的粘結滑移是造成滯回曲線捏縮的重要原因.

2.3 結構的位移時程反應

圖8為試件在不同加速度峰值下的一層和二層的位移時程曲線比較，圖9為一層和二層在不同加速度峰值下位移時程曲線比較.由圖可知：在輸入加速度峰值較小的地震波作用下，一層和二層的位移變化很協(xié)調，位移峰值幾乎是同步到達；而當輸入加速度峰值較大的地震波時，位移峰值到達的同步程度就沒有那么高了，特別是在輸入加速度峰值超過400cm·s－2后，差異更加明顯.這主要是因為結構產(chǎn)生不可恢復的塑性變形，導致?lián)p傷積累，使得位移反應不同步；隨著加速度峰值的增大，結構的位移反應并不是按線性方式增長，位移增長率比加速度增長率要高很多.當模型結構進入塑性階段，此現(xiàn)象更加明顯，這是由混凝土的開裂、破壞而導致的結構剛度降低造成的；地震波峰值出現(xiàn)時間和結構產(chǎn)生最大位移反應并不一致，說明結構地震反應除了和加速度峰值有關外，還與地震波的頻譜特性、持續(xù)時間等多種因素有關.

2.4 用OpenSees程序模擬和試驗的對比分析

本文應用OpenSees程序模擬結構地震反應，并與擬動力試驗的結果進行對比分析，圖10為加速度峰值為400cm·s－2時的El－Centro地震波頂層位移的時程曲線及滯回曲線，由圖可知，試驗結果與數(shù)值模擬分析結果擬合較好.因此，可以得出結論：利用OpenSees程序能較好地模擬擬動力試驗，可以利用該程序對配有高強鋼筋的高強混凝土框架進行抗震性能分析.

圖8 不同加速度峰值下一、二層位移時程曲線比較Fig.8 Comparison between displacement time history curves of the first and second stories under different accelerations

圖9 一、二層在不同加速度峰值下位移時程曲線比較Fig.9 Displacement time history curves comparison under different accelerations in the first and second stories

圖10 EL400：頂層位移反應的試驗結果與數(shù)值分析結果比較Fig.10 EL400：Measured versus numerical analysis response of roof displacement

3 結 論

（1）本文進行了配有高強鋼筋高強混凝土框架結構擬動力試驗，試驗結果反映了高強混凝土框架結構在地震作用下的破壞過程和地震反應.

（2）擬動力試驗結果表明，柱內配置適量、形式合理的高強鋼筋的高強混凝土框架結構在地震作用下的破壞機制為梁鉸機制，柱子承擔了較多的地震作用，故對結構的承載力和變形能力來說，柱子的變形和耗能能力有著重要的影響.“強柱弱梁”準則對框架的最終變形機制非常重要.

（3）由于在不同加速度峰值的地震波作用下進行了多次擬動力試驗，試件產(chǎn)生了大量的損傷積累，尤其是當試件已發(fā)生較大塑性變形后，損傷積累對試驗結果的影響更加明顯，不同地震波峰值下的位移反應明顯不同步.

（4）由于柱中所配有的高強度鋼筋，其滯回曲線不十分飽滿，骨架曲線沒有明顯的下降段，鋼筋粘結滑移引起的滯回環(huán)捏攏現(xiàn)象也不甚嚴重.提高高強混凝土框架結構的延性仍是今后研究的重點.

（5）由汶川地震震害調查可知，很多框架結構雖按抗震規(guī)范規(guī)定的“強柱弱梁”原則進行設計建造，許多建筑的破壞仍為柱鉸機制破壞.本課題的研究內容可很好地解決這個問題，在框架結構的受壓構件中采用高強混凝土和高強鋼筋，可有效地提高結構承載能力和延性，更好地實現(xiàn)“強柱弱梁”的原則.

（6）研究成果為進一步研究高強混凝土結構提供了試驗和理論依據(jù).

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