框支密肋復合墻結構模型振動臺試驗研究

袁 泉，何玉陽

（北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

框支密肋復合墻結構模型振動臺試驗研究

袁 泉，何玉陽

（北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

對1／6縮尺框支密肋復合墻結構模型進行振動臺試驗，研究結構模型經歷彈性階段、開裂直至破壞的不同階段動力特性及反應。以El Centro波、Taft波、人工波為輸入地震波，分別對設防烈度7度及8度多遇、基本、罕遇、超罕遇地震作用進行試驗，研究模型結構在各階段地震作用下加速度、位移、應變反應及破壞形式、破壞機理。試驗結果表明，框支密肋復合墻結構轉換層破壞模式為剪切型破壞，塑性變形主要集中在轉換層；框支密肋復合墻結構各層絕對加速度響應主要取決于前兩階振型，高階振型影響較小，其中第一階振型起絕對控制作用。

底框結構；密肋復合墻；轉換層；抗震性能；振動臺試驗

框支密肋復合墻結構為由底部框架、上部密肋復合墻組成的新型結構體系。，其中密肋復合墻為主受力構件之一。該結構具有自重輕、整體性好、承載能力大、耗能強等優勢［1－2］，文獻［3－6］通過對密肋復合墻結構試驗研究及理論分析表明，密肋復合墻結構中的填充砌塊、密肋框格及隱形框架整體工作性能較好，在地震作用下能逐漸發生損傷破壞并耗散地震能量，從而改變結構的振動特性、提高結構抗震性能。

本文參考剪力墻結構振動臺試驗研究［7－10］，進行1／6縮尺框支密肋復合墻結構地震模擬振動臺試驗。通過測試模型結構在7度及8度多遇、基本、罕遇地震作用下動力特性、加速度反應、位移反應研究框支密肋復合墻結構薄弱部位、破壞形式及破壞機理。

1 試驗概況

1.1 模型設計

試驗所選原型為二托六結構，即底部2層均為框架剪力墻，上部6層均為密肋復合墻體，共8層，1層高3．6 m、2層高4．2 m，其它層高均為3 m，總高25．8 m。平面10．65 m×6．6 m。1、2層框架柱截面780 mm× 780 mm，其它層框架柱截面900 mm×200 mm，樓板厚160 mm，密肋復合墻板厚240 mm，剪力墻厚300 mm，按8°抗震設防。設計基本地震加速度0．15 g，地震分組第一組為Ⅱ類場地土，場地特征周期Tg＝0．35 g，50年一遇基本風壓0．8 kN／m2。

圖1 模型尺寸圖Fig．1 Dimensions ofmodel

模型相似關系按原型1／6選取，由于振動臺載荷限制，選二托三結構模擬原型二托六結構。為準確反應原型結構動力特性用人工質量模擬方式，即在試驗模型二托三結構各層附加質量塊總重2．88 t，其中1、2層每層0．36 t，3～5層每層0．72 t。平面尺寸1．78 m ×1．10 m，1層高0．6 m、2層高0．7 m，其它層高均0．5m。試驗模型見圖1。

1.2 模型相似關系

為使模型實驗結果盡量真實反映原型結構性狀，應合理確定原型與模型相似關系，滿足物理、幾何及邊界條件的相似要求。試驗用主要相似系數見表1。

表1 模型結構與原型相似關系Tab.1 Sim ilarity relation of themodel and prototype

1.3 實測材料

模型用C30細石混凝土澆筑，實測混凝土強度40．2 MPa、彈性模量2．76×104MPa。鋼筋用鍍鋅鐵絲，力學性能見表2。先按相似關系與原型換算，再遵循強度等效原則配筋。

表2 鋼筋力學性能指標Tab.2 Properties of reinforcing bars

1.4 加載方案

試驗在北京工業大學抗震結構實驗室地震模擬振動臺進行，見圖2。據設防要求，輸入加速度幅值從小到大依次增加模擬基本烈度、多遇、罕遇等不同程度地震對結構作用。采集模型結構在不同程度地震作用下不同部位加速度、位移及應變等數據，觀察結構變形及開裂狀況。模型總重6．17 t，為滿足模型與原型質量、活荷載相似關系，在模型各層樓板附加質量塊。附加質量塊總重2．88 t，其中1、2層各0．36 t，3～5層各0．72 t。

據原型場地條件及結構動力特性，選三條地震波作為模擬地震振動臺臺面輸入波，分別為Taft波、El Centro波及據地震危險性分析所得人工波。僅考慮N－S向（X向）地震作用，地震波輸入方向與圖1中①、②軸垂直。不同烈度地震波輸入順序依次為①Taft波、②El Centro波、③人工波。模型開裂前、后進行自振特性測試，分別采用白噪聲法、錘擊法。調整激振頻率與模型發生共振后停止激振。共振、停止激振過程中采集模型各樓層加速度反應。分析加速度反應曲線獲得模型自振頻率、阻尼比及振型。試驗中臺面加速度輸入峰值見表3。模型各階段動力特性測試見表4。

圖2 模型加載圖Fig．2 Load ofmodel

表3 試驗實際臺面輸入過程Tab.3 Test procedures

表4 模型各階段動力特性測試過程Tab.4 Test procedu re of dynam ic character

1.5 測點布置及測試內容

自振特性測試主要測試結構自振頻率、振型等模態特征，考察試驗模型與結構原形及計算模型的特點與差異，檢驗結構動力特性及響應規律、模型各層樓面及臺面絕對加速度、各樓層間相對位移、框架柱各樓層節點處應變、框架梁兩端及中間處應變、剪力墻中心處應變。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞過程分析

輸入7度罕遇烈度地震動作用后模型結構無可見裂縫。在7度罕遇烈度地震作用后模型結構自振頻率開始下降，說明其剛度開始退化，混凝土內部已產生微裂縫。輸入加速度峰值0．65 g的El centro波后3層密肋墻肋格中的填充砌塊出現細小斜裂縫，2層剪力墻出現細小垂直裂縫及斜裂縫。白噪聲掃頻及錘擊試驗結果均顯示模型結構自振頻率下降。臺面輸入加速度峰值0．75 g的Taft波及El Centro波地震動作用后密肋墻板肋格與填充砌塊接縫處出現大量裂縫，4層密肋墻底部出現水平裂縫。輸入加速度峰值0．75 g人工波后已有裂縫進一步擴大、延伸，2層連梁出現新的垂直裂縫及斜裂縫，4層密肋墻底部出現新水平裂縫，3、2層連梁出現新垂直裂縫及斜裂縫，已有裂縫進一步擴大、延伸。臺面輸入加速度峰值0．85 g人工波后2層框架柱出現大量斜裂縫，2層剪力墻又現新裂縫，且原有裂縫不斷延伸。3層密肋墻底部轉角處現局部混凝土破壞。轉換層以下結構因受轉換層本身剛度約束以剪切變形為主，位于轉換層以上結構整體彎曲性能強于轉換層以下，因轉換層強度對轉換層以上結構的嵌固作用，使轉換層以上部分相當于固接于轉換層，因此轉換層以下結構開裂后對上部結構影響不大，位移影響相當于底部剛度退化對上部結構起減震效果。

臺面輸入加速度峰值1．2 g地震波后模型結構普遍開裂，原裂縫延伸較多，框支柱中下部出現新水平裂縫，但未達完全破壞狀態，2層剪力墻處的裂縫已貫通成主裂縫。2層以上（即轉換層以上）密肋墻板大部分已破壞，說明底部開裂后轉換層以下結構抗剪能力得以發揮，轉換層以上結構以整體彎剪變形為主，在彎矩、軸力共同作用下使與轉換層直接相連的密肋墻出現破壞。對底層剪力墻及密肋墻肋格接縫處的破壞因地震強度增加及模型結構本身施工中不足所致，模型結構施工中先底座后底層剪力墻，二者之間存在施工縫，影響剪力墻強度，輸入加速度不足0．75 g時因裂面效應影響，底層剪力墻強度能抵制地震反應力，臺面輸入加速度超過0．75 g時，結構產生非線性變形，施工縫成為薄弱環節，造成開裂、甚至混凝土破壞。

由試驗現象看出，轉換層附近樓層為結構的薄弱樓層，與中上部結構較大層間位移不同，其位移反應基本為有害位移，較易在罕遇地震作用下破壞，因此該部位應為加強重點。各階段破壞形態見圖3。

圖3 試件不同部位破壞圖示Fig．3 Damage of specimens different parts

圖4為在不同加速度EL-Centro波作用下結構第5層加速度時程反應曲線。

2.2 結構動力特性

密肋復合墻結構中復合墻板填充材料－硅酸鹽砌塊為多孔輕質、低強，隨地震作用強度增加硅酸鹽砌塊內部微裂縫不斷開展、延伸。在不同工作階段處于不同受力狀態。砌塊開裂引起結構動力特性變化。錘擊法所測數據經快速傅里葉變換（FFT）可獲得模擬信號自譜、互譜傳遞函數。各階段傅里葉變換見圖5。前2階自振頻率測試結果見表5。

表5 前2階自振頻率測試結果Tab.5 Test results of frequencies

圖4 EL-Centro波作用下結構5層加速度時程反應Fig．4 EL-Centrowave five acceleration time history response

圖5 各階段對應的傅里葉變換圖示Fig．5 Each stage of the corresponding FFT

2.3 模型結構加速度反應

模型各層絕對加速度反應最大值見表6，臺面輸入相同加速度時各層加速度對比見圖6。

圖6 各層加速度對比Fig．6 Layers acceleration comparison chart

表6 模型各層絕對加速度反應最大值Tab.6 Maximum acceleration responses of models at different floors

3 結 論

（1）框支密肋復合墻結構轉換層破壞模式為剪切型破壞，轉換層上部密肋復合墻受力后體現出墻體中砌塊、肋格、框架依次發揮作用的破壞機制，塑性變形主要集中于轉換層。

（2）框支密肋復合墻結構各層絕對加速度反應主要取決于前兩階陣型，高階陣型影響較小；第一階陣型起絕對控制作用。

（3）結構開裂及非彈性變形發展其自振頻率隨之下降速度更快。

（4）轉換層附近樓層是結構的薄弱樓層，其位移反應基本均為有害位移，較易在罕遇地震作用下破壞，設計中應重點加強。

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Earthquake simu lation test on m ulti-ribbed com posite wall supported on fram e

YUAN Quan，HE Yu-yang
（School of Civil Eng．，Beijing Jiaotong Univ．，Beijing 100044，China）

The shaking table testof the 1／6 scalemodel of amulti-rib bed composite wall supported on frame was carried out．The test structure has undergone the whole process of elastic stage，cracking and destruction．The dynamic characteristics and the dynamic responses of the structure in the various stages were tested，taking respectively the El Centro wave，Taftwave，artificial seismic wave as the input signals，under the excitation of earthquakes with the seismic fortification intensity of frequent，basic，rare，very rare 7 degrees and 8 degrees．The acceleration，displacement and strain responses of themodel structure in each phase under the action of earthquack aswell as the failuremode and failure mechanism of the structure were investigated．The results show that：themain destructionmode of frame supported ribbed composite wall structure is the shear failure of its conversion layer．The plastic deformation ismainly concentrated on the conversion layer．The absolute acceleration response of each layer depends primarily on the first two vibration modes，the effect of higher ordermodes is rather small and the firstmode plays a decisive role．

shear wall supported on frame structure；multi-ribbed composite wall；conversion layers；seismic performance；the shaking table test

TU375

：A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．22．013

國家科技支撐計劃“村鎮住宅新型抗震節能結構關鍵技術研究與示范”（2011BAJ08B02）

2014－06－04 修改稿收到日期：2014－07－01

袁泉男，副教授，1974年4生

何玉陽男，博士生，1986年10生