現(xiàn)澆板對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響的試驗(yàn)研究1

王振波 解子林

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210009）

現(xiàn)澆板對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響的試驗(yàn)研究1

王振波 解子林

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210009）

為了解現(xiàn)澆板對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，對(duì)兩個(gè)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析了其破壞形態(tài)、滯回性能、骨架曲線和剛度退化等性能。結(jié)果表明：現(xiàn)澆板的存在，提高了框架結(jié)構(gòu)的承載能力，耗能能力變化不大，變形能力降低，破壞機(jī)制使其由“強(qiáng)柱弱梁”變?yōu)椤皬?qiáng)梁弱柱”。

現(xiàn)澆板 低周反復(fù) 抗震性能

王振波，解子林，2015.現(xiàn)澆板對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響的試驗(yàn)研究.震災(zāi)防御技術(shù)，10（4）：979—985. doi：10.11899/zzfy 20150416

引言

據(jù)對(duì)災(zāi)后倒塌的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的考察發(fā)現(xiàn)，大量鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)了柱端破壞而梁端未破壞的情況。這些建筑物在地震作用下極少有滿足鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中關(guān)于“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求。根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，梁端附近一定范圍內(nèi)的板筋與板的尺寸對(duì)其受彎承載力均有明顯的增強(qiáng)作用。

目前，關(guān)于現(xiàn)澆板對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響國(guó)內(nèi)外已做了一系列的理論分析與試驗(yàn)研究，其中包括對(duì)帶現(xiàn)澆板框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)值模擬分析（French，1991；Pantazopoulou等，2001），也包含帶樓板的框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)以及平面框架等的低周反復(fù)試驗(yàn)（鄭士舉等，2009）。結(jié)果表明，現(xiàn)澆板顯著提高了梁的抗彎剛度與承載能力，而該方面研究尚不完善。本文制作兩榀單層兩跨框架結(jié)構(gòu)試件，研究二者在低周反復(fù)荷載作用下的破壞特征、破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、剛度退化和耗能情況等指標(biāo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)試件采用兩個(gè)1:3縮小尺寸模型（中華人民共和國(guó)建設(shè)部等，2010a；2010b）：未設(shè)現(xiàn)澆板的裸框架結(jié)構(gòu)（RCF1）和帶有現(xiàn)澆板的框架結(jié)構(gòu)試件（RCF2），框架試件尺寸與配筋見圖1，凈高均為1000mm，跨度均為1300mm，柱截面尺寸均為250mm×250mm，縱梁尺寸均為150mm×200mm，RCF2試件中，橫梁尺寸120mm×150mm，現(xiàn)澆板橫向?qū)挾?000mm，縱向長(zhǎng)度與縱梁長(zhǎng)度相等，板厚60mm。底槽的混凝土強(qiáng)度等級(jí)采取C30，梁和柱為C25。

圖1 框架試件尺寸及配筋（單位：mm）Fig.1 Specimen dimension and the form of reinforcement

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在宿遷學(xué)院建筑結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成，試件豎向荷載通過(guò)3個(gè)千斤頂分別施加在各柱端，為保證柱頂?shù)呢Q向荷載能隨著框架側(cè)移時(shí)一起移動(dòng)，每個(gè)豎向千斤頂和加載平臺(tái)之間布置小滑車。千斤頂通過(guò)滑輪將荷載傳遞給反力架。底槽通過(guò)地錨與剛性臺(tái)面固定，水平荷載通過(guò)鋼板結(jié)合4根拉桿固定在水平作動(dòng)器端頭，圖2為裝載示意圖。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

1.3 加載方案

實(shí)驗(yàn)邊柱軸壓比采用0.25，中柱為0.35，邊柱豎向荷載取200kN，中柱取280kN，荷載均分兩次施加，第一次先施加50%，然后加到100%的豎向荷載設(shè)計(jì)值后保持不變。

按《建筑抗震實(shí)驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ101-96），水平荷載在構(gòu)件屈服前采用力控制，每級(jí)加載25kN，各循環(huán)一次。構(gòu)件屈服后，采用位移加載控制，位移選取屈服位移的整數(shù)倍，每級(jí)循環(huán)三次，直到構(gòu)件破壞。具體加載方案如圖3。

圖3 加載方案Fig.3 Loading program

1.4 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試內(nèi)容包括：①梁、柱端縱筋應(yīng)變；②水平荷載；③梁端水平位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

在豎向荷載方案與水平加載方案均相同的情況下，RCF1先于梁端相繼出現(xiàn)塑性鉸，接著柱底位置受力縱筋屈服進(jìn)入塑性階段，屬于先梁鉸后柱鉸機(jī)制。RCF2先在柱腳出現(xiàn)塑性鉸，然后柱頂、柱底隨機(jī)出現(xiàn)屈服，而梁端并沒有屈服，屬于典型的柱鉸機(jī)制。

由于現(xiàn)澆樓板的存在，RCF2中的梁端在構(gòu)件破壞時(shí)并沒有達(dá)到屈服，塑性鉸在柱端的出現(xiàn)是隨機(jī)的，在裂縫與破壞形態(tài)上，RCF1梁端有大量的裂縫，并伴有混凝土大量壓碎與剝落現(xiàn)象，RCF2的梁端僅有少量裂縫出現(xiàn)，在現(xiàn)澆板上側(cè)靠近柱端附近有細(xì)小裂縫。對(duì)于柱端，RCF2有混凝土嚴(yán)重的壓碎與剝落現(xiàn)象，并伴有鋼筋裸露于外，RCF1中柱頂均只有預(yù)留縫附近出現(xiàn)少量裂縫、混凝土局部壓壞與起皮現(xiàn)象，柱底雖壓碎破壞，但并沒有RCF2嚴(yán)重。

由破壞形態(tài)可知，現(xiàn)澆樓板的存在，在很大程度上提高了梁的抗彎承載能力，使得柱端屈服而梁端并未屈服，構(gòu)件的破壞機(jī)制發(fā)生改變，由梁鉸機(jī)制變?yōu)橹q機(jī)制。

2.2 滯回曲線

RCF1和RCF2的滯回曲線分別如圖4和圖5所示，屈服前均大致呈線性關(guān)系，殘余應(yīng)變很小，形成面積極小的滯回環(huán)，此階段構(gòu)件有著較好的彈性變形能力。二者均有明顯的屈服點(diǎn)，RCF1的屈服荷載較RCF2低，屈服后，隨著循環(huán)位移的逐級(jí)加載，所形成的滯回環(huán)面積逐漸飽滿，說(shuō)明有較好的塑性變形能力和抗震性能。在屈服階段內(nèi)，殘余應(yīng)變逐漸增大，滯回曲線的斜率不斷減小偏向位移軸，結(jié)構(gòu)在每一級(jí)循環(huán)下的最大承載能力達(dá)到極值后均有下降趨勢(shì)，即有明顯的強(qiáng)度與剛度退化。整個(gè)加載中，RCF2的極限承載能力與位移高于RCF1。

圖4 RCF1滯回曲線Fig.4 Hysteresis curve of RCF1

圖5 RCF2滯回曲線Fig.5 Hysteresis curve of RCF2

2.3 骨架曲線

框架骨架曲線如圖6，加載過(guò)程中均經(jīng)歷彈性、屈服、極限三階段，正向?qū)?yīng)的荷載與位移均略大于負(fù)向，結(jié)果并不對(duì)稱，該現(xiàn)象符合典型的包辛格效應(yīng)（Bauschinger effect），即正向加載引起的塑性應(yīng)變強(qiáng)化導(dǎo)致材料在隨后的反向加載過(guò)程中呈現(xiàn)塑性應(yīng)變軟化。

圖6 RCF1與RCF2骨架曲線Fig.6 Skeleton curve of RCF1 and RCF2

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，二者在屈服前均呈線性增長(zhǎng)，直至屈服，骨架曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，屈服后斜率變小，繼續(xù)增長(zhǎng)到極限荷載值，最后結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞。現(xiàn)澆板的存在，使得結(jié)構(gòu)的極限荷載和極限位移均有所提高，具體對(duì)比見表1。

表1 RCF1、RCF2荷載與位移對(duì)比Table 1 Comparison the load and displacement of RCF1 and RCF2

2.4 變形恢復(fù)能力

變形恢復(fù)能力是指結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的殘余變形，意味著地震后結(jié)構(gòu)的可修復(fù)性。用殘余變形和極限變形的比值來(lái)表示殘余變形率。表2、表3分別表示二榀框架結(jié)構(gòu)在屈服之后的殘余變形、極限變形和殘余變形率，且表中Δ表示對(duì)應(yīng)框架的屈服位移。

表2 RCF1變形恢復(fù)能力Table 2 Deformation resilience of RCF1

表3 RCF2變形恢復(fù)能力Table 3 Deformation resilience of RCF2

通過(guò)觀察表中的數(shù)值發(fā)現(xiàn)，隨著位移等級(jí)的遞增，殘余變形也不斷增大，客觀說(shuō)明了試件的損傷在反復(fù)荷載作用下不斷累積。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，在同等級(jí)位移下，RCF2的平均殘余變形率低于RCF1，說(shuō)明現(xiàn)澆板的存在，使得鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的變形恢復(fù)能力變強(qiáng)。

2.5 剛度退化

剛度退化曲線均呈明顯下降趨勢(shì)，如圖7，現(xiàn)澆樓板的存在，屈服后RCF1比RCF2剛度退化快一些，剛度退化到屈服階段剛度的30%后，二者退化比較接近。

2.6 耗能情況

關(guān)于結(jié)構(gòu)耗能情況，從圖8可以看出：

（1）二榀框架構(gòu)件的等效粘滯阻尼系數(shù)均隨試件位移的遞增呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明在整個(gè)實(shí)驗(yàn)加載過(guò)程中，其仍然保持著良好的耗能能力；

（2）等效粘滯阻尼系數(shù)最高僅達(dá)到0.2，表明鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的滯回耗能能力，現(xiàn)澆板的存在對(duì)耗能能力的影響不大。

圖7 剛度退化曲線Fig.7 Stiffness degradation curve of each frame

圖8 耗能曲線Fig.8 Energy dissipation of RFC1 and RFC2

2.7 延性性能

框架位移延性系數(shù)如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可看出，兩榀框架均有較好的延性，RCF2的延性略高于RCF1，表明現(xiàn)澆樓蓋存在較小的影響結(jié)構(gòu)的延性性能。

表4 框架延性系數(shù)Table 4 Ductility factor of each frame

3 結(jié)論

（1）現(xiàn)澆板的存在，使得框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制發(fā)生一定的變化，RCF1為梁鉸機(jī)制，而RCF2為柱鉸機(jī)制。

（2）滯回曲線顯示兩個(gè)框架結(jié)構(gòu)試件都具有良好的塑性變形能力，而帶有現(xiàn)澆板的框架結(jié)構(gòu)具有較高整體性能與承載能力，二者滯回曲線相似，但RCF2的滯回環(huán)面積有所增大。

（3）隨著位移量級(jí)的遞增，試件的損傷在反復(fù)荷載作用下不斷累積。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)在同量級(jí)位移下，帶有現(xiàn)澆板框架結(jié)構(gòu)的平均殘余變形率較低，變形恢復(fù)能力變強(qiáng)。

（4）帶現(xiàn)澆樓板框架結(jié)構(gòu)的剛度退化快一些，剛度退化到屈服階段剛度的30%后，二者退化比較接近。

（5）整個(gè)實(shí)驗(yàn)加載過(guò)程中，兩個(gè)框架均具有良好的耗能能力與延性性能，而現(xiàn)澆板的存在對(duì)耗能能力的影響不大，較小地提高了結(jié)構(gòu)的延性性能。

（6）綜上，不能忽視現(xiàn)澆板對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，影響框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”的其他因素如填充墻、軸壓比等仍有待進(jìn)一步研究

鄭士舉，蔣利學(xué)，張偉平，顧祥林，2009.現(xiàn)澆混凝土框架梁端截面有效翼緣寬度的試驗(yàn)研究與分析.結(jié)構(gòu)工程師，25（2）：134—140.

中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2010a.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2010b.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

French， 1991. Effect of Floor Slab on Behavior of Slab-Beam-Column Connections. ACI SP-123， Design of Beam-Column Joints for Seismic Resistance.

Pantazopoulou S.J.， French C.W.， 2001. Slab Participation in Practical Earthquake Design of Reinforced Concrete Frames. ACI Structrue Journal， 98 （46）: 479—489.

Study on the Seismic Performance of RC Frames Structure with Cast in Situ Slabs

Wang Zhenbo and Xie Zilin

（Department of Civil Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 210009， China）

In order to study the affection of cast in-situ slabs in RC frames during earthquakes， this paper presents a low cyclic loading test for two RC frames. To analyze the performances of failure mode， hysteretic behavior，skeleton curve， stiffness degradation etc， study the impact of construction joints to the overall seismic. The results showed that the exist of cast in-situ slabs improved the carrying capacity of the frame structure， reduced the deformability of RC frames structure and little change in energy dissipation capacity， the failure mechanism happened from “strong column-weak beam” to “strong beam weak column”.

Cast in-situ slabs； Low cycle reversed lateral load； Seismic performance

2015-04-08

王振波，男，生于1960年。博士后，教授。主要研究領(lǐng)域：混凝土結(jié)構(gòu)抗震，混凝土結(jié)構(gòu)斷裂與損傷，混凝土結(jié)構(gòu)溫度控制及仿真，混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能及基本理論。E-mall：liushuijianjian89@163.com