全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力特性分析

楊艷敏，聶亞男，章潤(rùn)濤，甄 嚴(yán)，董文龍

(1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.吉林省建筑科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130011)

全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力特性分析

楊艷敏1，聶亞男1，章潤(rùn)濤2，甄 嚴(yán)1，董文龍1

(1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.吉林省建筑科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130011)

為研究不同配筋形式和不同軸壓比下全輕混凝土剪力墻的動(dòng)力特性，對(duì)4片全輕混凝土剪力墻試件在擬靜力試驗(yàn)下采用錘擊方法激振加速度信號(hào)，通過(guò)對(duì)比獲得的振型、頻率及阻尼比等參數(shù)，分析全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在不同損傷程度下的抗震動(dòng)力特性，為實(shí)際工程運(yùn)用提供理論基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明：隨著軸壓比增大，結(jié)構(gòu)頻率增大，阻尼比減小；斜向支撐鋼筋對(duì)全輕混凝土剪力墻的阻尼比及頻率無(wú)明顯影響。

全輕混凝土；剪力墻；錘擊方法；抗震動(dòng)力特性

近年來(lái)，我國(guó)發(fā)生多次地震，對(duì)震后受損建筑結(jié)構(gòu)的殘余能力、安全性能的評(píng)價(jià)以及對(duì)結(jié)構(gòu)的繼續(xù)使用是否需要經(jīng)過(guò)加固，是目前結(jié)構(gòu)工程研究的課題。對(duì)于這一課題的解決，關(guān)鍵是需要對(duì)受損結(jié)構(gòu)的實(shí)際特性做出正確的判定[1]。本文通過(guò)對(duì)不同配筋形式和不同軸壓比下的全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震試驗(yàn)研究，分析全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在不同損傷程度下的實(shí)際動(dòng)力特性，為進(jìn)一步研究全輕混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能提供理論基礎(chǔ)[2]。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3](JGJ12-2006)設(shè)計(jì)4片全輕混凝土剪力墻試件，試件均采用LC35全輕混凝土材料，混凝土保護(hù)層厚度25 mm，剪力墻采用雙層鋼筋網(wǎng)，截面兩端暗柱的縱筋、頂梁與底梁的受力鋼筋和剪力墻分布鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，截面兩端暗柱的箍筋、頂梁與底梁的箍筋采用HPB300級(jí)鋼筋。為便于試驗(yàn)的加載與固定，在剪力墻上部設(shè)混凝土加載梁，在剪力墻底部設(shè)混凝土基礎(chǔ)梁，試件的縱向和斜向鋼筋均錨固于底梁中。各試件尺寸及配筋如圖1所示，配筋參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 試件尺寸及配筋圖

試件高度×寬度×厚度/mm高寬比軸壓比暗柱縱筋配筋率/%橫向分布鋼筋配筋率/%縱向分布鋼筋配筋率/%斜向鋼筋配筋率/%ALACW-10.33.350.7070.7061.41ALACW-21600×1000×1601.60.13.350.7070.7061.41ALACW-30.33.350.7070.7060ALACW-40.13.350.7070.7060

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用擬靜力試驗(yàn)加載方法模擬水平地震力，試驗(yàn)加載制度采用位移加載制度，位移加載至4 mm后，以2 mm作為加載增量。試驗(yàn)開(kāi)始前，在剪力墻試件表面中間位置均勻分布7個(gè)加速度傳感器，采用錘擊試驗(yàn)方法，對(duì)位移響應(yīng)衰減曲線進(jìn)行分析,從而得到損傷加載前和各級(jí)損傷加載后全輕混凝土剪力墻位移反應(yīng)加速度與時(shí)間關(guān)系曲線族,通過(guò)觀察分析這一曲線族,總結(jié)出全輕混凝土剪力墻的非線性動(dòng)力特性,進(jìn)而研究用全輕混凝土剪力墻的非線性動(dòng)力特性做損傷檢測(cè)的可行性[4]。加速度傳感器布置及試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置及加速度傳感器布置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性包括振型、自振頻率和阻尼比[5]。自振頻率是建筑物所固有的動(dòng)力特性之一。當(dāng)結(jié)構(gòu)整體或某一部分構(gòu)件發(fā)生損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)固有頻率會(huì)發(fā)生改變。通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件自振頻率的降低幅度，建立自振頻率與結(jié)構(gòu)剛度之間的關(guān)系，從而進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)損傷程度的判斷[6]。阻尼比的大小反映結(jié)構(gòu)消耗和吸收地震能力的大小，不同結(jié)構(gòu)或者同一個(gè)結(jié)構(gòu)在不同的受力階段其阻尼比有所不同[7]。各剪力墻試件在水平荷載作用下相同位移的各測(cè)點(diǎn)曲線近乎一致，選取不同位移作用下最優(yōu)測(cè)點(diǎn)信號(hào)，通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)獲得的加速度—時(shí)間歷程曲線如圖3所示，各階振型、頻率、周期及阻尼比見(jiàn)表2。

圖3 各試件加速度—時(shí)間歷程曲線

振型試件一階二階0mm10mm20mm30mm40mm0mm10mm20mm30mm40mmALACW-1頻率(Hz)9.03518.52618.17318.84017.26437.52239.65140.32843.54338.077周期(S)0.11070.0540.0550.05310.0580.02670.02520.02480.0230.0263阻尼比(%)3.8602.8712.9322.4172.4551.8201.1281.5431.4511.961ALACW-2頻率(Hz)8.81715.20513.90815.19814.32322.51433.83332.96033.36731.177周期(S)0.11340.06580.07190.06580.06980.04440.02960.03030.030.0321阻尼比(%)4.2012.5044.0332.8624.6963.0892.6582.9112.3002.661ALACW-3頻率(Hz)8.83718.63618.21217.73617.82237.69940.67738.93538.88938.405周期(S)0.11320.05370.05490.05640.05610.02650.02460.02570.02570.026阻尼比(%)3.7842.5472.9412.7272.4930.2300.4800.0440.9470.572ALACW-4頻率(Hz)12.17015.21215.31614.30314.24024.50632.64931.47929.68929.111周期(S)0.08220.06570.06530.06990.07020.04080.03060.03180.03370.0344阻尼比(%)4.0832.4592.2052.9762.3242.4702.1772.2752.8612.031?

對(duì)比和分析圖3及表2可知：(1)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的低階頻率容易測(cè)出，由于結(jié)構(gòu)本身的尺寸大小，很難激勵(lì)出結(jié)構(gòu)的高階頻率。(2)對(duì)比各試件一階、二階振型可得，各試件在無(wú)損傷時(shí)的周期較大，當(dāng)位移達(dá)到10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，并出現(xiàn)不同程度損傷時(shí)的周期較小且基本保持不變。說(shuō)明全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的周期變化與其是否損傷有關(guān)，而與損傷程度大小無(wú)明顯關(guān)系。(3)對(duì)比各試件的阻尼比可知，一階振型下的阻尼比均大于二階振型，且在無(wú)損傷時(shí)，一階振型的阻尼比遠(yuǎn)大于二階振型下的，隨著試件損傷程度的增大，一、二階振型的阻尼比差值減小。(4)對(duì)比試件ALACW-1與ALACW-2、ALACW-3與ALACW-4可知，軸壓比大的試件在不同損傷程度時(shí)的周期較小，阻尼比較小。(5)對(duì)比試件ALACW-1與ALACW-3、ALACW-2與ALACW-4可知，相同軸壓比下的試件在不同損傷過(guò)程中，配有斜向支撐鋼筋的剪力墻與無(wú)斜向支撐鋼筋的剪力墻頻率、阻尼比相差不大。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的尺寸較小時(shí)，結(jié)構(gòu)的低階頻率容易測(cè)得，但是很難激勵(lì)出結(jié)構(gòu)的高階頻率。(2)全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.02～0.04范圍內(nèi)。(3)全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的周期、阻尼比與其整體完好性有關(guān)，墻體一旦出現(xiàn)損傷，其一階、二階振型基本保持不變。(4)在相同軸壓比下，配有斜向支撐鋼筋的全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)與無(wú)斜向支撐鋼筋的全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)頻率、阻尼比無(wú)明顯差異。(5)全輕混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)隨著軸壓比的提高，結(jié)構(gòu)周期下降、阻尼比減小。說(shuō)明軸壓比增加，耗能性能減弱，剛度退化加劇、延性降低，等效阻尼比減小，抗震能力下降。

[1] 程懷江.中承式鋼筋混凝土拱橋動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文，2007.

[2] Yanmin Yang, Hao Zhang. Experimental Research on Dynamics Characteristics and Damage of ALC Wallboard[J].Advanced Engineering Materials II,2012.

[3] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院. 輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ12-2006)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[4] 王利恒，周錫元，閻維明，涂鳴.鋼筋混凝土梁非線性動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J].地震研究，2006(1)：65-70.

[5] 尹曉芷，劉彥昌.鋼筋混凝土梁動(dòng)力特性檢測(cè)研究[J].山西建筑，2009(4)：104-105.

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[7] 金懷印，許淑芳，周德源.帶縫空心R.C.剪力墻結(jié)構(gòu)模型動(dòng)力特性研究[J].工程建設(shè)，2008(1)：78-82.

Analysis on the Anti-earthquake Dynamic Characteristics of the Lightweight Concrete Shear Wall Structure

YANG Yanmin1, NIE Yanan1, ZHANG Runtao2, ZHEN Yan1, DONG Wenlong1

(1．School of Civil Engineering，Jilin Jianzhu University，Jilin Changchun 130118; 2．Jilin Research Institute of Building Science，Jilin Changchun 130011, China)

For the research on the dynamic characteristics of different reinforcement forms and different axial compression ratio under lightweight concrete shear wall, 4 pieces of whole lightweight concrete shear wall specimens with hammering method of vibration acceleration signal parameters are tested. The frequency and damping ratio of these wall specimens are obtained by comparing the analysis. In the structure under different damage degrees, the anti-earthquake dynamic characteristics of lightweight concrete shear wall are obtained. A theoretical basis for the practical engineering application is provided. The results show that with the increase of the axial compression ratio, the structure frequency increases and the damping ratio decreases. The damping ratio and full light frequency of the diagonal bracing of reinforced concrete shear wall are not affected obviously.

all-lightweight aggregate concrete；shear wall；hammering method；anti-earthquake dynamic characteristics

2016-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(51378238，51178206)，吉林省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(20150203014SF)，吉林省教育廳計(jì)劃項(xiàng)目(2015267)

楊艷敏(1969-)，女，吉林省長(zhǎng)春市人，教授.

P315.925

B

1001-8115(2017)01-0015-04

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.01.004