異形柱框架
——短肢剪力墻結構振臺試驗的探討

張玉宏

（貴州省建筑工程聯合公司）

異形柱框架
——短肢剪力墻結構振臺試驗的探討

張玉宏

（貴州省建筑工程聯合公司）

異形柱框架2短肢剪力墻結構是一種新型結構體系. 文中通過12層鋼筋混凝土異形柱框架2短肢剪力墻結構模型的模擬地震振動臺試驗以及彈塑性理論分析,研究了該結構體系的動力特性、不同烈度地震作用下的反應及破壞形式.結果顯示,該體系擁有優越的建筑功能同時,在結構上傳力明確,受力合理,滿足了小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震設防要求,適用于小高層住宅.

異形柱；異形柱框架2短肢剪力墻；振動臺試驗；彈塑性時程分析；中高層住宅

一、引言

近期國家出臺了《混凝土異形柱結構技術規程》,對異形柱的使用在高度上進行了較大的限制. 以7 度區為例,異形柱框架結構最大高度不超過21 m ,僅可用于多層建筑,而異形柱框架- 抗震墻結構最大高度不超過40 m ,可用于十幾層的中高層住宅. 但在實際工程中,異形柱框架- 抗震墻結構過長的墻肢會給建筑布局造成較大的影響,無法滿足中高層住宅建筑功能靈活多變的使用要求. 若將抗震墻墻肢長度縮短至5～8 倍肢厚范圍內,就成為短肢剪力墻,整體結構也就成了異形柱框架—短肢剪力墻結構體系. 該結構體系是介于異形柱框架和異形柱框架- 抗震墻之間的一種新型結構體系. 它不僅繼承了異形柱框架結構的諸多優勢,在一定程度上突破了其在高度上的限制,而且較短的墻肢布置起來更加靈活方便,適用于中高層住宅的結構設計.

目前國內還沒有開展該結構體系的理論分析和試驗研究. 本文通過整體結構振動臺試驗以及相應的彈塑性理論分析,初步探討了其抗震性能和能力.

二、振動臺試驗

1、模型設計

本次試驗以某小區一幢在建的小高層住宅為背景,參考國內一些采用了異形柱和短肢剪力墻的板式小高層住宅實際工程,從中抽象出具有代表性的一個開間進行適當的簡化,按7 度抗震設防, Ⅱ類場地設計了12 層異形柱框架—短肢剪力墻原型結構,再按相似比制作了振動臺試驗模型,模型的標準層平面如圖1 所示1

圖1 標準層平面圖

模型的幾何相似系數為1/ 7 ,其余主要的相似系數如表1 所示,采用設置人工配重的方法滿足質量密度相似關系.竣工后模型總高度5. 22 m ,總重量11. 55 t .

表1 模型與原型相似系數

2、地震波選擇

本試驗選用三條地震波:兩條實際地震記錄Elcent ro 波和Taf t 波,一條上海人工波SHW2 ,作為臺面輸入. 地震波峰值和持續時間按規范要求和模型相似關系確定,以模擬不同設防烈度水準地震作用.

3、試驗現象

7 度多遇地震作用下結構未見裂縫,頻率下降不到1 %. 7 度基本烈度地震作用下結構頻率下降了13.7 %,說明內部有微裂縫產生,但肉眼很難觀察得到,部分應變片拉應變已超過300με.

7 度罕遇地震作用下,輸入Elcent ro 波和Taf t 波后,首先在3 、4層邊跨梁端出現裂縫,并擴展到1～6層. 輸入上海波后,7～9 層邊跨梁端和1～4 層中跨梁端均出現裂縫,且部分裂縫貫通,形成塑性鉸。3 、4 層梁端裂縫延伸至樓板,形成連接L 形角柱柱肢兩端點的45°方向板角裂縫,如圖2 (a) 所示,頻率降幅達30 %.

7 度(0. 15 g) 罕遇Elcent ro 波作用下未見新裂縫產生. Taf t 波和上海波作用下,2～6 層邊跨中柱兩邊梁端出現裂縫;底部兩層電梯井連梁梁端出現“八”字形剪切裂縫,頻率降幅達40 %.

8 度罕遇Elcent ro 波和Taf t 波作用下除局部梁端裂縫增加外,無新裂縫產生. 上海波作用下,1～6層梁柱節點局部出現剪切斜裂縫,底部中柱柱腳和部分角柱上端出現水平裂縫;1～8 層電梯井連梁梁端出現“八”字形剪切裂縫;頻率降幅接近50 %.

8 度(0. 30 g) 罕遇上海波作用下,底層角柱柱腳開裂;7 層以上的短肢剪力墻在墻肢中、上部產生了兩三道因彎曲變形而形成的水平裂縫,如圖2 (b) 所示.

最后,對模型結構施加破壞荷載,底層邊跨柱腳、墻腳混凝土崩裂,鋼筋壓屈外鼓;頂層位移過大,接近傾覆倒塌;但沒有出現薄弱層破壞.

圖2 模型破壞形態

三、試驗結果及分析

1、動力特性

輸入臺面各級地震波前后均對模型結構施加一個位移方波激勵,經掃頻得到各階段模型一階頻率變化如圖3 所示. 從中可以發現,隨著試驗的進程、模型裂縫的不斷發展以及塑性變形的增加,模型的各階頻率都呈下降趨勢,說明結構剛度逐漸減小.

雖然同烈度不同地震波作用下,模型結構反應存在一個累積損傷的影響,但輸入波的順序是按照彈性階段結構反應由小到大的順序進行,從而減小了這一影響,使其結果仍具可比性.

2、加速度反應

Elcent ro 波作用下結構第6 、9 、12 層加速度放大系數最大值隨試驗工況變化的趨勢如圖4 所示. 動力放大系數隨地震烈度的提高而減小,說明隨著地震烈度的增加,模型進入塑性程度的加深,損傷加劇,剛度降低,阻尼增大,導致模型各層動力放大系數的減小,但這種減小的趨勢是逐漸減緩.

圖3 一階頻率變化圖

圖4 加速度放大系數圖

3、位移反應

通過對各樓層加速度時程信號經濾波處理后的二次積分,可獲得各樓層位移響應時程,從而得到各層相對振動臺臺面位移最大值和層間位移角最大值包絡圖,如圖5 、圖6 所示. 模型結構整體側移呈“S”形,具有明顯的彎剪復合變形特征;曲線比較平滑,不存在突變. 在設防烈度地震作用下結構無明顯薄弱層;但在罕遇地震作用下結構中下部4～6 層層間位移角最大,如表2 所示,易形成薄弱層.

表2 層間位移角最大值

圖5 模型結構層位移包絡圖

圖6 模型結構層間位移角包絡圖

規范給出的彈性階段異形柱框架結構層間位移角限值為1/ 600 ,框架—抗震墻結構為1/ 850. 可見El cent ro 波和Taf t 波的試驗結果均達到了異形柱框架—抗震墻結構的要求;而上海人工波僅滿足了異形柱框架結構的限值要求;在7 度(0. 15 g) 罕遇地震階段除上海人工波外,結構塑性階段層間位移角均滿足規范規定的框架結構1/ 60 的限值要求,且接近或達到了框架- 抗震墻結構1/ 110 的限值要求,說明該結構在Ⅱ、Ⅲ類場地上按7 度抗震設防設計有較大的安全儲備. 在相同烈度地震情況下,輸入上海人工波后結構反應明顯大于Taf t 波和Elcent ro 波. 從三條地震波的頻譜圖可以發現,上海人工波峰值頻率相對Taf t 波和Elcent ro 波更接近模型結構的主頻,容易產生共振影響,且譜線峰值也明顯偏大,所以產生了上述結果.

4、樓層地震作用

模型結構在Elcent ro 波作用下各樓層地震作用分布如圖7 所示.地震作用沿樓層分布趨勢大致相同,無明顯薄弱層;低烈度地震下結構的樓層作用沿高度分布比較均勻,而高烈度時出現一些離散,說明隨著結構塑性的發展,高階振型的作用越來越明顯.

圖7 El cent ro 波作用下模型結構地震力包絡圖

圖8 滯回模型

四、試驗結果與理論分析對比研究

1、理論分析方法

由于空間問題的復雜性,目前結構的彈塑性時程反應分析主要還是以采用了層模型和桿系模型的平面非線性分析為主,其結果必然存在較大的近似性和局限性. 本文應用三維空間結構分析與設計軟件Midas Gen 對模型進行了動力彈塑性時程分析. 軟件計算模型采用了兩端設塑性鉸的單分量桿空間桿系模型,樓板為采用了殼單元的彈性樓板,短肢墻按薄壁柱輸入. 分析方法選用Newmark 直接積分法,桿件的恢復力模型采用了Kinematic hardening 滯回模型,如圖8 所示,并用Rayleigh 阻尼進行分析計算.

2、模型結果對比分析

（1）動力特性

經掃頻得到的模型彈性階段的自振頻率和計算結果比較如表3 所示.試驗結果和計算結果吻合較好,說明計算結果有一定的精度.

（2）加速度時程反應

模型在7 度罕遇地震下頂層加速度時程曲線和位移時程曲線如圖9 、圖10 所示. 由圖可見,試驗結果和計算結果基本吻合.

表3 理論和試驗得到的模型自振頻率（HZ）

圖9 7度罕遇烈度下模型結構頂層加速度反應

圖10 7度罕遇烈度下模型結構頂層位移反應

3、原型結果對比分析

要比較原型的結果,則應先按照相似關系將模型試驗結果反推至原型,反推過程中應根據臺面加速度設計值與實測值之間的誤差對結果修正.

（1）層間位移反應

原型結構層間位移角包絡圖如圖11 所示. 在7 度罕遇地震作用下理論結果和試驗結果存在一定的誤差,因為破壞越嚴重,塑性變形發展得越充分,混凝土結構就越難以模擬,理論分析與實際情況的誤差也就越大. 試驗結果要大于計算結果,主要是因為理論計算中沒有考慮結構累積損傷的影響,并且假定地震動過程中軸力保持不變. 試驗結果相對比較離散,這與試驗設備、試驗環境等許多因素有關. 但總變化趨勢相同:多遇地震作用下結構不存在明顯薄弱層;罕遇地震下,結構薄弱層出現在中下部4～6 層范圍內.

圖11 原型結構層間位移角包絡圖

（2）層間剪力

原型結構層間剪力包絡圖如圖12 所示,從圖中可以發現,隨著震級加大,剪力包絡曲線的離散性加大,說明隨著模型破壞程度的加深,高階振型參與的比例也相應增大.

圖12 原型結構各樓層剪力包絡圖

五、結論及建議

1、除上海人工波外,7 度多遇和7 度罕遇地震作用下,模型最大層間位移角分別滿足了規范給出的異形柱框剪結構彈性及塑性層間位移角限值要求,且經歷8 度罕遇,甚至9 度罕遇階段仍沒有倒塌,說明該結構具有較強的抗震能力,滿足“小震不壞”和“大震不倒”的抗震設防標準. 原型結構按Ⅱ類場地,7 度抗震設防設計有一定的安全儲備.

2、從試驗現象看,該結構總體破壞形態屬于“梁鉸破壞”,滿足了“強柱弱梁”的延性設計要求. 在試驗后期,模型底層柱腳出現出塑性鉸;異形柱內折角處樓板出現板角開裂;短肢剪力墻以整體彎曲變形破壞為主,結構上部樓層墻肢開裂嚴重. 這些薄弱部位在設計時應予以重視.

3、試驗和計算結果均顯示結構的受力和變形呈現典型的彎剪型特征,中下部樓層是相對薄弱環節,結構設計時應適當增強該部位構件強度,避免薄弱層的破壞.

4、計算結果和試驗結果比較吻合,說明文中采用的計算模型和計算方法合理可行,能反映出結構的薄弱環節.

總體來說,異形柱框架- 短肢剪力墻結構受力合理,具有一定的延性,整體抗震性能良好,同時也能很好的滿足建筑布局的需要,適合于在小高層住宅建筑中應用.

TU145

1674-3954（2011）03-0228-03