有關(guān)鋼筋混凝土寬梁柱連接的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

■楊 清，牛傳星 ■山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266510

1 引言

帶有寬梁柱連接和單向節(jié)點(diǎn)板的鋼筋混凝土抗彎框架在中強(qiáng)地震區(qū)的地中海國家經(jīng)常使用，但是強(qiáng)震下這種結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)還未完全掌握。與傳統(tǒng)的梁柱連接相比寬梁柱連接很少使用，也很少有關(guān)于這方面地震性能的具體研究。這種連接有抗側(cè)剛度小，缺乏把彎矩從梁傳給柱子的傳動(dòng)裝置以及能量耗散能力差等缺點(diǎn)。由于有這些缺點(diǎn)所以目前大多數(shù)規(guī)范仍禁止或避免在地震區(qū)使用寬梁體系。由于結(jié)構(gòu)工程師和業(yè)主越來越明白評(píng)估現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的脆弱性的重要性，所以為了明確在實(shí)際的地震荷載下寬梁柱連接的整體滯后性能、個(gè)別滯后性能及極限能量耗散能力，在震動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了地震模擬試驗(yàn)，模型構(gòu)建采用的是2∶3的比例。極限能量耗散能力取決于結(jié)構(gòu)單元破壞時(shí)的變形模式。因此要想獲得裝配式結(jié)構(gòu)在地震誘導(dǎo)下的極限能量耗散的實(shí)測值應(yīng)采用震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)而不是靜力試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)研究

每個(gè)試驗(yàn)在進(jìn)行之前都要進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備工作是否充分直接關(guān)系到試驗(yàn)的速率甚至影響成敗。首先要在明確試驗(yàn)?zāi)康牡那疤徇M(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)是重中之重，包括確定試件外形及尺寸、確定試件數(shù)量、減少誤差的措施、確定加載的速度及裝置、選擇試驗(yàn)儀器等;然后是進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，包括人員的組織與分工、試件的制作與安裝以及數(shù)據(jù)的采集處理;最后是進(jìn)行結(jié)構(gòu)的結(jié)果分析并得出結(jié)論。

本試驗(yàn)采用的原型結(jié)構(gòu)為六層并且有三個(gè)吊窗的的典型的住宅建筑。根據(jù)西班牙和意大利的施工實(shí)踐得出:這種結(jié)構(gòu)要想維持寬梁外側(cè)區(qū)域的扭轉(zhuǎn)要么需要設(shè)置橫向梁要么加強(qiáng)相鄰的柱子的強(qiáng)度。原型結(jié)構(gòu)是依據(jù)西班牙以前的荷載規(guī)范和抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的，而之前的抗震規(guī)范是以西班牙最高地震頻發(fā)地帶的數(shù)據(jù)為依據(jù)得出的，而且有關(guān)結(jié)構(gòu)的延性規(guī)范中并沒有給出詳細(xì)的特別規(guī)定。觀察原型結(jié)構(gòu)中一個(gè)外部的寬梁柱連接和一個(gè)內(nèi)部的寬梁柱連接，發(fā)現(xiàn)這兩種連接分別在柱子中間和梁的跨中斷裂，與橫向荷載下彎矩圖中的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)。試驗(yàn)時(shí)對(duì)于所選取連接對(duì)應(yīng)的測試模型采用的幾何縮放因子為，加速度縮放因子為1，應(yīng)力縮放因子為1。

在試驗(yàn)室制作模型時(shí)，這兩個(gè)模型所采用的鋼筋均為異型鋼，且屈服強(qiáng)度都為500N/mm2。模型EWB 的混凝土平均抗壓強(qiáng)度為11.8N/mm2，而模型IWB 的混凝土平均抗壓強(qiáng)度為21.05N/mm2。柱子中的橫向荷載(100KN)可以通過在柱子中引入兩根鋼棒或在試驗(yàn)前通過后張法來模擬。

試驗(yàn)裝置采用了帶有117.6KN 的混凝土砌塊的慣性裝置，整個(gè)裝置由四個(gè)水平滾輪軸承支持。本試驗(yàn)將1980 年卡利特里發(fā)生的坎帕諾-盧卡諾地震所采用的梁軸方向的水平位移用在了本振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中。每個(gè)試件都進(jìn)行了連續(xù)三次的模擬地震加載，三次加載的峰值地面加速度(PGA)不斷增加。其中EWB 試件的PGA 分別為0.08g、0.11g、0.16g，而IWB 試件則分別為0.08g、0.22g、0.25g(g 為重力加速度)。在試驗(yàn)中這兩種試驗(yàn)?zāi)Ｐ投际窃诘谌蔚卣鹉M時(shí)達(dá)到了極限狀態(tài)，分別用力傳感器、位移傳感器、應(yīng)變片以及加速度傳感器檢測試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

試驗(yàn)過程中，試件EWB 和IWBDE 達(dá)到的最大側(cè)移分別為6.65%、8%。試驗(yàn)中兩種試件都表現(xiàn)出嚴(yán)重的滯后循環(huán)，并且都出現(xiàn)了整體橫向強(qiáng)度的早期退化，這使得邊節(jié)點(diǎn)的能量吸收能力很差，這點(diǎn)在后面有所提及。

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

內(nèi)部連接EWB 表現(xiàn)為強(qiáng)柱弱梁機(jī)制。作用在柱子彎起鋼筋和縱向鋼筋上的應(yīng)力并沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度，并且節(jié)點(diǎn)沒有破壞的跡象，在正值加載區(qū)域該連接并沒有充分發(fā)揮出其性能。在第一次地震模擬試驗(yàn)中，該連接在負(fù)值加載域充分發(fā)揮出了其性能，在梁鉸接處發(fā)生正向撓曲且偏移大約為-1.5%。在負(fù)值加載域該連接充分發(fā)揮出其性能時(shí)的荷載要比預(yù)期的傳到梁上的荷載小的多，這是因?yàn)榕まD(zhuǎn)使得邊梁開裂，扭轉(zhuǎn)使得強(qiáng)度突然下降10%～1.76%。在第二次地震模擬試驗(yàn)中試件在負(fù)值加載域的橫向承載力增長到了-3.11%。在第三次地震模擬實(shí)驗(yàn)初期由于邊梁扭轉(zhuǎn)能力的完全喪失使得試件的橫向承載力下降，試件在大約-5.43%附近強(qiáng)度嚴(yán)重下降。

內(nèi)部連接IWB 最初表現(xiàn)為弱柱強(qiáng)梁機(jī)制。在第一次地震模擬試驗(yàn)中，該結(jié)構(gòu)基本上保持在彈性狀態(tài)，在第二次地震模擬試驗(yàn)中，首先是柱子中的縱向鋼筋發(fā)生屈服，緊接著是柱端塑性鉸發(fā)生破壞。應(yīng)變片上的數(shù)據(jù)表明梁上的縱向鋼筋有一些已經(jīng)非常接近屈服了，這些即將屈服的鋼筋是位于梁的塑性鉸邊緣的鋼筋。在正值加載域試件達(dá)到最大承載力時(shí)的橫向側(cè)移為5.4%，而負(fù)值加載域?qū)?yīng)的橫向側(cè)移則是-7.6%。在第三次地震模擬試驗(yàn)中，該試件的橫向承載力嚴(yán)重下降，錨固在柱芯的梁的縱向鋼筋屈服，而且其應(yīng)變已經(jīng)超過了屈服應(yīng)變4 倍還多，而測試中節(jié)點(diǎn)并沒有出現(xiàn)破壞跡象。

整個(gè)體系在每個(gè)加載區(qū)域的能量耗散在測試結(jié)束時(shí)停止。Wp通過Q—δ 曲線計(jì)算可得，屈服強(qiáng)度Qy和屈服位移y 使得Wp更加規(guī)范化，并且累計(jì)塑性變形率η 可以反應(yīng)出Wp，η=Wp/(Qyδy)，其中Qy和δy從上圖可以得到。η 的結(jié)果表明試件EWB 只在負(fù)值加載域屈服，且η=6.4;試件IWB 正值加載域和負(fù)值加載域都屈服，且η+=5.0，η-=5.4。試驗(yàn)最后兩個(gè)試件的強(qiáng)度明顯下降，并且已進(jìn)入將要破壞的階段，因此，η 可以用來解釋試件的極限能量耗損能力。

4 結(jié)語

根據(jù)舊的抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的外部和內(nèi)部寬梁柱連接試件在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行地震模擬時(shí)最終倒塌。其中外部連接表現(xiàn)為強(qiáng)柱弱梁機(jī)制:在負(fù)值加載域的層間偏移達(dá)到-1.5%時(shí)，梁開始屈服，并且在層間偏移達(dá)到-5.43%時(shí)，強(qiáng)度開始嚴(yán)重退化。內(nèi)部連接表現(xiàn)為弱柱強(qiáng)梁機(jī)制:柱子在層間偏移達(dá)到約2.7%時(shí)開始彎曲屈服，并且保持其橫向承載力不變，直到正值加載域的層間偏移達(dá)到5.4%及負(fù)值加載域達(dá)到-7.6%時(shí)橫向承載力才發(fā)生變化。試件知道破壞時(shí)積累的總的塑性應(yīng)變能量是由屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變的產(chǎn)物規(guī)定的，內(nèi)部連接大約為5，外部連接大約為6。試驗(yàn)中對(duì)試件的低極限能量耗損能力和高橫向彈性力的檢測表明寬梁柱連接不能作為唯一的抗震體系被用在地震區(qū)，除非是低層結(jié)構(gòu)，但是如果這種連接符合新規(guī)范給出的各種規(guī)定也是可以被應(yīng)用的。

［1］H.霍斯多爾夫(德國)著，徐正忠等譯.結(jié)構(gòu)模型分析.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1986.

［2］G.M.薩布尼斯，H.G.哈里斯(美國)等.結(jié)構(gòu)模型和實(shí)驗(yàn)技術(shù).北京:中國鐵道出版社，1989.

［3］蔡樂剛.上海浦東香格里拉酒店擴(kuò)建工程振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)誤差分析與研究.上海:同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.