勁性裝配式框架核心筒結構抗震性能試驗研究

焦安亮， 李正良

(1.重慶大學 教育部重點實驗室, 重慶　400045；2.中國建筑第七工程局有限公司,鄭州　450004)

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勁性裝配式框架核心筒結構抗震性能試驗研究

焦安亮1,2， 李正良1

(1.重慶大學 教育部重點實驗室, 重慶400045；2.中國建筑第七工程局有限公司,鄭州450004)

摘要：為研究勁性裝配式框架核心筒體結構整體抗震性能，進行1∶3的縮尺模型振動臺試驗，獲得結構體系在地震作用下整體抗震性能與結構破壞模式，并考證疊合梁與鋼管混凝土柱、疊合梁與抗震墻、樓板等連接節點在地震作用下的可靠性。結果表明，該結構體系具有較高的承載力及良好的整體抗震性能，節點連接形式總體能滿足現行規范抗震設防要求。

關鍵詞：勁性裝配式結構；振動臺試驗；抗震性能

鋼-混凝土組合結構尤其鋼-混凝土核心筒體結構廣泛用于高層建筑。鋼筋混凝土內筒與外鋼-混凝土框架可形成多道抗震防線，利于提高結構整體抗震性能。外框結構用輕質高強度鋼柱,較普通鋼筋混凝土柱截面積小、承載力高、延性好，極大降低自重，從而降低結構承受的地震作用；鋼筋混凝土內筒具有足夠的抗側移剛度，不僅對減少因水平作用所致側移起重要作用，亦能削減結構P-△效應的不利影響，利于結構抗風[1]。預制裝配式建筑雖具有節約工期、施工質量易于控制、節約成本、對環影響小等優點，但對裝配式結構，除要求構件有足夠的承載力外，節點連接可靠性與失效機制至關重要。地震災害表明，裝配式梁柱節點即為關鍵亦為易損部位，對鋼管混凝土組成構件及現澆框架整體抗震性能研究較集中[2-16]，而對裝配式建筑的整體抗震性能研究較少。

為此，本文采用1∶3縮尺模型對勁性裝配式框架核心筒體結構進行振動臺試驗研究，以獲得結構體系在地震作用下的整體抗震性能與結構破壞模式，并考證疊合梁與鋼管混凝土柱、疊合梁與抗震墻、樓板等連接點在地震作用下的可靠性。

1原型結構

原型結構為框架核心筒形式計6層，層高均3 m，結構平面布置見圖1。鋼管混凝土柱，截面尺寸200 mm ×200 mm； Q345方鋼管，尺寸為200 mm×200 mm×18 mm×18 mm；梁﹑樓板用預制結構，即鋼筋混凝土梁，尺寸200 mm×400 mm。為保證梁柱節點的可靠性，梁縱向受力鋼筋不在梁柱節點處截斷，而貫穿柱體，并距柱體一定距離與其它縱筋用套筒連接；預應力疊合樓板[17]厚120 mm；抗震墻厚200 mm；連梁尺寸200 mm×400 mm；預制外墻板。梁用C30混凝土，梁內縱筋、箍筋均用HRB400級鋼筋。梁柱節點見圖2。

圖1　原型結構平面圖Fig.1 Plan view of the prototype structure

圖2　原型梁柱節點詳圖Fig.2 beam-column connection details

2模型結構

2.1模型材料及制作

振動臺試驗中鋼材、混凝土會呈非線性性質，模型材料應與原型材料應力-應變關系相似。由于本次試驗長度相似比Sl較大，盡可能采用與原型結構相同材料為滿足相似準則的簡便實用方法。振動臺所用材料為：勁性方鋼管組合柱方鋼管同原型；混凝土部分除尺寸過小的疊合梁、板預制用砂漿模擬外，其它均用細石混凝土；梁縱向鋼筋采用與原型同等級鋼筋，箍筋、板筋用鍍鋅鐵絲模擬。

2.2模型相似比關系設計

動力試驗關鍵在于模擬慣性力、恢復力及重力三種，由此對模型材料的彈性模量及密度提出相應要求。結構動力基本方程為：

(1)

由方程式分析法可知動力方程各物理量應滿足

(2)

據量綱協調原理，以彈性模量、密度、長度、加速度相似常數表達上式，即

(3)

SE/SρSaSl=1

(4)

式(4)即為模型試驗結構動力學問題物理量相似常數需滿足的相似條件，由此可知模型相似設計思路為：先確定式(4)中3個可控相似常數；由式(4)求出滿足動力試驗要求的第4個相似常數，并校核按主控相似常數設計的模型是否滿足試驗條件；由似量綱分析法確定其余全部相似常數。

綜合考慮同濟大學振動臺性能參數、試驗室施工條件及吊裝能力等因素，本試驗先確定模型結構幾何相似常數Sl=1/3；考慮振動臺噪聲、臺面承載力及振動臺性能參數等，據細石混凝土強度及彈性模量實測值、模型質量、結構脈動試驗結果，調整應力相似常數Sσ=0.8，加速度相似常數Sa=3。故所用模型主要相似關系見表1。

表1　裝配式鋼-混凝土結構模型主要相似關系

2.3模型施工

模型為疊合構件裝配式結構，疊合梁、板底層、抗震墻、外掛墻、方鋼管柱均可在工廠預制。模型預制部分尺寸較小，定位精度要求較高，施工工序繁瑣。預制構件施工前，焊接、綁扎模擬鋼筋鐵絲，固定澆筑預制構件模板。在保證定位可靠后進行砂漿或細石混凝土分批、分類澆筑，邊澆筑邊振搗密實，并重復此過程直至完成整個模型構件制作。進行構件拼裝，柱吊裝就位后將預埋鋼筋與疊合梁預留鋼筋套筒連接；將疊合板預制層鋪裝在梁上，鋪設預制板頂層鋼筋，進行整體板頂層現澆；安置抗震強和外掛墻；再進行上一層施工，柱之間采用對接滿焊，并用兩塊連接夾板通過高強螺栓穩固。定位裝配預制構件、支模板、澆筑節點及疊合板現澆層。邊施工邊檢查構件尺寸、整體垂直度等，以確保模型制作質量。模型養護完成、試驗前對與模型同步制作的細石混凝土、砂漿試塊進行材料試驗，以準確把握、調整相似關系。完成的結構模型總高6.345 m，其中模型底座厚0.3 m，柱底墊板0.045 m，模型高度6 m。結構試驗模型總質量22.61 t(含底座)，模型與附加質量18.85 t，底座3.76 t，見表2。

表2　模型各層配重分布

模型制作及完工整體見圖3～圖13。

圖3 模型底座澆筑Fig.3Thefoundation圖4 模型疊合梁預制Fig.4Theprecastlaminatedbeams

圖5 模型抗震墻預制部分Fig.5Theprecastshearwalls圖6 模型外掛墻預制Fig.6Theplug-inwalls

圖7 柱腳焊接Fig.7Weldsonthecolumns圖8 梁、柱節點拼裝Fig.8Column-beamassembly

圖9 抗震墻拼裝節點Fig.9Shearwallsassembly圖10 柱-柱節點拼裝Fig.10Columns

圖11 外掛墻連接節點Fig.11Plug-inwall圖12 疊合板預制部分拼裝Fig.12Laminatedslabs

圖13　模型結構完工全景Fig.13 Constructed test model

3測點布置及試驗加載方案

3.1測點布置

據該結構特點，在樓層必要位置布設傳感器及應變片，以不同水準地震作用不同部位加速度、位移、應變等數據確定應變片、傳感器布置，見圖14。

圖14　模型測點布置Fig.14 Monitoring point arrangement

3.2結構模型試驗加載

試驗加載工況按7度(0.15 g)多遇(X、Y向)、基本(X、Y向)、罕遇(X向)順序分5階段模擬地震試驗。在不同水準地震波輸入前后對模型進行白噪聲掃頻，測試模型結構自振頻率、振型及阻尼比等動力特性參數。由臺面依次輸入El Centro波、Pasadena波及SHW02波。地震波持時按相似關系壓縮為原地震波的0.333倍，加速度幅值按相似關系放大為原型結構的3倍。各水準地震作用下臺面輸入加速度峰值均按《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)規定及模型試驗相似要求調整，以模擬不同水準地震作用。

4試驗結果及分析

4.1試驗現象描述

4.1.17度多遇地震試驗階段

按加載順序依次對模型輸入7度多遇烈度X、Y向各地震波后模型表面均無可見裂縫，但經白噪聲掃頻發現模型自振頻率下降，說明結構局部裝配節點內部松動。

4.1.27度基本地震試驗階段

按加載順序依次對模型輸入7度多遇烈度X、Y向各地震波后模型表面有可見裂縫，底層X向抗震墻底部出現細微水平裂縫，外掛墻松動。用白噪聲掃頻與初始值相比模型自振頻率下降，在X、Y方向分別下降56%及43%。見圖15、圖16。

圖15 一層抗震墻墻底水平裂縫Fig.15Horizontalfracturesofshearwallsatthebasefloor 圖16 一層外掛墻連接松動Fig.16Looseningoftheplug-inwallatthebasefloor

按加載順序依次對模型輸入7度基本烈度Y向各地震波后多層X向抗震墻底部水平裂縫進一步發展，梁、柱節點松動，梁、預制板相交處產生縫隙。用白噪聲掃頻并與初始值相比，發現模型自振頻率下降，在X、Y向分別下降56%及57%。見圖17～圖22。

圖17 二層梁端裂縫、砼壓碎Fig.17Fracturesattheendofthebeamsatthe2ndfloor圖18 二層梁縱筋松動Fig.18Looseningofthereinforcementatthe2ndfloor

圖19 三層梁、墻處裂縫Fig.19Horizontalfracturesattheshearwall-beamatthe3rdfloor圖20 四層抗震墻上部水平裂縫Fig.20Horizontalfracturesofconnectiontheshearwallatthe4thfloor

圖21 五層抗震墻水平裂縫Fig.21Horizontalfracturesoftheshearwallatthe5thfloor圖22 六層抗震墻水平裂縫Fig.22Horizontalfracturesoftheshearwallatthe6thfloor

4.1.37度罕遇地震試驗階段

圖23　柱腳混凝土壓碎Fig.23 Concrete crush at the column base

7度罕遇地震試驗后，發現6層抗震墻中部有水平裂縫，4～6層外掛墻角部斜裂縫，柱腳預埋螺栓松動，混凝土墊塊壓碎。見圖23。

4.2結構模型試驗結果

4.2.1結構模型結構動力特性

由試驗結果看出，模型結構初始狀態前兩階振型頻率分別為4.5 Hz(X向平動)、3.5 Hz(Y向平動)，完成X向7度(0.15g)罕遇地震試驗后，模型結構前

兩階頻率分別降至1.25 Hz(X向平動)、1.5 Hz(Y向平動)，較初始值降幅分別達72%、57%；模型結構低階振動形態主要為整體平動，扭轉成份較少；模型結構頻率隨輸入地震動幅值加大而降低，隨結構破壞加劇，模型實測阻尼比逐漸增大。

4.2.2模型結構加速度及位移反應

模型結構加速度放大系數及最大位移反應見圖24～圖27。由圖看出，①底部兩層相對底座位移較上部大，二、三層位移響應較大；②在不同水準地震作用下，位移最大值及臺面輸入激勵無直接對應關系，即結構最大位移取決于臺面輸入激勵大小及地震波頻譜特性、結構動力特性之關系。

(a) 7度多遇(b) 7度基本(c) 7度罕遇圖24 模型結構X向加速度放大系數包絡圖Fig.24AccelerationamplificationcoefficientenvelopeinX-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本圖25 模型結構Y向加速度放大系數包絡圖Fig.25AccelerationamplificationcoefficientenvelopeinY-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本(c) 7度罕遇圖26 模型結構X向最大位移反應包絡圖Fig.26AccelerationamplificationcoefficientenvelopeinX-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本圖27 模型結構Y向最大位移反應包絡圖Fig.27ThemaximumdisplacementresponseenvelopeinY-directionformodelstructure

4.3原型結構抗震性能

4.3.1原型結構加速度反應

由模型試驗結果推算原型結構最大加速度反應公式為

ai=Kiag

(5)

式中：ai為原型結構第i層最大加速度反應(g)；Ki為與原型結構對應烈度水準下模型第i層最大動力放大系數；ag為與烈度水準對應的地面最大加速度，即7度(0.15 g)多遇地震時ag=0.055 g，基本地震時ag=0.15 g，罕遇地震時ag=0.31 g。見圖28、圖29。

4.3.2原型結構位移反應

由模型試驗結果推算原型結構最大位移反應公式為

(6)

式中：Di為原型結構第i層最大位移反應(mm)；Dmi為模型結構第i層最大位移反應(mm)；amg為按相似關系要求的模型試驗底座最大加速度(g)；atg為模型試驗時與Dmi對應的實測底座最大加速度(g)；Sl為模型位移相似系數。

在7度(0.15 g)多遇地震作用下X、Y向層間位移角均小于《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)限值1/800要求。在7度(0.15 g)罕遇地震作用下X向層間位移角小于《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)限值1/100要求。

(a)(b)圖28 原型結構加速度放大系數包絡圖Fig.28Accelerationamplificationcoefficientenvelopeforprototypestructure

(a)(b)圖29 原型結構位移最大值Fig.29Themaximumdisplacementresponseenvelopeinforprototypestructure

4.3.3樓層剪力及傾覆力矩分布

據模型結構加速度反應及結構樓層質量分布，可獲得原型結構在不同水準地震作用下的剪力分布、傾覆力矩及剪重比，見圖30～33。

4.3.4原型結構扭轉效應

結構頂部相對位移時程可通過同樓層兩端測點位移時程相減獲得，確定最大相對位移后計算扭轉角。

在X向輸入7度(0.15 g)多遇地震作用，屋面兩端測點X向相對位移最大值為11.3 mm，最大扭轉角為1/230；在Y向輸入7度(0.15 g)多遇地震作用，屋面兩端測點Y向相對位移最大值為12.7 mm，最大扭轉角為1/204；在X向輸入7度(0.15 g)基本地震作用，X向相對位移最大值為21.3 mm，最大扭轉角為1/122；在Y向輸入7度(0.15 g)基本地震作用，Y向相對位移最大值為18.2 mm，最大扭轉角為1/143；在X向輸入7度(0.15 g)罕遇地震作用，X向相對位移最大值為38.9 mm，最大扭轉角為1/67。可見隨地震作用加大結構扭轉反應有一定增加。

(a) 7度多遇(b) 7度基本(c) 7度罕遇圖30 模型結構樓層X向剪力分布Fig.30ThedistributionofthestoryshearforceinX-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本圖31 模型結構樓層Y向剪力分布Fig.31ThedistributionofthestoryshearforceinY-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本(c) 7度罕遇圖32 模型結構樓層X向傾覆力矩分布Fig.32ThedistributionofoverturningmomentinX-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本圖33 模型結構樓層Y向傾覆力矩分布Fig.33ThedistributionofoverturningmomentinY-directionformodelstructure

5建議

據試驗結果，本文建議：① 改進抗震墻連接形式，如預制帶抗剪鍵(鋸齒形)抗震墻；② 改進框架梁、中柱節點后澆部位構造措施，如加貫通鋼管的U型筋；③ 加強帶肋PK板的連接構造；④ 設計中避免出現框架梁與連梁面外連接；⑤ 適當考慮外掛墻對結構剛度影響；⑥ 在不影響建筑外裝飾等使用功能“小震不壞、中震可修”條件下，外掛墻定位預留孔適當放大，能起阻尼的作用。

6結論

通過觀察實驗現象、分析整理實驗數據，結論如下：

(1) 原型結構前四個振型自振周期依次為0.667 s、0.857 s、0.169 s、0.207 s，對應振動形態分別為X向平動(一、二階)、Y向平動(一、二階)。模型結構自振頻率隨臺面輸入加速度峰值增大而降低，結構阻尼比隨結構破壞程度加劇而增大。

(2) 受7度(0.15 g)多遇地震作用時模型結構自振頻率、剛度有所降低，無可見裂縫及塑性變形等破壞現象，結構底層部分外掛墻連接松動；受基本烈度地震作用時除自振頻率、剛度降低外，底層抗震墻預制、現澆部分過度區現細微裂縫，底層連梁端現剪切裂縫，但無塑性變形等破壞現象；受罕遇地震作用時出現開裂，部分框架梁端現裂縫，全部抗震墻底過渡區現不同寬度水平裂縫，連梁端現剪切裂縫，結構自振頻率下降，實測X、Y向彈塑性層間位移角均滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)限值要求。

(3) 結構存在明顯的扭轉效應，核心筒出現較多水平裂縫，包括每層抗震墻底部過渡區及4～6層預制抗震墻層高中間部分，導致核心筒部分剛度被稍弱。模型試驗中未見明顯薄弱樓層，只存在薄弱部位，即底層抗震墻預制、現澆部分過渡區及框架梁與抗震墻連接點。

參 考 文 獻

[1] 曲淑萍.鋼-鋼筋混凝土結構在高層建筑的應用[J]. 北華航天工業學院學報,2004,12(4):15-18.

QU Shu-ping. Application in the skyscraper of the steel-concrete construction[J]. Journal of North China Institute of Aerospace Engineering,2004,12(4):15-18.

[2] Boyd P F，Cofer W F，Mclean D L. Seismic performance of steel-encased concrete columns under flexural loading[J]. ACL Structure Joernal,1995,92(3):355-364.

[3] 薛建陽,趙鴻鐵.型鋼鋼筋混凝土框架振動臺試驗及彈塑性動力分析[J].土木工程學,2000,32(2):30-34.

XUE Jian-yang,ZHAO Hong-tie. Shaking table experiment and elastoplastic analysis of steel reinforced concrete frame [J]. China Civil Engineering Journal, 2000,32(2):30-34.

[4] 李國強,胡大柱,孫飛飛.半剛性連接組合梁框架足尺模型模擬地震振動臺試驗[J].建筑結構學報,2009,30(5):39-47.

LI Guo-qiang，HU Da-zhu，SUN Fei-fei.Shaking table test on a composite-beam frame with simi-rigid connections[J]. Journal of Building Structures,2009,30(5):39-47.

[5] 李榮華,邸慶霜,楊樹標,等.鋼筋混凝土框架振動臺試驗模型的數值模擬研究[J].河北工程大學學報:自然科學版，2009,26(2):22-25.

LI Rong-hua, DI Qing-shuang,YANG Shu-biao，et al. Numerical simulation of a RC frame shaking table test model[J].Journal of Hebei University of Engineering: Natural Science Edition, 2009,26(2):22-25.

[6] 嚴薇,曹永紅,李國榮.裝配式結構體系的發展與建筑工業化[J].重慶建筑大學學報,2004,26(5):131-136.

YAN Wei,CAO Yong-hong,LI Guo-rong.Development of assembly-type RC structure and building industrialization[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University,2004,26(5):131-136.

[7] 宋國華,霍達,王東煒,等.裝配式大板結構豎向齒槽接縫受剪承載力設計[J].土木工程學報,2003,36(11): 61-64.

SONG Guo-hua,HUO Da,WANG Dong-wei,et al.Shear capacity of vertical-grooved connection in PBP structures [J].China Civil Engineering Journal,2003,36(11):61-64.

[8] 宋國華,王東煒,滕海文.裝配式鋼筋混凝土結構豎縫抗剪能力統計特征研究[J].四川建筑科學研究,2004,30(3):1-3.

SONG Guo-hua,WANG Dong-wei,TENG Hai-wen. Statistical characteristics study on the shear resistance of vertical connections in prefabricated reinforced concrete structures[J].Sichuan Building Science,2004,30(3):1-3.

[9] 許謀奎,柳炳康.裝配式鋼筋混凝土大板結構接合部抗震性能研究[J].合肥工業大學學報:自然科學版,2003,26(3): 379-383.

XU Mou-kui,LIU Bing-kang.Study of seismic behavior of connections of precast large panel concrete structure[J]. Journal of Hefei University of Technology,2003,26(3):379-383.

[10] 柳炳康,宋國華,王東煒.裝配式大板結構豎縫抗剪機理研究[J].鄭州大學學報:工學版,2002,23(2):74-78.

LIU Bing-kang,SONG Guo-hua,WANG Dong-wei.Study on shear-resistance mechanisms for vertical connections of precast reinforced concrete structure[J]. Journal of Zheng- zhou University:Engineering Science,2002,23(2):74-78.

[11] 李晨光,劉航,高鴻升,等.新整體IMS預應力裝配式板柱體系試驗和工程實踐[J].建筑技術,2003,33(12):838-839.

LI Chen-guang, LIU Hang, GAO Hong-sheng, et al. Experiment and practice of new IMS system of prefabricated prestressed concrete slab-column structure[J]. Architecture Technology, 2003,33(12):838-839.

[12] 徐棟,項海帆,黃鼎業,等.裝配式無粘結預應力混凝土蓋梁模型試驗[J].結構工程師,1999,15(1):29-32.

XU Dong，XIANG Hai-fan，HUANG Ding-ye，et al.Model test of segmental concrete coping with unbonded prestressing stands[J].Structural Engineer,1999,15(1):29-32.

[13] JG/T006-2005,預制預應力混凝土裝配整體式框架(世構體系)技術規程(蘇)[S].

[14] 支正東.外殼預制核心現澆裝配整體式RC結構體系的關鍵技術研究[M].南京:南京工業大學,2008:6-8.

[15] 張大長,支正東,盧中強,等.外殼預制核心現澆RC梁抗彎承載力的試驗研究[J].工程力學,2009,26(5):164-170.

ZHANG Da-chang,ZHI Zheng-dong,LU Zhong-qiang,et al. Experimental studies of bending capacities of RC beams with precast external shel land cast-in-place core concrete[J].Engineering Mechanics,2009,26(5):164-170.

[16] 張大長,支正東,盧中強,等.外殼預制核心現澆裝配式RC柱抗震性能的試驗研究[J].工程力學,2009，26(8):131-137.

ZHANG Da-chang,ZHI Zheng-dong,LU Zhong-qiang,et al. Experimental studies on aseismic performance of asembly RC columns with precast external shell and cast-in-place core concrete[J].Engineering Mechanics,2009,26(8):131-137.

[17] 尚守平,吳方伯.PK預應力混凝土疊合板圖集(2005湘JG/B-001)[K]. 湖南大學結構工程研究所,2005.

收稿日期：2014-08-25修改稿收到日期：2014-11-11

通信作者李正良 男，博士，教授，1963年生

中圖分類號:TB122

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.02.006

Experimental study on seismic behaviors of precast frame-core tube structures

JIAO An-liang1,2, LI Zheng-liang1

(1. The Key Laboratory of the Ministry of Education of Chongqing University, Chongqing 400045, China； 2. China Construction Seventh Engineering Division Corp.ltd，Zhengzhou 400004, China)

Abstract:A 1/3 scale model was constructed and subjected to a series of earthquake excitations to investigate the seismic behaviors of precast frame-core tube structures with reinforced concrete (RC) beams and concrete filled steel tubular (CFST) conlums. The seismic behaviors of this type of structures, including the seismic responses, the reliability of connections, and the failure mechanisms were studied. The test results show that: this type of structures has excellent bearing capacity and seismic behavior, and the connections could generally satisfy the requirement in the structural design codes.

Key words:precast structure; shaking table test; seismic behavior

第一作者 焦安亮 男，教授級高級工程師，1960年生