混凝土空间框剪结构的抗震试验与分析.pdf
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1、第 3 3卷 第 6期 2 O 1 1年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 3 N o 6 De c 2 0l 1 混凝土空间框剪结构的抗震试验与分析 吴 波 , 黄仕香 。 , 赵 新宇 。 ( 1 华南理 工大学 亚热带建筑科 学国家重点 实验室 , 广州 5 1 0 6 4 1 ; 2 重庆 大学 土木 工程 学院, 重庆 4 0 0 0 4 4 ) 摘要 : 开展 了
2、 3个混凝 土单层 空 间框 剪 结构模 型的拟 静 力试验 , 考 察 了它们 在楼 板 参 与作 用 下的 破坏过程 , 并与弹塑性分析结果进行 了对比, 探讨 了楼板对抗侧力构件剪力分配的影响。试验和分 析结果表明: 1 ) 框架梁总体上破坏较晚且破坏程度明显小于剪力墙和框架柱 ; 2 ) 水平荷载作用下剪 力墙 附近楼板损伤较 大, 该 处楼板钢筋承受较 大拉 应力; 3 ) 考虑 实际楼板作用和忽略楼板作 用相 比, 前者情况下框剪结构所能承受的最大水平荷裁有所增大, 同时剪力墙在所有抗侧 力构件 中的贡 献 比例也 有 所提 高 ; 4 ) 具有 相 同横截 面积 和配 筋的 不
3、同位 置框 架柱所 承 受的剪 力总体 上相 差不 大。 关键 词 : 钢 筋混凝 土 ; 框 剪结构 ; 抗震 试验 ; 弹 塑性分析 中图分类号 : TU3 7 5 4 文献标志码 : A 文章编号: 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 4 4 0 7 S e i s mi c Te s t s a n d Pu s h o v e r Ana l y s i s o f S p a t i a l RC Fr a me - S h e a r W a l l S t r u c t u r e s W U Bo 。 HU ANG Sh i - xi a
4、 n g 。 ZHAO Xi n - y u , ( 1St a t e Ke y La bo r a t o r y o f Sub t r o pi c a l Bu i l di ng Sc i e nc e,So ut h Chi na Uni v e r s i t y o f Te c hn ol og y, Gu a ng z h ou 5 1 06 41,PRChi n a;2 Col l e ge o f Ci vi l Engi ne e r i ng,Cho ngq i ng Uni ve r s i t y,Chon gq i n g 4 0 00 44,P R Chi
5、 na ) Ab s t r a c t : Ps e ud o s t a t i c t e s t s o f t hr e e o ne s t o r e y s p a t i a l RC f r a me s h e a r wa l l s t r u c t u r e s wi t h f l o o r s l a b s we r e c o ndu c t e d t o i nv e s t i ga t e t he i r f a i l ur e mod e s a nd h ys t e r e t i c b e h a v i o r s The t
6、e s t r e s ul t s we r e c o m p a r e d wi t h t hos e o f pus h ov e r a n a l ys i s I t i s s ho wn t ha t:1 ) d a ma g e of t he f r a me b e a ms Oc c u r s l a t e r a nd i s l e s s t h a n t ha t o f t h e s h e a r w a l l a nd t he f r a m e c o l u m n s; 2) da m a g e o f t he f l o o
7、r s l a bs u nde r l a t e r a l l o a d i ng i s s i g ni f i c a nt i n r e g i o ns c l os e t o t he s he a r wa l l ,a nd t e ns i l e s t r e s s e s o f s l a bs s t e e l ba r s i n t he s e r e g i o ns a r e muc h l a r ge r;3)i n c o mp a r i s o n wi t h t he c a s e t ha t t he f l o o
8、r s l a b s a r e ne gl e c t e d,t he ma x i m u m l a t e r a l l oa d t h a t a f r a me s he a r wa l I s t r uc t ur e c a n be a r i s 1 a r g e r i n t h e c a s e t h a t t he f l o o r s l a b s a r e t a ke n i n t o a c c o u nt 。 a n d t he c on t r i bu t i o n r a t i o o f t h e s h e
9、 a r wa l l a l s o i n c r e a s e s:4) s h e a r f o r c e s c a r r i e d by t he f r a me c o l umns wi t h i d e n t i c a l c r os s s e c t i o ns a nd r e i nf o r c e me n t de t a i l s b ut l o c a t e d a t di f f e r e nt p os i t i on s a r e c l os e t o e a c h o t he r o n t he wh o
10、l e Ke y wo r ds : r e i n f o r c e d c on c r e t e;f r a me s h e a r wa l l s t r uc t ur e;s e i s m i c t e s t ;e l a s t o pl a s t i c a na l y s i s 混凝土框剪结构 中框架与剪力墙 的力学行为差 异及其分布的多样性, 使得它们在共同抵御强震作 用时存在复杂耦合 效应。B o z d o g a n提 出了对称框 剪结 构 基于连 续性 方法 和转换 矩 阵的静 动 力分 析策 略u 。缪志伟等提出了框剪结构 弹塑性分析的多模 态
11、推覆方法 2 。姚振宇等通过数值计算考察了平面 框剪结构的剪力分配规律 3 。宋建学、 黄东升、 彭飞 等通过试验 , 研究 了肢厚比、 连梁刚度 、 边界约束 、 肢 强系数等对短肢 剪力墙抗震性能的影 响 f 。李兵 等通过不同轴压 比高剪力墙的拟静力试验 , 建议 了 其恢 复力模 型 的选 取 方 法_ 7 。I u进 行 了 3跨 6层 平面 框剪结 构 和纯 框 架 结 构 的振 动 台试 验 , 结 果 显 示在 高度非 线性 反应过 程 中前者 的破 坏速 度 快 于后 者 _ 8 。Ho s o y a等开展 了 三维 高 层 框 剪 结 构 的振 动 收稿 E t 期 :
12、2 0 1 1 - 0 3 2 8 基金项 目: 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目( 9 0 8 1 5 0 1 2 、 5 1 0 2 5 8 2 9 ) ; 亚 热 带 建 筑 科 学 国 家 重 点 实 验 室 重 点 研 究 项 目 ( 2 0 0 9 Z A0 4 ) ; 全 国博士生国 内访学项 目( F - 0 9 2 0 ) 作者简介 : 吴波 ( 1 9 6 8 一 ) , 男 , 研究员 , 博士 , 主要从事结构抗灾和新型混凝土结构研究 , ( E - ma i l ) b o w u s c u t e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e
13、t u t u .c o m 第 6 期 吴 波 , 等 : 混凝 土 空间框 剪结 构 的抗 震试 验 与分析 4 5 台试验 , 揭示了该类结构 的地震反应 特性并 与数值 分析结果进行 了对 比_ 9 。陈忠范等将三维框剪结构 等效成二维的框剪并连体 , 开展了 2种框剪并连体 的模型试验 , 研究 了框剪结构的内力 重分布和塑性 铰 出现规律 1 。 。 。熊仲明等通 过 3跨 4层平 面框 剪 结构 的拟 动力 试 验, 分 析 了其 滞 回耗 能反 应口 。 Amme r ma n和 F r e n c h等对梁一 柱一 板 节点进行 了水 平往复试验, 考察 了横 向梁对楼板参
14、与纵向梁工作 的有效宽度 的影响_ 1 。 引。 通过对上述文献 的分析发现 , 学者们已对剪力 墙 以及平面和空间框剪结构的抗震性能进行了一定 研究 , 但其中涉及楼板作用的探讨相对较少 , 楼板作 用 的研究主要还集 中在框架 结构。为此 , 开展 了 3 个带有现浇楼板 的单层空间框剪结构模型的拟静力 试验和计算分析 , 考察 了它们在楼板参与作用下 的 破 坏 过程 和破 坏机 理 以及剪 力分 配 。 1 试验概况 1 1 试 件设 计 为考察 现 浇楼板 参 与作 用下 空 间框 剪 结构 的抗 震性 能 以及各 类 构 件 ( 梁 、 柱 、 墙 、 板 ) 的 破 坏 顺 序
15、和 破坏程度 , 并为后续数值分析提供验证依据, 共设计 制作 了 3 个 图 1 ( a ) 所示 单 层混凝 土 空 间框剪 结构模 型 , 编号 F S W一 1 一 F S W- 3 ( F S W一 1和 F S W一 2对 应 不 同竖 向荷载以考察该因素对结构抗震 性能的影 响, F S W一 3和 F S W一 2的试 验 工 况 完全 相 同 以把 握 试 验 规律的重复性) 。3个模 型的尺寸及配筋完全相同, 基 底 梁顶 面 至 楼 板 上 表 面 1 3 2 5 I l l m, 基 底 梁 截 面 4 0 0 I n l l l 4 5 0 mm。模型参照 混凝土结构
16、设计 规 范 1 进行设计 , 抗震 等级 3级 。梁、 柱 、 剪力墙纵 筋采 用 HP B 2 3 5光 圆钢 筋 , 梁、 柱箍 筋 采 用 直 径 4 mm的 8 铁 丝 , 楼板 配筋 采用 直径 3 ml n的 1 1 铁 丝 。剪力墙两端竖 向钢筋适 当加密 , 以模拟边缘约 束构件效应 。梁 、 柱 、 剪力墙的具体尺寸和配筋情况 见 图 1 ( b ) 。 楼 板 厚 度 4 0 1T i m, 双 层 双 向 配 筋 且 间距 5 O mm。基底梁采用 C 3 0商 品混凝土 , 模型其余部 位均采用实测立方体抗 压强度 3 5 4 MP a ( 2 8 d龄 期) 的细
17、石混 凝 土 ( 试 验 时 实测 立 方体 抗 压强 度 4 5 6 MP a ) 。钢筋和铁丝的实测力学性能见表 1 。 ( a ) 模型 ( 含基底梁 ) 三维轴侧图 ( b) 几何尺寸及露 筋情况 图 1 模型几何 尺寸和配筋情况 ( 单位 : n l n 1 ) 表 1 钢筋和铁 丝的力学性 能 1 2 试 验装 置 试验在华南理工大学结构实验 室进行。采用 4 个地 锚 螺栓将 基底 梁锚 定在 反力槽 上 以约束 其竖 向 位移 , 同时采用水平 门式钢梁 、 千斤顶和箱型钢梁约 束基底梁 的水 平位 移。采用 最 大 出力 5 0 0 k N 的 MT S电液伺 服 作 动 器
18、 在模 型楼 板 高度 处 施 加 水平 荷载 。水 平荷 载 先 由作 动 器 施 加 给 分 载 梁 , 分 载 梁 与模型上 3个 凸出牛腿通过预埋螺栓连成一体 , 从 而借 助 凸 出牛 腿将 水平荷 载传 递 给模 型 。 图 2所示 为加 载装 置示 意 图 。 1 基底梁;2 框架柱;3 剪力墙;4 她锚螺栓;5 门式钢梁;6 千斤顼; 7 耱型钢粱;8 反力墙;9 M T S 电渡伺服作动器;1 0 球 铰;1 1 分载梁; 1 2 凹出牛腿;1 3 预埂螺捡;1 4 撒光测距仪 0 一 -_ _一 4 ,_ -一 - _由 l 2 - =一 4 _ _一 = = _ | 图
19、2加载装置示意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 吴 波 , 等 : 混凝 土 空 间框 剪 结构 的抗震 试验 与分析 4 7 缝但纵筋未屈服。将此时楼板水平位移视为模型的 屈服位移 , F S W一 1 、 F S W一 2和 F S W一 3的实测屈服 位 移 分别 为 7 0 mm、 6 9 mm 和 7 2 mm。 楼板水平位移 2 A y时, 所有柱上端均出现多条 裂缝 , 柱 z 4和 z 5下端也 出现明显裂缝 , 但 除梁 L 2 外其它梁未见裂缝。 楼 板水 平位 移
20、 4 A y时 , 剪 力 墙 下 端 裂 缝 贯通 横 截面 , 受压区混凝土压碎 ; 梁 L 2与剪力墙连接处 以 及剪力墙上端可见 明显宽大 的裂缝 ; 各柱上端裂缝 数量进一步增多 , 原有 裂缝 宽度增大 , 尤其 是柱 z 2 上端裂缝几乎贯通柱横截面 , 柱 z 4和 Z 5下端裂缝 宽度 也有 所增 大 ; 梁 L 1和 L 3 两 端 开始 出现 裂缝 。 楼板 水 平 位 移 6 A y 时 , 剪 力 墙 下 端 混 凝 土 剥 落 , 各柱端 ( 除 z 1 一z 3下端 ) 裂缝贯通 , 梁 L 2与剪 力墙 连接 处 的裂缝 贯 通整个 梁 截面 。 楼板水平位移
21、8 A y时 , 剪力墙下端大片混凝土 脱落 , 柱端局部混凝土剥落, 梁 L 2与剪力墙连接处 混凝土剥落 , 梁 L 1和 L 3东端 出现贯通裂缝 , 但梁 L 4 、 L 5 、 L 6 、 L 7两端 只见 微小 裂缝 。 试验 过程 中 , 剪力 墙 附近楼 板 出现 明显 裂 缝 ( 见 图 5 ( g ) 和( h ) ) , 且近 似垂 直 于墙 面方 向的 裂缝 比近 似沿墙长度方 向的裂缝更为显著 , 但其它部位楼板 未见 明显 裂缝 , 同时剪力 墙 始终未 出现 交叉 斜 裂缝 , 即墙 肢呈 现 出典型 的弯 曲破 坏 。 从 上 述破 坏过 程可 以看 出 , 除
22、梁 L 2与剪 力墙 连 藉 窨 Z 追 预点位移 m m ( a)F S W 1 顶点位移 ra m (C)F SW 3 接处以外 , 框架梁 总体上破坏较 晚且破坏程度明显 小于剪力墙和框架柱 , 这与人们公认 的理想破坏模 式( 即框架梁破坏最早且严重以消耗大量外界输入 能量的破坏模式) 相差较远 。这是 因为框架梁附近 的现浇楼板客观上发挥 着梁翼缘的作用, 导致框架 梁的梁端实际受弯承载力 明显增大, 从而使得沿水 平力 作用 方 向 的梁 L 1和 L 3相 比 剪力 墙 和框 架 柱 破 坏更 晚且破 坏 程 度 明 显 偏小 。但 与 此 同 时 , 由 于 剪力墙 的抗 侧刚
23、度 显著 大 于其 它抗 侧力构 件 ( 柱 z 1 一z 5 ) , 其分担的水平荷 载很 大, 导致梁 L 2与剪 力墙连接处产生很 大弯矩 , 因此该部位很早就发生 了破 坏 。 2 2 滞 回 曲线 图 6 所 示分 别为 模型 F S W一 1 、 F S W一 2和 F S W一 3 的水平 荷 载一 楼 板 水 平 位 移 滞 回 曲线 和 骨 架 曲 线 。 从 图中可 以看 出 : 1 ) 各模 型 的滞 回曲 线 在推 、 拉 2个方 向上 基 本 对称 , 试验参数相 同的 F S W一 2和 F S W一 3的滞 回曲 线 和 骨架 曲线呈 现 出较好 的重 复性 。
24、2 ) 3个模 型的初始抗侧刚度几乎完全一致 , 但 F S W一 2和 F S W一 3的最 大水 平 荷 载 明 显 大 于 F S W l , 这 主要是 由于前 两 者 的总 配重 ( 5 7 8 k N) 显 著 大 于 后者 总配 重 ( 1 6 2 k N) 的缘 故 。这 表 明一 定 程 度 上 增加 竖 向荷载有 利 于提高 框剪 结构 的水 平 承载 能 力 。 Z 纛 避 1如 纛 逛 苗 预点位移, m m ( b)FS W 2 图 6滞 回曲线和骨架 曲线 顶点位移 m ( d ) 骨架曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 土
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