异形柱框架——短肢剪力墙结构振台试验的探讨

张玉宏

（贵州省建筑工程联合公司）

异形柱框架
——短肢剪力墙结构振台试验的探讨

张玉宏

（贵州省建筑工程联合公司）

异形柱框架2短肢剪力墙结构是一种新型结构体系. 文中通过12层钢筋混凝土异形柱框架2短肢剪力墙结构模型的模拟地震振动台试验以及弹塑性理论分析,研究了该结构体系的动力特性、不同烈度地震作用下的反应及破坏形式.结果显示,该体系拥有优越的建筑功能同时,在结构上传力明确,受力合理,满足了小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震设防要求,适用于小高层住宅.

异形柱；异形柱框架2短肢剪力墙；振动台试验；弹塑性时程分析；中高层住宅

一、引言

近期国家出台了《混凝土异形柱结构技术规程》,对异形柱的使用在高度上进行了较大的限制. 以7 度区为例,异形柱框架结构最大高度不超过21 m ,仅可用于多层建筑,而异形柱框架- 抗震墙结构最大高度不超过40 m ,可用于十几层的中高层住宅. 但在实际工程中,异形柱框架- 抗震墙结构过长的墙肢会给建筑布局造成较大的影响,无法满足中高层住宅建筑功能灵活多变的使用要求. 若将抗震墙墙肢长度缩短至5～8 倍肢厚范围内,就成为短肢剪力墙,整体结构也就成了异形柱框架—短肢剪力墙结构体系. 该结构体系是介于异形柱框架和异形柱框架- 抗震墙之间的一种新型结构体系. 它不仅继承了异形柱框架结构的诸多优势,在一定程度上突破了其在高度上的限制,而且较短的墙肢布置起来更加灵活方便,适用于中高层住宅的结构设计.

目前国内还没有开展该结构体系的理论分析和试验研究. 本文通过整体结构振动台试验以及相应的弹塑性理论分析,初步探讨了其抗震性能和能力.

二、振动台试验

1、模型设计

本次试验以某小区一幢在建的小高层住宅为背景,参考国内一些采用了异形柱和短肢剪力墙的板式小高层住宅实际工程,从中抽象出具有代表性的一个开间进行适当的简化,按7 度抗震设防, Ⅱ类场地设计了12 层异形柱框架—短肢剪力墙原型结构,再按相似比制作了振动台试验模型,模型的标准层平面如图1 所示1

图1 标准层平面图

模型的几何相似系数为1/ 7 ,其余主要的相似系数如表1 所示,采用设置人工配重的方法满足质量密度相似关系.竣工后模型总高度5. 22 m ,总重量11. 55 t .

表1 模型与原型相似系数

2、地震波选择

本试验选用三条地震波:两条实际地震记录Elcent ro 波和Taf t 波,一条上海人工波SHW2 ,作为台面输入. 地震波峰值和持续时间按规范要求和模型相似关系确定,以模拟不同设防烈度水准地震作用.

3、试验现象

7 度多遇地震作用下结构未见裂缝,频率下降不到1 %. 7 度基本烈度地震作用下结构频率下降了13.7 %,说明内部有微裂缝产生,但肉眼很难观察得到,部分应变片拉应变已超过300με.

7 度罕遇地震作用下,输入Elcent ro 波和Taf t 波后,首先在3 、4层边跨梁端出现裂缝,并扩展到1～6层. 输入上海波后,7～9 层边跨梁端和1～4 层中跨梁端均出现裂缝,且部分裂缝贯通,形成塑性铰。3 、4 层梁端裂缝延伸至楼板,形成连接L 形角柱柱肢两端点的45°方向板角裂缝,如图2 (a) 所示,频率降幅达30 %.

7 度(0. 15 g) 罕遇Elcent ro 波作用下未见新裂缝产生. Taf t 波和上海波作用下,2～6 层边跨中柱两边梁端出现裂缝;底部两层电梯井连梁梁端出现“八”字形剪切裂缝,频率降幅达40 %.

8 度罕遇Elcent ro 波和Taf t 波作用下除局部梁端裂缝增加外,无新裂缝产生. 上海波作用下,1～6层梁柱节点局部出现剪切斜裂缝,底部中柱柱脚和部分角柱上端出现水平裂缝;1～8 层电梯井连梁梁端出现“八”字形剪切裂缝;频率降幅接近50 %.

8 度(0. 30 g) 罕遇上海波作用下,底层角柱柱脚开裂;7 层以上的短肢剪力墙在墙肢中、上部产生了两三道因弯曲变形而形成的水平裂缝,如图2 (b) 所示.

最后,对模型结构施加破坏荷载,底层边跨柱脚、墙脚混凝土崩裂,钢筋压屈外鼓;顶层位移过大,接近倾覆倒塌;但没有出现薄弱层破坏.

图2 模型破坏形态

三、试验结果及分析

1、动力特性

输入台面各级地震波前后均对模型结构施加一个位移方波激励,经扫频得到各阶段模型一阶频率变化如图3 所示. 从中可以发现,随着试验的进程、模型裂缝的不断发展以及塑性变形的增加,模型的各阶频率都呈下降趋势,说明结构刚度逐渐减小.

虽然同烈度不同地震波作用下,模型结构反应存在一个累积损伤的影响,但输入波的顺序是按照弹性阶段结构反应由小到大的顺序进行,从而减小了这一影响,使其结果仍具可比性.

2、加速度反应

Elcent ro 波作用下结构第6 、9 、12 层加速度放大系数最大值随试验工况变化的趋势如图4 所示. 动力放大系数随地震烈度的提高而减小,说明随着地震烈度的增加,模型进入塑性程度的加深,损伤加剧,刚度降低,阻尼增大,导致模型各层动力放大系数的减小,但这种减小的趋势是逐渐减缓.

图3 一阶频率变化图

图4 加速度放大系数图

3、位移反应

通过对各楼层加速度时程信号经滤波处理后的二次积分,可获得各楼层位移响应时程,从而得到各层相对振动台台面位移最大值和层间位移角最大值包络图,如图5 、图6 所示. 模型结构整体侧移呈“S”形,具有明显的弯剪复合变形特征;曲线比较平滑,不存在突变. 在设防烈度地震作用下结构无明显薄弱层;但在罕遇地震作用下结构中下部4～6 层层间位移角最大,如表2 所示,易形成薄弱层.

表2 层间位移角最大值

图5 模型结构层位移包络图

图6 模型结构层间位移角包络图

规范给出的弹性阶段异形柱框架结构层间位移角限值为1/ 600 ,框架—抗震墙结构为1/ 850. 可见El cent ro 波和Taf t 波的试验结果均达到了异形柱框架—抗震墙结构的要求;而上海人工波仅满足了异形柱框架结构的限值要求;在7 度(0. 15 g) 罕遇地震阶段除上海人工波外,结构塑性阶段层间位移角均满足规范规定的框架结构1/ 60 的限值要求,且接近或达到了框架- 抗震墙结构1/ 110 的限值要求,说明该结构在Ⅱ、Ⅲ类场地上按7 度抗震设防设计有较大的安全储备. 在相同烈度地震情况下,输入上海人工波后结构反应明显大于Taf t 波和Elcent ro 波. 从三条地震波的频谱图可以发现,上海人工波峰值频率相对Taf t 波和Elcent ro 波更接近模型结构的主频,容易产生共振影响,且谱线峰值也明显偏大,所以产生了上述结果.

4、楼层地震作用

模型结构在Elcent ro 波作用下各楼层地震作用分布如图7 所示.地震作用沿楼层分布趋势大致相同,无明显薄弱层;低烈度地震下结构的楼层作用沿高度分布比较均匀,而高烈度时出现一些离散,说明随着结构塑性的发展,高阶振型的作用越来越明显.

图7 El cent ro 波作用下模型结构地震力包络图

图8 滞回模型

四、试验结果与理论分析对比研究

1、理论分析方法

由于空间问题的复杂性,目前结构的弹塑性时程反应分析主要还是以采用了层模型和杆系模型的平面非线性分析为主,其结果必然存在较大的近似性和局限性. 本文应用三维空间结构分析与设计软件Midas Gen 对模型进行了动力弹塑性时程分析. 软件计算模型采用了两端设塑性铰的单分量杆空间杆系模型,楼板为采用了壳单元的弹性楼板,短肢墙按薄壁柱输入. 分析方法选用Newmark 直接积分法,杆件的恢复力模型采用了Kinematic hardening 滞回模型,如图8 所示,并用Rayleigh 阻尼进行分析计算.

2、模型结果对比分析

（1）动力特性

经扫频得到的模型弹性阶段的自振频率和计算结果比较如表3 所示.试验结果和计算结果吻合较好,说明计算结果有一定的精度.

（2）加速度时程反应

模型在7 度罕遇地震下顶层加速度时程曲线和位移时程曲线如图9 、图10 所示. 由图可见,试验结果和计算结果基本吻合.

表3 理论和试验得到的模型自振频率（HZ）

图9 7度罕遇烈度下模型结构顶层加速度反应

图10 7度罕遇烈度下模型结构顶层位移反应

3、原型结果对比分析

要比较原型的结果,则应先按照相似关系将模型试验结果反推至原型,反推过程中应根据台面加速度设计值与实测值之间的误差对结果修正.

（1）层间位移反应

原型结构层间位移角包络图如图11 所示. 在7 度罕遇地震作用下理论结果和试验结果存在一定的误差,因为破坏越严重,塑性变形发展得越充分,混凝土结构就越难以模拟,理论分析与实际情况的误差也就越大. 试验结果要大于计算结果,主要是因为理论计算中没有考虑结构累积损伤的影响,并且假定地震动过程中轴力保持不变. 试验结果相对比较离散,这与试验设备、试验环境等许多因素有关. 但总变化趋势相同:多遇地震作用下结构不存在明显薄弱层;罕遇地震下,结构薄弱层出现在中下部4～6 层范围内.

图11 原型结构层间位移角包络图

（2）层间剪力

原型结构层间剪力包络图如图12 所示,从图中可以发现,随着震级加大,剪力包络曲线的离散性加大,说明随着模型破坏程度的加深,高阶振型参与的比例也相应增大.

图12 原型结构各楼层剪力包络图

五、结论及建议

1、除上海人工波外,7 度多遇和7 度罕遇地震作用下,模型最大层间位移角分别满足了规范给出的异形柱框剪结构弹性及塑性层间位移角限值要求,且经历8 度罕遇,甚至9 度罕遇阶段仍没有倒塌,说明该结构具有较强的抗震能力,满足“小震不坏”和“大震不倒”的抗震设防标准. 原型结构按Ⅱ类场地,7 度抗震设防设计有一定的安全储备.

2、从试验现象看,该结构总体破坏形态属于“梁铰破坏”,满足了“强柱弱梁”的延性设计要求. 在试验后期,模型底层柱脚出现出塑性铰;异形柱内折角处楼板出现板角开裂;短肢剪力墙以整体弯曲变形破坏为主,结构上部楼层墙肢开裂严重. 这些薄弱部位在设计时应予以重视.

3、试验和计算结果均显示结构的受力和变形呈现典型的弯剪型特征,中下部楼层是相对薄弱环节,结构设计时应适当增强该部位构件强度,避免薄弱层的破坏.

4、计算结果和试验结果比较吻合,说明文中采用的计算模型和计算方法合理可行,能反映出结构的薄弱环节.

总体来说,异形柱框架- 短肢剪力墙结构受力合理,具有一定的延性,整体抗震性能良好,同时也能很好的满足建筑布局的需要,适合于在小高层住宅建筑中应用.

TU145

1674-3954（2011）03-0228-03