边柱加强型预应力混凝土框架结构振动台试验研究

张 志，孟少平，于 琦，周 臻

(1.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096;2.华东建筑设计研究院 有限公司，上海 200002)

边柱加强型预应力混凝土框架结构振动台试验研究

张 志1，孟少平1，于 琦2，周 臻1

(1.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096;2.华东建筑设计研究院 有限公司，上海 200002)

国内的既有预应力混凝土框架结构(简称PC框架)大都是基于《混凝土结构设计规范(GBJ 10－89)》(简称89规范)进行设计，研究表明，其耗能机制为层间屈服机制。为了提高结构的抗震能力，对基于89规范设计的三层两跨空间PC框架进行了边柱加强，并完成了1∶7.2缩尺模型振动台试验。试验表明：加强的边柱在地震作用下的破坏推迟，结构损伤在各楼层分布均匀，模型能够形成梁端和柱端出铰的混合出铰机制，结构整体抗震能力大大提高。此外，脉冲型近场地震动Chi－Chi波对结构的位移响应影响更大，而El Centro波则更容易激发模型的高阶振型。

预应力框架结构;振动台试验;混合出铰机制;脉冲型近场地震动

20世纪80年代以来，预应力混凝土框架结构(简称PC框架)由于具有跨越能力大、结构布置灵活、经济性能良好等优点，在我国的房屋建筑中得到了大力推广和广泛应用。目前，我国建成的PC框架都是依据《混凝土结构设计规范(GBJ 10－89)》(简称89规范)设计和施工的，研究这些结构在地震作用下的真实抗震能力是十分必要的。

苏小卒［1－2］对有粘结与无粘结单跨单层PC框架的动力试验研究表明：PC框架在经受强烈持久的模拟地震激励后仍难以倒塌，表现出良好的震后恢复性能，但其耗能不完全都是梁铰机制。Park等［3］指出在地震作用下，由于高阶振型影响，无法预测的弯矩重分布，多层框架结构将不可避免地会在柱端出现塑性铰。王鑫［4］通过理论分析指出基于89规范设计的PC框架不仅难以实现“强柱弱梁”，甚至在强震作用下容易产生层间耗能机制。王红囡等［5］在对两榀单跨有粘结和无粘结PC框架进行伪静力试验之后指出，即使按照“强柱弱梁”进行设计，结构亦难以形成最理想的耗能机制。黄红霞［6］对某四层单跨的PC框架的拟静力试验结果表明在外荷载作用下框架首先在柱端出铰，最后才在一层梁端出铰。李宗森［7］在对某火电厂煤仓间的四层单跨PC框架进行振动台试验后也指出框架底层是结构的薄弱部位。但是，由于PC框架跨度大，荷载重的特点，框架梁承载力较大，如果要实现“强柱”，需要将柱截面增大到非常不合理的程度。鉴于此，有学者提出了更为经济合理的混合出铰耗能机制。如：Paulay等［8］提出对于重力荷载起控制作用的框架，设计时在保证部分梁端出铰的前提下，可以允许部分内柱柱端出铰使结构形成混合耗能机制。余志武等［9］对基于“强柱”和“弱柱”概念设计的5榀部分无粘结PC框架进行了低周反复试验，探讨了无粘结PC框架的延性、耗能和破坏形态，指出若能满足“弱柱”型框架柱的抗侧能力，采取有效的抗震措施，该型框架不失为一种有利的抗震结构型式。孟少平［10］通过多层多跨预应力混凝土框架的抗震能力试验，建立了PC框架基于边柱加强的混合耗能破坏机制。

为了考察国内现存的基于89规范设计的多层多跨PC框架的抗震性能，于琦［11］进行了基于89规范设计的空间三层两跨PC框架的振动台试验，试验结果表明该框架表现出明显的层间屈服机制，模型损伤集中在底层柱端，且在大震作用下倒塌破坏。在此基础上，本文采用加强边柱的方法对文献［11］中的模型进行了改进，并进行1∶7.2缩尺模型振动台试验，研究改进结构的地震响应和耗能机制，为现有PC框架抗震能力的改进、新PC框架结构的设计提供参考。

1 振动台试验模型设计

1.1 试验模型简介

试验模型为1∶7.2的三层两跨有粘结预应力混凝土框架，各参数相似关系如表1所示。由于文献［11］中的模型表现出明显的层间耗能机制，损伤集中在模型底层，因此改进模型扩大了一、二层边柱截面尺寸，并增配了柱的纵向受力钢筋和箍筋。为了防止模型节点区发生剪切破坏，对模型一、二层梁端进行了加腋，加腋高度55 mm，加腋长度250 mm，实际模型如图1所示。模型侧立面图如图2所示，其中小黑点代表钢筋应变片测点的位置。

图1 模型照片Fig.1 Model picture

表1 模型与原型相似系数Tab.1 Similarity coefficient of the model and the prototype

1.2 模型材料和配筋参数

模型采用C20微粒混凝土制作，普通钢筋用12号、16号镀锌铁丝(以下简称“#12、#16”)代替，楼面预应力筋采用直径7 mm抗拉强度设计值1 570 MPa高强钢丝，屋面预应力筋采用直径5 mm抗拉强度设计值1 570 MPa高强钢丝。材料的材性参数如表2所示。

图2 模型侧立面图Fig.2 Profile of the model

模型预应力梁截面尺寸、配筋如表3所示。模型框架柱截面尺寸、配筋如表4所示。

表2 模型的材性参数Tab.2 Material characteristic of the model

表3 模型结构的预应力梁截面与配筋Tab.3 Sections and reinforcement arrangement of the prestressed beams of the model

表4 模型结构的柱截面与配筋Tab.4 Sections and reinforcement arrangement of the columns of the model

2 试验测试与加载方案

2.1 测量仪器布置

加速度传感器：采用Lance ICP型加速度传感器，共7只，布置在PC框架端立面。位移传感器：采用ASM拉线式位移传感器，共4只，布置在PC框架端立面，用来校核加速度积分计算得出的位移。加速度传感器和位移传感器的布置如图3所示。所有的加速度和位移数据采用南京安正软件工程有限公司开发的动态采集系统采集。

图3 模型测量仪器布置图Fig.3 Arrangement of the acquisition instruments

在模型底层和顶层柱端以及边柱加腋处框架梁梁端布设应变片监测模型配筋在试验过程中的应变变化，使用DH－3817动态应变采集仪采集试验过程中的铁丝应变。

2.2 地震波选择及加载制度

试验选用三条地震波，如表5所示。

表5 试验用地震波Tab.5 Earthquake records used in the experiment

经过基线校正之后的Chi－Chi波及相应的速度、位移时程如图4所示，从图中可以看出，校正后的时程依然含有明显的速度脉冲效应，可以检验速度脉冲效应对结构反应的影响。根据相似条件，输入地震动时间间隔压缩至0.003 375 s。

图4 某工况下输入的Chi－Chi波的加速度以及相应的速度、位移时程曲线Fig.4 Acceleration and relative velocity，displacement traces of the Chi－Chi earthquake

振动台试验的加载制度如表6所示。

3 试验结果分析

本文对1.1节中模型进行了振动台试验研究，获得其在各级地震作用下的实际表现。

3.1 试验现象描述

工况1之后，模型没有发现可见裂缝，基本处于弹性状态。工况2之后，框架一边柱柱底外侧出现微小裂缝，框架其他部位仍保持完好。工况3之后，部分底层边柱柱顶与梁相交处开裂。工况4～工况6之后，框架柱底层柱顶均开裂，在框架二、三层柱顶发现裂缝，如图5(a)所示。工况7的地震波输入过程中，模型的底层发生了明显的层间变形，地震波输入完成后，除底层柱顶开裂加剧，中柱柱底出现裂缝外，二层和三层部分柱顶都发生了开裂，底层预应力框架梁位于边柱附近的加腋端部出现了竖向裂缝，如图5(b)所示，说明在模型梁端出现损伤，相比较于文献［11］中未经过边柱加强的模型表现出了更为合理的耗能能力。工况8的El Centro波和Taft波输入之后，在前一个工况中框架梁加腋处出现的裂缝加剧，二、三层柱端开裂位置分布更为广泛，主要集中在中柱附近。工况8的Chi－Chi波输入完成后，底层框架梁在边柱附近的加腋端部全部开裂，二层中柱附近的加腋端部开裂，三层边柱柱顶环绕开裂。工况9地震波用于模拟大震过后的余震，地震动强度较前面工况有所减小，输入完成后，模型损伤没有明显改变。框架模型试验的损伤如图6所示。

表6 振动台试验加载制度Tab.6 Test design cases

从图6可以看出模型损伤比较分散，而且梁端和中柱的开裂都比较明显。根据钢丝材性试验结果，#12铁丝屈服应变大概在1 500 με，底层中柱柱顶和柱底钢筋在Taft波激励下的应变时程曲线以及模型测点的应变水平如图7所示。

图7 工况8激励下模型应变示意图Fig.7 Strain of the model in case 8 stimulation

由于模型制作过程中损坏了部分应变片，根据存活的铁丝应变采集数据，底层中柱柱端、框架梁梁端和三层边柱柱端的应变相比其他测点较大，加腋处梁底铁丝应变较梁顶铁丝应变要大。从图7(a)可以看出底层中柱的柱顶铁丝应变峰值远远大于屈服应变，底层中柱顶端形成了塑性铰。虽然模型没有形成足够多的塑性铰，但是根据现有的应变测试结果可以推断出在更大强度的地震动激励下，模型的出铰顺序依次为底层中柱柱端，顶层边柱柱端和框架梁端，形成梁端、中柱和部分顶层边柱同时出铰的混合耗能机制。由于顶层中柱柱端应变仅在400 με水平，在顶层部分边柱柱端出铰的情况下，顶层柱整体仍具有一定的抗侧能力。在框架梁端出铰之后，模型已经形成了混合出铰机制，此时底层边柱柱端还未出铰，可以有效防止模型的倒塌，所以相比较文献［11］中的模型所表现出的典型的层间屈服机制，经过边柱加强之后的模型具有更合理的耗能机制和更好的抗震能力。

3.2 模型结构的动力特性

在振动台试验之前，白噪声扫频得到模型初始基频为8.133HZ。随着试验的进行，结构的基频变化如图8所示。

图8 模型结构基频变化示意图Fig.8 Variation of the fundamental frequency

从图8可以看出随着输入地震动强度的增大，模型自振频率降低，说明结构损伤越来越大。在初始几个工况激励中，模型自振频率没有降低或者降低很小，这是由于输入的地震动强度较小，模型基本处于弹性状态。从工况5开始，结构的频率降低非常显著，模型底层柱端开裂明显增加，二、三层柱端也出现开裂，从工况7开始，在梁端也出现开裂，结构基频变化和试验现象相符。数值模拟采用OpenSees模拟二维框架，从图8中可以看出数值模拟和试验结果趋势相符。

模型的第一阶振型变化如图9所示。

从图9可以看出，前7个工况模型的一阶振型相近，从工况8开始，结构一阶振型明显发生了变化，这说明随着地震波强度的提高，结构损伤已经很大，可以从振型模态表现出来。这也和模型本身的自振频率变化以及试验现象相符。

3.3 模型结构的加速度响应

模型在 El Centro波，Taft波，Chi－Chi波输入过程中的每层受到的加速度响应如图10所示。

从图10可以看出，在三条地震波激励下一、二、三层的加速度时程逐渐增大，说明模型在地震波激励下的反应随着测点所在高度的升高而增大。

图9 模型的一阶振型的变化Fig.9 Variation of the first modal shape

图10 模型在不同强度地震动激励下每层加速度响应包络图Fig.10 Envelope of the acceleration of every floor under different earthquake stimulation

由于振动台实际输出的El Centro波的卓越周期在0.16 s附近，在工况4结束时，模型扫频得到的一阶自振频率为0.125 s，在工况8结束后模型扫频得到的一阶自振频率为0.163 s，更为接近El Centro波的卓越周期，故模型在工况9的加速度反应大于工况5的加速度反应。振动台实际输出Taft波的卓越周期在0.149 s，但是根据该波的频谱，在0.125 s时的反应要大于0.163 s时的反应，故Taft波激励时，模型在工况5下的反应要大于工况9。

3.4 模型结构的层间位移角

模型在各条地震波下的最大层间位移角如图11所示。由于在低强度地震动输入时模型响应较小，而位移传感器采集的数据受到外界影响较大，故层间位移采用加速度在频域内的积分获得。

根据图10的结果，随着地震动强度的增加，模型每一层受到的地震作用也增加，所以在图11中，模型的层间位移角随着输入地震动强度的增大而增大。模型一、二层边柱抗侧刚度较三层有所加强，在El Centro波激励下，模型层间位移表现出了高阶模态，三层的层间位移角较二层要大，但是在Taft波和Chi－Chi波激励下，模型层间位移从上到下逐层增大，模型侧移曲线表现为剪切型。在三种地震动激励下，Chi－Chi波产生的底层层间位移角最大，说明低层建筑受到含有速度脉冲的近场地震动激励产生的底层层间位移要比普通中远场地震动大。

图11 模型在不同地震激励下的层间位移角示意图Fig.11 Story drift of different earthquake stimulation

通过对比进行边柱加强之前和之后的层间位移角响应可以发现，虽然图11中底层的层间位移角是三层之中最大的，但是相比较于文献［11］中的模型，该模型在三种地震波激励下底层层间位移角最大值都超过了2%，在Chi－Chi波激励下达到了3.5%，进行边柱加强后的模型的层间位移角已经大为减小，损伤分散在各层，边柱加强后的结构表现出更好的抗震能力。

模型在工况3和工况7不同类型地震波激励下的响应对比如图12所示。

图12 在不同类型地震动激励下模型响应对比图Fig.12 Comparison of the response of the model under different earthquake stimulation

从图12可以看出，从工况3到工况7，模型三个楼层的层间位移角增加相当，说明模型的损伤分散在各层。工况7中Chi－Chi波的加速度响应远小于Taft波和El Centro波，一方面可能由于数据记录存在的时间间隔造成记录数据时的部分峰值丢失，另一方面应该和模型自振周期远离Chi－Chi波卓越周期有关，可是Chi－Chi波的层间位移角响应却明显大于其他两条地震波，说明速度脉冲型地震波对于结构的位移响应较其他中远场地震波有更大的影响。

4 结论

通过上述分析，得出以下结论：

(1)基于89规范设计的PC框架经过边柱加强后，虽然在地震作用下底层的层间位移角是三层之中最大的，但是相比较于边柱加强之前的模型，已经大为减小，模型损伤分散在各层，抗震能力得到了极大的提高。

(2)基于89规范设计的PC框架经过边柱加强后，在地震动激励下易于形成混合出铰机制，能够满足小震不坏，中震可修，大震不倒的设防要求，并可以抵御高于原设防烈度的大震作用。

(3)模型结构在工况9激励下损伤没有发生明显的增加，说明边柱加强可以有效地提高结构在大震后抵御余震冲击的能力。

(4)模型结构在速度脉冲型近场地震动激励下的位移响应较其他中远场地震动更为明显，且速度脉冲型近场地震动更容易激发模型结构的一阶振型。

［1］苏小卒，朱伯龙.预应力混凝土框架的振动台试验及非线性系统识别［J］.同济大学学报，1990，18(2)：157－166.

［2］苏小卒.预应力混凝土框架结构抗震性能的研究［M］.上海：上海科学技术出版社，1998.

［3］Park R，Paulay T.Reinforced concrete structures［M］.John Wiley＆ Sons，Inc，1975.

［4］王 鑫.既有预应力混凝土框架结构抗震能力评估及相关问题研究［D］.南京：东南大学，2010.

［5］王红囡，周德源，吴晓涵.预应力混凝土框架结构抗震性能伪静力试验研究［J］.建筑结构，2005，35(5)：74－76.

［6］黄红霞.预应力混凝土框架结构抗震性能试验研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［7］李宗森.火电厂煤仓间预应力砼框架结构振动台试验研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［8］Paulay T，Priestley M J N.Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings［M］.John Wiley＆ Sons，Inc，1992.

［9］余志武，罗小勇.水平低周反复荷载作用下无粘结部分预应力混凝土框架的抗震性能研究［J］.建筑结构学报，1996，17(2)：30－36.

［10］孟少平.预应力混凝土框架结构抗震能力及设计方法的研究［D］.南京：东南大学，2000.

［11］于 琦.既有预应力混凝土框架结构基于性能的抗震能力评估与改进研究［D］.南京：东南大学，2010.

Shaking table test of a side-column-strengthened prestressed concrete frame structure

ZHANG Zhi1，MENG Shao－ping1，YU Qi2，ZHOU Zhen1
(1.Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China;2.East China Architecture Design＆ Research Institute Co.Ltd.，Shanghai 200002，China)

The frame hinge mechanisms of the plenty of existing prestressed concrete frame structures(PC frame structures)which were designed according to the 89 code are story sway mechanisms.In order to improve the seismic resistance of this kind of structures，a shaking table test on the 1∶7.2 reduced scale model of a modified 3 story－2 bay PC frame structure was carried out.The results indicated that the strengthened side columns'damage was postponed，the breakage was dispersed to all stories，the structure acted as a combined hinges yield mechanism and the seismic resistance of the PC frame structure was improved.Comparing to the earthquakes of El Centro and Taft，the model responded more severely during the input of Chi－Chi earthquakes.El Centro triggers more easily higher－mode shapes than other earthquakes.

prestressed concrete frame structure;shaking table test;combined hinges yield mechanism;impulsive near－field ground motion

TU378.4

A

国家重点基础研究发展计划(973计划)基金项目资助(2007CB714200);国家自然科学基金项目资助(50878055)

2011－06－20 修改稿收到日期：2011－09－07

张 志 男，硕士生，1986年生

孟少平 男，教授，1960年生