框支密肋复合墙结构模型振动台试验研究

袁 泉，何玉阳

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

框支密肋复合墙结构模型振动台试验研究

袁 泉，何玉阳

（北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

对1／6缩尺框支密肋复合墙结构模型进行振动台试验，研究结构模型经历弹性阶段、开裂直至破坏的不同阶段动力特性及反应。以El Centro波、Taft波、人工波为输入地震波，分别对设防烈度7度及8度多遇、基本、罕遇、超罕遇地震作用进行试验，研究模型结构在各阶段地震作用下加速度、位移、应变反应及破坏形式、破坏机理。试验结果表明，框支密肋复合墙结构转换层破坏模式为剪切型破坏，塑性变形主要集中在转换层；框支密肋复合墙结构各层绝对加速度响应主要取决于前两阶振型，高阶振型影响较小，其中第一阶振型起绝对控制作用。

底框结构；密肋复合墙；转换层；抗震性能；振动台试验

框支密肋复合墙结构为由底部框架、上部密肋复合墙组成的新型结构体系。，其中密肋复合墙为主受力构件之一。该结构具有自重轻、整体性好、承载能力大、耗能强等优势［1－2］，文献［3－6］通过对密肋复合墙结构试验研究及理论分析表明，密肋复合墙结构中的填充砌块、密肋框格及隐形框架整体工作性能较好，在地震作用下能逐渐发生损伤破坏并耗散地震能量，从而改变结构的振动特性、提高结构抗震性能。

本文参考剪力墙结构振动台试验研究［7－10］，进行1／6缩尺框支密肋复合墙结构地震模拟振动台试验。通过测试模型结构在7度及8度多遇、基本、罕遇地震作用下动力特性、加速度反应、位移反应研究框支密肋复合墙结构薄弱部位、破坏形式及破坏机理。

1 试验概况

1.1 模型设计

试验所选原型为二托六结构，即底部2层均为框架剪力墙，上部6层均为密肋复合墙体，共8层，1层高3．6 m、2层高4．2 m，其它层高均为3 m，总高25．8 m。平面10．65 m×6．6 m。1、2层框架柱截面780 mm× 780 mm，其它层框架柱截面900 mm×200 mm，楼板厚160 mm，密肋复合墙板厚240 mm，剪力墙厚300 mm，按8°抗震设防。设计基本地震加速度0．15 g，地震分组第一组为Ⅱ类场地土，场地特征周期Tg＝0．35 g，50年一遇基本风压0．8 kN／m2。

图1 模型尺寸图Fig．1 Dimensions ofmodel

模型相似关系按原型1／6选取，由于振动台载荷限制，选二托三结构模拟原型二托六结构。为准确反应原型结构动力特性用人工质量模拟方式，即在试验模型二托三结构各层附加质量块总重2．88 t，其中1、2层每层0．36 t，3～5层每层0．72 t。平面尺寸1．78 m ×1．10 m，1层高0．6 m、2层高0．7 m，其它层高均0．5m。试验模型见图1。

1.2 模型相似关系

为使模型实验结果尽量真实反映原型结构性状，应合理确定原型与模型相似关系，满足物理、几何及边界条件的相似要求。试验用主要相似系数见表1。

表1 模型结构与原型相似关系Tab.1 Sim ilarity relation of themodel and prototype

1.3 实测材料

模型用C30细石混凝土浇筑，实测混凝土强度40．2 MPa、弹性模量2．76×104MPa。钢筋用镀锌铁丝，力学性能见表2。先按相似关系与原型换算，再遵循强度等效原则配筋。

表2 钢筋力学性能指标Tab.2 Properties of reinforcing bars

1.4 加载方案

试验在北京工业大学抗震结构实验室地震模拟振动台进行，见图2。据设防要求，输入加速度幅值从小到大依次增加模拟基本烈度、多遇、罕遇等不同程度地震对结构作用。采集模型结构在不同程度地震作用下不同部位加速度、位移及应变等数据，观察结构变形及开裂状况。模型总重6．17 t，为满足模型与原型质量、活荷载相似关系，在模型各层楼板附加质量块。附加质量块总重2．88 t，其中1、2层各0．36 t，3～5层各0．72 t。

据原型场地条件及结构动力特性，选三条地震波作为模拟地震振动台台面输入波，分别为Taft波、El Centro波及据地震危险性分析所得人工波。仅考虑N－S向（X向）地震作用，地震波输入方向与图1中①、②轴垂直。不同烈度地震波输入顺序依次为①Taft波、②El Centro波、③人工波。模型开裂前、后进行自振特性测试，分别采用白噪声法、锤击法。调整激振频率与模型发生共振后停止激振。共振、停止激振过程中采集模型各楼层加速度反应。分析加速度反应曲线获得模型自振频率、阻尼比及振型。试验中台面加速度输入峰值见表3。模型各阶段动力特性测试见表4。

图2 模型加载图Fig．2 Load ofmodel

表3 试验实际台面输入过程Tab.3 Test procedures

表4 模型各阶段动力特性测试过程Tab.4 Test procedu re of dynam ic character

1.5 测点布置及测试内容

自振特性测试主要测试结构自振频率、振型等模态特征，考察试验模型与结构原形及计算模型的特点与差异，检验结构动力特性及响应规律、模型各层楼面及台面绝对加速度、各楼层间相对位移、框架柱各楼层节点处应变、框架梁两端及中间处应变、剪力墙中心处应变。

2 试验结果及分析

2.1 破坏过程分析

输入7度罕遇烈度地震动作用后模型结构无可见裂缝。在7度罕遇烈度地震作用后模型结构自振频率开始下降，说明其刚度开始退化，混凝土内部已产生微裂缝。输入加速度峰值0．65 g的El centro波后3层密肋墙肋格中的填充砌块出现细小斜裂缝，2层剪力墙出现细小垂直裂缝及斜裂缝。白噪声扫频及锤击试验结果均显示模型结构自振频率下降。台面输入加速度峰值0．75 g的Taft波及El Centro波地震动作用后密肋墙板肋格与填充砌块接缝处出现大量裂缝，4层密肋墙底部出现水平裂缝。输入加速度峰值0．75 g人工波后已有裂缝进一步扩大、延伸，2层连梁出现新的垂直裂缝及斜裂缝，4层密肋墙底部出现新水平裂缝，3、2层连梁出现新垂直裂缝及斜裂缝，已有裂缝进一步扩大、延伸。台面输入加速度峰值0．85 g人工波后2层框架柱出现大量斜裂缝，2层剪力墙又现新裂缝，且原有裂缝不断延伸。3层密肋墙底部转角处现局部混凝土破坏。转换层以下结构因受转换层本身刚度约束以剪切变形为主，位于转换层以上结构整体弯曲性能强于转换层以下，因转换层强度对转换层以上结构的嵌固作用，使转换层以上部分相当于固接于转换层，因此转换层以下结构开裂后对上部结构影响不大，位移影响相当于底部刚度退化对上部结构起减震效果。

台面输入加速度峰值1．2 g地震波后模型结构普遍开裂，原裂缝延伸较多，框支柱中下部出现新水平裂缝，但未达完全破坏状态，2层剪力墙处的裂缝已贯通成主裂缝。2层以上（即转换层以上）密肋墙板大部分已破坏，说明底部开裂后转换层以下结构抗剪能力得以发挥，转换层以上结构以整体弯剪变形为主，在弯矩、轴力共同作用下使与转换层直接相连的密肋墙出现破坏。对底层剪力墙及密肋墙肋格接缝处的破坏因地震强度增加及模型结构本身施工中不足所致，模型结构施工中先底座后底层剪力墙，二者之间存在施工缝，影响剪力墙强度，输入加速度不足0．75 g时因裂面效应影响，底层剪力墙强度能抵制地震反应力，台面输入加速度超过0．75 g时，结构产生非线性变形，施工缝成为薄弱环节，造成开裂、甚至混凝土破坏。

由试验现象看出，转换层附近楼层为结构的薄弱楼层，与中上部结构较大层间位移不同，其位移反应基本为有害位移，较易在罕遇地震作用下破坏，因此该部位应为加强重点。各阶段破坏形态见图3。

图3 试件不同部位破坏图示Fig．3 Damage of specimens different parts

图4为在不同加速度EL-Centro波作用下结构第5层加速度时程反应曲线。

2.2 结构动力特性

密肋复合墙结构中复合墙板填充材料－硅酸盐砌块为多孔轻质、低强，随地震作用强度增加硅酸盐砌块内部微裂缝不断开展、延伸。在不同工作阶段处于不同受力状态。砌块开裂引起结构动力特性变化。锤击法所测数据经快速傅里叶变换（FFT）可获得模拟信号自谱、互谱传递函数。各阶段傅里叶变换见图5。前2阶自振频率测试结果见表5。

表5 前2阶自振频率测试结果Tab.5 Test results of frequencies

图4 EL-Centro波作用下结构5层加速度时程反应Fig．4 EL-Centrowave five acceleration time history response

图5 各阶段对应的傅里叶变换图示Fig．5 Each stage of the corresponding FFT

2.3 模型结构加速度反应

模型各层绝对加速度反应最大值见表6，台面输入相同加速度时各层加速度对比见图6。

图6 各层加速度对比Fig．6 Layers acceleration comparison chart

表6 模型各层绝对加速度反应最大值Tab.6 Maximum acceleration responses of models at different floors

3 结 论

（1）框支密肋复合墙结构转换层破坏模式为剪切型破坏，转换层上部密肋复合墙受力后体现出墙体中砌块、肋格、框架依次发挥作用的破坏机制，塑性变形主要集中于转换层。

（2）框支密肋复合墙结构各层绝对加速度反应主要取决于前两阶阵型，高阶阵型影响较小；第一阶阵型起绝对控制作用。

（3）结构开裂及非弹性变形发展其自振频率随之下降速度更快。

（4）转换层附近楼层是结构的薄弱楼层，其位移反应基本均为有害位移，较易在罕遇地震作用下破坏，设计中应重点加强。

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Earthquake simu lation test on m ulti-ribbed com posite wall supported on fram e

YUAN Quan，HE Yu-yang
（School of Civil Eng．，Beijing Jiaotong Univ．，Beijing 100044，China）

The shaking table testof the 1／6 scalemodel of amulti-rib bed composite wall supported on frame was carried out．The test structure has undergone the whole process of elastic stage，cracking and destruction．The dynamic characteristics and the dynamic responses of the structure in the various stages were tested，taking respectively the El Centro wave，Taftwave，artificial seismic wave as the input signals，under the excitation of earthquakes with the seismic fortification intensity of frequent，basic，rare，very rare 7 degrees and 8 degrees．The acceleration，displacement and strain responses of themodel structure in each phase under the action of earthquack aswell as the failuremode and failure mechanism of the structure were investigated．The results show that：themain destructionmode of frame supported ribbed composite wall structure is the shear failure of its conversion layer．The plastic deformation ismainly concentrated on the conversion layer．The absolute acceleration response of each layer depends primarily on the first two vibration modes，the effect of higher ordermodes is rather small and the firstmode plays a decisive role．

shear wall supported on frame structure；multi-ribbed composite wall；conversion layers；seismic performance；the shaking table test

TU375

：A

10．13465／j．cnki．jvs．2014．22．013

国家科技支撑计划“村镇住宅新型抗震节能结构关键技术研究与示范”（2011BAJ08B02）

2014－06－04 修改稿收到日期：2014－07－01

袁泉男，副教授，1974年4生

何玉阳男，博士生，1986年10生