鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)擬靜力倒塌試驗研究

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)擬靜力倒塌試驗研究

0結(jié)構(gòu)平面內(nèi)數(shù)值模擬的局限性由于四川地震超出了規(guī)定的地震烈度，大量建筑物遭到嚴重破壞和坍塌。重災(zāi)區(qū)部分按照《建筑抗震規(guī)范設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)設(shè)計建造的RC框架結(jié)構(gòu)也遭受不同程度的震害。需要特別關(guān)注的是,除地震強度過大導(dǎo)致的破壞外,還出現(xiàn)了很多與預(yù)期破壞機制不一致的破壞現(xiàn)象,如出現(xiàn)大量強梁弱柱破壞,在地面±0.000處而不是基礎(chǔ)頂面出現(xiàn)柱鉸破壞等。汶川地震后,國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對汶川地震中RC框架結(jié)構(gòu)的震害現(xiàn)象進行了大量深入的研究,取得了很多研究成果。但現(xiàn)有的研究工作也存在一些局限性,主要包括:(1)許多學(xué)者采用數(shù)值方法模擬建筑物的震害,但是現(xiàn)有數(shù)值模型計算RC框架結(jié)構(gòu)的合理性和準確性還存在爭議。譬如,目前采用的數(shù)值模型包括纖維模型、集中塑性鉸模型、實體單元模型等,在采用纖維模型的計算中,有的研究者采用基于位移法的梁單元模型,有的研究者采用基于力法的梁單元模型。在現(xiàn)有的計算條件下,到底哪種模型最適合進行強震下RC框架結(jié)構(gòu)的強非線性分析,以及模型計算參數(shù)應(yīng)如何取值,尚需要深入研究。(2)很多研究者針對汶川地震的震害現(xiàn)象(如強柱弱梁問題)設(shè)計了梁柱節(jié)點構(gòu)件試驗加以研究。部分研究者認為,梁柱節(jié)點構(gòu)件試驗的邊界條件與實際結(jié)構(gòu)存在一定差別,所以用梁柱節(jié)點構(gòu)件試驗來近似模擬實際結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點受力行為的合理性還有待進一步探討。(3)部分研究者對整體RC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進行了數(shù)值模擬,如陸新征等對清華大學(xué)進行的3層框架擬靜力試驗進行了模擬。但是在研究中發(fā)現(xiàn),由于框架結(jié)構(gòu)整體變形的組成成分很多,如梁、柱等構(gòu)件變形,節(jié)點區(qū)變形等,因此當(dāng)計算結(jié)果和試驗結(jié)果出現(xiàn)不一致時,往往難以明確數(shù)值計算誤差的主要來源。針對上述問題,中國建筑學(xué)會抗震防災(zāi)分會建筑抗倒塌專業(yè)委員會依托清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點實驗室,進行了RC框架擬靜力倒塌的系列試驗研究,并舉行了相關(guān)的試驗分析數(shù)值模擬競賽。從2011年6月20日開始到2012年1月3日截止,歷時近半年,完成了1個3層4跨RC框架、2個關(guān)鍵梁柱節(jié)點和4個關(guān)鍵框架柱的系列試驗,進行3輪試驗分析競賽,共收到72組預(yù)測結(jié)果。本文及后續(xù)系列論文將分別對上述試驗及競賽情況加以介紹,供有關(guān)工程設(shè)計和研究人員參考。1rc結(jié)構(gòu)試驗設(shè)計1.1試驗?zāi)Ｐ图胺桨冈囼灥慕Y(jié)構(gòu)原型參考汶川地震相關(guān)震害資料,按我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)7度設(shè)防Ⅱ類場地設(shè)計了一個6層三跨RC框架,層高3.3m,跨度6m,柱截面尺寸為400mm×400mm,梁截面尺寸為250mm×500mm,梁、柱混凝土強度等級C30,縱筋HRB335,箍筋HPB235?？蚣芸拐鸬燃墳槿墶Ｕ{(diào)整樓面恒載,使得首層中柱±0.000處設(shè)計軸壓比為0.80,計算得施加的恒載為4.6kN/m2,活載為2.0kN/m2。采用PKPM軟件完成其配筋設(shè)計。為保持與真實結(jié)構(gòu)的受力情況相近,本次試驗設(shè)計的RC框架結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ陀幸韵?個特點:1)在底層柱腳設(shè)計了拉梁,以考察拉梁對柱子的約束影響;2)框架梁考慮樓板(樓板寬度取6倍板厚),以模擬樓板對結(jié)構(gòu)受力的影響?？紤]到清華大學(xué)實驗室相關(guān)試驗條件的限制,需要對原型結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)簡化以滿足實驗室的實驗條件要求?？煽紤]的簡化處理方法包括:1)將結(jié)構(gòu)按1:2比例縮小以滿足試驗臺座尺寸的限制;2)取對結(jié)構(gòu)抗震倒塌性能有決定性作用的底部若干層作為試驗?zāi)Ｐ?上部各層的荷載通過千斤頂施加豎向荷載進行模擬,并保持底層柱軸壓比不變,根據(jù)實驗室高度限制,可取底部3層或2.5層;3)將結(jié)構(gòu)樓面荷載折算為結(jié)構(gòu)頂部的豎向荷載,以避免倒塌試驗中樓板上堆載可能帶來的安全隱患;4)將擬靜力試驗通常采用的倒三角多點比例加載模式的上部3層水平力簡化為結(jié)構(gòu)3層頂部一點水平加載。為對比上述簡化可能對結(jié)構(gòu)最終破壞模式帶來的影響,在試驗前先對不同結(jié)構(gòu)模型進行了Pushover分析,共考慮了6個不同的模型,如表1所示,其中模型1為原結(jié)構(gòu)(基準模型),模型2為1/2縮尺模型,其他模型均進行了程度不同的簡化。Pushover分析的目的是確認實際選擇的試驗?zāi)Ｐ鸵呀?jīng)盡可能簡化,且與基準模型的受力性能差別最小。分析得到的各模型的破壞模式和塑性鉸分布如圖1所示,由圖可見模型6與基準模型的破壞模式不同,即將多點力比例加載模式簡化為結(jié)構(gòu)頂部一點加載會改變結(jié)構(gòu)的破壞模式,是不合適的。綜合比較模型2~6的分析結(jié)果,最終采用模型5作為試驗方案,即按1∶2縮尺比的底部3層模型,并將豎向荷載都集中為模型的頂部集中力。最終試驗方案如圖2所示?？蚣艿脑敿毰浣钤O(shè)計資料可參閱建筑抗倒塌專業(yè)委員會的網(wǎng)站。1.2側(cè)向約束支撐試驗試驗豎向荷載通過2個千斤頂和2個分配梁施加,每個千斤頂將489kN的豎向荷載加載在每個分配梁的三分點處,使中柱和邊柱的軸壓力保持1∶2的比例。采用3個水平千斤頂以18∶2∶1的比例施加往復(fù)側(cè)向水平力(圖2)。為避免結(jié)構(gòu)發(fā)生平面外位移,采用了4組側(cè)向約束支撐。地梁端部通過錨栓固定,中部以壓梁固定。試驗框架如圖3所示。整個試驗以位移控制加載,通過MTS試驗機保證三個水平加載點的水平力比例。試驗中大多數(shù)水平往復(fù)加載以結(jié)構(gòu)頂部水平位移控制,在最大層間位移角限值1/550(抗規(guī)小震變形限值)和1/50(抗規(guī)大震變形限值)時加載通過多點位移實時觀測控制,分別循環(huán)1圈和2圈。試驗加載制度如表2所示。2材料性能試驗試驗前進行材性測試,得到混凝土和鋼筋的有關(guān)力學(xué)指標如表3,4所示。3試驗現(xiàn)象和結(jié)果3.1節(jié)點區(qū)混凝土破壞機理將層1的4根柱自西向東依次編號為1號柱、2號柱、3號柱、4號柱(圖2和圖3),其中1,4號為邊柱,2,3號為中柱。加載過程中,第5個循環(huán)拉梁層邊節(jié)點區(qū)、層1中節(jié)點區(qū)出現(xiàn)斜裂縫(圖4(a))。第11,12個循環(huán)結(jié)構(gòu)變形達到大震下層間位移角限值1/50,此時邊柱和中柱柱腳混凝土有明顯壓酥現(xiàn)象,邊節(jié)點區(qū)、中節(jié)點區(qū)混凝土有明顯剝落(圖4(b))。第15,16個循環(huán)3號柱柱腳保護層混凝土幾乎完全剝落,縱筋壓曲,箍筋露出(圖4(c))。第17~20個循環(huán)各柱腳、節(jié)點區(qū)混凝土破壞加劇,加載時結(jié)構(gòu)發(fā)出響聲。框架柱與三角支撐的接觸面發(fā)生損壞,說明結(jié)構(gòu)有平面外變形的趨勢,而為三角支撐所約束。第21個循環(huán)正向加載時,3號柱瞬間發(fā)生明顯豎向變形,柱腳混凝土完全壓潰,縱筋明顯外鼓,柱身明顯錯位(圖4(d))。此時結(jié)構(gòu)已呈危險狀態(tài),瀕臨完全倒塌,遂卸去軸力,停止試驗,見圖5。整個試驗過程中,正向加載時,3號柱破壞較為嚴重;反向加載時,2號柱破壞較為嚴重。從試驗現(xiàn)象中可以總結(jié)出如下幾點規(guī)律:1)裂縫最早出現(xiàn)在層1梁端和層1節(jié)點附近的樓板翼緣上;2)層1柱腳破壞嚴重,柱頂破壞相對較小;3)層1節(jié)點區(qū)破壞嚴重,層2節(jié)點區(qū)也有一定程度的破壞;4)結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)剪切型變形,底層層間變形在結(jié)構(gòu)整體位移中占主要部分,越到后面的循環(huán)這一現(xiàn)象越明顯(圖6);5)由于P-Δ效應(yīng),結(jié)構(gòu)最終因3號柱柱底混凝土壓潰導(dǎo)致豎向承載力喪失而發(fā)生倒塌。3.2結(jié)構(gòu)的滯回曲線和層間位移試驗框架的基底剪力-頂點位移曲線以及各層的層剪力-層間位移曲線如圖7~10所示。從圖中可以看出,結(jié)構(gòu)的滯回曲線呈現(xiàn)比較飽滿的紡錘形,表現(xiàn)出一定程度的捏攏現(xiàn)象,總的來說,結(jié)構(gòu)的耗能能力較好。結(jié)構(gòu)的層間位移主要發(fā)生在層1和層3,層3層間位移較小。另外,在試驗后期加載位移較大時,層2和層3的層剪力-層間位移曲線表現(xiàn)出一定程度的不對稱?？蚣艿脑敿氃囼灁?shù)據(jù)可參閱建筑抗倒塌專業(yè)委員會的網(wǎng)站。4框架柱節(jié)點試驗(1)框架結(jié)構(gòu)破壞主要位于框架柱和節(jié)點內(nèi),不能保證完全“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。(2)框架柱底塑性鉸區(qū)主要位于基礎(chǔ)拉梁以上,表明基礎(chǔ)拉梁對框架柱有著很好的約束作用,傳統(tǒng)設(shè)計中將框架底層柱計算長度取到基礎(chǔ)頂面(而非拉梁以上)可能會低估框架柱的線剛度,進而導(dǎo)致底層柱配筋不足。(3)整體框架試驗只能得到整體結(jié)構(gòu)宏觀的外力-變形規(guī)律。節(jié)點區(qū)塑性變形和