鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)擬靜力倒塌試驗(yàn)研究

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)擬靜力倒塌試驗(yàn)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(yán)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(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)設(shè)計(jì)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(qiáng)度過大導(dǎo)致的破壞外,還出現(xiàn)了很多與預(yù)期破壞機(jī)制不一致的破壞現(xiàn)象,如出現(xiàn)大量強(qiáng)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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)汶川地震中RC框架結(jié)構(gòu)的震害現(xiàn)象進(jìn)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(jì)算RC框架結(jié)構(gòu)的合理性和準(zhǔn)確性還存在爭(zhēng)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(shí)體單元模型等,在采用纖維模型的計(jì)算中,有的研究者采用基于位移法的梁?jiǎn)卧Ｐ?有的研究者采用基于力法的梁?jiǎn)卧Ｐ?。在現(xiàn)有的計(jì)算條件下,到底哪種模型最適合進(jìn)行強(qiáng)震下RC框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)非線性分析,以及模型計(jì)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(duì)汶川地震的震害現(xiàn)象(如強(qiáng)柱弱梁?jiǎn)栴})設(shè)計(jì)了梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件試驗(yàn)加以研究。部分研究者認(rèn)為,梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件試驗(yàn)的邊界條件與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在一定差別,所以用梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)件試驗(yàn)來近似模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點(diǎn)受力行為的合理性還有待進(jìn)一步探討。(3)部分研究者對(duì)整體RC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,如陸新征等對(duì)清華大學(xué)進(jìn)行的3層框架擬靜力試驗(yàn)進(jìn)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(diǎn)區(qū)變形等,因此當(dāng)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)不一致時(shí),往往難以明確數(shù)值計(jì)算誤差的主要來源。針對(duì)上述問題,中國(guó)建筑學(xué)會(huì)抗震防災(zāi)分會(huì)建筑抗倒塌專業(yè)委員會(huì)依托清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行了RC框架擬靜力倒塌的系列試驗(yàn)研究,并舉行了相關(guān)的試驗(yàn)分析數(shù)值模擬競(jìng)賽。從2011年6月20日開始到2012年1月3日截止,歷時(shí)近半年,完成了1個(gè)3層4跨RC框架、2個(gè)關(guān)鍵梁柱節(jié)點(diǎn)和4個(gè)關(guān)鍵框架柱的系列試驗(yàn),進(jìn)行3輪試驗(yàn)分析競(jìng)賽,共收到72組預(yù)測(cè)結(jié)果。本文及后續(xù)系列論文將分別對(duì)上述試驗(yàn)及競(jìng)賽情況加以介紹,供有關(guān)工程設(shè)計(jì)和研究人員參考。1rc結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨冈囼?yàn)的結(jié)構(gòu)原型參考汶川地震相關(guān)震害資料,按我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)7度設(shè)防Ⅱ類場(chǎng)地設(shè)計(jì)了一個(gè)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(qiáng)度等級(jí)C30,縱筋HRB335,箍筋HPB235?？蚣芸拐鸬燃?jí)為三級(jí)。調(diào)整樓面恒載,使得首層中柱±0.000處設(shè)計(jì)軸壓比為0.80,計(jì)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(jì)。為保持與真實(shí)結(jié)構(gòu)的受力情況相近,本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的RC框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀幸韵?個(gè)特點(diǎn):1)在底層柱腳設(shè)計(jì)了拉梁,以考察拉梁對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響?？紤]到清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)試驗(yàn)條件的限制,需要對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化以滿足實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)條件要求。可考慮的簡(jiǎn)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(yàn)臺(tái)座尺寸的限制;2)取對(duì)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(yàn)?zāi)Ｐ?上部各層的荷載通過千斤頂施加豎向荷載進(jìn)行模擬,并保持底層柱軸壓比不變,根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(yàn)中樓板上堆載可能帶來的安全隱患;4)將擬靜力試驗(yàn)通常采用的倒三角多點(diǎn)比例加載模式的上部3層水平力簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)3層頂部一點(diǎn)水平加載。為對(duì)比上述簡(jiǎn)化可能對(duì)結(jié)構(gòu)最終破壞模式帶來的影響,在試驗(yàn)前先對(duì)不同結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了Pushover分析,共考慮了6個(gè)不同的模型,如表1所示,其中模型1為原結(jié)構(gòu)(基準(zhǔn)模型),模型2為1/2縮尺模型,其他模型均進(jìn)行了程度不同的簡(jiǎn)化。Pushover分析的目的是確認(rèn)實(shí)際選擇的試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵呀?jīng)盡可能簡(jiǎn)化,且與基準(zhǔn)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(zhǔn)模型的破壞模式不同,即將多點(diǎn)力比例加載模式簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)頂部一點(diǎn)加載會(huì)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(yàn)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(yàn)方案如圖2所示?？蚣艿脑敿?xì)配筋設(shè)計(jì)資料可參閱建筑抗倒塌專業(yè)委員會(huì)的網(wǎng)站。1.2側(cè)向約束支撐試驗(yàn)試驗(yàn)豎向荷載通過2個(gè)千斤頂和2個(gè)分配梁施加,每個(gè)千斤頂將489kN的豎向荷載加載在每個(gè)分配梁的三分點(diǎn)處,使中柱和邊柱的軸壓力保持1∶2的比例。采用3個(gè)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(yàn)框架如圖3所示。整個(gè)試驗(yàn)以位移控制加載,通過MTS試驗(yàn)機(jī)保證三個(gè)水平加載點(diǎn)的水平力比例。試驗(yàn)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(shí)加載通過多點(diǎn)位移實(shí)時(shí)觀測(cè)控制,分別循環(huán)1圈和2圈。試驗(yàn)加載制度如表2所示。2材料性能試驗(yàn)試驗(yàn)前進(jìn)行材性測(cè)試,得到混凝土和鋼筋的有關(guān)力學(xué)指標(biāo)如表3,4所示。3試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果3.1節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土破壞機(jī)理將層1的4根柱自西向東依次編號(hào)為1號(hào)柱、2號(hào)柱、3號(hào)柱、4號(hào)柱(圖2和圖3),其中1,4號(hào)為邊柱,2,3號(hào)為中柱。加載過程中,第5個(gè)循環(huán)拉梁層邊節(jié)點(diǎn)區(qū)、層1中節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)斜裂縫(圖4(a))。第11,12個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)變形達(dá)到大震下層間位移角限值1/50,此時(shí)邊柱和中柱柱腳混凝土有明顯壓酥現(xiàn)象,邊節(jié)點(diǎn)區(qū)、中節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土有明顯剝落(圖4(b))。第15,16個(gè)循環(huán)3號(hào)柱柱腳保護(hù)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(gè)循環(huán)各柱腳、節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土破壞加劇,加載時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)出響聲?？蚣苤c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(shì),而為三角支撐所約束。第21個(gè)循環(huán)正向加載時(shí),3號(hào)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(cuò)位(圖4(d))。此時(shí)結(jié)構(gòu)已呈危險(xiǎn)狀態(tài),瀕臨完全倒塌,遂卸去軸力,停止試驗(yàn),見圖5。整個(gè)試驗(yàn)過程中,正向加載時(shí),3號(hào)柱破壞較為嚴(yán)重;反向加載時(shí),2號(hào)柱破壞較為嚴(yán)重。從試驗(yàn)現(xiàn)象中可以總結(jié)出如下幾點(diǎn)規(guī)律:1)裂縫最早出現(xiàn)在層1梁端和層1節(jié)點(diǎn)附近的樓板翼緣上;2)層1柱腳破壞嚴(yán)重,柱頂破壞相對(duì)較小;3)層1節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞嚴(yán)重,層2節(jié)點(diǎn)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(hào)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(yàn)框架的基底剪力-頂點(diǎn)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(yàn)后期加載位移較大時(shí),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(duì)稱?？蚣艿脑敿?xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可參閱建筑抗倒塌專業(yè)委員會(huì)的網(wǎng)站。4框架柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)(1)框架結(jié)構(gòu)破壞主要位于框架柱和節(jié)點(diǎn)內(nèi),不能保證完全“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)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(duì)框架柱有著很好的約束作用,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中將框架底層柱計(jì)算長(zhǎng)度取到基礎(chǔ)頂面(而非拉梁以上)可能會(huì)低估框架柱的線剛度,進(jìn)而導(dǎo)致底層柱配筋不足。(3)整體框架試驗(yàn)只能得到整體結(jié)構(gòu)宏觀的外力-變形規(guī)律。節(jié)點(diǎn)區(qū)塑性變形和