rc環(huán)梁連接的2層2跨rc梁-scc柱抗震性能試驗(yàn)研究

rc環(huán)梁連接的2層2跨rc梁-scc柱抗震性能試驗(yàn)研究

1rc環(huán)梁連接的rc梁-stcc柱框架的試驗(yàn)研究管道混凝土支架（steeltubecorden，stc）具有優(yōu)越的承受能力、變形能力和良好的經(jīng)濟(jì)效益，特別適用于抗疲勞結(jié)構(gòu)的上層和高級(jí)建筑物。我國大多數(shù)建筑的樓蓋采用鋼筋混凝土(RC)梁板結(jié)構(gòu),推廣應(yīng)用STCC柱的關(guān)鍵之一是解決STCC柱與RC梁的連接。RC環(huán)梁是近幾年開發(fā)的一種RC梁和STCC柱的連接方式。環(huán)梁節(jié)點(diǎn)傳遞剪力和彎矩的方法為:在鋼管周圈貼焊一道(或兩道)鋼筋作為抗剪環(huán),環(huán)梁通過抗剪環(huán)將框架梁端剪力傳遞到鋼管;現(xiàn)澆RC環(huán)梁圍繞鋼管,與鋼管緊密箍抱,框架梁的縱向鋼筋錨固在環(huán)梁內(nèi),借助環(huán)梁將彎矩傳遞給鋼管。環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的鋼管內(nèi)無加勁環(huán)及穿心構(gòu)件,不影響鋼管內(nèi)混凝土澆注;環(huán)梁鋼筋籠無方向性,在地面綁扎后吊裝,高空就位方便;現(xiàn)場除鋼管接長無焊接工作量。環(huán)梁節(jié)點(diǎn)已經(jīng)用于7度和8度抗震設(shè)防的20多幢高層建筑,已經(jīng)完成了的37個(gè)環(huán)梁節(jié)點(diǎn)模型、1個(gè)足尺環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的單調(diào)加載靜力試驗(yàn)和14個(gè)節(jié)點(diǎn)模型的低周反復(fù)加載試驗(yàn),證明了環(huán)梁節(jié)點(diǎn)在靜力作用下具有良好的受力性能和延性。對于RC環(huán)梁連接的RC梁-STCC柱框架在地震動(dòng)力作用下的受力性能,還需要通過試驗(yàn)進(jìn)行研究。結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)的方法有地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)受承載能力和臺(tái)面尺寸的限制,對于高層鋼筋混凝土房屋建筑,只能進(jìn)行小比例模型結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)。擬動(dòng)力試驗(yàn)是將試驗(yàn)與數(shù)值求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程結(jié)合,輸入地震加速度時(shí)程,用實(shí)測的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)當(dāng)前步的剛度代入動(dòng)力方程,求解下一步試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的位移,由作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)這一位移。擬動(dòng)力試驗(yàn)可以采用大比例結(jié)構(gòu)模型,采用與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同的材料、相同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,可以比較緩慢地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)、觀察結(jié)構(gòu)受地震作用的破壞過程。本文介紹RC環(huán)梁連接的RC梁-STCC柱框架的試驗(yàn)研究,包括擬動(dòng)力試驗(yàn)和靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要目的是:研究地震作用下RC環(huán)梁的破壞形態(tài),研究RC環(huán)梁連接的RC梁-STCC柱框架的抗震性能。2一般介紹2.1試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)試驗(yàn)框架為東西、南北方向各兩跨的兩層RC環(huán)梁連接的RC梁-STCC柱空間框架。水平加載方向(南—北)STCC柱的中心距為4.5m,另一方向(東—西)為3m;樓板由邊梁中心線外伸0.55m,平面尺寸為10.1m×7.1m;層高3.5m,兩層總高7.0m,STCC柱伸出二層樓面0.5m。鋼管外徑為500mm,壁厚為5mm。試驗(yàn)框架的平面及剖面圖見圖1,照片見圖2。試驗(yàn)框架按抗震設(shè)防烈度8度設(shè)計(jì)。計(jì)算地震作用時(shí),層質(zhì)量取為105t,與擬動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)的虛擬質(zhì)量相同。為模擬豎向荷載在框架梁端產(chǎn)生的初始負(fù)彎矩,二層樓板上堆放鐵塊和混凝土塊,平均為2.0kN/m2;一層樓板的混凝土塊堆放在1、2、3軸線的梁上,折算線荷載為4.0kN/m。梁板的設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30?？蚣芰旱慕孛娉叽鏱×h為200×350mm,配筋A(yù)sk為上下各318;樓板厚度為90mm。由于試驗(yàn)的目的之一是研究RC環(huán)梁的破壞形態(tài),因此試驗(yàn)框架的18個(gè)節(jié)點(diǎn)中的大部分設(shè)計(jì)成“弱環(huán)梁、強(qiáng)框架梁”,即環(huán)梁屈服先于框架梁。環(huán)梁高400mm,比框架梁的截面高度大50mm。環(huán)梁的主要變化參數(shù)為:截面寬(200mm,250mm和300mm三種),箍筋數(shù)量(9種),環(huán)向鋼筋(簡稱環(huán)筋)截面積與框架梁縱筋截面積之比(0.5,0.6和0.79三種)。18個(gè)環(huán)梁節(jié)點(diǎn)中,編號(hào)為1B2(層號(hào),橫軸線號(hào),縱軸線號(hào))的節(jié)點(diǎn)最強(qiáng),其次為2B3。環(huán)梁的詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。環(huán)梁箍筋的配置方式有兩種,見圖3。焊接在鋼管上的抗剪環(huán)為一根?8鋼筋,位于環(huán)梁一半的高度;焊縫高度大多為4mm,個(gè)別為2mm,見表1。混凝土的實(shí)測立方體強(qiáng)度:一層為42.9MPa,二層為43.8MPa。?6、?8、?10、12、14、18鋼筋的實(shí)測屈服強(qiáng)度分別為284.3MPa、281.5MPa、294.8MPa、367.4MPa、393.8MPa和379.2MPa。2.2加載能力的確定采用4個(gè)MTS電液伺服作動(dòng)器加載:兩個(gè)作動(dòng)器的加載能力各為±250kN,置于一層;兩個(gè)作動(dòng)器的加載能力各為±500kN,置于二層。作動(dòng)器通過鋼梁與樓板相連,將作動(dòng)器的推拉作用力傳遞至框架的梁、柱。2.3應(yīng)變片與基礎(chǔ)位移為了研究環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的環(huán)筋、箍筋及框架梁鋼筋的應(yīng)變發(fā)展過程及屈服順序,從而確定環(huán)梁與框架梁的承載力和破壞形態(tài)的關(guān)系,在環(huán)梁的環(huán)筋、箍筋和框架梁縱筋上共布置了150個(gè)電阻應(yīng)變片。在彎矩作用下,環(huán)梁與鋼管混凝土柱的界面會(huì)產(chǎn)生縫隙,為了研究縫隙的大小,在一層和二層的A1、A2、B1和B2環(huán)梁的上、下表面均布置位移計(jì)。為了研究環(huán)梁與STCC柱之間豎向相對滑移的大小,在一層和二層的B2環(huán)梁上設(shè)置了位移計(jì),量測環(huán)梁與柱之間的豎向相對滑移。為了研究框架的水平位移,在一、二層樓板位置,布置了8個(gè)位移計(jì)。在基礎(chǔ)梁上也布置了位移計(jì),以量測試驗(yàn)中基礎(chǔ)是否有水平位移和豎向翹起。位移測點(diǎn)的布置示于圖1。2.4aun統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)加載控制采用清華大學(xué)土木工程系開發(fā)的TUT(TsinghuaUniversityTestware)軟件;位移與應(yīng)變等試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用清華大學(xué)土木工程系開發(fā)的IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集,該系統(tǒng)可以同時(shí)采集作動(dòng)器對結(jié)構(gòu)的作用力,實(shí)現(xiàn)加載控制與數(shù)據(jù)采集的同步。3子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方案試驗(yàn)加載過程包括兩個(gè)自由度的擬動(dòng)力試驗(yàn)、采用子結(jié)構(gòu)技術(shù)的四個(gè)自由度的擬動(dòng)力試驗(yàn)、往復(fù)加載的擬靜力試驗(yàn)及單調(diào)推覆加載試驗(yàn)。加載方向?yàn)檠刂酁?.5m的南-北方向。3.1載荷計(jì)算方法首先進(jìn)行兩個(gè)自由度的擬動(dòng)力試驗(yàn),即將試驗(yàn)框架簡化為一個(gè)具有兩個(gè)集中質(zhì)量的體系(見圖4(a)),質(zhì)量集中在樓面位置,質(zhì)量m1=m2=105t(約合樓面荷載14.6kN/m2),阻尼比取0.05。輸入的地震加速度時(shí)程為ElCentro1940NS記錄,共做了七次試驗(yàn),峰值加速度依次為0.035g、0.07g、0.1g、0.2g、0.3g、0.34g和0.4g,對應(yīng)的含義見表2。每次試驗(yàn)加載前測定框架的實(shí)際剛度,剛度的變化反映結(jié)構(gòu)在每次地震加速度時(shí)程輸入后是否有損傷破壞。3.2試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)理論峰值加速度為0.4g的兩個(gè)自由度擬動(dòng)力試驗(yàn)后,用子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù),進(jìn)行四個(gè)自由度的擬動(dòng)力試驗(yàn),其計(jì)算模型見圖4(b)。上面兩層認(rèn)為處于彈性狀態(tài),稱為計(jì)算子結(jié)構(gòu);下面兩層為實(shí)際結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型,稱為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu),其剛度直接由試驗(yàn)框架測得。整體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)由試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)和計(jì)算子結(jié)構(gòu)兩部分組成,形式上獨(dú)立的試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)和計(jì)算子結(jié)構(gòu)由整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程統(tǒng)一起來。試驗(yàn)虛擬集中質(zhì)量m1=m2=m3=m4=105t,阻尼比為0.05,輸入的地震加速度時(shí)程為ElCentro1940NS記錄,峰值加速度分別為0.07g和0.2g。3.3擬靜力試驗(yàn)設(shè)計(jì)上述試驗(yàn)后進(jìn)行了施加往復(fù)水平力的擬靜力試驗(yàn)和單調(diào)推覆試驗(yàn)。擬靜力試驗(yàn)以力控制,一層和二層水平力的比為1∶2;單調(diào)推覆試驗(yàn)也采用倒三角荷載,一層與二層推力之比為1∶2,推至二層的加載電液伺服作動(dòng)器達(dá)到其最大行程試驗(yàn)結(jié)束。4試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1現(xiàn)場的試驗(yàn)結(jié)果峰值加速度為0.2g加載完畢后,部分環(huán)梁(如1C3)和框架梁出現(xiàn)微細(xì)裂縫;樓板邊緣出現(xiàn)裂縫,這對構(gòu)造做法具有一定的啟發(fā)意義。峰值加速度為0.3g加載完畢后,各環(huán)梁上表面、框架梁及樓板上表面發(fā)現(xiàn)少量裂縫,樓板上表面裂縫的走向大致垂直于加載方向,裂縫較細(xì),并且沒有連通。在0.3g加載過程中,環(huán)梁下表面和框架梁下表面可能出現(xiàn)裂縫,由于離樓、地面比較高,在試驗(yàn)過程中不易觀察裂縫,試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)裂縫。峰值加速度為0.4g加載完畢后,環(huán)梁上下表面均發(fā)現(xiàn)裂縫,上表面開裂程度比下表面輕微。二層框架梁及節(jié)點(diǎn)開裂比一層輕微,原因是二層層間剪力比一層層間剪力小,二層框架梁梁端彎矩比一層小。隨節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同,主要裂縫出現(xiàn)的部位不同。一層節(jié)點(diǎn)1B2的環(huán)梁寬為300mm,環(huán)筋相對配筋量Ash/Ask為0.79,箍筋配筋適中,裂縫主要在框架梁上,環(huán)梁上的裂縫非常細(xì)微。一層C軸節(jié)點(diǎn)的Ash/Ask為0.50,環(huán)向配筋少,裂縫主要集中在環(huán)梁的下表面和側(cè)面,下表面的徑向裂縫在框架梁鋼筋錨固區(qū)外呈“八”字形,并且延伸至框架梁鋼筋錨固區(qū)內(nèi)連通近似成“Λ”形,裂縫較寬,且與側(cè)面的裂縫相連通(參見圖5的照片)。1C1和1C2的箍筋少于1C3,環(huán)梁底面“Λ”形裂縫張大。單調(diào)推覆試驗(yàn)完成后,原有的裂縫的寬度和長度都有發(fā)展,裂縫相互連通;環(huán)梁節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)新的徑向裂縫,其中靠近框架梁處裂縫在環(huán)梁外側(cè),與框架梁方向約4550度處裂縫在環(huán)梁內(nèi)側(cè),這與環(huán)梁的受力狀態(tài)一致。典型的裂縫形態(tài)參見圖5的照片。4.2環(huán)筋、亞規(guī)范和剛度表3列出了各加載工況下部分節(jié)點(diǎn)環(huán)梁環(huán)筋最大拉應(yīng)變及此時(shí)與環(huán)梁相連的框架梁下部縱筋的應(yīng)變。隨著峰值加速度ap的增加,環(huán)梁的環(huán)筋和箍筋的最大應(yīng)變增加,相應(yīng)地框架梁端縱筋應(yīng)變的最大值增加,說明框架梁端的最大彎矩增大。峰值加速度為0.34g時(shí),1B2節(jié)點(diǎn)南側(cè)框架梁底部鋼筋屈服。環(huán)梁截面的寬度大,則縱筋的應(yīng)變小。以節(jié)點(diǎn)1A2和1C2為例。環(huán)梁的環(huán)筋配筋量相同,但1A2截面寬度小于1C2。正方向推力時(shí),1A2下部受壓,1C2下部受拉;負(fù)方向拉力時(shí),1A2下部受拉,1C2下部受壓。在ap≤0.3g時(shí),正向推力和負(fù)向拉力峰值相差不大,節(jié)點(diǎn)1C2和1A2的框架梁端縱筋應(yīng)變接近,而1C2環(huán)筋應(yīng)變小于1A2;ap≥0.34g時(shí),正方向最大推力比負(fù)方向最大拉力大很多,1C2下部開裂比較嚴(yán)重,其環(huán)筋應(yīng)變增加較快,往復(fù)荷載完成后,其環(huán)筋應(yīng)變最大達(dá)2525×10-6,已經(jīng)屈服。環(huán)梁的環(huán)筋配筋量小,則其應(yīng)變大。例如,1A2與1A1和1B1的截面寬度相同,但環(huán)筋配筋量小,其環(huán)筋應(yīng)變比1A1和1B1相應(yīng)位置的鋼筋應(yīng)變大。各擬動(dòng)力加載工況下,環(huán)梁箍筋應(yīng)變較大的節(jié)點(diǎn)主要是1A1、1A2和1C2。隨ap增大,箍筋應(yīng)變增大,ap=0.4g時(shí),部分環(huán)梁的箍筋屈服。在單調(diào)推覆試驗(yàn)后,量測到的最大箍筋應(yīng)變超過9000×10-6,已經(jīng)有很大的塑性變形。擬靜力往復(fù)加載和單調(diào)推覆試驗(yàn)后,二層節(jié)點(diǎn)由于層間剪力小,梁端彎矩小,框架梁只有2A3、2B1、2B2、2B3和2C1屈服,環(huán)梁只有2B1和2B2的環(huán)筋屈服。4.3框架柱間縫寬在擬動(dòng)力、擬靜力和單調(diào)推覆試驗(yàn)中,環(huán)梁與STCC柱之間的界面局部產(chǎn)生縫隙,各種工況下部分節(jié)點(diǎn)的柱與環(huán)梁的縫隙寬度最大值見表4。最大縫隙寬度均遠(yuǎn)小于抗剪環(huán)的直徑,而且最寬縫隙只發(fā)生于框架梁軸線與柱邊相交處,縫隙不貫通,上寬下窄;其余大部分區(qū)段縫隙寬很小,在一些區(qū)域環(huán)梁與柱間處于擠緊狀態(tài)。從環(huán)梁與鋼管混凝土柱間縫寬的大小與形態(tài)可以看出,環(huán)梁不會(huì)發(fā)生越過抗剪環(huán)沿柱豎向滑脫的情況。在各種工況下,環(huán)梁與柱之間沿豎向相對滑移均非常小,最大值為0.2mm。在模型拆除過程中,仔細(xì)觀察了抗剪環(huán)焊縫以及與抗剪環(huán)接觸的混凝土的情況?？辜舡h(huán)焊縫未有損壞跡象,與抗剪環(huán)接觸的混凝土未見破壞跡象?？梢?即使環(huán)梁已有相當(dāng)程度的破壞,環(huán)梁與柱界面的抗剪能力也遠(yuǎn)大于框架梁傳來的剪力。4.4框架梁環(huán)梁與框架梁之間破壞形態(tài)由于試驗(yàn)框架的STCC柱沒有發(fā)生破壞,因此,試驗(yàn)框架的破壞形態(tài)實(shí)際是由RC框架梁—RC環(huán)梁—STCC柱組成的節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)。節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)與框架梁尺寸、環(huán)梁尺寸、環(huán)梁箍筋以及環(huán)梁環(huán)筋與框架梁縱筋的相對配筋量有關(guān),即與環(huán)梁和框架梁的相對承載力有關(guān)。節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)可以歸結(jié)為兩類:框架梁端形成塑性鉸和環(huán)梁形成塑性鉸。破壞形態(tài)之一:框架梁端形成塑性鉸。環(huán)梁截面寬度以及環(huán)筋和箍筋配筋較大時(shí),框架梁梁端出現(xiàn)豎向受拉裂縫,受拉鋼筋屈服,梁端形成塑性鉸,框架梁端底部混凝土壓碎,而環(huán)梁裂縫很少,如1B2節(jié)點(diǎn)(圖5(a));破壞形態(tài)之二:環(huán)梁形成塑性鉸。環(huán)梁截面比較小,環(huán)梁配筋較少時(shí),環(huán)梁破壞,框架梁不破壞。環(huán)梁環(huán)筋較少時(shí),在環(huán)梁底面徑向裂縫寬度較大;環(huán)梁側(cè)面出現(xiàn)斜裂縫,在環(huán)梁外邊緣處與環(huán)梁底面徑向裂縫連通,環(huán)梁箍筋較少時(shí),環(huán)梁側(cè)面裂縫較寬;框架梁以下的環(huán)梁混凝土保護(hù)層可能破碎,如節(jié)點(diǎn)1C2、1B1等(圖5(b)、(c))。環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的上表面以基本垂直于加載方向的水平裂縫為主,有少量細(xì)微徑向裂縫,框架梁沒有混凝土壓碎現(xiàn)象(圖5(d))。就整體結(jié)構(gòu)而言,盡管擬靜力和單調(diào)推覆試驗(yàn)時(shí),柱腳鋼管局部屈服,但結(jié)構(gòu)的破壞模式為梁破壞,從而實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)要求。4.5不同加速度條件下不同時(shí)距油層間剛度的變化圖6和圖7分別給出了結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)的部分水平位移時(shí)程曲線和基底剪力-頂點(diǎn)位移滯回曲線;圖8給出了擬靜力往復(fù)加載和單調(diào)推覆試驗(yàn)的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線。定義層間剛度Ki=Vi/δi,Vi和δi分別為第i層層間剪力和層間位移。每次試驗(yàn)前均測定結(jié)構(gòu)的層間剛度。表5列出了結(jié)構(gòu)初始層間剛度和各工況加載后結(jié)構(gòu)的層間剛度。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果,峰值加速度為0.07g時(shí),結(jié)構(gòu)有微裂縫,剛度略有降低,但滯回線基本為直線;峰值加速度為0.2g時(shí),剛度降低約30%,滯回曲線已不是直線;峰值加速度為0.4g時(shí),剛度顯著降低,水平位移時(shí)程曲線的形狀已顯著不同于峰值加速度為0.07g時(shí)的形狀;囿于加載能力,在往復(fù)加載試驗(yàn)和單調(diào)推覆試驗(yàn)后,基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線仍處于上升階段,框架尚未達(dá)到最大承載力。4.6靜力試驗(yàn)的穩(wěn)定性圖9為不同峰值加速度下,結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)的包絡(luò)圖,沿高度基本呈線性。峰值加速度由0.2g增至0.4g時(shí),位移已經(jīng)不是線性增加了。表6列出了部分加載工況下結(jié)構(gòu)最大層間剪力、最大基底剪力與結(jié)構(gòu)總重量之比β、最大層間位移和最大層間位移角。在ap為0.07g和0.1g時(shí),結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài);在ap為0.4g時(shí),盡管結(jié)構(gòu)已經(jīng)表現(xiàn)出一定的彈塑性特征,但層間位移角仍小于1/100;在擬靜力往復(fù)加載和單調(diào)推覆試驗(yàn)時(shí),部分框架梁和環(huán)梁破壞已經(jīng)比較嚴(yán)重,層間位移角已經(jīng)達(dá)到1/34,但結(jié)構(gòu)具有很好的整體性,承載力還沒有下降。以上結(jié)果表明,RC環(huán)梁連接的RC梁-STCC柱框架實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)柱弱梁,具有良好的抗震性能。5環(huán)梁和框架梁破壞形態(tài)由按8度抗震設(shè)防設(shè)計(jì)、用RC