抗震性能试验

抗震性能试验（精选12篇）

抗震性能试验 篇1

0 前 言

随着时代发展以及建筑节能65%目标的提出, 传统砌体结构已不能满足现代建筑对节能的要求, 据资料统计[1], 中国建筑能耗的总量呈现逐年上升的趋势, 其中, 通过建筑围护结构消耗的能量较大。由此可见, 开发节能型建筑围护结构有着重要的社会意义, 夹心复合墙体的研究正是基于这个背景提出的。从夹心墙体的组成来看 (见图1) , 该类墙体是由外叶墙、内叶墙、连接件、保温层通过设置异型构造柱、节能圈梁组合形成的新型复合墙体[2,3]。外叶墙采用具有表面装饰特性的多孔砖砌成, 免除外墙的二次装饰, 采用工业废渣替代黏土烧结而成, 选材符合节地政策, 将保温层放置在夹心墙中间, 起到了良好的保温隔热作用, 符合节能政策。

作为砌体结构主要受力构件, 夹心复合墙体整体承重的受力特点及抗震性能不同于以往有的仅考虑内叶墙作为承重构件。本文通过对墙体在低周反复荷载作用下的试验, 重点介绍夹心墙体的主要破坏形态和破坏过程, 分析夹心墙体的受力特点、拉结筋的受力情况和夹心墙体整体承重时的承载能力、延性、耗能等性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试件设计不同于传统的内墙承重, 而是以内、外叶墙均承重为考察对象, 采用2种材质烧结形成的多孔砖, 分别采用普通构造柱和异型构造柱、节能圈梁[如图1 (b) 所示, 不连续放置保温板以降低冷桥效应]作为实验要素, 混凝土强度等级为C40, 设计砌筑砂浆强度为M7.5, 页岩烧结多孔砖 (方孔) 抗压强度为30 MPa, 普通烧结多孔砖 (圆孔) 抗压强度为10 MPa。内叶墙厚为240 mm, 外叶墙厚为115 mm, 保温板厚为50 mm, 采用“Z”形拉结筋连接。内构造柱[见图1 (a) ]纵筋采用4Φ12, 箍筋采用Φ6;异型构造柱[见图1 (b) ]纵筋采用8Φ12, 箍筋采用Φ6。本次试验共3片墙体, 试件设计参数见表1, 试件尺寸均为1760 mm×1300 mm。W1-FF表示内、外叶墙均为方孔砖, 构造柱为异型构造柱;W1-YF表示内叶墙为圆孔砖, 外叶墙为方孔砖, 构造柱为异型构造柱;W1-YFN表示内叶墙为圆孔砖, 外叶墙为方孔砖, 构造柱为内构造柱。

1.2 试验加载设备

参照JGJ 101—96《建筑抗震试验方法规程》进行试验, 采用100 t MTS电液伺服结构试验系统配合反力架进行竖向和水平荷载的施加。试件基础用地槽螺栓固定在试验台座上, 千斤顶采用滚轴支座, 可随试件水平位移而自由移动, 使竖向荷载始终垂直于地面。试验中通过千分表量测基础的滑移。竖向荷载通过门式钢架施加, 千斤顶与钢架之间设置滚轴。为了准确控制竖向荷载, 在千斤顶下安放压力传感器。水平荷载通过水平反力架和电液伺服动作器施加[4]。

1.3 试验加载制度

竖向荷载施加方案:首先将竖向荷载1次加至要求值 (设计值为0.30 MPa) , 加载点位于墙顶面形心, 使外叶墙也参加工作, 这样更符合夹心墙实际的受力状况。在整个试验中, 竖向荷载值保持不变。水平荷载采用荷载-位移双控制的方法进行加载试验:仪器检查完后, 开始施加水平荷载进行预推。墙体开裂前, 采用荷载分级加载控制, 每级荷载往复推拉1次, 直至墙体开裂;开裂后, 进入位移控制加载阶段, 以某一变形量为极差进行加载, 直到压力下降到极限荷载的85%时试验停止[5]。

1.4 测点布置与数据采集

钢筋应变片的布置见图1, 墙面内测点为连接内、外叶墙的拉结筋, 构造柱、圈梁内测点为主筋。

2 夹心墙的破坏形态

夹心墙在地震作用下, 当被异型构造柱整体约束时, 其破坏形态与设置内构造柱不同 (如图2所示) 。由于影响制作墙体的因素较多, 因此, 2种构造且材质不同的墙体受力尤为复杂和多样。墙体在反复水平荷载作用下的破坏过程大致经历了以下3个阶段[6]。

弹性阶段:在水平荷载达到极限荷载30%前, 夹心复合墙体的受力性能表现为弹性, 其滞回环呈明显的线性关系, 往复荷载回位后, 墙体内的残余变形很小, 内外叶墙均未出现裂缝。这一阶段, 整体约束使得夹心复合墙体可视为1种内、外叶墙与拉接件共同协调工作的复合墙板。水平荷载达到极限荷载30%以后, 墙体内的残余变形逐渐有所增加。

弹塑性阶段:当水平荷载达到极限荷载70%~80%时, 外叶墙中部首先沿砂浆出现微裂缝, 而内叶墙随后才沿砂浆出现裂缝, 裂缝在一定范围内出现延伸。设置内构造柱的夹心墙, 出现裂缝的荷载明显低于设置异型构造柱的夹心墙, 且外叶墙裂缝分布相对比较集中在砂浆砌筑界面, 装饰砖几乎未受影响;而整体约束的夹心墙, 当内、外叶墙所用材质强度等级不同时, 呈现出内叶墙砖强度等级高的开裂荷载高。

破坏阶段:当水平荷载达到极限荷载时, 墙体中的斜裂缝已延伸至构造柱, 并逐步形成沿对角线方向贯通整个墙体的斜裂缝, 内叶墙裂缝主要集中在构造柱附近。设置内构造柱的夹心墙外叶墙裂缝仅显示单一X型裂缝, 裂缝最大宽度可达20 mm;而设置异型构造柱墙体的外叶墙裂缝呈现复杂的X型裂缝, 裂缝最大宽度为8 mm, 且部分外叶墙墙面有砖面起鼓剥落现象。作为夹心墙结构体系的主要抗侧力构件虽达到极限状态, 但仍可以承担全部的竖向荷载, 具有良好的抗倒塌能力。

3 夹心墙的抗震试验

3.1 滞回曲线 (见图3)

从滞回曲线可以看出, 设置内构造柱的墙体[见图3 (a) ], 在弹性阶段初期滞回曲线基本为直线;随着荷载的增大, 试件逐步进入弹塑性阶段, 滞回曲线呈梭形, 滞回环的面积也明显增大, 出现残余变形, 刚度明显退化;荷载继续增加, 裂缝增多, 滞回曲线向弓形发展, 滞回环的面积变的更大。

设置异型构造柱的墙体[见图3 (b) ], 在初期的弹性阶段滞回曲线基本为直线;随着荷载的增大, 试件逐步进入弹塑性阶段, 滞回曲线逐渐呈梭形, 滞回环的面积也明显增大, 但残余变形明显不同, 即刚度退化较慢;荷载继续增加, 裂缝增加较少, 滞回曲线向弓形发展, 滞回环的面积增加比只设置内叶墙构造柱的墙体少, 尤其是当内外叶墙的材质及强度等级不同时。

内墙使用方孔砖砌筑的墙体比使用圆孔砖的墙体抗震极限荷载高, 极限变形大, 说明材质与构造组成对夹心墙抗震性能的影响较大。从图3可以看出, 设置内构造柱墙体的滞回曲线较为饱满, 耗能性能较好;设置异型构造柱的墙体滞回曲线较为扁平, 耗能性能较差。

3.2 骨架曲线

骨架曲线为荷载变形曲线各加载循环的峰值点所连成的包络线[7]。骨架曲线可以反映墙体的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和延性特点 (见图4) 。

从图4可以看出, 尽管2个墙体的骨架曲线趋势相似, 但不同的构造仍存在明显的特征:设置异型构造柱的墙体开裂荷载远远大于设置内构造柱的墙体, 骨架曲线基本为直线;开裂后墙体骨架曲线有弯曲, 但荷载仍会上升;当到达极限荷载后, 曲线开始下降, 承载力和刚度退化较慢, 荷载值并未急剧下降;当荷载下降到极限荷载的85%时, 墙体仍具有一定的承载能力和变形能力。曲线下降段均缓和, 说明夹心复合墙体延性较好。

3.3 刚度退化曲线

在反复荷载作用下同强度的衰减一样, 刚度也存在衰减的过程[8]。试验得出的墙体刚度退化曲线见图5。

从图5可看出, 在墙体开裂之前, 其刚度下降很快, 通常在墙体出现宏观裂缝时, 刚度已经下降到初始刚度的40%左右, 其主要原因是裂缝的产生和发展破坏了墙体内部结构;从墙体开裂至明显屈服的过程中, 刚度继续下降, 但下降较为缓慢, 主要原因是裂缝不断发展为主裂缝, 同时内、外叶墙间的拉结筋协调了两叶墙的变形, 限制了裂缝的迅速发展;最后, 从墙体屈服到极限状态的过程中, 刚度下降得越来越缓慢, 这一过程主要是主裂缝贯通, 并伴随次生裂缝的发展, 因此刚度退化较稳定。与其它墙体的骨架曲线比较发现, 设置异型构造柱的墙体刚度衰减过程比设置内叶墙构造柱的墙体长。

3.4 承载能力和变形性能

墙体的极限承载力以试验的实测值为准, 并取正、反两个加载方向上极限荷载绝对值的平均值。其中Pc和Δc分别为实测开裂荷载和位移, Pu和Δu分别为实测极限荷载和位移, Pf和Δf分别为实测破坏荷载和位移, 具体试验结果见表2。

由表2可以看出, 设置内构造柱的墙体, 其开裂荷载及极限荷载明显小于设置异型构造柱的墙体;而同样为设置异型构造柱的夹心墙, 又因内、外叶墙材质的相同强度等级表现的最佳, 其开裂荷载达1.5倍;从破坏变形看出, 墙体极限位移最大, 说明对于夹心墙而言, 为了更好发挥其外叶墙材质的优势, 以异型构造柱的形式设计墙体受力, 可以较大提高该墙体的抗震性能;并且内、外叶墙的材质以及强度等级的匹配、构造柱的设置等直接影响墙体的抗震性能。由于内、外叶墙均受到梁柱的约束, 总的开裂能量被分布在两叶墙中, 好似1个耗能装置, 从而有效提高试件的变形性能, 与只有内叶墙约束的墙相比, 裂缝被限制在一定范围之内, 在反复荷载作用下, 还能继续有效地承受荷载, 此时墙体也能参与试件的抗侧力体系工作, 承载能力明显提高。

3.5 延性、耗能性、等效粘滞阻尼比

延性系数是结构抗震设计中1个重要参数, 是评价墙体变形能力的特征之一[9]。本文采用位移延性系数μ来表示延性的大小, 即根据输入总能量不变原理, 结构或构件的延性系数等于破坏荷载对应位移Δu与等效屈服位移Δy (采用面积互等法计算[7]) 之比。

墙体耗能性能用能量耗散系数Φ来衡量, 即在1个加荷循环过程中吸收的能量与该循环过程中的总变形能的比值。Φ值越大, 说明试件吸收能量就越多, 则试件的耗能性和抗震性越好。

等效粘滞阻尼比ξeq=Φ/2π。墙体等效粘滞阻尼比ξeq越大, 其耗能效果也越好。夹心复合墙体的延性系数、耗散系数及等效粘滞阻尼比见表3。

从表3可以看出, 荷载到达极限荷载时墙体的等效粘滞阻尼比都较大, 极限荷载之后随着位移的增大等效粘滞阻尼反而减小。原因是:加载初期, 墙体的耗能主要依靠墙体各部分的微小变形;随着位移的加大, 裂缝不断增多, 在反复荷载作用下, 开裂面间的相互摩擦、钢筋拉伸、构造柱圈梁的束缚以及墙体的塑性变形都消耗了大量的能量, 耗能能力加强。临近破坏时, 位移出现滑移, 墙体破坏严重, 耗能作用受到一定程度的削弱, 因而粘滞阻尼系数有所降低。极限荷载时的等效粘滞阻尼比平均为0.132, 破坏荷载时的等效粘滞阻尼比平均为0.111, 下降约16%, 表明墙体随变形的增大, 直至最终破坏, 其等效粘滞阻尼比下降并不大, 显示出该墙体具有较好的耗散地震作用的能力。设置内构造柱的墙体延性系数低于设置异型构造柱的墙体, 即内外叶墙均被约束受力的墙体延性较好;同时, W1-FF内外叶墙延性系数均稍大于W1-YF, 显示不同材质的砌体材料由于变形等方面不同影响了墙体延性。

3.6 钢筋的受力分析

W1-YFN、W1-YF、W1-FF有以下共同点:

(1) 在反复荷载作用下, 构造柱底部竖向钢筋受弯大于受剪, 呈反复拉压状态, 外侧底部钢筋及部分中部钢筋受拉屈服。底部钢筋的受拉屈服荷载小于中部, 建议夹心墙构造柱两端钢筋应保证一定的加密设置。

(2) 部分拉结筋发生屈服现象, 尤以墙体主拉应力区域的拉结筋屈服较多, 其它部位屈服较少或未屈服, 表明拉结筋钢筋发挥了拉结内外叶墙的作用。拉拔试验结果表明, 拉结筋效应的发挥程度主要取决于砂浆的粘结力及钢筋的锚固手段, 砂浆强度越高, 粘结钢筋的作用越好;另外, 同一灰缝内受力钢筋的数量也影响钢筋效应的发挥, 少量配筋比大量配筋发挥的效应高。

不同点是:设置内构造的墙体构造柱中部钢筋屈服较多, 设置异型构造柱的墙体构造柱中部钢筋屈服较少, 这与试验观测到的设置内构造的墙体构造柱中部混凝土表面破损较严重的现象一致, 说明异型构造柱促使了内外叶墙共同受力, 抵抗地震作用的能力较好。

4 结 论

(1) 内、外叶墙均设置构造柱, 内、外叶墙材质相同、强度等级相同的夹心墙开裂荷载明显高于内、外叶墙强度等级不同的夹心墙。

(2) 夹心复合墙体的滞回曲线、延性系数及耗散系数等抗震指标表明, 设置异型构造柱的夹心墙的抗侧刚度、变形能力和耗能性能均优于设置内构造柱的夹心墙。

(3) 设置拉结筋能较大程度地提高墙体的变形能力, 拉结筋对防止已开裂的外叶墙在地震作用下脱落、坍塌甚至被“甩出”有重要作用。

(4) 拉结筋的设置对于夹心复合墙体至关重要。拉结筋的形式以及如何设置其在水平及竖直方向上的分布, 使墙体具有最佳的抗震性能, 有待于进一步研究。

参考文献

[1]肖宇.建筑能耗在住宅设计中的重要性[J].建筑与装饰, 2007 (10) :22-23.

[2]史心灵, 毛春丽.夹芯保温复合节能墙体施工技术应用研究[J].四川建材, 2008 (5) :19-20.

[3]于法师, 刘魏.夹芯保温复合墙体施工工艺及质量控制[J].住宅产业, 2006 (10) :87-89.

[4]金伟良, 徐铨彪, 潘金龙, 等.不同构造措施混凝土空心小型砌块墙体的抗侧力性能试验研究[J].建筑结构学报, 2001 (12) :64-73.

[5]赵成文, 代俊杰, 高连玉, 等.工业废渣混凝土多孔砖墙体抗震性能试验研究[J].沈阳建筑大学学报 (自然科学版) , 2008, 24 (4) :553-556.

[6]姚谦峰, 黄炜, 田洁, 等.密肋复合墙体受力机理及抗震性能试验研究[J].建筑结构学报, 2004, 25 (6) :67-74.

[7]JGJ 101—96, 建筑抗震试验方法规程[S].

[8]张景玮, 李宏男, 张曰果.低周反复荷载作用下空心砖夹心墙体试验[J].沈阳建筑工程学院学报 (自然科学版) , 2002, 18 (1) :5-8.

[9]马震宇, 王燚.保温夹心墙体抗震变形性能研究[J].辽宁建材, 2007 (11) :46-47.

抗震性能试验 篇2

为研究外肋环板节点的抗震性能,本文对3个十字型足尺试件进行了低周反复循环加载试验,分析了各试件的破坏过程及特征,然后根据实测的.滞回曲线对节点的承载力、延性、耗能能力、强度退化、刚度退化等抗震性能指标进行了详细的比较分析.研究结果表明,外肋环板节点构造措施简单合理,具有较好的抗震性能.通过空钢管试件和填充混凝土试件的对比分析,表明在钢管中填充混凝土有利于改善节点的抗震性能.

作 者：苗纪奎 陈志华 姜忻良 李黎明 MIAO Jikui CHEN Zhihua JIANG Xinliang LI Liming 作者单位：苗纪奎,MIAO Jikui(天津大学,建筑工程学院,天津,300072;山东建筑大学,山东,济南,250014)

陈志华,姜忻良,李黎明,CHEN Zhihua,JIANG Xinliang,LI Liming(天津大学,建筑工程学院,天津,300072)

基于性能的抗震设计 篇3

关键词：抗震结构设计基于性能的抗震设计

0 引言

汶川地震、玉树地震和芦县地震使人们再次看到抗震结构设计的重要性，如何提高抗震性能又保证经济效益，是我们面临的一大问题。随着经济水平的提高，我国的超限高层建筑工程越来越多。这些工程在房屋高度、规则性等方面都不同水平地超过现行标准规范的适用范围，如何进行抗震设计缺少明确具体的目标、依据和手段，按照《全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会抗震设防专项审查办法》和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》等的要求，需要根据具体工程实际的情况，进行分析、研究，必要时还要进行试验，从而确定采取比标准规范更加有效的抗震措施，设计者的论证还需要超限额审查，以期保证结构的抗震安全性能，这就提出了基于性能的抗震设计。

1 传统的抗震设计方法局限性

按我国抗震规范进行抗震设计的建筑，其抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需要修理可继续使用，当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用，当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏，即“小震小坏，中震可修，大震不倒”的多级设计思想，但其实质是以保证人的生命安全为原则的一级设计理论。其设计方法采用：小震不坏采用结构线弹性验算；中震可修及大震不倒采用加强结构构造措施及薄弱层弹塑性验算。这样设计的建筑物可以避免主体结构倒塌而保证人的生命，但地震所造成的正常使用功能的丧失和巨大的社会经济损失，很可能会大大超出社会和业主可接受的程度。纵观现行抗震理论和设计方法中存在的问题，可总结如下：①对损失的控制不力，对业主的要求难以满足；②结构性能概念不明确，设计透明度小；③结构性能标准缺乏灵活性；④结构性能目标实现过程的误区。

2 基于性能的抗震设计PBSD（Perform Based Seismic Design）

2.1 概念。近年来，地震工程学者从不同的角度致力于抗震设计原理与方法的完善，其中最引人注目的进展是以结构性能评价为基础的抗震设计理论（Performance2based Seismic Design Theory）和基于结构性能的地震工程学（Performance2based Seismic Engineering）

美国ASCE-41 SEI对PBSD 的定义，在分析和设计中采用弹性静力和弹塑时程分析，基于不同设防水准地震作用，达到不同的性能目标。来实现一系列的性能水准，不同的结构形式采用不同的性能水准，建议采用建筑物层间变形来定义结构和非结构构件的性能，而且ASCE-41SEI适合于设计方法从线性静力延伸到弹塑性时程分析与多级性能水准结构的分析，可以利用随机地震动概念提出了许多种性能目标。

美国ATC-40对PBSD的定义为“基于性能的抗震设计是指结构的设计准则由一系列可以实现的结构性能目标来表示，主要针对钢筋混凝土结构并且建议采用基于能力谱的设计原理”。显然，ATC-40建议使用能力谱方法对钢筋混凝土结构进行抗震设计。

基于性能的抗震设计使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展，业主设计者可选择所需的性能目标，提出满足性能要求的方案论证（结构体系、详细分析、必要的试验、抗震措施）来通过专门评估。

2.2 性能目标。建筑物抗震设计的性能目标指某一设定地震地面运动（如在给定年限内超越概率63%、10%和2%—3%的小震、中震和大震）下建筑的预期性能水准。根据图1及图2，可把结构的性能水平分为以下四个阶段：

接近倒塌（Collapse Prevention,简称CP）

生命安全（Life Safety,简称LS）

基本运行（Immediate Occupancy,简称IO）

充分运行阶段（Operational,简称OP）

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2.3 分析方法。①大震静力弹塑性，又称Push-over方法，在水平位移控制下推覆结构，按一定荷载分布形式施加水平荷载，施加竖向荷载后作为初始状态，建立弹塑性模型，从而得到薄弱层和能力需求曲线交点（能力点）。②中震弹性，采用弹性分析程序对结构进行设计，通过设定内力调整参数及组合系数。③小震弹性。0.90.750.60.

450.30.150。④大震动力弹塑性，建立弹塑性模型，进行时程分析后可得结构的内力及变形响应。在施加竖向荷载后作为初始状态，对结构施加地震波，基于性能的设计方法的关键在于结构弹塑性分析方法，而基于纤维模型的弹塑性时程分析方法是目前最可靠且效率高的方法之一，但塑性动力时程分析计算结果受到地震波以及构件恢复力和屈服模型的影响大，且计算分析工作繁琐，只是能准确而完整地得出结构在罕遇地震下的反应全过程，要尽量使构件恢复力模型符合构件的实际特性，在设计重要高层建筑结构采用该法时，注意好各方面问题。

在这里还要提一下时程分析法中选取地震波的问题：时程曲线从地方地震设计部门提供的人工模拟曲线及实际记录时程曲线中挑选。这些时程曲线分析后得到的小震下（63%超越概率）的基底剪力与规范振型反应谱产生的小震下的基底剪力作了比较，发现满足规JGJ3-2002 Section 3.3.5的要求，即单个时程分析计算基底剪力结果应大于反应谱法结果的65%，时程分析的基底剪力结果的平均值应大于反应普法结果的85%。

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3 结语

3.1 基于性能的抗震设计是国际上一种发展趋势，超限高层结构设计采用基于性能的抗震设计理念和方法是可行的，有利于技术进步和创新。基于性能的抗震设计理论可完善简化的规范设计、为规范设计的不同性能水准提供一个有效的选择、改进已有建筑的评估和翻新、改进和完善区域损失估算、提高历史地震斟察的适用性、提高地震工程研究的效率等。

3.2 要不断总结震害经验，针对新结构、新技术进行试验和理论研究，对计算方法要不断改进完善。

参考文献：

[1]夏支贤，马健，申俊昕，张焱，翟红丽.云南龙江特大桥保山岸锚碇应力分析[J].价值工程，2013(08).

[2]翟红丽，王进，王承格.高地震区高速公路无伸缩缝半整体式桥梁的抗震研究[J].价值工程，2013(08).

[3]黄春霞.多层砌体房屋震害及抗震措施[J].价值工程，2011(03)

[4]欧阳平.浅析住宅建筑的抗震施工技术及应用[J].价值工程，2012(32).

[5]欧阳平.现代建筑玻璃幕墙概述[J].番禺职业技术学院学报，2006(02).

[6]陈洁.简述桥梁结构抗震设计与设防措施[J].价值工程，2013(10).

作者简介：

闫怀青（1963-），男，山东人，现任广空珠海办事处主任，学士学位，研究方向为生态军营建设、工程设计等。

抗震性能试验 篇4

抗震减灾一直是备受关注的结构问题之一,地震对建筑结构的破坏是复杂的,像房屋、桥梁等若经受不住地震荷载,轻者会震裂,重者会倒塌或扭曲。宜居建筑首先应该是安全建筑,是在重大灾害面前“保证生命安全、减少财产损失”的建筑结构。传统建筑结构采用“抗”的方式设计,通过加大构件截面尺寸、增加结构刚度来保证建筑安全。

本试验采用低碳、环保的木、竹材料制作模型。由于采用新材料,无法按一般的钢筋混凝土结构或钢结构的常用构件截面尺寸换算出模型构件的截面尺寸,故根据材料允许应力,由“假设验算”的方法确定,拟定流程如图1所示。克服构件局部失稳、节点处理、支撑方向、模型荷载、数据采集等一系列问题,利用ANSYS提供的子空间法求解特征方程,采用MIDAS/GEN软件进行结构数值分析,提取多层框架模型结构自振频率与各阶振型。最后得出保证结构安全应采用“放”的方式设计,例如通过在隔震层设隔震和耗能元件,或在特定层设减震消能构件,降低传到建筑的地震作用来保证建筑安全。

1 实验设计与方法

1.1 模型制作

根据振动台负载能力、台面大小及模型底板的大小,结合实际房屋建筑开间与进深的关系以及普通民用建筑一般楼层荷载的大小,确定模型几何相似比为1∶15;模型柱网布置为200 mm×200 mm,首层层高300 mm,其余层高250 mm。

1)构件稳定性。梁、柱截面均为薄壁构件,在外荷载作用下,薄壁构件极易发生局部或整体失稳破坏,最终导致模型垮塌,使得试验无法进行,为此在梁、柱截面中加肋(尺寸如图2),一方面增加梁柱刚度,另一方面能抑制构件断面在荷载下的局部失稳。模型方案尺寸见表1。

2)节点处理。由于一般框架结构要求节点应为刚性连接,为保证框架结构在地震作用下的“强节点、强锚固”的要求,将梁端的材料与柱进行一定长度的搭接,并将柱脚的材料与底板进行一定长度的粘结,节点处增加胶水用量。

3)支撑方向。模型实物见图3。

mm

1.2 模型荷载

1)利用铁块模拟结构楼面活荷载,活荷载一般为2.0k N/m2。地震作用下结构承担的重力荷载代表值取结构恒载和50%的楼面活荷载,由于模型几何相似比为1∶15,则力的相似关系为1∶152,因此模型每层施加的铁块重量为:

则每层施加铁块的质量为:M=4 kg

2)利用WS-Z30小型精密振动台系统对框架结构模型施加地震波,振动台输入的地震波取自汶川地震中什邡八角站记录的NS方向加速度时程数据,加载分三级。一至三级的输入电压分别为0.4、0.6、0.7 V;采样频率分别为200,250,300 Hz;加载时间分别为32、26、21 s;台面最大加速度参考值0.353、0.783、1.130 g。在加载中,通过控制加载设备输入电压和地震波数据采样频率获得具有不同输出峰值加速度和不同卓越频率的地震波,以全面检验模型对于不同强度和频谱成分地震波作用下的承载能力。加载时功率放大器的增益(Gala)旋钮统一调至90°标识,此时向三级加载的设备输入电压和数据采样频率控制值。

2 结构模型数值模拟分析

2.1 试验加载输出数据

对不同梁柱刚度比的4个结构模型,分别施加汶川一至三级地震波。由顶层加速度传感器获得的试验数据,通过加载控制软件及积分运算,获得顶层位移时程曲线。

2.2 数值模拟分析数据

对4个有限元分析模型分别进行三级地震波下的时程分析,并在后处理模式下提取时程分析结果(如图4~7)。

1)模型1(10×10无支撑)。

2)模型2(10×10有支撑)。

3)模型3(12×12无支撑)。

4)模型4(12×12有支撑)。

3 讨论与结论

3.1 结构动力特性

对比不同模型的自振频率可以看出,模型1、3无支撑,其刚度远小于带有支撑的模型2、4,模型1、3的自振频率远小于模型2、4。即:结构刚度越大,自振频率越大,加入支撑对结构模型自振频率影响显著(见表2)。

Hz

3.2 结构抗震性能

1)底部剪力法和振型分解反应谱法是地震作用力的常用计算方法,对比不同模型基底剪力最大值,模型2、4的基底剪力最大值远大于模型1、3,总体而言,结构刚度越大,基底剪力越大,且随地震波强度递增。

2)对比三级地震波作用下模型1、3的试验与数值模拟结果(见图8(a)),以及三级地震波作用下模型2、4的试验与数值模拟结果(见图8(b)),可得:增加柱截面尺寸,使结构刚度增加,地震波作用下位移量加大,且基本随楼层数递增。

3)模型2、4为带有支撑杆件的框架结构,对比三级地震波作用下模型1、2的试验与数值模拟结果(见图8(c)),以及三级地震波作用下模型3、4的试验与数值模拟结果(见图8(d))可见:加入支撑的结构模型结构刚度增加,所受的地震力越大,地震波作用下位移量加大。

综上所述,在结构设计时,要综合考虑各种因素,合理确定结构的刚度,保证在地震时,结构既不会因刚度过大而受到很大的地震反应,又要保证结构有足够小的层间位移,以保证各非受力构件的正常使用。

参考文献

[1]邱洪兴,舒赣平,曹双寅,等.建筑结构设计[M].南京:东南大学出版社,2002.

[2]GB50005-2003木结构设计规范[S].

[3]潘景龙,祝恩淳.木结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[4]邱法维,钱稼茹,陈志鹏.结构抗震试验方法[M].北京:科学出版社,2008.

某双塔斜拉桥抗震性能研究 篇5

某双塔斜拉桥抗震性能研究

以某大跨双塔斜拉桥为例,建立了主桥和引桥一体的动力模型,通过反应谱和非线性时程方法,分析了其地震响应,研究表明该桥满足抗震性能目标,纵向设置粘滞阻尼器后能显著的减少纵向地震反应内力.

作 者：雷昕弋 王翠翠 张辉 LEI Xin-yi WANG Cui-cui ZHANG Hui  作者单位：雷昕弋,张辉,LEI Xin-yi,ZHANG Hui(同济大学土木学院,上海,92)

王翠翠,WANG Cui-cui(中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨,150080)

刊 名：山西建筑 英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)： 35(2) 分类号：U442.55 关键词：斜拉桥   动力特性   抗震性能   粘滞阻尼器  

钢筋混凝土框架结构抗震性能分析 篇6

【关键词】钢筋混凝土；框架结构；抗震性能

1、引言

钢筋混凝土框架结构是指由钢筋混凝土梁和柱连接而成，共同构成承重体系的建筑结构，该结构建筑的墙体都为自承重墙，仅起到分隔和围护的作用。钢筋混凝土框架结构因其具有平面布置灵活和抗震性能好等优点，在工业与民用建筑中得到了广泛的应用。但是，近几年我国地震频繁发生，暴露出我国很多钢筋混凝土框架结构的基础设施与建筑物的抗震性能依然较差，震害比较严重，造成了人员伤亡和经济损失。因此，分析钢筋混凝土框架结构的特点及造成震害的原因，并以此为基础提出科学合理的抗震措施，对完善我国钢筋混凝土框架结构的抗震设计，优化我国钢筋混凝土框架结构建筑的抗震性能，减少地震造成的损失具有十分重要的意义。

2、钢筋混凝土框架结构的特点及震害分析

2.1钢筋混凝土框架结构的特点

钢筋混凝土框架结构的特点是自重比较轻，具有较好的抗震性能。其主要构件是柱和梁，分别承受使用过程中的竖向荷载与水平荷载，其屋盖和楼板的荷载经过板传给梁，又由梁传给柱，再由柱传给基础。通过合理的设计，钢筋混凝土框架结构能够具有良好的延性性能，有效耗散地震造成的输入能量。但同时也具有明显的缺点，就是其侧向刚度较小导致抵抗水平荷载的能力较低，在地震作用下水平变形较大，进而造成非结构构件的破坏。当建筑结构较低时，水平变形以剪切变形为主，由钢筋混凝土框架柱的弯曲变形与节点转角引起；当建筑结构较高时，水平变形则表现为弯剪型，过大的水平位移引起较大的P-△效应，使结构损伤更为严重，甚至出现极少数倒塌现象[1]。

2.2钢筋混凝土框架结构的震害分析

总的来说，钢筋混凝土框架结构的震害分为柱、梁及梁柱节点等结构构件破坏和填充墙等非结构构件破坏两类。

（1）钢筋混凝土框架柱的破坏 一般情况下，地震对钢筋混凝土框架柱的破坏重于梁，柱顶端的破坏重于柱底，角柱的破坏重于中柱和边柱，短柱的破坏重于一般柱。由于钢筋混凝土框架柱的两端弯矩较大，故柱的两端极易发生弯剪破坏，形成水平裂缝和斜裂缝，有时甚至形成交叉裂缝，并进一步导致箍筋严重扭曲而崩断。而在柱底部分的水平裂缝处，局部混凝土会被压碎，进而导致纵向受力的钢筋发生屈曲暴露出柱体表面。

（2）钢筋混凝土框架梁的破坏 钢筋混凝土框架梁的破坏一般发生在梁端，其主要原因是梁端部分的剪力和弯矩都比较大，而且在地震中会反复受力。另外，在梁端处的钢筋端部常出现锚固不好、纵筋和箍筋配筋不足等情况，这些原因都会导致梁端纵向钢筋屈服，形成垂直裂缝或交叉裂缝，使梁端在地震中被严重破坏。总的来说，地震对钢筋混凝土框架梁的破坏没有柱的破坏严重，并且属于框架结构的局部破坏，故通常不会引起建筑的整体倒塌。

（3）钢筋混凝土梁柱节点的破坏 在地震中，钢筋混凝土梁柱节点是最易被破坏的区域之一，其主要包括剪切破坏与钢筋锚固破坏。造成梁柱节点易被破坏的主要原因有：一是梁柱节点区域的箍筋绑扎十分困难，故在施工时经常出现箍筋配置不足或未设箍筋的情况[2]；二是梁柱节点处箍筋的绑扎不牢固，导致在振捣混凝土时箍筋下滑至柱顶区域；三是梁柱节点核芯区的钢筋过密，导致节点处的混凝土浇筑质量下降。这些原因都会降低梁柱节点的抗剪能力，造成震害。

（4）填充墙体的破坏

钢筋混凝土框架结构中的填充墙体多为砖砌体，只用于分割和围护空间，与框架结构缺乏有效连接，其具有承载力低、刚度大、变形性能差和抗剪强度低等特点。因此，在地震水平作用力下，填充墙体极易沿柱周边出现斜裂缝和交叉裂缝，并且这种破坏发生的早且严重。

3、提高钢筋混凝土框架结构抗震性能的措施

3.1合理设计钢筋混凝土框架结构的构造

在进行钢筋混凝土框架结构设计时，必须对其抗震性进行充分的考虑，合理的设计方案应具有良好的承载力、稳定性、刚度及延性等特点。由于在地震中不规则建筑平面极易导致局部和扭转振动的发生，而不规则建筑立面极易导致建筑物应力变形集中以及局部振动过度等现象，因此，在进行钢筋混凝土框架结构设计时，应合理布置构造柱、梁、楼梯以及窗间墙等构件，保证抗侧力构件的对称；同时应使纵横墙及上下墙对齐，保证竖向抗侧力、刚度及质量的均匀。另外，应重视“强柱弱梁、强节点弱锚固、强剪弱弯”的设计原则，并严格限制框架结构的轴压比，提高钢筋混凝土框架结构的延性，减少钢筋混凝土柱的脆性受压破坏，有效提高建筑物的抗震性能。

3.2严格管理钢筋混凝土框架结构的施工

（1）施工原材料的选择 在钢筋混凝土框架结构中，钢筋的性能和混凝土的强度等级都直接关系到建筑的抗震性能。为了实现钢筋混凝土框架结构“强柱弱梁、强剪弱弯”的要求，应注意控制钢筋的屈服强度、实际抗拉强度以及强度标准值间的关系，避免超强过多，使钢筋充分发挥其延性性能。为了减少钢筋混凝土框架梁柱的柱轴压比及剪压比，应适当提高混凝土的强度等级，有效提高框架结构的整体延性。

（2）钢筋的制作与安装 在地震时，钢筋混凝土框架柱或梁端的截面会出现弹塑性状态，可能导致纵向钢筋伸入梁柱节点的锚固在钢筋与混凝土间的粘结破坏中失效[3]，因此必须确保其锚固长度和锚固形式的可靠性。另外，框架节点的箍筋可有效约束混凝土和纵向受压钢筋，防止纵向钢筋被压屈，所以在加工时，必须保证其平直段的长度符合要求；在现场绑扎时，梁、柱交接处及梁上有集中荷载处必须使用箍筋，不可漏放，特别是核心区还应按加密要求布置。

（3）混凝土的浇注 钢筋混凝土框架的不同部位对混凝土强度等级的要求是不同的，因此在浇筑时，必须严格检查混凝土的强度等级及其浇筑顺序，防止高等级混凝土部位被注入低等级混凝土。在验收时，必须加强对节点核心区及构造柱的混凝土试块留置，以便控制强度质量；同时还应注意混凝土的振捣及养护。

（4）填充墙体的加固 在地震中，砌体强度不足的填充墙体会出现压裂、压碎、拉裂和剪断等现象，有的甚至会倒塌。因此，应该对填充墙体采取设置水平拉结筋和混凝土连系构件等加固措施，提高填充墙体的抗震性能。

4、结束语

本文通过对钢筋混凝土框架结构特点及震害的分析，从设计和施工两方面得出了一些优化其抗震性能的措施。但由于不同地区的地震特点不同，对钢筋混凝土框架结构的抗震设计方法和抗震措施的实施也要区分对待，选择各地更为适合的抗震设防方法，这就需要相关的工作人员不断努力研究，不断优化抗震措施来有效减少地震对我国的损害。

参考文献

[1]张婧，高衡山.钢筋混凝土框架结构的抗震分析及施工质量的控制措施[J].科学之友，2012（8）.

[2]崔海涛.建筑框架结构设计中的抗震技术综述[J].科技创业家，2012（2）.

墩柱抗震性能试验数据库框架研究 篇7

桥梁墩柱抗震性能研究早在19世纪70年代就已经开始, 国内外学者就影响桥梁墩柱抗震性能的各参数指标进行了较多的理论研究, 不仅如此, 国内外学者对桥墩墩柱进行了较多的试验研究工作。所有有关桥墩抗震性能试验的研究对于每个从事桥梁抗震研究的学者来说都是极其重要的参考资料, 所以, 为方便学者查询、参考、研究, 需要最大限度的将相关桥梁墩柱抗震试验汇集于一个数据库中。

对于科研而言, 一个完善的数据库就是一部研究发展史, 它集成了广大科研人员的知识和心血, 同时因为有了前期数据库所提供的研究基础, 后期研究就会更加理论化、系统化、高效化。

20世纪80年代开始, 国外相继建立了各具特色的试验数据库, 成功的为墩柱抗震研究人员查询和研究。然而, 目前国内还没有一个开放性的、较为完整的、可供试验数据收集、整理的数据系统, 导致了所做试验数据利用率低、缺乏统一性, 已经严重浪费了国家资源和阻碍了我国桥梁抗震研究事业的发展, 作为推动桥梁墩柱抗震性能研究进度的重要一部分, 急需建立我国桥梁墩柱抗震性能试验数据库。因此本论文基于建立数据库的重要性进行了桥梁墩柱抗震性能拟静力试验数据库架构研究。

1 墩柱抗震性能拟静力试验数据库架构

通过对国内外各种数据库以及重点对美国PEER, 还是日本Kawashima墩柱试验数据库的分析总结, 本文认为对于国内墩柱抗震性能拟静力试验数据库的建立要体现以下几方面:

a.数据库的开放性;

b.数据库的搜索方便性;

c.数据库数据信息完整性、科学性。

1.1 数据库的开放性

无论是美国PEER, 还是日本Kawashima墩柱试验数据库, 他们的凸显出的特点是二者都具备开放性, 为世界墩柱抗震研究者提供了研究平台, 为世界桥梁抗震做出了无私的奉献, 这也是国内墩柱抗震性能拟静力试验数据库的建立的首要理念。

1.2 数据库的搜索方便性

研究者对试验数据库中的数据的查询, 往往是带着不同的目的, 不同的角度查找相关数据, 那么就需要数据库定性的提供出墩柱试验的重要参数或信息作为查询搜索的标准。

PEER墩柱试验数据库从作者信息、试件截面形状、试验形式、纵筋率与箍筋率、轴压比、剪跨比, 试件破坏类型等方面定性的为研究者提供了查询方向;Kawashima墩柱试验数据库在搜索功能上提供了试件编号, 截面形状与尺寸、试验目的。

就数据库查询功能而言PEER所给的定性查询能够满足广大研究者的查需求, 而Kawashima墩柱试验数据库相对来说给的比较简单、笼统。因此, 建立国内墩柱抗震性能拟静力试验数据库的建立可以借鉴美国PEER墩柱试验数据库的查询手段。

1.3 数据库数据信息完整性、科学性

数据库数据信息完整性、科学性是数据库的核心内容, 墩柱抗震性能拟静力试验数据库的成功与否, 关键要看其试验信息是否完整、给出的数据是否据具有科学性, 下面就对数据库的基本信息框架进行研究。

1.3.1 作者信息:

PEER和Kawashima两个数据库都给出了作者的姓名、试验时间、试验相关文献。

1.3.2 材料性能:

数据库要描述给出混凝土强度、钢筋的屈服和极限强度信息, 三者均对墩柱抗震性能有着重要影响。

混凝土强度对试件抗震性能的影响来自两个方面-对试件屈服曲率和屈服位移的影响以及对极限曲率和极限位移的影响:提高混凝土的强度, 可以减小屈服曲率和屈服位移, 但混凝土强度提高了, 脆性也随之提高了, 在同样的约束箍筋情况下, 实际上相当于塑性铰区截面核心混凝土的约束程度降低了, 因此总的来看, 混凝土强度提高, 对钢筋混凝土桥墩的延性有不利的影响。

纵筋强度提高, 使得屈服曲率和屈服位移增大, 但对极限曲率和极限位移几乎没有影响, 所以, 纵筋强度提高, 降低了钢筋混凝土桥墩的延性。

箍筋屈服应力和极限拉应变提高, 都可以使极限曲率和极限位移提高, 因此, 提高箍筋屈服应力和极限拉应变对钢筋混凝土桥墩的延性有利。

1.3.3 几何特征及配筋:

1.3.3. 1 几何特征

a.墩柱类型: (矩形、圆形、或其他截面形式) ;b.墩柱高度;c.试件形式。例如美国PEER墩柱试验数据库给出的试件形式有悬臂型、双向弯曲型、双端约束型、基底弯曲型以及仿锤型。

1.3.3. 2 配筋:

数据库要给出纵筋和箍筋的型号、屈服强度和极限强度、二者的数量及箍筋间距。在钢筋混凝土桥墩抗震性能分析中, 墩柱配筋率和数量及配筋形式均对墩柱抗震性能有着重要影响。适当增加箍筋配箍率可以增大环箍效应, 增强约束区混凝土强度, 最终可以有效的增加墩柱的延性性能;对于增大纵筋率是否会增加墩柱延性性能, 目前还没有统一结论。PEER在这方面直接给出的内容比较全面, 但缺乏形象性, 而Kawashima做的就比形象, 未来国内数据库的建立可借鉴结合二者的优点。下面就纵筋率和箍筋率对墩柱抗震性能的影响介绍如下:

a.纵筋率

Iwaski等 (1985) 试验研究表明, 墩柱的破坏形态有赖于纵筋的配筋率。所测试的三个墩的轴压比约为0.06, 纵筋率分别为0.48%、0.87%和1.79%。位移能力最大者是纵筋率为0.87%的墩, 位移能力最小者是纵筋率为1.79%的墩, 纵筋率为0.48%的墩位移能力居中, 位移延性随纵筋率的减小而增大。

b.箍筋率

对于主要呈弯曲破坏形态的墩而言, 横向箍筋的主要作用是约束核心混凝土并为纵筋提供侧向约束。约束箍筋配箍率提高, 即意味着塑性铰区截面核心混凝土的约束程度提高, 因此, 可以大大提高核心混凝土的极限压应变, 从而使桥墩具有更高的延性水平。

1.3.4 延性指标:

剪跨比、轴压比做为墩柱的延性指标, 对墩柱的抗震性能其到了关键的影响。

a.剪跨比

墩柱剪跨比定义为墩高与其截面直径之比, 对等截面墩而言, 剪跨比随墩高的增大而增大, 反之则减小。在墩底截面曲率相同的情形下, 墩愈高则其墩顶位移愈大;对于等截面墩, 墩愈高则其最大抗剪需求愈大, 剪切变形也愈大。但抗剪需求的增大, 也加速了混凝土的裂缝发展和退化, 墩的极限曲率能力会降低。

b.轴压比

轴压比对延性的影响最大, 因为轴压增大使屈服曲率和屈服位移随之增大, 而极限曲率和极限位移却相对减小, 所以, 轴压增大对钢筋混凝土桥墩的延性起到双重的不利影响。

因此做为影响墩柱抗震性能的两项重要延性指标:剪跨比、轴压比在数据库基本信息中是必须给出的。美国PEER、日本Kawashima数据库都已给出。

1.3.5 加载及测点布置:

数据库要给出试件加载及测点不知情况, PEER和Kawashima数据库没有给出具体信息, 而未来的国内数据库应该给出, 包括如下:

a.轴压力加载

在桥梁延性抗震设计中, 轴压力大小是最为重要的影响因素之一。

b.侧向位移加载

试验目的有关于位移延性的内容, 而位移延性的确定与试件的屈服位移密切相关, 这就需要仔细制定位移加载的增量, 以能够精确找到屈服位移。

c.钢筋应变测试

为了测试墩底截面钢筋屈服状态和墩底截面中性轴变化情况, 需要在墩底最外侧钢筋上安帖应变计;为了测试墩柱剪力效应和了解墩底处纵筋屈曲时箍筋的受力情况, 需要在墩底箍筋处安贴应变计。

d.塑性铰区曲率测试

在桥墩等效塑性铰长度计算中, 屈服曲率和极限曲率是两个十分重要的计算参数, 其取值大小直接影响到塑性铰长度的计算, 为此, 塑性铰区曲率测试显得格外重要。

e.墩身位移测试

测试出墩柱在不同水平推力作用下的变形和位移情况, 可了解墩柱沿墩高方向各截面的变形情况。

f.墩柱底座横向、纵向位移测试

在水平推力作用下, 墩柱发生弯曲变形, 有可能发生横向滑移和竖向位移现象, 底座发生的横向位移对整个墩柱横向位移有着较大影响, 而竖向位移对墩柱曲率测试有着较大影响,

1.3.6 试验结果:

a.力-位移及弯矩-曲率滞回响应的骨架曲线骨架曲线为了便于桥墩抗震性态的比较, 需作出个桥墩滞回响应的骨架曲线, 包括:桥墩力-位移曲线、弯矩-曲率滞回响应的骨架曲线。

b.墩顶位移三分量组成

桥墩各滞回位移水平下的弯曲变形、剪切变形和滑移变形在总位移中所占的比例。

c.滞回性能特征汇总

要给出滞回位移水平第一次峰值位移循环下的位移延性、曲率延性、位移分量、钢筋拉伸应变、剥落高度以及裂缝宽度等, 可以通过表格形式给出

1.3.7 附录

a.测试应变沿墩高的分布图

1) 混凝土名义压应变沿墩高的分布图。

2) 螺旋箍筋和纵筋的拉伸应变沿墩高的分布图。

b.各损伤状态图片及图示

2 结论

2.1 国内墩柱抗震性能拟静力试验数据库的建立应从数据库的开放性、搜索方便性、数据库数据信息完整性、科学性的角度出发。

2.2 试验数据信息完整性、科学性是建立数据库的关键, 本文通过数据库框架的建立, 全面论述了各种因素对墩柱抗震性能的影响。

2.3 国内墩柱抗震性能拟静力试验数据库的成功建立将为国内乃至国外墩柱抗震研究者提供一个良好的科研平台。

参考文献

[1]范立础.现代化城市桥梁抗震设计若干问题[J].同济人学学报, 1997.

[2]孙卓, 闫贵平.钢筋混凝土桥墩抗震性能的试验研究[J].中国安全科学学报.2003.

[3]杨丹清, 李福海.不同配筋率对SRC压弯柱承载力与延性影响.西南交通大学土木工程学院, 四川成都610031.

[4]王东升.钢筋混凝土圆形截面柱式桥墩抗震性能评价[J].世界地震工程, 2001.

[5]美国PEER墩柱抗震试验性息库.

[6]Kawashima墩柱抗震试验性息库.

[7]王清湘, 赵国藩, 林立岩.冷轧带肋箍筋柱轴压比及配箍率的试验研究[J].建筑结构, 1999.

[8]Michell D, Bruneau M, Williams M, Performance of bridges in the1994Northridge earthquake Canadian Joumal of Civil Engineering, 1995.

[9]Esmaeily A, XiaoY.Behaviorof reinforced con-crete columns under variable axial loads.ACI Structural Journal, 2004.

抗震性能试验 篇8

1 实验方案

1.1 试验材料及性能

钢材为Q235-A3钢, 柱用C40细石混凝土, 混凝土由425普通硅酸盐水泥配制, 配合比 (按重量) 为石∶中砂∶水泥 (C425) ∶水=2.62∶1.41∶1∶0.41, 木模成型, 采用机械搅拌、卧式浇筑、插入式振捣器结合人工振捣浇筑, 一次浇捣成型, 室内养护, 两个试件同时浇注、同时预留150 mm×150 mm×150mm混凝土试块三块, 28 d后测试混凝土的立方体抗压强度。在钢筋下料时, 对每种规格的钢筋分别截取三根长为30 cm的试样, 在万能试验机上进行单调加载拉伸试验, 测试钢筋的屈服强度和极限强度。

试验前按照混凝土试验标准[1]做了立方体试验, 测得混凝土立方体强度平均值为44.4 MPa。弹性模量3.45×104MPa。试件型钢选用热轧普通工字钢, 主筋选用HRB335钢筋, 箍筋选用HRB235钢筋, 按金属试验标准[2]进行材性试验, 试验结果见表1。

1.2 试验模型选取

模型为2根中柱节点, 根据《建筑抗震试验方法规程》 (JGJ 101—96) 的要求和试验条件, 按1∶2缩尺比例进行设计, 钢梁的长度为3 000 mm, 混凝土柱的高度为1 500 mm, 模拟实际结构中梁柱十字节点, 上下端为柱反弯点, 左右端为梁反弯点, 如图1、图2所示。

在型钢梁节点核心区边缘加焊竖向加劲肋[3]。柱采用钢筋混凝土柱, 截面尺寸为300×300 mm, 纵筋配12Φ16钢筋, 箍筋配8@100, 两个试件节点区箍筋分别采用焊接式和穿透式, 节点区箍筋加密为8@50, 梁采用工16型钢, 试件模型实图 (图4) 。

1.3 加载制度

采用柱端加载方式, 在绑扎完钢筋骨架之后浇筑混凝土柱之前, 在混凝土柱中预埋两根钢绞线, 待混凝土达到标准养护前强度之后, 在柱顶端张拉钢绞线, 从而对柱施加竖向轴向力, 轴向力的合力为390 k N。

反复作用的水平荷载采用荷载-变形混合控制方法 (图3) , 在达到屈服荷载前, 力与变形的关系基本是线性的, 故采用荷载控制加载, 每级荷载3 k N, 反复二次, 当框架屈服以后, 力的增量变小, 而变形的增量很大, 采用变形控制加载, 按屈服位移的倍数即1Δy、2Δy、3Δy, …分级, 每级反复一次, 当荷载下降到峰值的85%, 即Pu>0.85Pmax后, 认为试件破坏[4,5]。

1.4 试件的屈服和破坏准则

以试件的荷载-变形曲线上出现明显拐点时对应的荷载, 作为屈服荷载, 对应的位移作为屈服位移。荷载达到最大值时承担的荷载作为极限荷载, 试件破坏时达到的位移作为极限位移。当结构临近破坏时, 荷载增量较小, 而位移增量较大, 达到下列条件之一即可停止加载: (1) 受压区混凝土压碎; (2) 试件达到最大荷载后, 承载力下降至最大荷载的85%; (3) P-Δ曲线出现较明显的拐点; (4) 某一截面纵筋达到用钢筋试件试验测得的屈服应变。

1.5 测试内容和方法

(1) 节点范围内钢梁腹板的应变值采用三向应变花BX120-5CA。

(2) 靠近节点一定长度内的钢梁翼缘采用HJ系列可装配式应变测量传感器。

(3) 柱端水平位移利用MTS加载系统自身配置的力和位移数据采集系统自动测量。

(4) 节点范围内箍筋的应变采用BX120-5AA应变片, 节点区应变片布置示意图和实图详见图5 (a) 、 (b) , 核心区应变片序号由上至下依次为1~6。

(5) 节点核心区裂缝用目测结合放大镜观察裂缝的出现。

2 试验结果及分析

2.1 节点区应力应变状态

通过试验测得的数据可以得到节点核心区典型测点的F-ε曲线。从图6中可以看出:初始阶段, 腹板各测点均处于弹性阶段, 应变分布均匀, 当节点通裂时, 腹板上2#、4#、6#测点处达到屈服, 而3#、5#还没有达到屈服, 可知, 腹板的应变状态已偏离了纯剪切状态, 但腹板整体来讲应变分布还是比较均匀的。通过2#、4#、5#、6#测点可以看出加载初期应变变化不大, 后期变化比较规则, 分析其原因可能是柱端部锚固空隙所致。

2.2 型钢梁翼缘的应力应变状态

节点梁端型钢翼缘上的HJ电阻应变传感器布置如图7所示。

根据试验测得的数据可以得到节点梁端翼缘的F-ε曲线, 如图8所示。从图中可以看出翼缘在加载的初始过程中基本保持弹性, 在结构即将破坏时表现为屈服, 因而达到了破坏始于节点核心区, 能够全程分析节点区破坏过程的目的。

2.3 节点区箍筋的应力应变状态

节点区箍筋的布置见图5 (a) , 由试验测得的数据可以得到节点区箍筋的F-ε曲线, 如图9所示, 从图中可以看出:箍筋承担一部分剪力, 但其抗剪作用主要在腹板屈服后才发挥, 由于轴力的作用, 核心区混凝土产生横向应变致使水平箍筋在未施加柱端水平荷载时, 即产生拉应变, 在混凝土开裂之前, 水平箍筋的应变随柱端水平荷载的变化波动不大, 说明此时节点剪力主要由核心区混凝土和腹板承担, 当腹板屈服、节点核心区混凝土通裂后, 箍筋应变有突变, 此时箍筋和核心区混凝土发生了应力重分布, 箍筋进入屈服状态。

2.4 滞回特性

滞回曲线表示的是构件或结构承担的力与该力引起的变形的定量关系。实质上是反映了构件或结构在任一荷载时刻的应力、变形、刚度退化及耗能能力, 同时, 也反映了构件或结构的开裂、屈服[6]。图10、图11为本次试验记录的柱端荷载P与层间位移δ的关系曲线, 本曲线是将实验数据导入Origin7.0软件绘制而成。

从图中可以看出:

试件1的滞回曲线比较理想, 兼有钢节点的纺锤形和混凝土节点的倒S形, 形状介于两者之间。裂缝处于闭合状态时, 混凝土发挥的作用较大, 表现为钢筋混凝土节点的变形性能, 处于开裂状态时, 混凝土的作用逐渐退出, 钢的变形性能表现突出。钢梁钢筋混凝土柱节点滞回曲线的这种性质在循环次数较少是比较突出, 随着循环次数的增多并伴随着混凝土的损伤逐渐转化为钢节点滞回曲线的性质。

试件2的滞回曲线与试件1从饱满度和外形来讲基本相似, 但并不完全对称, 试验之后分析其原因可能是当荷载加到较大时柱下端的端部锚固不劳导致的。

2.5 骨架曲线

低周反复荷载下的结构变形特性称为恢复力特性。广义力与广义位移之间的关系曲线就称为恢复力曲线或滞回曲线。恢复力曲线表达了结构或构件的耗能能力、变形特征、刚度变化特征等一系列与动力特性有关的特性, 因此它是研究结构或构件抗震性能的一种重要依据。将每一级循环的滞回曲线的峰点连接起来形成的包络线就是结构或构件的骨架曲线, 在任意时刻的运动中, 峰点不能超出骨架曲线, 只能在到达到骨架曲线后沿骨架曲线运动。它综合反映了模型的变形能力, 集中反映了模型在各个阶段的性能。图12和表2、表3分别为根据本文实验测得的数据制作的节点骨架曲线、节点骨架曲线特征点列表。

通过以上数据可知:

初裂点:初裂点是实验的过程中根据经验用肉眼首先观察到的节点核心区出现第一条裂缝时的荷载。设定裂缝宽度为0.05 mm左右时的荷载作为初裂荷载, 柱的轴压力、混凝土强度等级等因素都影响着初裂荷载的大小。试验结果是初裂荷载点的Δcr/Δu和Pcr/Pu分别为0.387和0.642, 由此可见, 初裂缝出现时的荷载是极限荷载的65%左右。通过以上数据可知, 屈服荷载点的Δy/Δu, Py/Pu分别为0.476, 0.785。荷载峰值点与所含钢筋和型钢量、混凝土强度等级、轴压比等因素有关。破坏点的Δf/Δu, Pf/Pu分别为1.25, 0.857。

钢梁-钢筋混凝土柱节点的恢复力特性[7]可由上述所得到的比值关系通过四折线形式来表示如图12, 它能够定性的反应钢梁-钢筋混凝土柱节点的受力性能, 可作为结构动力分析的参考。

3 结论

(1) 通过对节点区型钢腹板、节点端部型钢梁翼缘、节点区箍筋等部位的应力应变状态进行分析, 通过得到的柱顶P-δ滞回曲线, 可知钢梁-钢筋混凝土柱的滞回曲线兼有纺锤形和倒S形, 形状介于两者之间。

(2) 由图10可知柱顶力-位移的滞回曲线较为丰满, 因而钢梁-钢筋混凝土柱节点具有较强的耗能能力。

(3) 加载初期表现为钢筋混凝土节点的变形性能, 处于开裂状态时, 混凝土的作用逐渐退出, 进而表现为钢的变形性能。因而钢梁-钢筋混凝土柱节点有利于结构抗震。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.普通混凝土力学性能试验方法标准, GB/T 50081—2002.北京:中国建筑工业出版社, 2003The National Standard of the People's Republic of China, Ordinary concrete mechanics performance test method standard.GB/T 50081—2002.Beijing:China Building Industry Press, 2003

[2] 中华人民共和国国家标准.金属拉伸试验方法, GB 228—87.北京:中国建筑工业出版社, 1987The National Standard of the People's Republic of China:Metal tensile test method.GB 228—87.Beijing:China Building Industry Press, 1987

[3] 薛建阳, 赵鸿铁, 杨勇.型钢混凝土节点抗震性能及构造方法.世界地震工程, 2002;18 (2) :61—64Xue Jianyang, Zhao Hongtie, Yang Yong.Seismic behavior and construction method of steel reinforced concrete joints.World Earthquake Engineering, 2002;18 (2) 61—64

[4] 中华人民共和国行业标准.建筑抗震试验方法规程.JGJ 101—96 .北京:中国建筑工业出版社, 1997Industry Standard of the People's Republic of China.Procedures of the Aseismic Test Method.JGJ 101—96.Beijing:China Building Industry Press, 1997

[5] 邱法维, 钱稼茹, 陈志鹏.结构抗震实验方法.北京:科学出版社, 2000Qiu Fawei, Qian Jiaru, Chen Zhipeng.Structural seismic experiment method.Beijing:Science Press, 2000

[6] Parra-Montesions G J, Liang X, Weight J K.Towards deformationbase capacity design of RCS beam-column connections.Engineering Structural, 2003;125:681—690.

抗震性能试验 篇9

1 试验设计

1.1 试验内容及布置

本文进对组合式电力工作井的原型结构进行振动台试验, 在室内的模拟地震振动台上, 直接对电力工作井结构中最弱的环段进行的最不利地震荷载组合下的振动试验。研究在可能发生的地震条件下电力工作井结构的地震反应、或发生破坏的可能性及破坏程度。试验研究内容包括工作井结构在各水准地震作用下自振频率和刚度的变化及加速度、位移和应变的反应;评价结构的抗震能力, 尤其是检测结构拼接缝在地震荷载作用下的抗滑移松动能力。

试验前, 在试验管片上布设加速度传感器、位移传感器和应变片, 并对加速度传感器进行标定。本文试验布置如图1所示, 其中, S表示应变传感器, D表示位移传感器, A表示加速度传感器。共布设8个应变片、14个加速度传感器、6个位移传感器。

1.2 试验方法及步骤

对于组合式电缆工作井的振动台试验, 采用时程分析法, 选用两组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线作为台面输入地震激励, 模拟地震荷载的作用。试验中选取了三种地震波形作为输入地震波, 即E L Centro、Pasadena和SHW三种波的时程曲线。

模拟地震振动台试验步骤如下: (1) 用白噪声对工作井结构进行扫描, 测试试件的自振频率、振型、阻尼比等结构动力特性。 (2) 进行单向 (X向) 振动试验, 输入幅值大小取值如下多遇地震、基本地震、罕遇地震分别为:007g、0.20g、0.40g。 (3) 进行三向振动试验输入幅值为:1 (水平1) :0.85 (水平2) :0.65 (竖向) , 即0.40g:0.34g:0.26g。

2 试验结果

2.1 结构动力特性

可以看出, 在施加地震荷载时, 电缆工作井顶部沿X、Y、Z三个方向的加速度为最大, 故先分析工作井顶部三个方向的加速度, 如其中有代表性的A3、A4和A1加速度传感器。工作井结构在第一次白噪声 (工况1) 扫描后得到的X向第一频率为13.52Hz, Y向第一频率为17.14Hz, Z向第一频率为17.87Hz。工作井结构在第四次白噪声 (工况16) 扫描后得到的X向第一频率为1351Hz, Y向第一频率为17.13Hz, Z向第一频率为17.87Hz。白噪声的扫频结果从白噪声的扫频结果可以看出, 电缆工作井结构在承受设防烈度不同水准地震作用前后仍保持结构完整, 说明原型结构基本处于弹性工作阶段。

2.2 结构的加速度反应

一般情况下, 动力放大系数会随结构与台面距离的增加而增大, 各工况下动力放大系数最大值都会发生在顶部测点处。在设防烈度不同水准地震作用下对电缆工作井结构顶部的加速度反应和动力放大系数K进行了监测对于EL Centro波, 台面激励的加速度峰值越大, 沿结构三个方向的动力放大系数越小, 但是减小的幅值很小;对于Pasadena波和SHW波, 随着台面激励的加速度峰值的增大, 动力放大系数先减小, 后增大, 且在罕遇地震作用下的动力放大系数比多遇地震作用下的放大系数大。这都说明了组合式电缆工作井结构基本处于弹性工作阶段。

2.3 结构的位移反应

对设防烈度不同水准地震作用下电缆工作井结构顶部相对于振动台面的位移最大值以及电缆工作井结构顶部的相对位移最大值与结构高度的比值进行了监测。可以得到: (1) 设防烈度不同水准地震作用下电缆工作井结构顶部相对于振动台面的位移最大值随着台面激励的加速度峰值的增加而增大; (2) 只施加单向 (X向) 地震荷载时, 对于三种不同的波, 其结构相对于台面的位移变化很小; (3) 电缆工作井结构顶部的相对位移最大值与结构高度的比值在所有的工况下都很小, 结构的位移角很小, 说明结构本身的刚度很大, 这也从另一个方面说明了在承受设防烈度不同水准地震作用前后电缆工作井结构是完好的。

3 结语

通过模拟地震振动台试验研究, 可知在承受设防烈度不同水准地震作用前后, 结构的第一频率变化很小, 结构完好;加速度反应基本处于弹性工作阶段;电缆工作井结构是完好的。只要设计合理, 施工得当, 组合式电缆工作井能满足八度地震烈度的要求。

摘要：针对目前国内新型的组合式电力工作井进行模拟地震振动台试验研究, 采用三种不同的地震波进行试验, 得到组合式电力工作井的地震反应, 从而可得组合式电力工作井的抗震性能, 为设计和施工提供参考。

关键词：工作井,抗震性能,振动台试验,地震反应

参考文献

[1]国家质量监督检验检疫总局.建筑幕墙抗震性能振动台试验方法 (GB/T18575—2001) [M].中国标准出版社, 2002.

[2]中华人民共和国冶金工业部.构筑物抗震设计规范 (GB50191—93) [M].中国计划出版社, 1993.

抗震性能试验 篇10

1、桥墩抗震性试验中遇到的瓶颈

1.1 试验条件固定, 试验结果可行度不高

高铁线路跨越地域广, 地理环境复杂多变, 而我国的多条线路位于地震多发区, 实验结果就要应用于不同地域, 这样便造成了实验的偶然性。地形决定了选择条件, 并在很大程度上影响铁路桥梁的技术标准。比如我国西部地区的地质地貌的特殊性, 使得修建在地形起伏较大的地方的桥梁比比皆是, 并且西部地区是我国一个地震频繁发生的区域, 应做重点实验地点。再比如受不规则地形影响, 地震波在平坦场地中的传播与河谷地形相比就有很大不同。因此, 河谷地形地震动分布在小尺度空间上并非一致, 呈现出明显的差异性, 有必要评估这种差异对桥梁地震反应的影响。现阶段, 虽然铁路桥梁与公路桥梁的抗震设计规范有一些不同, 但铁路桥梁和公路桥梁的抗震设计的基本理论是相同的。

当桥墩建在不同地点, 前期主要工作是进行各构件的结构计算和测画结构设计详图, 那么, 在地震动峰值加速度较大的地区, 对结构的设计要求就更精细。所以高速铁路圆端形实体桥墩抗震性能试验要经过计算和设计, 在不同地点进行试验, 精准测绘考察。

1.2 桥墩构造模式相对落后, 抗震性不高

随着我国桥梁建设体系的逐步完善, 桥墩构造模式初具规模, 然而, 我国的总体水平与发达国家还存在着不小的差距, 部分地区仍然沿用着九柱型和一字型墩修建模式, 没有充分利用三角形具有稳定性这一特征, 无法在大型地震支撑起桥梁主体, 起不到保护高铁的作用, 如果遇到水流湍急的河流, 还要考虑水流长期冲击对桥面主体的影响, 一字型的建设模式只能在纵向上提高桥面坚固程度, 适应于轻型高铁, 对于运送重型物资的高铁, 运行时如果车厢左右重量差距过大, 容易造成桥体左右受力不均, 长期积累, 会造成桥墩倾斜, 并且倾斜角度肉眼难以观察, 定期检查中也不易发现, 然而地震中威力较大的是横波, 轻微的横波震动加上桥墩本身的倾斜, 可能导致桥墩扭曲, 再加上纵波造成二次损坏, 对桥墩的伤害无疑是巨大的。[2]针对单个桥墩来说, 桥墩的里层构件以钢筋为支撑骨架, 钢筋的穿插模式也从根本上决定了桥墩的抗震性, 钢筋之间的构造形式越牢固, 贴合度越好, 桥墩的抗震性越高, 但纵观我国建筑行业, 无论是楼房建筑还是桥梁建筑中, 钢筋捆绑方式不合格导致房屋倒塌和桥梁损坏的现象时有发生, 这在一定程度上反映出我国钢筋构建中存在的技术落后问题。不能满足最基本的生活和运输需求, 桥墩的抗震性能不言而喻。

1.3 桥墩原料配比单一, 无法承受高强度地震

我国现行体制中, 桥墩的原料一般以钢筋水泥为主, 辅助配以适当的混合剂, 而生产钢筋和水泥的原材料质量和配比率直接决定了产品的质量。在生产原料方面, 没有相应法规应保证原料的质量。在原料配比方面, 一直沿用着传统的配比方法, 无法适应环境改变, 例如在东北地区, 冬季气温低, 水泥变脆变硬, 极易开裂, 防震性能降低, 造成了极大的安全隐患。

2、突破试验瓶颈的相关解决办法

2.1 广泛建立试验基地, 提高试验结果可行度

地震时从震源释放出来的能量以地震波的形式传至地表, 而地表各点接收到的地震波是经由不同的路径、不同的地形地质条件而到达的, 因而反映到地表的震动必然存在差异。对圆端形实体桥墩抗震性的实验结果不能以偏概全, 亟需进行大量专门的圆端形实体桥墩抗震性能研究, 选取各种不同地形地貌, 地震带与非地震带, 选取高铁线路易经之地, 主要考虑以下因素:地形、地质、水文条件气候和条件、城镇、工矿和居民点的分布。水文情况决定排水结构物的数量和大小, 水文地质情况决定了含水层的厚度和位置、地基或路基岩层滑坍的可能性。地质构造, 决定地基及路基附近岩层的稳定性, 确定有无滑坍、碎落和崩坍的可能。桥位场地的选择, 应依据桥址处的地质和地形条件, 应避免地震时次生灾害对桥梁的破坏, 基础应建在岩石或坚硬的冲积土层上。要广泛建立试验基地, 结合实地考察和实际情况对桥梁进行预测和评估, 实际修改高速铁路圆端形实体桥墩的设计方案, 必须全面分析研究各种可能的比较方案, 作出合理的选择。在相同或几乎相同的地理条件下可以借鉴同样方案, 但试验进行既要多地点选取, 又要在一次试验中多次试验测量与修改, 提高试验结果的可行性。

2.2 大力引进先进模式, 提升桥墩抗震性

相对于我国的一字型构造模式, 国外普遍采用“I”字型建造模式, 两种模式之间看似在桥墩放置位置间的差异不大, 但实际上, 桥梁的“I”字型构建需要更高的施工水平和更完善的理论体系, 在这方面, 我国应向日本等处于地震带的国家多多学习, 在日本的大型桥梁建设中, 工程师会根据桥梁实际位置和周边海域的环境来选择建筑模式, 在提升桥墩坚固程度的同时, 减少海底鱼群对桥墩水下部分的冲击积极学习, 使人工建筑与自然环境相融合。[3]我们在学习的过程中, 不仅仅要学习构建方法, 更是要总结经验, 学习构造思想。只有掌握思想, 拥有属于自己的理论体系, 才能在整体上把控桥墩建造进程, 并且根据实际情况, 针对环境、气候差异, 适当调整桥墩间距和构建类型, 以保证桥墩达到各方面标准, 最大程度的减少桥梁损耗度, 增强抗震性。

2.3 积极开发新型材料, 优化原料配置比率

随着科技的不断发展, 各种新型材料争相问世, 我们不能只拘泥于传统的钢筋水泥材料, 应该组织专业人员, 根据新型材料的特点, 选取合适原料试验, 找出更坚固, 抗压性高, 抗震性好的材料, 应用到实际建设中。针对目前局面, 应发扬创新精神, 利用现有材料, 调整原料比例, 大胆尝试, 不怕失败。并且针对地区环境特点, 选用不同的原料比例, 适合气候特点, 延长桥墩使用寿命和整体质量, 进一步提高桥墩抗震能力。

3、结语

高铁线路中桥墩建设是贯通高铁线路、保障列车顺利运行的基础, 提高桥墩抗震性, 保证地震时高铁中人员与物资安全, 对高铁行业发展有着重要的意义, 因此, 测试桥墩抗震性的试验必不可少, 本研究提出了试验中难以突破的瓶颈, 列举了相应的对策, 为今后的圆端形实体桥墩抗震性试验提供参考。

参考文献

[1]徐勇, 金福海, 杨福泰, 等.武广铁路客运专线四院范围桥梁总体设计[J].铁道标准设计, 2010 (1) :94-99.

[2]王占飞, 隋伟宁, 吴权, 等.地震作用下部分填充钢管混凝土桥墩非线性时程分析及抗震性能评价[J].工程力学, 2011, 28 (6) :189-194.

竖缝钢板剪力墙抗震性能研究综述 篇11

【摘 要】随着社会的进步与发展，钢结构产业化也得到了迅猛发展。由于钢结构具有轻质高强，抗震性能优越，力学性能良好等优点，因此它逐渐成为高层以及超高层结构的主要组成形式。对于高层钢结构来说，它与单层和多层结构的不同点主要为，在高层钢结构中水平地震荷载以及风荷载起控制作用，然而重力荷载起到的作用较前两者来说较小。所以在高层钢结构中抗震体系成为结构的重要组成部分。而本文研究的新型耗能竖缝剪力墙结构作为一种新型的抗震结构体系，它具有良好的结构性能。

【关键词】竖缝剪力墙；耗能；抗侧刚度；抗震性能

前言

地震是人类始终要面临的最为严重的自然灾害之一，抗震减灾研究已成为关系到国家财产和人民安全的大事。我国是一个地震多发国家，地震发生区域广阔而分散，地震强度大，震源深度浅，而且发生频繁，地震对国家和人民都带来了严重的影响[1]。因此，工程结构的抗震问题在国民经济的建设中便显得尤为重要。

钢结构由于自重轻、结构性能好、施工速度快等原因已成为高层以及超高层建筑的主要结构体系，但高层及超高层建筑受水平地震荷载和风荷载的作用比较严重，为了既满足建筑物在风载及常遇地震下人们舒适性和安全感的要求，又保证地震时建筑物具有柔性的特点。因此期望研究出一种在正常使用时刚度大，当遇到强烈地震作用时可吸收地震能量，而且在刚度又较低的新型抗震结构。由于钢结构自身的抗侧刚度，因此研究各种抗侧力构件已经成为钢结构研究中的一个重要课题。

一、国内研究现状及分析

国内学者对剪力墙的研究，相对起步比较晚。同济大学、清华大学、天津大学、北京工业大学、东南大学、西安建筑科技大学等单位做了很多研究工作。由于传统现浇钢筋混凝土剪力墙结构自重大、刚度大、地震作用大、延性差并且以受剪破坏为主，在发生强震时容易产生脆性破坏等诸多缺点，为此，不少学者又开始研究改善剪力墙抗震性能的措施。

我国对带竖缝钢板剪力墙的研究目前还处于初级阶段，国内对钢板剪力墙的系统研究也比较少。同济大学李国强[2]等进行过钢板外包混凝土剪力墙板的低周反复荷载模型试验得出，钢板剪力墙经混凝土外包以后具有很大的刚度和承载力，并且有很好的延性，但由于混凝土的施工周期长，严重影响了钢结构的施工工期。清华大学郭彦林，陈国栋等[3-5]对薄钢板剪力墙和设置十字型加劲肋的钢板剪力墙进行过抗剪承载力研究，提出了薄钢板剪力墙和设置十字加劲肋钢板剪力墙抗剪承载力的简化设计公式。河北省地震工程研究中心[6]对在混凝土框架中使用的薄钢板剪力墙进行了试验，试验表明薄钢板剪力墙可用于地震地区既有建筑的加固或者作为新建筑的抗侧力体系，建议钢板的高厚比宜大于 800。武汉理工大学苏磊[7]和华南理工大学的温沛纲[8]对带竖缝钢板剪力墙进行了理论分析，有限元模拟和试验研究，推导了带竖缝钢板剪力墙抗侧刚度和承载力的计算公式。

二、带竖缝钢板剪力墙的优点和缺点

根据“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计原则，结构的抗震性能的优劣取决于抗震构件吸收和耗能的能力，带竖缝钢板剪力墙较其它构件有着优良的塑性变形能力，而塑性变形正是吸收和耗能的有效手段。根据国内的研究成果可知，带竖缝钢板剪力墙的优点主要有以下几点：

1.改善了延性，并且使结构更加稳定；

2.带竖缝钢板剪力墙可用于结构加固，由于其重量轻，并不需要在对基础进行改造；

3.由于狭缝的作用，使整块板就像几个并列排放在一起的柱子的作用，并且先发生弯曲变形，与其他抗侧力构件相比可有较大的层间位移角；

4.带竖缝钢板剪力墙与柱子分开，地震作用后可对剪力墙进行重新安装；

虽然带竖缝钢板剪力墙有以上诸多优点，但是要作为一套成熟的抗侧力体系被大量采用还有很多不足之处。带竖缝钢板剪力墙的不足之处主要有以下几点：

1.为了减少加工过程中的缺陷，带竖缝钢板剪力墙的竖缝需要用激光来切割，这就会在一定程度上增加剪力墙的造价；

2.与未开缝的钢板剪力墙相比，带竖缝钢板剪力墙的缝的开设一定程度上降低了剪力墙的强度和刚度，削弱了钢板剪力墙的整体性；

3.由于带竖缝钢板剪力墙的左右两端没有和框架的柱子相连，因此就会造成其边界约束条件较弱，平面外稳定性差，要想再保证其平面外稳定性，则需另在剪力墙的左右两端设置竖向加劲肋，但其对剪力墙的约束能力要明显弱于柱子。因此剪力墙在设计过程中受到稳定性的制约；

三、结论与展望

竖缝钢板剪力墙具有良好的抗震性能和耗能能力，是一种在正常使用情况下刚度大，遇强烈地震作用时刚度低，并使建筑物在水平地震荷载以及风载作用下能满足人们安全感和舒适性的要求，并能吸收地震能量的一种新型剪力墙。本文对竖缝钢板剪力墙抗震性能进行了系统性的理论分析，得出了以下主要结论：

1.竖缝钢板剪力墙其结构在抗震性能方面的优越性已得到了试验和理论的验证，且该种剪力墙施工方便、构造简单、自重轻，并且具有良好的工程发展前景。

2.狭缝的存在避免使结构发生剪切破坏：狭缝的开设，虽然降低了竖缝钢板剪力墙的整体抗侧刚度，可是改善了其板的受力性能。

本文虽然对竖缝钢板剪力墙进行了系统性地研究，但目前对其研究还处于试验阶段，尚未应用于实际工程，并且还有很多不足之处。对于该新型多功能钢筋混凝土剪力墙的抗震性能，还需要在以下方面进行研究：

1.竖缝的开设在很大程度上降低了带缝钢板的整体抗侧刚度，因此对缝的开设尺寸还需进行优化设计，以减少钢材的用量，从而降低工程造价；

2.研究连接键长度及数量、墙肢不同高宽比对墙体抗震性能的影响，从而更加全面掌握该竖缝钢板剪力墙的各项性能。

3.进行整体多层模型的振动台试验研究，以利于掌握地震作用下结构整体响应及破坏形态。为新型多功能剪力墙结构设计和构造措施提供依据。

参考文献：

[1]杨德健，王铁成，双排桩支护结构受力变形及影响因素分析，建筑结构，2008年4月，vol.38，No.4（50-52）.

[2]李国强，张晓光，沈祖炎.钢板外包混凝土墙板抗剪滞回试验研究[J]. 工业建筑，1995. 25（6）：32-35.

[3]陈国栋，郭彦林.钢板剪力墙低周反复荷载试验研究[J].建筑结构学报2004.25（2）：19-26.

[4]陈国栋，郭彦林.十字加劲钢板剪力墙的抗剪极限承载力[J].建筑结构学报，2004. 25（1）：71-78.

[5]陈国栋.钢板剪力墙结构性能研究[D].清华大学，2002.

[6]苏幼坡，刘英利，王绍杰.薄钢板剪力墙抗震性能试验研究[J].地震工程与工程震动，2002. 22（4）：81-84.

[7] Toko Hitaka，Chiaki Mastsui. Experimental of Study on Steel Shear Wall with Slits[J]. Journal of Structural Engineering， 2003. 129（5）：586-594.

抗震性能试验 篇12

关键词：桥梁工程,钢管混凝土拱桥,振动台试验,动力响应

0 引言

钢管混凝土拱桥自20世纪90年代引入我国。其以结构受力合理、跨越能力强、外型轻盈等特点正逐渐成为大中跨桥梁设计中有竞争力的桥型。钢管混凝土拱桥结构形式多样、拱肋样式富于变化，因此其动力特性具有自身特点;目前对钢管混凝土拱桥还没有建立起有针对性的抗震设计规范，且该桥型尚未经历大震的考验，对其抗震性能的掌握大多通过数值模拟分析。振动台试验是了解结构抗震性能的有效手段，介于以上可见有必要通过试验研究掌握钢管混凝土拱桥的动力特性及抗震性能。

本文以某下承式钢管混凝土拱桥为原型，通过刚度转换制作了单一材料的试验模型，实施了以研究其抗震性能的振动台试验[1]。通过整理分析，掌握了该桥型受不同地震波、在不同烈度等级作用下地震响应的特点及规律，得出了一些有益的结论。

1 模型振动台试验

1.1 试验原型及振动台简介

本次试验原型为某下承式钢管混凝土系杆拱桥。该桥主跨跨径99 m，矢跨比1/5，拱肋线形为二次抛物线。拱肋为哑铃形截面，采用双肢800 mm钢管加中部间距500 mm的钢板一对构成，管壁钢板12 mm厚，内填C40混凝土。拱脚处拱肋下部加劲为矩形断面。肋间设一字撑四道，截面为600 mm空心钢管。拱脚间用钢绞线作为预应力系杆，以承担恒载作用下的拱脚水平推力。每肋下的系杆为12根，每根为9束15.2 mm(7j5)的钢绞线。吊杆为1105高强低松弛钢丝。吊杆横梁为钢筋混凝土工字梁。吊杆间距6 m。为加强桥面系的整体性，在系杆处设加劲纵梁。桥面板为预制钢筋混凝土板，湿接缝联结。桥面铺装为10 cm厚的C30防水钢筋混凝土。振动台试验在单向电液伺服振动台上完成。该振动台台面尺寸为2 m×2.2 m，最大载荷4.5 t，最大加速度1.0g，最大速度100 cm/s，可输入规则波和不规则波，有效频率范围为0.5 Hz～20 Hz。

1.2 模型设计

为了更详实反映结构的动力特性及地震响应特点，试验模型几何相似比例取1/30。考虑到在试验室该相似比例下试验模型加工的难易程度及研究掌握结构整体抗震性能的试验目的等原因，本试验按照截面换算法，通过刚度相似关系，将原型拱肋钢管混凝土截面转化为纯钢截面再予以缩尺。截面刚度转换公式为:

其中，Ea,Eg,E分别为钢管混凝土中混凝土、钢管的弹性模量与换算截面的材料弹性模量;Aa,Ag,A分别为钢管混凝土中混凝土、钢管的截面面积与换算截面的截面面积;Ia,Ig,I分别为钢管混凝土中混凝土截面、钢管截面在组合截面中的截面惯性矩与换算截面的组合截面惯性矩;γa，γg，γ分别为钢管混凝土中混凝土、钢管的剪切模量与换算截面的材料剪切模量。

以式(1)，式(2)为主要计算依据;式(3)为参考。

缩尺后纯钢试验模型跨径3.3 m，矢高0.66 m，拱肋仍保持二次抛物线线形。其中构件截面具体尺寸如图1所示。试验模型在机械构件加工厂完成，细部尺寸误差控制在5 mm以内。

由于振动台最大荷载限制，试验模型实际配重4 t，处于配重不足状态。根据相似理论及桥梁动力试验相关理论，欠配重模型试验各相似关系见表1。

1.3 模型的安装

拱桥模型安装示意图见图2a)。试验制作辅助支座一对，模型一端通过固定支座与振动台台面螺栓刚性连接;另一端架设于滑动支座上，放于台面外。试验用滑动支座见图2b)。

1.4 加载方案与测点布置

1)模型加载。试验模型配重总计4 t，为了贴近原型实际工况，按照原型上部构件(拱肋和横撑)质量与下部构件(横梁、纵梁等)质量的比值进行分配。其中试验模型上部配重2.5 t，下部配重1.5 t。分部位配重情况见图3。

2)输入地震波选取。试验中为了掌握释放能量方式不同的地震波作用下可能的结构响应的区别，输入地震波选取了释放能量集中的EI Centro波或较均匀的Taft波作为输入波形。经过相似关系处理后，试验加速度控制在6度基本60 gal,7度基本120 gal,8度基本240 gal。其中EI Centro波持时5 s;Taft波持时9 s。围绕基本烈度，同时试验加载工况中在区分烈度等级上还做了多遇、基本、罕遇、重要结构罕遇等工况。

3)传感器测点布置。本次拱桥模型振动台试验量测内容包括:加速度监测、位移量测和应变量测。其中加速度监测通过在振动台台面及滑动支座端设置加速度计，监测输入地震波波形及峰值大小，图4为试验监测的8度基本工况下的EI Centro波和Taft波，波形完整。

位移量测是通过在试验模型各显著截面布设纵向和属相位移计，量测台面和拱肋各显著截面的位移变形时程，见图5。

为了掌握模拟地震波输入过程中拱肋内力的变化规律，分别在拱脚、拱肋1/4跨和拱顶等拱肋截面侧面沿轴向粘贴应变片，量测拱肋轴向应变。

2 试验结果分析

2.1 结构振动特性分析

振动台试验开始前对结构进行了锤击试验，测定模型拱肋面外及纵桥向自振频率，见表2。表2中附加了有限元计算结构前两阶振型:拱肋面外侧弯及拱肋和桥面板对称竖弯对应的振动频率。试验数据显示结构侧向自振频率明显小于纵向振动频率，符合通常对下承式钢管混凝土拱桥结构轻盈，侧向刚度小的直观判断。

Hz

2.2 拱肋应变响应分析

构件表面准确应变的变化能够很好描述其表面应力的变化趋势。试验中试通过量测拱肋表面轴向应变来掌握和分析拱肋应力的变化规律。如表3所示EI波和Taft波作用下，6度，7度，8度基本烈度工况下拱肋各显著截面的应变最值。同一地震烈度下，拱脚到拱顶的应变最值呈递减关系，约为拱顶应变的6倍～8倍。反映出拱顶应力较小，拱脚轴向应力起设计控制作用。

如图6所示EI波8度烈度下拱肋拱脚、1/4跨、拱顶应变时程曲线。拱肋内力显著截面的应变时程曲线波形接近地震波输入波形。

与拱肋位移响应规律相反，同一烈度同一显著截面中能量集中释放的EI波作用下拱肋轴向应变峰值大于能量分散释放的Taft波作用下的峰值。

3 结语

1)通过分析模型在EI波和Taft波不同烈度作用下结构各显著截面的应变响应，显示同一波形作用，不同烈度工况下结构应变响应提高显著，增幅接近烈度提高比例;同一烈度下拱顶处应变时程曲线整体表现为拉应变，约为拱脚应变的1/8。符合拱顶主要表现为拉应力的受力特征。

2)同一波形作用下，拱脚、1/4跨处应变时程曲线线形与地震波波形一致。

参考文献

[1]樊珂,李振宝,闫维明.拱桥多点动力响应振动台模型实验与理论分析[J].铁道科学与工程学报,2007(12):19-24.

[2]马永欣,郑山锁.结构实验[M].北京:科学出版社,2001:230-233.

[3]钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京:清华大学出版社,2003:303-305.

[4]李纲.大跨度钢管混凝土拱桥行波效应及减震分析[D].西安:西安建筑科技大学,2008.

[5]杨叶.多点激励下钢管混凝土拱桥的地震反映分析[D].西安:西安建筑科技大学,2008.

[6]郭月哲.下承式钢管混凝土拱桥抗震性能及减震振动台试验研究[D].西安:西安建筑科技大学,2010.