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鋼-混組合結構體系抗震試驗研究

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    鋼-混組合結構體系抗震試驗研究
    王明貴1 儲德文1 張莉若1 梁博2
    （1.中國建筑科學(xué)研究院 北京100013；2.西安建筑科技大學(xué) 西安710055）

    [摘要] 鋼框架-核心混凝土筒體結構體系在我國地震區高層建筑中得到了廣泛應用, 但在國外較少，其原因是鋼混這種組合結構系的抗震性能研究不多。我們通過(guò)一個(gè)11層的鋼混組合結構，按1:10的模型在振動(dòng)臺上模擬地震作用進(jìn)行試驗，測量動(dòng)力反應，觀(guān)察破壞現象，研究這種組合結構的抗震性能。著(zhù)重分析了地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配比例關(guān)系，驗證我國規范有關(guān)規定，為規范修訂和工程設計提供參考依據。
    [關(guān)鍵詞] 鋼框架-混凝土筒體結構 振動(dòng)臺試驗 抗震性能

    Test Study on Steel frame - core walls structure
    WANG Ming-gui1 CHU De-wen1 Zhang Li-ruo1 LIANG Bo2

    （1.China Academy of Building Research, Beijing 100013; 2.Xi’an University of Architecture
    and Technology , Xi’an 710055）
    [Abstract] Steel frame-RC core structure is widely used for high-rise buildings in seismic
    zone in China. But the research on anti-seismic performance of this kind of composite
    structural system is much less， it’s seldom used in foreign countries. So a shaking table
    test has been done on a 1:10 reduce-scale model of steel frame-concrete core structure. The
    dynamic characteristics, dynamic responses and damage features of the model under earthquake
    are recorded and analyzed. The distribution of seismic shear force between steel frame and RC
    core is studied. The results supply a reference to structural design and

    the revised of design code.
    [Key words] steel frame-RC core structure; shaking table test; anti-seismic performance
    1 前言
    鋼框架-混凝土筒體結構體系在我國高層建筑中應用較多，它是由內部鋼筋混凝土筒體和外圍鋼框架組成，其中筒體結構主要承擔水平荷載，鋼框架主要承擔豎向荷載。我國《高層建筑混凝土結構技術(shù)規程》[1]已列入了這種混合結構體系（簡(jiǎn)稱(chēng)“規程”），并且用于高層甚至是超高層建筑抗震結構體系。在國外，美國把鋼框架-鋼筋混凝土筒體結構主要用于非抗震區，并且認為不宜大于150m[2]。日本于1992年建造了兩棟鋼框架-混凝土筒體結構的建筑，高度分別為78m和107m，未見(jiàn)到對這種結構體系的整體抗震性能研究報道，也未推廣這種結構體系。
    在地震作用下，由于鋼筋混凝土筒體的抗側剛度較鋼框架大得多，因而承擔了絕大部分的地震力，但鋼筋混凝土的拉伸極限應變很小，在達到規范限定的層間相對側移變形（1/800）時(shí)，鋼筋混凝土筒體已經(jīng)開(kāi)裂，而此時(shí)鋼框架仍處于彈性階段，地震作用會(huì )在混凝土筒體和鋼框架之間進(jìn)行重新分配，鋼框架承受的地震力會(huì )突然增加，危及整個(gè)房屋的安全，有必要對鋼框架承受地震力作更嚴格的要求。因此“規程”第11.1.5條規定，鋼框架-混凝土筒體結構各層框架柱所承擔的地震剪力不應小于結構底部總剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的較小者[1]。由此對框架柱進(jìn)行剪力調整。但此項規定缺乏科學(xué)依據。
    國內學(xué)者對此做了一些研究工作。文獻[3]和[4]進(jìn)行了擬靜力和擬動(dòng)力試驗研究。文獻[5]對一幢25層的鋼框架-混凝土筒體結構進(jìn)行了1/20縮尺模型振動(dòng)臺試驗，但原型是按7度抗震設防要求設計的，對于在8度區的抗震性能目前還缺乏振動(dòng)臺試驗研究，更重要的是該振動(dòng)臺試驗是欠人工質(zhì)量模型，加速度相似系數Sa=3.2，表明配重較少，豎向荷載僅能達到理想相似所要求的豎向荷載的31%，真實(shí)地震作用力被縮小較多。
    本文的工作是通過(guò)振動(dòng)臺模擬地震作用，研究鋼框架-混凝土筒體結構的抗震性能，著(zhù)重分析地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配關(guān)系。并在試驗模型設計時(shí)，優(yōu)先考慮質(zhì)量相似比，根據試驗振動(dòng)臺的最大承載力來(lái)確定最佳的模型幾何尺寸比例，使地震作用能做到大震階段。試驗具有如下特點(diǎn)：模型背景為一板式小高層鋼結構住宅實(shí)際工程，按照8度抗震設防要求設計。模型的鋼梁、鋼柱、混凝土筒體采用了與原型相同的材料，模型配重比較足，模型與原型的相似性好。鋼框架梁與混凝土筒體的連接節點(diǎn)采用了筒體內預埋鋼柱的方式。

    2 模型設計及制作
    2.1 模型設計
    試驗模型是以板式小高層鋼框架-混凝土筒體結構住宅實(shí)際工程為背景提取一個(gè)單元設計的。原型為11層帶躍層，層高2.8m，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，三類(lèi)場(chǎng)地土，筒體采用C30混凝土，鋼框架采用Q235B鋼材。原型采用PKPM系列軟件STS、SATWE進(jìn)行了結構計算，滿(mǎn)足規范要求。模型設計尺寸為1770×1350×3360?, 共12層，利用電梯井和衛生間布置混凝土筒體，混凝土筒體的面積約占總面積的11.2%，剪力墻的面積率約為4.5%。鋼框架與筒體為鉸接，筒體對應部位設置了暗鋼柱。模型標準層結構布置見(jiàn)圖1，試驗模型見(jiàn)圖2。

    2.2 相似比
    由于鋼框架-混凝土筒體結構是由鋼和鋼筋混凝土兩種性能差別大的材料組成，為了較好地模擬原型結構的實(shí)際地震反應，盡量滿(mǎn)足相似關(guān)系，模型的材料采用原型材料，主要物理量的相似關(guān)系見(jiàn)表1。
    2.3 模型制作
    鋼框架采用Q235B薄鋼板，測得屈服強度平均值為221.7N/mm2，抗拉強度平均值為322.5N/mm2，彈性模量平均值為1.994×105N/mm2，伸長(cháng)率平均值21.9%。Q235B鋼材的彈性模量為2.06×105N/mm2，上述模型所用鋼材與原型所用鋼材的彈性模量相似比為0.97，滿(mǎn)足彈性模量相似比為1的要求。

    混凝土筒體采用C30細石混凝土，試驗測得做標準養護的立方體試塊立方體抗壓強度標準值為33.5 N/mm2，同條件養護的立方體試塊立方體抗壓強度標準值為36.5 N/mm2，同條件養護的棱柱體試塊彈性模量平均值為3.58×104N/mm2。C30混凝土的彈性模量為3.0×104N/mm2，上述模型所用混凝土與原型所用混凝土的彈性模量相似比為1：1.19，基本滿(mǎn)足彈性模量相似比為1的要求。樓板厚度為12mm，采用1：2水泥砂漿，基礎底板厚度為200mm，采用C30普通混凝土?；炷镣搀w鋼筋采用鍍鋅鐵絲代替，測得屈服強度平均值為321.7N/ mm2，極限抗拉強度平均值為470.0N/mm2，配筋量由等強度原則換算得出。
    2.4 配重
    模型質(zhì)量為1.682t，原型質(zhì)量為2588.042t，按照模型與原型的質(zhì)量相似比要求，需要配置人工質(zhì)量15.572t。實(shí)際1~11層每層配重為0.025×53=1.325t，12層配重為0.025×37=0.925t，總配重為1.325×11＋0.925=15.5t。模型底板質(zhì)量為2.5×2.17×1.75×0.20=1.899t，配重后模型的總質(zhì)量為19.081t，接近振動(dòng)臺20t的最大載重量。

    3 試驗儀器布置及加載工況
    3.1加速度計的布置
    在模型上共布置了36個(gè)加速度計：振動(dòng)臺臺面布置X、Y向的加速度計各一個(gè)（編號1X、2Y）；底座和各層樓板上在中間筒體附近布置X、Y向的加速度計各一個(gè)（編號從3X、4Y到27X、28Y）；頂層樓板四個(gè)角分別布置X、Y向的加速度計各一個(gè)（編號從29X、30Y到35X、36Y）。
    3.2應變計的布置
    在鋼框架和混凝土筒體上一共布置了64個(gè)應變片。在第一、十層左半部的12根鋼柱頂、底各布置兩個(gè)應變片，一共布置了48個(gè)應變片。在一、二層筒體上布置16個(gè)應變片。一層應變片布置圖見(jiàn)圖3。
    3.3 加載工況
    試驗在中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心大型振動(dòng)臺上進(jìn)行，采用Taft波、EL-Centro波、人工（ART）波三條地震波作為模擬地震振動(dòng)臺臺面輸入波，試驗加載分為5級，即小震（0.105g）、中震(0.3g)、中震強(0.45g)、大震(0.6g)、大震強(0.765g)，每一級的每條地震波分別按X、Y方向輸入，共30種工況，并在加配重前、加配重后和每級加載后均輸入白噪聲測試結構的動(dòng)力特性。

    4 試驗數據分析
    4.1 模型的動(dòng)力反應
    隨著(zhù)地震作用的加大，模型在兩個(gè)方向上的自振周期加長(cháng)，表明結構的剛度在下降。經(jīng)歷大震強后，模型X向的一階自振周期是震前周期的1.57倍，Y向的一階自振周期是震前周期的1.48倍。模型在配重前后的阻尼比變化較大，配重前后的結構阻尼比相差2~3倍，表明配重對結構阻尼的影響很大。模型的動(dòng)力特性見(jiàn)表2，位移反應見(jiàn)表3。

    4.2 模型的應變
    模型混凝土筒體在小震作用下，最大拉應變?yōu)?57.3με，而混凝土極限拉應變一般小于300με，表明混凝土筒體已有微小裂縫出現，進(jìn)入彈塑性階段；在中震階段, 最大拉應變?yōu)?26.0με；在大震階段, 最大拉應變?yōu)?118.5με；在大震強階段,最大拉應變?yōu)?258.5με，因為最寬的裂縫沒(méi)有穿過(guò)應變片，所以混凝土筒體的實(shí)際最大應變比實(shí)測值大。
    模型鋼框架部分從小震到大震作用下，最大拉應變?yōu)?96.1με，最大壓應變?yōu)?021.1με，而模型鋼材的最大彈性應變限值為1111με，說(shuō)明鋼框架在這些試驗階段一直處于彈性階段。在大震強階段, 模型鋼框架部分最大拉應變?yōu)?655.4με，最大壓應變?yōu)?145.9με，均超過(guò)最大彈性應變限值。
    4.3 模型的裂縫及破壞情況
    小震情下，混凝土筒體沒(méi)有觀(guān)察到裂縫，中震時(shí)結構開(kāi)始出現裂縫。裂縫首先出現在連梁，隨著(zhù)地震震級的加大，墻體出現水平裂縫和斜裂縫；墻體暗柱處、鋼框架與混凝土筒體連接處出現裂縫較少，這與鋼框架梁直接與混凝土筒體暗柱內配置的鋼柱相連有關(guān)；鋼框架基本上處于彈性階段，沒(méi)有發(fā)現明顯的屈服或破壞現象。雖然模型發(fā)生了較大側移，層間位移最大達到1/58，頂點(diǎn)位移達到總高度的1/104，但沒(méi)有出現搖搖欲墜的現象，整個(gè)結構表現出較好的彈性和延性。
    試驗中觀(guān)察到暗柱混凝土保護層剝落露出鋼筋的情況，但未觀(guān)察到縱筋屈服的現象，這可能有兩方面的原因：一方面是因為混凝土筒體的暗柱內配置了鋼柱，改善了混凝土筒體的脆性，增加了延性；另一方面是因為混凝土筒體在振動(dòng)過(guò)程中裂縫一開(kāi)一合，由于鋼框架有較好的彈性，起到一定的減震作用，降低了混凝土變形速度，對混凝土起了較好的扶持作用，使得縱筋沒(méi)有被屈服。

    5 地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配
    對樓層 ，地震作用慣性力引起的樓層剪力由框架和筒體共同承擔，即存在以下關(guān)系：

    地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配有以下主要規律：
    （1）在小震、中震、大震各階段，混凝土筒體承擔了絕大部分地震剪力，起著(zhù)主要的抗側力作用。El Centro波X向大震作用下各部分地震剪力見(jiàn)圖3。
    （2）頂層鋼框架承擔的樓層地震剪力占本層地震剪力的比例最大。小震階段，鋼框架承擔的樓層地震剪力占本層地震剪力的比例平均可達40％，最大可達46％；中震階段，鋼框架承擔的樓層地震剪力占本層地震剪力的比例平均可達37％，最大可達55％；在大震階段，鋼框架承擔的樓層地震剪力占本層地震剪力的比例平均可達48％，最大可達56％。
    （3）在鋼框架承擔的樓層地震剪力中，中下層鋼框架承擔的樓層地震剪力最大。小震階段，鋼框架承擔的最大樓層地震剪力占底部總剪力的比例平均可達11％，最大可達14％；中震階段，鋼框架承擔的最大樓層地震剪力占底部總剪力的比例平均可達9％，最大可達16％；大震階段，鋼框架承擔的最大樓層地震剪力占底部總剪力的比例平均可達14％，最大可達18％。
    （4）鋼框架部分的地震剪力設計值調整（取0.25 和 的較小者）是 起控制作用，調整后的地震剪力大致相當于中震作用下鋼框架部分的地震剪力。中震階段，鋼框架承擔的最大樓層地震剪力是小震階段鋼框架承擔的最大樓層地震剪力的平均1.8倍，最大2.4倍；大震階段，鋼框架承擔的最大樓層地震剪力是小震階段鋼框架承擔的最大樓層地震剪力的平均4.2倍，最大5.4倍；所以， 大致相當于中震作用下框架部分的地震剪力平均值。

    6 結論及設計建議
    通過(guò)本次振動(dòng)臺試驗，在試驗數據分析和試驗破壞現象觀(guān)測的基礎上，得到以下結論：
    （1）鋼框架-混凝土筒體結構的阻尼比約為4～5%。
    （2）鋼框架-混凝土筒體結構的破壞集中于混凝土筒體。墻體暗柱處、鋼框架與混凝土筒體連接處裂縫較少；鋼框架基本上處于彈性階段，沒(méi)有發(fā)現明顯的屈服或破壞現象。
    （3）混凝土筒體結構在地震作用各階段起主要抗側力作用，鋼框架對整個(gè)結構的貢獻表現在為混凝土筒體提供側向彈性支撐作用，改善了結構的極限變形性能和延性性能。
    （4）鋼框架部分按《高層建筑混凝土結構技術(shù)規程》（JGJ 3-2002）第11.1.5條規定
    震剪力。
    通過(guò)本次振動(dòng)臺試驗，提出以下設計建議：
    （1）鋼框架-混凝土筒體結構的抗震性能在很大程度上取決于混凝土筒體，為此必須采取有效措施保證混凝土筒體的延性，建議在混凝土筒體內預埋尺寸較小的構造用鋼柱、鋼梁，一方面可以改善混凝土筒體的延性，另一方面可以方便鋼結構施工。
    （2）鋼框架梁與混凝土筒體連接節點(diǎn)受力復雜，建議采取鋼框架梁與混凝土筒體內暗埋的鋼柱直接相連的方式，這在本次試驗中證明比較有效。
    （3）應限制混凝土筒體的高寬比，使其不超過(guò)1/12。

    參 考 文 獻
    [1].高層建筑混凝土結構技術(shù)規程（JGJ 3-2002）.
    [2].建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）.
    [3] 龔炳年、郝銳坤、趙寧. 鋼-混凝土混合結構模型試驗研究. 建筑科學(xué)，1994（1）：10-14.
    [4] 龔炳年、郝銳坤、趙寧.鋼-混凝土混合結構模型動(dòng)力特性的試驗研究[J].建筑結構學(xué)報，1995，16（3）：37-43.
    [5] 李國強、周向明、丁翔. 高層建筑鋼-混凝土混合結構模型模擬地震振動(dòng)臺試驗研究. 第十六屆全國高層建筑結構學(xué)術(shù)會(huì )議論文[C]，2000：362-370.
    [6].建筑抗震試驗方法規程(JGJ 101-96).
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