預(yù)制再生混凝土框架模型模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

肖建莊，丁 陶，范氏鸞，朱永明

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.上海城建物資有限公司，上海 200063）

預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)具有節(jié)約材料和勞動(dòng)力，改善施工工效，加快施工進(jìn)度，提高建筑工程質(zhì)量等優(yōu)勢(shì).從環(huán)保和節(jié)能的角度講，應(yīng)用預(yù)制混凝土技術(shù)，可以降低環(huán)境污染，取得較大的經(jīng)濟(jì)效益［1］.美國(guó)于20世紀(jì)90年代進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究［2-3］.同濟(jì)大學(xué)依托歐盟“預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震”第五框架項(xiàng)目，也對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了深入研究［4］.同時(shí)，有關(guān)再生混凝土物理和力學(xué)性能的研究也已經(jīng)取得一定成果［5］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)性能，包括梁［6］、柱［7］、節(jié)點(diǎn)［8］及整體框架［9-10］也有所涉及，但是在再生混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)方面尚未進(jìn)行系統(tǒng)的研究工作.本文將進(jìn)行一個(gè)6層1／4縮尺的預(yù)制再生混凝土框架模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，以加深對(duì)該類再生混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的了解，為再生混凝土在預(yù)制結(jié)構(gòu)方面的推廣應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持.

1 模型設(shè)計(jì)與制作

1.1 相似關(guān)系

考慮到試驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)性能參數(shù)、施工條件和行車起吊噸位等因素，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的平面尺寸，為最大限度地利用振動(dòng)臺(tái)面，預(yù)制再生混凝土框架模型幾何相似比取為1／4.考慮到試驗(yàn)室噪聲的影響，加速度相似比不宜過(guò)小，取為1.848，同時(shí)再生混凝土彈性模量相似比取為1.0.基于Buckinghamπ［11］定理，模型設(shè)計(jì)所需的其他相似關(guān)系可由幾何、加速度、彈性模量3個(gè)相似比求出，詳見(jiàn)表1.該模型為欠質(zhì)量人工質(zhì)量模型.

表1 模型與原型的相似比Tab.1 Similitude ratio of the model and its prototype

1.2 模型材料

采用海螺牌普通硅酸鹽水泥P.O42.5，細(xì)骨料選用河砂，再生粗骨料由廢混凝土破碎、篩分加工而成，由相似關(guān)系，粒徑范圍為5～10mm.配合比設(shè)計(jì)時(shí)［12］，采用再生骨料取代率為100%的再生混凝土，強(qiáng)度為C30，坍落度范圍為180～200mm.混凝土配合比（質(zhì)量比）為水∶水泥∶砂∶再生粗骨料＝1∶1.859∶3.202∶4.554.減水劑采用巴斯夫普通減水劑.再生混凝土性能指標(biāo)見(jiàn)表2.采用鍍鋅鐵絲模擬鋼筋.模型中縱向鋼筋采用8號(hào)和10號(hào)鍍鋅鐵絲模擬，箍筋采用14號(hào)鍍鋅鐵絲模擬.鍍鋅鐵絲性能指標(biāo)見(jiàn)表3.

表2 再生混凝土材性性能指標(biāo)Tab.2 Mechanical indexes of recycled concret es

表3 鋼筋的材性性能指標(biāo)Tab.3 Mechanical indexes of steel bars

1.3 模型設(shè)計(jì)與施工

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?跨2開(kāi)間6層的框架結(jié)構(gòu).按“強(qiáng)柱弱梁”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，抗震等級(jí)為二級(jí)；模型的配筋和構(gòu)造要求按烈度為8度、設(shè)計(jì)地震分組為第2組、建筑場(chǎng)地為II類場(chǎng)地的地震區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)［13］.根據(jù)相似關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)總高度為4500mm.

框架梁設(shè)計(jì)為預(yù)制U型疊合梁，梁頂鋼筋現(xiàn)場(chǎng)綁扎；預(yù)制構(gòu)件的連接形式采取柱-柱榫式連接，節(jié)點(diǎn)區(qū)柱鋼筋采用焊接連接，節(jié)點(diǎn)區(qū)和板混凝土采用后澆.構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)時(shí)考慮了預(yù)制施工的特殊性、節(jié)點(diǎn)區(qū)梁柱鋼筋規(guī)避等因素，模型平面布置、截面配筋及梁柱節(jié)點(diǎn)詳見(jiàn)圖1.施工順序?yàn)椋悍峙A(yù)制梁和柱，并預(yù)留焊接和錨固鋼筋；下柱上擱置預(yù)制梁，綁扎梁頂鋼筋，吊裝上柱，保證其垂直度，焊接上下柱鋼筋；綁扎樓板鋼筋，澆筑節(jié)點(diǎn)區(qū)及板混凝土.

圖1 預(yù)制再生混凝土框架模型尺寸及配筋（單位：mm）Fig.1 Size and reinforcement of the precast recycled aggregate concrete frame model（unit：mm）

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

2.1 波形選擇及測(cè)點(diǎn)布置

為了模擬多種場(chǎng)地條件，振動(dòng)臺(tái)所輸入的地震波選用了汶川地震波（WCW）、El Centro波（ELW）和上海人工波（SHW）.圖2給出了 WCW，ELW和SHW加速度時(shí)程曲線.本次試驗(yàn)共布置了30個(gè)加速度傳感器、14個(gè)拉線式位移傳感器.其中，加速度傳感器測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的加速度，位移傳感器用來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的絕對(duì)位移反應(yīng).圖3是模型施工完畢后放在振動(dòng)臺(tái)上的照片.

圖2 輸入波加速度時(shí)程曲線（g＝9.8m·s-2）Fig.2 Time-history curves of the seismic waves（g＝9.8m·s-2）

圖3 振動(dòng)臺(tái)上的預(yù)制再生混凝土模型Fig.3 Precast recycled aggregate concrete frame model on shaking table

2.2 試驗(yàn)加載方案

根據(jù)抗震設(shè)防要求［13］，輸入地震波加速度峰值依次增加，以模擬不同水準(zhǔn)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用.本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹髡鸱较驗(yàn)閄方向（X方向和Y方向見(jiàn)圖1），地震波單向輸入.包括白噪聲掃描前后共輸入了32個(gè)工況，分別為0.066g（7度多遇）、0.130g（8度多遇）、0.185g（7度基本）、0.264g（9度多遇）、0.370g（8度基本）、0.415g（7度罕遇）、0.550g（8度罕遇弱）和0.750g（8度罕遇）.同一地震等級(jí)試驗(yàn)中，WCW，ELW和SHW依次輸入.

2.3 模型破壞過(guò)程及特征

模型在經(jīng)歷8度多遇SHW后，1層柱的底部出現(xiàn)了細(xì)長(zhǎng)的裂縫.7度基本烈度工況后，梁上產(chǎn)生的裂縫向上或向下發(fā)展，此時(shí)后澆混凝土及預(yù)制現(xiàn)澆結(jié)合面并未產(chǎn)生明顯的裂縫.9度多遇地震后，底層構(gòu)件普遍出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象；同時(shí)，2層柱的后澆混凝土節(jié)點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生裂縫.模型在經(jīng)歷8度基本地震后，在1層和2層梁端產(chǎn)生明顯的垂直和斜裂縫的同時(shí)，角柱的后澆混凝土節(jié)點(diǎn)處也開(kāi)始產(chǎn)生明顯的斜裂縫.8度罕遇弱地震工況后，后澆混凝土節(jié)點(diǎn)處的斜裂縫繼續(xù)發(fā)展，2層部分后澆混凝土節(jié)點(diǎn)甚至出現(xiàn)了保護(hù)層脫落的現(xiàn)象.在8度罕遇工況結(jié)束后，模型1～2層破壞相當(dāng)嚴(yán)重，部分后澆節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)壓壞，形成斜交叉裂縫.從試驗(yàn)結(jié)果看出，在試驗(yàn)的后期，遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，模型底部后澆混凝土節(jié)點(diǎn)剛度退化迅速，呈現(xiàn)半剛接狀態(tài)，部分預(yù)制與現(xiàn)澆結(jié)合面產(chǎn)生水平裂縫，破壞形式與現(xiàn)澆再生混凝土框架有較大區(qū)別.預(yù)制再生混凝土框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟糠至褐肮?jié)點(diǎn)裂縫發(fā)展情況見(jiàn)圖4.

3 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 動(dòng)力特性

輸入臺(tái)面各級(jí)地震波前后均用白噪聲對(duì)模型進(jìn)行掃描，可以得到模型結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力特征參數(shù).

3.1.1 自振頻率

表4列出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌r的前2階自振頻率值.表4的數(shù)值表明：在輸入小峰值的地震波激勵(lì)時(shí)，模型頻率基本保持不變，降低幅度很小，說(shuō)明模型整體剛度基本沒(méi)有發(fā)生變化.而在輸入較大峰值的地震波激勵(lì)后，模型頻率不斷下降，且輸入地震波的能量越大，頻率下降的趨勢(shì)則越快.結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象分析，應(yīng)是試驗(yàn)后期模型結(jié)構(gòu)受到損傷，裂縫增多，后澆節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的剛度迅速退化導(dǎo)致.在最后一個(gè)工況結(jié)束后，模型自振頻率已不足試驗(yàn)前的25%.

圖4 框架模型典型裂縫Fig.4 Typical cracks of the frame model

3.1.2 結(jié)構(gòu)振型

圖5表示試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌囼?yàn)階段X方向的前2階平動(dòng)振型.從圖中可以看出，X方向的1階振型基本屬于剪切型.在試驗(yàn)后期，模型振型曲線發(fā)生了較大變化.1階振型和2階振型在模型底部出現(xiàn)了較為明顯的外凸現(xiàn)象，2階振型幅值零點(diǎn)的位置也不斷下移.這與在試驗(yàn)后期，模型1～3層梁柱裂縫增多，部分后澆節(jié)點(diǎn)剛度迅速退化是吻合的.在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)制再生混凝土框架模型在不同試驗(yàn)階段的地震反應(yīng)都以基本振型為主.

表4 模型各試驗(yàn)階段實(shí)測(cè)頻率值Tab.4 Natural frequencies of the model on dif ferentstages

圖5 X主方向振型變化Fig.5 Variation of vibration mode in Xdirection

3.1.3 結(jié)構(gòu)阻尼比

模型結(jié)構(gòu)的阻尼比由傳遞函數(shù)曲線根據(jù)半功率法求得，它反映了結(jié)構(gòu)的耗能特性.試驗(yàn)前通過(guò)白噪聲掃描得到模型X方向阻尼比約為0.040，Y方向約為0.041.隨后的試驗(yàn)過(guò)程中，阻尼比隨著地震強(qiáng)度的增加逐漸增大.例如，在臺(tái)面輸入加速度峰值為0.370g的工況中，模型X方向阻尼比約為0.192，Y方向約為0.101.試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，模型X方向的阻尼比甚至超過(guò)了20%.這主要是由于結(jié)構(gòu)累積損傷程度增大而導(dǎo)致耗能的提高.在試驗(yàn)后期，模型進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，阻尼比增大的幅度相對(duì)于試驗(yàn)前期較大.

3.2 加速度反應(yīng)

圖6表示不同試驗(yàn)階段，模型分別在 WCW，ELW和SHW作用下的加速度放大系數(shù)分布.從圖6可以看出，加速度放大系數(shù)總體上隨著樓層的增大而增加.隨著振動(dòng)臺(tái)輸入加速度峰值的不斷增大，加速度放大系數(shù)持續(xù)減小，這說(shuō)明隨著臺(tái)面輸入加速度峰值的增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的程度逐步加深，累積損傷不斷加劇，抗側(cè)剛度減小，這與前面自振頻率的分析也是一致的.尤其是結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷0.550g即8度罕遇弱地震后，加速度放大系數(shù)減小趨勢(shì)已經(jīng)不明顯，這表明在此工況后，結(jié)構(gòu)X方向抗側(cè)剛度急劇退化.需要指出的是，模型出現(xiàn)了在某些較大臺(tái)面峰值下，部分樓層加速度峰值反而大于較小臺(tái)面峰值時(shí)的情況.根據(jù)反應(yīng)譜理論，加速度放大系數(shù)和結(jié)構(gòu)周期之間的關(guān)系是非線性和多峰值的.隨著結(jié)構(gòu)破壞的加劇，結(jié)構(gòu)周期逐漸增大，在一定周期范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)隨著結(jié)構(gòu)周期的增大而增大的情況［14］.在同水準(zhǔn)地震作用即加速度峰值保持相同的情況下，結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)的規(guī)律并不相同.SHW作用時(shí)，加速度放大系數(shù)最大.這體現(xiàn)了地震頻譜對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響.

3.3 樓層剪力

模型的樓層剪力反應(yīng)了結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力的大小，圖7表示不同試驗(yàn)階段，模型分別在WCW，ELW和SHW作用下的最大樓層剪力分布.由圖7不難看出，在同一地震水準(zhǔn)作用下，各樓層的最大層剪力沿樓層高度方向總體上呈遞減趨勢(shì).在0.066g～0.415g的試驗(yàn)前期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段和彈塑性階段的初期，隨著臺(tái)面輸入加速度峰值的增加，各樓層剪力都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；在0.415g的地震試驗(yàn)中，各層的最大層剪力已接近和達(dá)到最大承載能力值，部分梁端和后澆節(jié)點(diǎn)區(qū)已形成塑性鉸，模型發(fā)生嚴(yán)重破壞，這與試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是一致的.在0.550g和0.750g的試驗(yàn)后期，結(jié)構(gòu)進(jìn)入嚴(yán)重彈塑性階段，結(jié)構(gòu)損傷累積，破壞程度加劇，此時(shí)，隨著加速度峰值的增加，模型樓層剪力反而隨之下降.

圖6 模型在不同地震波下的加速度放大系數(shù)分布Fig.6 Distribution of acceleration amplitude factors of the model with different seismic wave inputs

3.4 位移反應(yīng)

圖7 模型在不同地震波下的最大樓層剪力分布Fig.7 Distribution of the maximum inter-storey shear force model with different seismic wave in puts

圖8表示不同試驗(yàn)階段，模型分別在 WCW，ELW和SHW作用下各樓層的最大位移反應(yīng).圖9表示不同試驗(yàn)階段，模型分別在 WCW，ELW 和SHW作用下各樓層最大層間位移反應(yīng).在地震試驗(yàn)中輸入同一水準(zhǔn)地震波時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移變形曲線和層間位移曲線的形狀大致相同；隨著加速度峰值不斷加大，模型各樓層的位移和層間位移也隨之增大；在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，2層的層間位移最大，其次是1層的層間位移，其余各層為3層＞4層＞5層＞6層.在試驗(yàn)前期，結(jié)構(gòu)各樓層側(cè)向位移曲線基本上保持為一條直線，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性階段；在試驗(yàn)后期，模型1層和2層層間位移的增長(zhǎng)幅度大于3～6層層間位移的增長(zhǎng)幅度，這是由于在彈塑性階段，模型1層和2層破壞嚴(yán)重，梁端和節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)塑性鉸，層間剛度退化較快.從總體上看，結(jié)構(gòu)整體側(cè)向位移曲線表現(xiàn)出一定的右凸趨勢(shì)，該預(yù)制框架的結(jié)構(gòu)變形曲線呈現(xiàn)剪切型.

圖8 模型在不同地震波下的最大樓層位移Fig.8 Distribution of the maximum displacement of the model with different seismic wave inputs

4 抗震能力評(píng)估

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震變形驗(yàn)算，圖10表示地震試驗(yàn)中各樓層最大層間位移角的變化情況.

圖9 模型在不同地震波下的最大層間位移Fig.9 Distribution of the maximum inter-storey drift of the model with different seismic wave inputs

結(jié)合圖10，并根據(jù)以上對(duì)預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)模型各種地震反應(yīng)的分析可以得到，在7度多遇（0.066g）地震試驗(yàn)中，模型結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞，仍處于彈性狀態(tài)，最大層間位移角為1／760，小于1／550，滿足“小震不壞”的要求；在7度基本（0.185g）地震試驗(yàn)中，模型的層間位移角為1／158，破壞很輕微，主要破壞處于梁端，模型逐漸進(jìn)入非線性狀態(tài)，滿足“中震可修”的要求；在7多罕遇（0.415g）地震試驗(yàn)中，模型破壞已經(jīng)較為嚴(yán)重，后澆節(jié)點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)明顯的裂縫，并逐漸轉(zhuǎn)為塑性鉸，WCW作用下最大層間位移為1／68，滿足小于1／50的規(guī)范要求，SHW 作用下達(dá)到1／40，已不滿足層間位移角小于1／50的規(guī)范要求，但可認(rèn)為滿足“大震不倒”的要求.

圖10 地震試驗(yàn)中各樓層最大層間位移角Fig.10 The maximum inter-storey drift ratios in the earthquake test

在8度多遇（0.130g）地震試驗(yàn)中，模型的最大層間位移角為1／199；在8度基本（0.370g）地震試驗(yàn)中，模型的層間位移角為1／63；在8多罕遇（0.750g）地震試驗(yàn)中，最大層間位移角達(dá)到1／17，部分后澆節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)壓壞情況，模型破壞相當(dāng)嚴(yán)重.預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)在8度多遇和8度罕遇地震作用下的最大層間位移角均不滿足規(guī)范要求.但是經(jīng)過(guò)多次的重復(fù)地震試驗(yàn)后，模型仍沒(méi)有倒塌，說(shuō)明預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)有良好的變形能力和抗震能力.

綜上分析，預(yù)制再生混凝土框架在彈性和彈塑性前期階段完全滿足規(guī)范規(guī)定的7度抗震設(shè)防烈度的要求，彈塑性階段后期節(jié)點(diǎn)處后澆混凝土破壞嚴(yán)重，耗能不佳.本文建議預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋用在8度抗震設(shè)防烈度要求的地震區(qū)時(shí)，抗震結(jié)構(gòu)宜按比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度要求提高1度的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，且預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接方式還需進(jìn)一步研究.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)首例預(yù)制再生混凝土框架模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及其抗震能力評(píng)估，可以得到下述結(jié)論：

（1）在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)在彈性和彈塑性階段前期抗震性能較好，在彈塑性階段后期，節(jié)點(diǎn)區(qū)損傷嚴(yán)重，梁端和節(jié)點(diǎn)區(qū)出現(xiàn)塑性鉸，后澆混凝土和預(yù)制構(gòu)件的結(jié)合面出現(xiàn)水平裂縫，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度迅速退化.

（2）試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖哉耦l率隨臺(tái)面峰值加速度的增大而降低，阻尼比隨著結(jié)構(gòu)損傷程度的增大而增大，結(jié)構(gòu)振動(dòng)以1階振型為主.

（3）同一地震水準(zhǔn)下，加速度放大系數(shù)總體上沿樓層高度方向逐漸增大，各樓層的最大樓層剪力沿樓層高度方向總體上呈遞減趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)的位移變形曲線和層間位移曲線的形狀大致相同；隨著振動(dòng)臺(tái)輸入加速度峰值的不斷增大，加速度放大系數(shù)持續(xù)減小，各樓層的位移和層間位移也隨之增大，結(jié)構(gòu)側(cè)向變形曲線呈現(xiàn)剪切型，樓層剪力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

（4）預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)在8度多遇和8度罕遇地震下的最大層間位移角均不滿足規(guī)范要求.但是經(jīng)過(guò)多次的重復(fù)的地震試驗(yàn)后，模型結(jié)構(gòu)仍沒(méi)有倒塌，說(shuō)明預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)有良好的變形能力和抗震能力.本文建議再生混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋用在8度抗震設(shè)防烈度要求的地震區(qū)時(shí)，抗震結(jié)構(gòu)宜按比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度要求提高1度的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際中推廣，還應(yīng)采取必要措施加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力.

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