柱端鉸型受控搖擺式鋼筋混凝土框架抗震性能的振動臺試驗研究

魯　亮, 江　樂, 李　鴻, 呂西林

(1.同濟大學 結構工程與防災研究所，上?！?00092；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上?！?00092)

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柱端鉸型受控搖擺式鋼筋混凝土框架抗震性能的振動臺試驗研究

魯亮1, 江樂1, 李鴻2, 呂西林1

(1.同濟大學 結構工程與防災研究所，上海200092；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海200092)

摘要：柱端鉸型受控搖擺式鋼筋混凝土框架結構，是經(jīng)過特殊節(jié)點設計與結構控制理論相結合而形成的一種新型消能減震結構體系。通過對一個縮尺比1/3的三層三跨搖擺框架模型和一個同尺寸的常規(guī)鋼筋混凝土模型進行模擬地震振動臺對比試驗，研究模型結構在不同水準地震作用下的動力特性、加速度響應、位移響應，分析結構的抗震性能。試驗結果表明柱端鉸型受控搖擺式鋼筋混凝土框架集中耗能機制明確,地震作用后能自主復位，主體承重構件在大震下保持完好，是一種免損傷的新型結構體系。

關鍵詞：搖擺框架;節(jié)點設計;振動臺試驗;抗震性能;柱端鉸

從Housner[1]發(fā)現(xiàn)可搖擺式基礎對結構抗震的有利作用以來，國內(nèi)外學者開展了搖擺結構體系的一系列研究。Priestley等[2]對一基礎可搖擺式模型結構進行了模擬地震振動臺試驗，驗證了Housner提出的搖擺結構耗能機理。Deierlein等[3]開始了帶可搖擺式基礎的后張預應力鋼框架結構研究，并引入豎向耗能裝置。Roh[4]放松框架柱基礎約束構成搖擺柱，并且加入黏滯阻尼器耗能。Roh等[5-6]提出搖擺柱計算分析的宏觀模型并隨后又進行靜力荷載試驗，進行單榀框架的抗震性能分析。周穎等[7]研究表明：放松結構基礎約束或者構件間約束，在地震作用下使結構發(fā)生搖擺，可以降低結構本身的延性設計要求，減小地震破壞，結構總體造價相應降低。

基于國內(nèi)外搖擺結構的一系列研究，本文作者首次提出了受控搖擺式鋼筋混凝土框架結構體系(Controllable Rocking Reinforced Concrete Frame，CR-RCF)[8-12]，并設計了數(shù)種構造差異較大的結構形式，為了與其它CR-RCF結構有所區(qū)別，本文將柱端鉸型受控搖擺式鋼筋混凝土框架簡稱為CR-RCFc。CR-RCFc的主要結構特征在于：①放松柱與基礎、柱與梁約束，框架柱的上下端全部采用鉸接，并在柱內(nèi)布置無黏結預應力筋提供彈性恢復力，這樣結構抗側剛度得到較大弱化，結構所受地震作用將大大減小，通過調(diào)整預應力的數(shù)量來控制結構的抗側剛度；②CR-RCFc結構抗側剛度主要由預應力筋提供，比常規(guī)框架小很多，預期無控結構(未設置阻尼耗能裝置)的地震位移響應會比常規(guī)結構大很多，為控制結構位移響應，在結構層間布置阻尼器，以耗散地震能量并控制結構地震響應位移以滿足設計規(guī)范要求；③節(jié)點處設置抗風和抗小震裝置，以滿足結構在風荷載和小震作用下的舒適度要求。

本文以CR-RCFc結構和常規(guī)鋼筋混凝土框架(Reinforced Concrete Frame，RCF)結構為振動臺試驗對比研究對象，設計和制作了比例為1/3的縮尺模型，通過振動臺試驗，驗證CR-RCFc結構的抗震有效性，對比分析了CR-RCFc與RCF結構的動力特性、加速度和位移響應，評價其抗震性能。

1模型設計

1.1結構簡介

試驗原型結構為一個三層三跨鋼筋混凝土框架，建筑所在地區(qū)抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2 g。層高3.6 m，一個開間平面尺寸5.4 m×13.5 m；柱截面尺寸為450 mm×450 mm,梁截面尺寸為300 mm×450 mm,板厚120 mm，梁板為普通梁板結構。

1/3縮尺CR-RCFc結構模型的混凝土材料采用強度等級C30的細石混凝土。框架柱內(nèi)無黏結預應力筋對角布置，每孔采用2Φs5預應力鋼絲，預應力筋配筋取值依據(jù)文獻[13-14]的研究成果，初始張拉控制應力為0.35fptk，fptk為預應力鋼絲的極限強度標準值，截面普通鋼筋按構造配筋。振動臺模型照片見圖1。

圖1　CR-RCFc試驗模型Fig.1 CR-RCFc test model

1/3縮尺的RCF結構模型的外形尺寸、構件截面尺寸及混凝土材料與CR-RCFc完全相同，構件配筋按現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范[15]設計，RCF結構振動臺試驗模型見圖2。

模型設計制作、臺面地震波以及試驗實施所遵循的動力相似關系見表1。

圖2　RCF試驗模型Fig. 2 RCF test model

物理參數(shù)相似關系相似比備注長度Sl1/3尺寸控制應變Sε=11彈性模量SE1應力Sσ=SE1質(zhì)量密度Sρ=SESaSl3/2質(zhì)量Sm=SρSl31/18集中力Sp=SσSl21/9線荷載Sq=SσSl1/3面荷載Sq=Sσ1彎矩SMb=SσSl31/27剛度SK=SσSl1/3時間St=Sl/Sa1/6阻尼Sc=SσSl1.5Sa1/54加速度Sa2試驗控制

1.2CR-RCFc結構節(jié)點設計

有別于常規(guī)框架節(jié)點的固結形式，CR-RCFc結構節(jié)點是一種介于純固結和純鉸接間的一種固定剛度節(jié)點。柱腳節(jié)點設計如圖3所示。考慮節(jié)點構造要求，連接柱與基礎的鋼鉸放置于基礎凹槽內(nèi)。柱底與基礎采用單向三片鉸形式，鉸上部鋼連接件與柱內(nèi)縱筋焊接，鉸下部鋼連接件與基礎固結，埋至基礎下100 mm處，兩者通過鋼插銷形成鉸接。柱梁節(jié)點如圖4所示，與柱腳節(jié)點類似，單向三片鉸預埋在梁上，與柱端鋼鉸連接件通過鋼插銷形成鉸接。

柱內(nèi)預留四個供預應力筋穿過的孔道，每個孔道布置2根無黏結預應力鋼絲。柱內(nèi)預應力筋兩兩對角交叉布置，預應力筋分樓層錨固，通過對預應力筋張拉施加預應力，使基礎、柱和梁板形成整體，見圖5所示。CR-RCFc結構在中、大震下發(fā)生搖擺，預應力筋作用使結構回復原位，主體承重構件不發(fā)生損傷，預應力筋始終處于彈性狀態(tài)。

按平截面假定，預應力筋幾何變形圖和節(jié)點受力如圖6所示，節(jié)點理論轉動剛度見式(1)[16]。

(1)

式中，Δ為單根預應力筋伸長或縮減量；F為單根預應力筋增加或減少的力；H為柱中預應力筋的橫向距離；L為預應力筋的長度；A為單孔預應力筋面積；E為預應力筋彈性模量。

圖3　柱腳節(jié)點圖Fig.3 Detail of column-base joint

圖4　柱梁節(jié)點圖Fig.4 Detail of column-beam joint

圖5　柱內(nèi)預應力筋布置Fig.5 Layout of prestressed strands in columns

圖6　搖擺節(jié)點受力圖Fig.6 Force diagram of the rocking joints

由設計思路看出，CR-RCFc結構節(jié)點相對于常規(guī)節(jié)點，結構整體側移剛度得到顯著的“弱化”。為防止結構在遭遇風荷載和小震作用時進入搖擺狀態(tài)，從而不滿足正常使用的舒適度要求，在搖擺結構中設置抗風和抗小震裝置。參考此類研究性結構構造的常用設計方法，選用角鋼作為CR-RCFc結構的抗風和抗小震裝置(邊柱外側用鋼板替代)，通過螺栓連接對稱固定于柱腳和柱頂兩側，提供一定的側向約束。期望在風荷載和小震作用下，結構不發(fā)生搖擺，在中震、大震作用下角鋼失效，同時作為結構的第一道耗能體系，耗散部分地震能量?？癸L和抗小震裝置所采用的角鋼根據(jù)袁銳文等提出的計算理論進行設計[17]。

1.3CR-RCFc結構層間阻尼器設計

CR-RCFc結構整體剛度得到較大削弱，在中震、大震作用下，抗風和抗小震裝置失效，結構發(fā)生搖擺，將產(chǎn)生比常規(guī)結構較大的位移響應。為控制結構的地震位移響應，在結構每一層布置有層間阻尼器。本次試驗的CR-RCFc模型采用X形鋼板屈服耗能器[18]對結構位移響應進行控制，所設計的金屬屈曲阻尼器具有大變形能力。在中震、大震結構發(fā)生搖擺時，作為結構的第二道耗能體系進入工作，耗散地震輸入能量。這種耗能器由多塊X形狀的鋼板疊加而成，其構造如圖7所示。

圖7　X型鋼板屈曲阻尼器Fig.7 X-type metallic damper

這種耗能器通過X形鋼板的側向彎曲屈服而耗能。阻尼器采用人字形支撐固定在每一層的跨中(見圖1)，經(jīng)過試驗前采用ABAQUS有限元軟件試算[16]，最終振動臺試驗所采用的阻尼器參數(shù)見表2。

表2　金屬阻尼器參數(shù)

2振動臺試驗

2.1試驗方法

試驗模型為兩個：一個1/3縮尺CR-RCFc模型和一個1/3縮尺RCF模型。由于CR-RCFc是一種新型的消能減震結構體系，作為初探性研究，試驗研究僅考慮水平單向地震作用，選擇輸入單向地震波，即沿振動臺X向輸入。根據(jù)試驗方案，選用El Centro-EW 地震記錄作為振動臺臺面激勵，主要加載工況見表3。

表3　振動臺試驗加載工況

注：RCF加載至1.45 g時停止。

結構模型基礎與振動臺面固定后，在模型基礎與1～3層樓板高度處的兩側柱上分別布置8個加速度傳感器和8個位移傳感器，以測定結構模型各層的加速度和位移地震響應。

需要說明的是，在小震工況下，模型設置角鋼模擬抗風和抗小震裝置，在中震和大震工況，人為拆除角鋼來模擬角鋼失效，因為屈服后的角鋼本構特性比較離散，程序模擬困難，這樣做的主要目的是使試驗數(shù)據(jù)能更好地與數(shù)值模擬進行比較。

2.2試驗現(xiàn)象

試驗過程中每一工況后用黑色記號筆描述模型結構的裂縫開展情況，試驗結束后，常規(guī)RCF結構模型損壞嚴重，具體損傷狀況如圖8所示，而大震作用后的CR-RCFc結構模型除阻尼器出現(xiàn)殘余變形外(需要在震后更換)，主體構件保持完好，如圖9所示，圖9左下照片為震后阻尼器變形形態(tài)。由此可以看出：

(1) RCF模型經(jīng)歷峰值加速度為1.45 g的El Centro波后梁柱節(jié)點核心區(qū)開裂嚴重，形成塑性鉸；梁端與柱端混凝土壓碎、局部脫落，部分柱腳鋼筋外露；主體承重結構損傷較大，結構已不滿足正常使用和繼續(xù)承載的要求。

(2) CR-RCFc結構在經(jīng)歷峰值加速度2.00 g的El Centro波作用后，僅金屬阻尼器屈服變形，主體承重構件完好，表現(xiàn)出優(yōu)越的“免損傷”特性。

圖8　RCF模型試驗后的破壞形態(tài)Fig.8 Failure mode of RCF model

圖9　CR-RCFc模型試驗后主體結構完好Fig.9 CR-RCFc model keep intact under test

3CR-RCFc抗震性能分析

3.1動力特性

在不同水準地震作用前后，均用小振幅的白噪聲進行激振試驗，得到振動臺面和模型加速度響應。通過傳遞函數(shù)、功率譜等頻譜分析，求得加載前模型的動力特性。由于模型只有三層且僅沿X向振動，故僅測量前三階自振頻率。表4為白噪聲激勵得到的CR-RCFc結構和RCF結構的自振頻率。

表4　CR-RCFc結構和RCF結構頻率對比

由表4可以得到CR-RCFc結構一階自振周期為0.308 s、RCF結構一階自振周期為0.174 s，再由表1推導得到兩個原型結構的一階自振周期分別為0.754 s和0.426 s。這里需要說明的是，表4數(shù)據(jù)均由白噪聲激勵得到，實際地震作用下，CR-RCFc結構進入大位移狀態(tài)，阻尼器進入大變形狀態(tài)，阻尼器的割線剛度會比初始剛度小很多，即CR-RCFc結構具有比0.754 s更長的一階名義自振周期，經(jīng)測試，在大震下原型最大接近2.449 s。本文所用El Centro-EW波的卓越周期為0.55 s，根據(jù)地震動反應譜理論，超過地震波卓越周期的結構自振周期越大，樓層加速度響應和層間剪力均會變小，CR-RCFc具有比一般RCF更好的減震效果。

3.2動力響應

同等水準地震作用下CR-RCFc結構和RCF結構的加速度反應對比如圖10所示，定義動力放大系數(shù)K為各層加速度響應與模型底座加速度響應的最大值比值。圖11給出了同等水準地震作用下CR-RCFc結構和RCF結構的頂層加速度時程響應曲線。由此可以看出：

(1) 在小震作用下，由于抗小震裝置的作用，CR-RCFc結構并未啟動搖擺運動機制，各層加速度動力放大系數(shù)與RCF結構接近，兩者具有幅值相當?shù)募铀俣软憫?/p>

(2) 在中震和大震作用下，CR-RCFc結構的加速度動力放大系數(shù)明顯小于RCF結構。CR-RCFc結構各層的加速度動力放大系數(shù)在1左右，而RCF結構則在2～4之間，CR-RCFc結構的地震響應顯著小于RCF結構，體現(xiàn)出CR-RCFc結構良好的抗震性能。

圖10　加速度響應對比圖Fig.10 Comparison of acceleration responses between CR-RCFc and RCF

圖11　頂層加速度響應時程曲線Fig.11 Time-history curves of top floor’s acceleration responses

同等水準地震作用下兩個框架的每層位移響應(相對于基礎)的峰值對比如圖12所示 ，由此看出：

(1) 小震作用下，由于CR-RCFc結構中布置抗風和抗小震裝置，結構不發(fā)生大的搖擺，與RCF結構相比，兩者的整體位移比較接近，地震響應無明顯差別。

(2) 中震和大震作用下，抗風和抗小震裝置退出工作，CR-RCFc結構啟動搖擺機制。中震時，同一水準地震作用下，CR-RCFc結構和RCF結構整體位移大致相當，說明CR-RCFc結構阻尼器設置合理，能有效的控制結構的位移；大震時，RCF結構剛度退化嚴重，位移響應急劇增大，而CR-RCFc結構整體位移明顯小于RCF結構，說明阻尼器對結構側移的控制效果依然顯著。

(3) 綜合對比各水準地震作用下的加速度和位移響應，CR-RCFc結構在控制了結構位移的同時，顯著降低了結構加速度地震響應。

圖12　每層最大位移響應對比圖Fig.12 Comparison of maximum displacement responses

4結論

(1) CR-RCFc結構采用獨特的節(jié)點設計，通過調(diào)整預應力筋的配筋率可以調(diào)整結構抗側剛度，結構整體剛度得到均勻弱化后，結構自振周期延長，減小了地震作用。

(2) CR-RCFc結構中設置的抗風和抗小震裝置使結構基本保持穩(wěn)定，小震作用下不發(fā)生搖擺，滿足小震下舒適度需求；中、大震作用時，抗風和抗小震裝置失效，結構啟動搖擺機制，通過阻尼器有效控制位移和耗散地震能量，并在預應力筋作用下使結構回復原位。

(3) 中、大震作用后，CR-RCFc結構除了抗風和抗小震裝置失效以及層間阻尼器屈服變形外，主體承重構件保持完好，結構仍然安全可靠，是一種 “免損傷”的抗震結構體系。

參 考 文 獻

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Shaking table tests for aseismic performance of a controllable rocking reinforced concrete frame with column-end-hinge joints

LULiang1,JIANGLe1,LIHong2,LüXi-lin1

(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Shanghai municipal Engineering Design Institute (Group) Co., Ltd, Shanghai 200092, China)

Abstract:A controllable rocking reinforced concrete frame (CR-RCF) with column-end-hinge Joints is a new type seismic-reducing structural system with special design for column-beam joints and the application of structural control theory and technology. Based on the comparative shaking table tests for a 1/3 scale 3-story-3-span CR-RCF with column-end-hinge Joints and a conventional reinforced concrete frame with the same sizes, the dynamic characteristics, acceleration reponses and displacement responses of the model structures under different earthquake levels were studied to validate the aseismic performance of CR-RCF with column-end-hinge Joints. Test results indicated that the CR-RCF with column-end-hinge Joints has a definite centralized energy dissipation mechanism, and an excellent self-centering capability during earthquake; it is a damage-free structural system with the main component keeping intact under major earthquake.

Key words:rocking frame; joint design; shaking table test; aseismic performance; column-end-hinge

中圖分類號:TU317.1;TU352.1

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.031

收稿日期：2015-02-09修改稿收到日期：2015-03-16

基金項目：國家自然科學基金項目(51178354);國家自然科學基金委國際合作項目(51261120377)

第一作者 魯亮 男，博士，副教授，1969年11月生