传统风格建筑钢筋混凝土框架结构抗震性能试验研究

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1、传统风格建筑钢筋混凝土框架结构抗震性能试验研究 陶倍林 吴琨 贾俊明 车顺利 韦孙印 中国建筑西北设计研究院有限公司 摘 要： 为了研究传统风格建筑钢筋混凝土框架结构的整体抗震性能, 设计了比例为1/4 的典型单层歇山屋顶框架结构缩尺模型, 并进行了振动台试验研究。介绍了试验模型的设计与制作、相似比的确定以及配重的布置等, 描述和分析了模型结构在 7 度多遇、设防、罕遇地震, 8 度设防、罕遇地震和 9 度罕遇地震阶段的试验破坏过程和动力特性、加速度及位移反应。同时, 采用 PMSAP 计算软件对原型结构进行了弹性和弹塑性时程分析。结果表明计算结果在弹性阶段与试验结果比较符合, 而在结构屈服后

2、, 两者的结果相差较大。最后, 给出了该类结构的主要破坏部位, 为传统风格建筑的结构设计提供了思路。关键词： 传统风格建筑; 框架结构; 振动台试验; 抗震性能; 作者简介：陶倍林, 硕士, 一级注册结构工程师, Email:。基金：中建股份科技研发课题 (CSCEC-2012-Z-16) Study on seismic performance of a reinforced concrete frame of traditional style buildingTao Beilin Wu Kun Jia Junming Che Shunli Wei Sunyin China Northwe

3、st Architecture Design and Research Institute Co., Ltd.; Abstract： In order to study the seismic performance of a reinforced concrete frame of traditional style building, a 1/4 scale model of a typical one-story frame with gable and hip roof is designed and tested on the shaking table. The design an

4、d making of test model, similitude relationship, the layout of the weight were introduced. The failure process, dynamic property, acceleration and displacement of the model structure under different earthquake levels were described and analyzed. The elastic and elastic-plastic time history analyses

5、of the model were also made using the analysis program for PMSAP. The results show that the calculated results are in agreement with the experimental results in the elastic stage, and after the frame yields, all results are quite different. Finally, the main damage parts of this kind of structure we

6、re given, which provides an idea for the structural design of traditional style building.Keyword： traditional style building; frame structure; shaking table model test; seismic performance; 0 前言基于对中华民族几千年传统文化的探索与创新, 近些年在我国城市化快速发展进程中传统风格建筑受到越来越多的关注和认可。对于这种既创新又传统的建筑结构类型, 虽然已经有了大量的工程实例, 但工程设计中还缺乏相应的规范和

7、规程, 只能参照现有规范中关于框架结构和框剪结构等的一些规定进行设计。然而由于该类型建筑梁柱构件、节点等外形需要满足传统风格独特的建筑艺术造型要求, 同时其构件截面尺寸与构造受到很大的限制, 因此该类型建筑的抗震性能和设计方法与常规的钢筋混凝土建筑结构存在一定的差异。在此情况下, 如果完全按照现行的规范规定进行结构设计, 可能导致较大的误差甚至错误1。因此, 对于传统风格建筑的抗震性能进行专门的研究是十分必要的。本文以浙江舟山市普陀山佛学院的茶榭为研究对象进行相关试验研究和分析, 为该类结构的工程设计提供科学的参考依据。图 1 茶榭建筑实景图 下载原图茶榭主体结构 2 层, 0.000 以下为

8、架空层, 其上为单层歇山屋顶, 屋脊顶标高为 7.550m, 建筑物位于水面上。建筑实景图如图 1 所示。建筑结构抗震设防烈度为 7 度, 设计基本地震加速度值为 0.1g, 设计地震分组为第一组, 框架抗震等级为三级, 场地类别为类。该结构具有以下特点:1) 上层层高较高, 而圆柱直径只有 380mm, 且在斗拱处柱头“收分”, 使得该处节点削弱较多, 因此采用方钢管混凝土加强该部位;2) 斗拱处设置钢筋混凝土阑额和穿插枋, 与圆柱相连, 上、下梁截面尺寸和间距均较小, 导致该节点处会出现类似于“短柱”的现象;3) 屋面梁板均采用现浇钢筋混凝土, 且上卧传统的灰色陶瓦和外挑 2.1m 的飞檐

9、, 造成屋面荷载较大。针对此类结构的抗震性能研究, 地震模拟振动台试验可以直观地看到结构在真实地震作用下的运动特征, 是考虑结构抗震性能最直接可靠的方法之一。该方法的基本原理为:根据动力相似理论进行试验模型设计, 通过测试模型模拟地震波作用下的相关结果, 然后依据相似关系反推原型结构结果2。本次试验在西安建筑科技大学抗震实验室 MTS (4m4m) 振动台上进行, 通过考察模型结构的破坏机理与破坏模式, 对传统风格建筑钢筋混凝土框架结构的总体抗震性能进行评价, 并提出切实可行的抗震改进措施, 为此类结构提供了有力的理论支持。1 试验模型设计与制作1.1 模型设计按相似关系制作了 14 的缩尺试

10、验模型, 模型采用钢筋混凝土结构, 主要由圆柱、梁和板等承重构件以及栌斗、穿插枋、阑额等造型构件组成, 屋面结构是歇山式屋顶。模型结构平面布置图、屋架分别见图 2, 3。图 2 模型结构平面布置图 下载原图1.2 相似比由于原型尺寸经过比例换算后所得模型的梁和柱等构件的截面尺寸均偏小, 为了满足混凝土的浇筑等施工工艺要求, 同时满足模型和原型结构的材料性能相似的条件, 模型材料主要物理量的相似关系见表 1。图 3 模型屋架 (WJ1, WJ2) 下载原图表 1 模型相似比 下载原表 1.3 模型制作本试验混凝土材料选择使用强度等级为 C30 的微粒混凝土, 其原料配合比为水水泥细砂米石=0.3

11、811.112.72, 其中使用的水泥为 32.5 级普通硅酸盐水泥, 细骨料为最大粒径小于 2.5mm 的细砂, 粗骨料为最大粒径小于 5mm 的米石。本试验中构件纵筋采用 钢筋, 箍筋采用 12 号铁丝。其中圆柱纵筋采用 , 箍筋采用 12 号铁丝。柱头“收分”处采用钢管混凝土, 方钢管为壁厚 3mm 的 Q235 钢, 插入下部圆柱内 200mm, 下插部分方钢管焊有的钢筋头增加钢管和混凝土的咬合作用, 方钢管内的混凝土预埋有 10 号镀锌铁丝, 作为和框架梁之间的锚固。框架梁的受力纵筋均采用6 钢筋, 其中考虑到外周边框架梁可能承受较大的扭矩, 在其中部设置 4 根受扭纵筋。板筋采用8

12、 钢筋, 双层双向布置。穿插枋和阑额的纵筋均采用 10 号镀锌铁丝, 箍筋采用 12 号镀锌铁丝, 栌斗沿高度方向设置正方形的 10 号铁丝。具体构件配筋如图 4, 5 所示。1.4 配重本试验模型的总配重质量为 5.418t, 配重块分为混凝土配重块和铁配重块。混凝土配重块采用现浇方式制作, 通过预留钢筋固定在板上, 且在浇筑时用塑料布与板隔离。铁配重块通过发泡胶粘贴在混凝土配重块顶面。屋顶配重块布置见图 6 (图中 16 为混凝土配重块与铁配重块) 。2 测点布置及加载工况2.1 测点布置在结构的关键部位, 如外柱和中柱的梁柱节点以及结构基础顶部、屋脊顶面, 在 X, Y, Z 三个方向上

13、依次布置相应的位移和加速度传感器, 以测定结构的地震反应。图 4 圆柱、梁截面配筋图 下载原图图 5 屋架梁、穿插枋和阑额截面配筋图 下载原图2.2 加载工况本试验选用 4 组天然地震波作为模拟地震振动台台面输入波, 其中包括汶川波、兰州波、Taft 波和 El Centro 波。试验从台面输入峰值加速度为 70gal 开始加载, 到台面输入加速度为 1 240gal结束, 共经历 7 级加载。主要加载工况依次为:7 度多遇 (工况 117, 台面峰值加速度 70gal) ;7 度设防 (工况 1834, 台面峰值加速度 200gal) ;7 度罕遇 (工况 3551, 台面峰值加速度 440

14、gal) ;8.5 度设防 (工况 5264, 台面峰值加速度 600gal) ;8 度罕遇 (工况 6577, 台面峰值加速度 800gal) ;8.5 度罕遇 (工况 7881, 台面峰值加速度 1 000gal) ;9 度罕遇 (工况 8285, 台面峰值加速度 1 240gal) 。图 6 屋顶混凝土配重块布置 下载原图7 级加载均为单向、双向和三向地震波输入。前 5 级加载按汶川波、兰州波、Taft 波、El Centro 波分别对模型 X 向、Y 向、X, Y 双向以及 X, Y, Z 三向激励。后 2 级加载是 Taft 波对模型 X 向、X, Y 双向以及 X, Y, Z 三向

15、激励。其中, X, Y 双向激励加速度峰值比 X 向Y 向为 10.85;X, Y, Z 三向激励加速度峰值比 X 向Y 向Z 向为 10.850.65。在初始加载和每级加载后, 对模型进行白噪声 (台面峰值加速度 50gal) 扫描, 以测量结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特征参数。3 试验现象及结果分析3.1 试验现象在峰值加速度 70gal (7 度多遇) 地震作用下, 结构位移和扭转反应均较小, 模型表面没有出现可见裂缝, 结构基本处于弹性阶段。加载至 7 度设防 X, Y 双向激励的 Taft 波和 El Centro 波时, 有部分造型构件 (如穿插枋、阑额) 端部出现斜裂缝,

16、且不断加深扩展 (图 7) ;阑额跨中部分有一处出现竖向裂缝。图 7 穿插枋、阑额出现裂缝 下载原图在 7 度罕遇 X, Y 双向激励的 Taft 波和 El Centro 波地震试验阶段, 多根框架柱分别在距柱底 5, 10, 20, 30, 40cm 等处出现横向水平裂缝和竖向短裂缝, 并不断延伸 (图 8) 。随后的工况中, 框架梁端部底面裂缝延伸至柱上端方钢管混凝土处, 梁柱交点处混凝土开始剥落 (图 9) 。图 8 柱底出现裂缝 下载原图图 9 梁柱交点处混凝土剥落 下载原图当台面输入峰值加速度 600gal, 相当于遭遇 8.5 度设防 X, Y 双向 Taft 波和 El Centro 波时, 框架梁两端出现竖向裂缝, 梁底部中段出现横向裂缝 (图 10) ;同时柱底裂缝继续快速发展 (图 11) , 其中有两根柱的底部水平裂缝贯通而形成环向裂缝。图 1 0 梁底部中段出现裂缝 下