地震后有损伤钢筋混凝土框架耗能减震加固试验分析 - 副本

1、南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报1996年 Journal of N anjing A rch itectural and第 4期 C ivil Engineering Institute Sum N o . 391 2 王光远 2(, 南京 , 210009; 2 哈尔滨建筑大学 , 哈尔滨 , 150001; 第一作者 39岁 , 男 , 讲师 摘要 通过地震模拟振动台试验 , 研究用耗能减震装置修复震后有损伤钢筋混凝土框架的效果和可行性 , 并对一座三层钢筋混凝土剪切型框架进行震后损伤修复加固试验 , 给出地震后损伤结构物理参数识别方法 , 以及震后有损伤结构抗震加固设计的具体步骤

2、 。关键词 地震控制 ; 地震模拟试验 ; 结构修补 ; 耗能装置 ; 损伤结构 ; 震后修复中图号 TU 375我国现行抗震设计原则是 :“小震不坏 , 中震可修 , 大震不倒” 。 基于这一原则 , 对中震后有 损伤结构需进行修复加固 , 使其保证具有抵抗下次地震的能力 。 传统的加固方法基本上都是通 过增强结构自身的强度或刚度来实现抗震加固的目的 。 文献 1, 2已提出结构控制与维修策 略 , 使其保证结构具有整体性能 。 随着被动控制技术的发展 , 该技术已应用于完好结构在震前 的抗震加固 3, 4, 但是 , 这一技术应用于震后有损伤结构的抗震修复在国内尚不多见 , 本文通过 震后

3、损伤结构耗能减震修复试验 , 力图在这方面做一点有益的尝试 。1有损伤结构加固控制参数的确定在结构修复加固之前 , 应确定结构完好时及损伤后的层间刚度 。 结构损伤前 、 后的层间刚 度参数确定 , 归结为结构参数识别问题 。 目前 , 结构参数识别方法较多 5, 但多数方法仅能识别 结构的动力特性及物理参数 , 如 :结构自振频率 、 振型及结构整体或总刚度矩阵等参数 。 而对于 有损伤结构进行修复加固 , 主要是要确定结构的层间刚度退化值 , 才能进行加固设计 。 本文提 出结构层间刚度识别方法 , 既能确定结构刚度损伤值 , 又能确定损伤所在的层位 , 为损伤结构 的修复提供可靠信息 。

4、111完整模态参数状态下的物理参数识别对于有损伤结构进行激振 , 通过测试和识别得到结构全部模态参数时 , 即已知 :d1, d2, , dn 及振型矩阵 5d , 根据弹性体系振动理论可以求得结构损伤后的整体刚度矩阵K d =(5T d -1diag (K d 5-1d (1 国家自然科学基金资助项目 (59378365收稿日期 :1995212221式中 diag (K d 是有损伤结构广义刚度矩阵 , 可以由下式计算diag (K d =diag (m diag (2d (2 式中 diag (m 是结构广义质量矩阵 , 按下式计算diag (m =5Td M 5d(3M 是结构质量矩阵

5、 , , , 是已知的 对角矩阵 。 由式 (1 i (i =d1=- d n =K (4K d j = K d j -1, j (j =2, 3, , n -1式中 K ij d 中的元素。 112非完整模态参数状态下的物理参数识别当识别得到非完整模态参数 , 即仅获得某阶频率 d j 及对应的振型向量 5dj 时 , 则根据弹性 体无阻尼自由振动方程K d 5dj =2d j M 5d j(5 及剪切型框架总刚度矩阵形成特点 , 损伤后层刚度值由下式计算K d1=2nT l 1j(6K d i =2nT lij -i -1j (i =2, 3, , n 式中 T l =2d j m l d

6、 l 是式 (5 右端列向量第 l 个元素 , ij 是 5dj 中第 i 个元素。 2耗能减震装置的力学特性及设计耗能减震是通过采用附加子结构或一定措施 , 以消除地震传递给结构的能量为目的的减 震手段 。 本文着重讨论这一技术在震后有损伤结构修复加固领域中的应用 。耗能减震装置是利用装置的变形或摩擦原理吸收能量 , 主要分为四类 :耗能支撑 、 耗能剪 力墙 、 阻尼器和耗能构件 。 本文所做的震后有损伤框架修复试验 , 采用的软钢阻尼器是利用金 属的塑性变形吸能原理 , 形状如图 1所示 。 其力学性能是阻尼器进入屈服后剪力不再增加 , 单 片恢复力模型如图 2所示 。修复加固安装在框架

7、层间的阻尼器系统由支撑及软钢阻尼片构成图 (3 示 。 支撑设计为刚图 1三 角 钢 板 耗 能 片 mm 图 2耗 能 片 恢 复 力 模 型 图 3装 有 阻 尼 器 系 统 的 结 构 示 意 图9第 4期 李洪泉等 :地震后有损伤钢筋混凝土框架耗能减震加固试验分析性 , 计算时仅考虑阻尼器的侧移刚度 , 因此 , 损伤后结构侧移刚度增强由耗能器贡献 。 修复后的 结构屈服点应与原结构的屈服点相同 , 因此 , 选择计算模型如图 4所示 。图 4耗能片数量通过以下计算可以求得 Q y i =Q d i +Q z i Q d i =K d i y i , z i =K zi y iQ y

8、i i Q d i 2; z i ; y i 是结构第 i 层屈 d i i 层的损伤刚度 ; K z i 是阻尼片屈服刚度 。 由K z i =K o i 2K d i o i 是结构完好时第 i 层的侧移刚度 , 可由设计参数确定 ; Q d i 根据识别方法获得 。阻尼片的屈服 强度和屈服位移由下式计算 6K z i =Q y z y z (7-1Q y z =26h(7-2 y z =2E t(7-3 通过以上各式计算可求得修复结构某层所需耗能片的数量 N , 计算公式为N =E t 3 b6h 3(8 式中 E 和 t 分别是耗能器材料 (钢板 的弹性模量和屈服应力 ; t 、 h

9、和 b 分别是耗能器的厚度 、 高度和底边宽度 , 图 1所示 。3震后有损伤结构的抗震加固设计为了防止修复后的结构在某个预料不到的楼层出现刚度和强度突变现象 , 本文提出如下 加固准则 :加固后结构的初始刚度和屈服强度与该结构完好时相同 , 即保证加固后结构的上 、 下层刚度比和屈服强度比与完好结构一致 。 基于上述修复加固准则 , 给出震后有损伤结构抗震 加固设计的具体步骤 :(1 按设计参数或识别方法计算结构完好时各层刚度 ;(2 按本文第一节识别方法确定结构损伤后的各层刚度 ;(3 按测试反应确定薄弱层 ;(4 按式 (8 计算所需耗能片的数量 。阻尼器设计参数 h 、 t 和 b 根

10、据阻尼器刚度选择而定 , 阻尼器刚度根据 K o i 和 K d i 确定 。4地震后损伤框架耗能减震加固试验分析为了验证震后修复加固理论和方法的可行性 , 制作了两榀单跨剪切型三层钢筋混凝土框 架 , 设计工况为 8度地震烈度 ; 类场地条件 ; 结构按我国现行抗震设计规范设计 ; 试验模型按 1 4比例制作 。01南 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 1996年 411试验模型制作及框架底层恢复力骨架曲线试验模型尺寸如图 5所示 , 框架模型特征参数列于表 1中 , 钢筋混凝土框架柱截面为 60mm ×60mm , 受力筋为 4× 4螺纹钢筋 , 箍筋用 126的铁丝

11、 , 间距为 25mm , 混凝土配合比 为水泥水细骨料粗骨料 =1 0152 1152 215, 水泥标号为 450#, 细 骨料最大直径小于 215mm , 粗骨料最大直径在 215104112Nmm 2。 图 5框架模型尺寸 mm1层数 初始刚度 K o i kN c m -1屈服剪力Q y i kN质量m 2 kg轴压比n o i913851631100108表 2单榀钢筋混凝土框架底层框架试验模型恢复力参数参数 屈服位移X y c m屈服剪力Q y kN极限位移X u c m极限剪力Q u kN倒塌位移X p c m倒塌剪力Q p kN试验值016516321361141351241

12、2耗能器设计耗能片的几何形状如图 1所示 , 规格为三种 , 尺寸列于表 3中 , 斜撑采用 50mm ×50mm角钢 。 层间加固装置如照 1所示 。 t =235N mm 2, E =211×105N mm 2。表 3耗能片几何尺寸 mmt (厚 234b (宽 607080h (高 707070照 1加固装置413结构地震后损伤修复加固试验结构地震后损伤修复加固试验在哈尔滨建筑大学力学与结构实验中心 3m ×4m 模拟地 震振动台上进行 , 为了保证框架在试验时的整体稳定性 , 将两个单榀框架用角钢联接为整体 ,每层质量为 2000kg 。 输入 EL Ce

13、n tro (SN 地震记录 , 最大加速度为 400c m s 2, 地震波在时域 进行了压缩 , 时间步长为 t =0101s (相当于原结构的 0102s , 持时为 10s 。地震工况输入如 下 :(1 输入 011g , 测试结构完好时动力特性 ;11第 4期 李洪泉等 :地震后有损伤钢筋混凝土框架耗能减震加固试验分析(2 输入 014g , 进行框架地震动损伤试验 ; 表 4框架动力特性 、 层间刚度及测试值 工况反应第一层 第三层框 架 完 好 时的 动 f 1=1(H z 510110026z 101100f 35031180-21251100层间刚度K o i kN c m

14、-118的 动 力 特 性 及 层 间 刚 度 (输入 011g 识别值 、 测试 值f 1=1184(H z 5d101592018581100f 2=5163(H z 5d2 f 3=8152(H z 5d3层间刚度 K d i kN c m -111106实测层间位移 x i c m01980159301580修复后的 层间刚度K i kN mm -1(3 对损伤框架输入 011g ,识别损伤刚度 ;(4 对 修 复 后 的 框 架 输 入014g , 进行损伤分析 , 并与 ( 2 对比 , 分析修复效果 。 以上 (2 、(4 果见图 6和表 (414试验结果表明 , 当完好结构输入峰值 014g 的地震波时 , 仅 有框架底层柱上 、 下出现裂缝 , 其 最大位移反应是 1112c m , 该层 已进入塑性阶段 , 所以底层为薄 弱层 , 需进行修复 。 第二 、 三层柱 均未出现裂缝 , 其层间位移小于 屈服位移 , 仍处于弹性阶段 , 见表 4。 对损伤结构输入 011g , 同时对位移时程反应进行 Fou rier 幅值谱分析见图 6(h , 由位移反应谱中的峰值点确定第一频率 , 并测得振型 (分别