rc环梁连接的2层2跨rc梁-scc柱抗震性能试验研究

rc环梁连接的2层2跨rc梁-scc柱抗震性能试验研究

1rc环梁连接的rc梁-stcc柱框架的试验研究管道混凝土支架（steeltubecorden，stc）具有优越的承受能力、变形能力和良好的经济效益，特别适用于抗疲劳结构的上层和高级建筑物。我国大多数建筑的楼盖采用钢筋混凝土(RC)梁板结构,推广应用STCC柱的关键之一是解决STCC柱与RC梁的连接。RC环梁是近几年开发的一种RC梁和STCC柱的连接方式。环梁节点传递剪力和弯矩的方法为:在钢管周圈贴焊一道(或两道)钢筋作为抗剪环,环梁通过抗剪环将框架梁端剪力传递到钢管;现浇RC环梁围绕钢管,与钢管紧密箍抱,框架梁的纵向钢筋锚固在环梁内,借助环梁将弯矩传递给钢管。环梁节点的钢管内无加劲环及穿心构件,不影响钢管内混凝土浇注;环梁钢筋笼无方向性,在地面绑扎后吊装,高空就位方便;现场除钢管接长无焊接工作量。环梁节点已经用于7度和8度抗震设防的20多幢高层建筑,已经完成了的37个环梁节点模型、1个足尺环梁节点的单调加载静力试验和14个节点模型的低周反复加载试验,证明了环梁节点在静力作用下具有良好的受力性能和延性。对于RC环梁连接的RC梁-STCC柱框架在地震动力作用下的受力性能,还需要通过试验进行研究。结构动力试验的方法有地震模拟振动台试验和拟动力试验。振动台受承载能力和台面尺寸的限制,对于高层钢筋混凝土房屋建筑,只能进行小比例模型结构的试验。拟动力试验是将试验与数值求解结构动力方程结合,输入地震加速度时程,用实测的试验结构当前步的刚度代入动力方程,求解下一步试验结构的位移,由作动器实现这一位移。拟动力试验可以采用大比例结构模型,采用与实际结构相同的材料、相同的节点构造,可以比较缓慢地实现结构的地震响应、观察结构受地震作用的破坏过程。本文介绍RC环梁连接的RC梁-STCC柱框架的试验研究,包括拟动力试验和静力试验。试验的主要目的是:研究地震作用下RC环梁的破坏形态,研究RC环梁连接的RC梁-STCC柱框架的抗震性能。2一般介绍2.1试验构件设计试验框架为东西、南北方向各两跨的两层RC环梁连接的RC梁-STCC柱空间框架。水平加载方向(南—北)STCC柱的中心距为4.5m,另一方向(东—西)为3m;楼板由边梁中心线外伸0.55m,平面尺寸为10.1m×7.1m;层高3.5m,两层总高7.0m,STCC柱伸出二层楼面0.5m。钢管外径为500mm,壁厚为5mm。试验框架的平面及剖面图见图1,照片见图2。试验框架按抗震设防烈度8度设计。计算地震作用时,层质量取为105t,与拟动力试验时的虚拟质量相同。为模拟竖向荷载在框架梁端产生的初始负弯矩,二层楼板上堆放铁块和混凝土块,平均为2.0kN/m2;一层楼板的混凝土块堆放在1、2、3轴线的梁上,折算线荷载为4.0kN/m。梁板的设计混凝土强度等级为C30。框架梁的截面尺寸b×h为200×350mm,配筋Ask为上下各318;楼板厚度为90mm。由于试验的目的之一是研究RC环梁的破坏形态,因此试验框架的18个节点中的大部分设计成“弱环梁、强框架梁”,即环梁屈服先于框架梁。环梁高400mm,比框架梁的截面高度大50mm。环梁的主要变化参数为:截面宽(200mm,250mm和300mm三种),箍筋数量(9种),环向钢筋(简称环筋)截面积与框架梁纵筋截面积之比(0.5,0.6和0.79三种)。18个环梁节点中,编号为1B2(层号,横轴线号,纵轴线号)的节点最强,其次为2B3。环梁的详细数据见表1。环梁箍筋的配置方式有两种,见图3。焊接在钢管上的抗剪环为一根ϕ8钢筋,位于环梁一半的高度;焊缝高度大多为4mm,个别为2mm,见表1。混凝土的实测立方体强度:一层为42.9MPa,二层为43.8MPa。ϕ6、ϕ8、ϕ10、12、14、18钢筋的实测屈服强度分别为284.3MPa、281.5MPa、294.8MPa、367.4MPa、393.8MPa和379.2MPa。2.2加载能力的确定采用4个MTS电液伺服作动器加载:两个作动器的加载能力各为±250kN,置于一层;两个作动器的加载能力各为±500kN,置于二层。作动器通过钢梁与楼板相连,将作动器的推拉作用力传递至框架的梁、柱。2.3应变片与基础位移为了研究环梁节点的环筋、箍筋及框架梁钢筋的应变发展过程及屈服顺序,从而确定环梁与框架梁的承载力和破坏形态的关系,在环梁的环筋、箍筋和框架梁纵筋上共布置了150个电阻应变片。在弯矩作用下,环梁与钢管混凝土柱的界面会产生缝隙,为了研究缝隙的大小,在一层和二层的A1、A2、B1和B2环梁的上、下表面均布置位移计。为了研究环梁与STCC柱之间竖向相对滑移的大小,在一层和二层的B2环梁上设置了位移计,量测环梁与柱之间的竖向相对滑移。为了研究框架的水平位移,在一、二层楼板位置,布置了8个位移计。在基础梁上也布置了位移计,以量测试验中基础是否有水平位移和竖向翘起。位移测点的布置示于图1。2.4aun统计分析试验加载控制采用清华大学土木工程系开发的TUT(TsinghuaUniversityTestware)软件;位移与应变等试验数据采用清华大学土木工程系开发的IMP数据采集系统采集,该系统可以同时采集作动器对结构的作用力,实现加载控制与数据采集的同步。3子结构试验方案试验加载过程包括两个自由度的拟动力试验、采用子结构技术的四个自由度的拟动力试验、往复加载的拟静力试验及单调推覆加载试验。加载方向为沿柱距为4.5m的南-北方向。3.1载荷计算方法首先进行两个自由度的拟动力试验,即将试验框架简化为一个具有两个集中质量的体系(见图4(a)),质量集中在楼面位置,质量m1=m2=105t(约合楼面荷载14.6kN/m2),阻尼比取0.05。输入的地震加速度时程为ElCentro1940NS记录,共做了七次试验,峰值加速度依次为0.035g、0.07g、0.1g、0.2g、0.3g、0.34g和0.4g,对应的含义见表2。每次试验加载前测定框架的实际刚度,刚度的变化反映结构在每次地震加速度时程输入后是否有损伤破坏。3.2试验子结构理论峰值加速度为0.4g的两个自由度拟动力试验后,用子结构拟动力试验技术,进行四个自由度的拟动力试验,其计算模型见图4(b)。上面两层认为处于弹性状态,称为计算子结构;下面两层为实际结构的计算模型,称为试验子结构,其刚度直接由试验框架测得。整体结构的地震反应由试验子结构和计算子结构两部分组成,形式上独立的试验子结构和计算子结构由整体结构动力方程统一起来。试验虚拟集中质量m1=m2=m3=m4=105t,阻尼比为0.05,输入的地震加速度时程为ElCentro1940NS记录,峰值加速度分别为0.07g和0.2g。3.3拟静力试验设计上述试验后进行了施加往复水平力的拟静力试验和单调推覆试验。拟静力试验以力控制,一层和二层水平力的比为1∶2;单调推覆试验也采用倒三角荷载,一层与二层推力之比为1∶2,推至二层的加载电液伺服作动器达到其最大行程试验结束。4试验结果与分析4.1现场的试验结果峰值加速度为0.2g加载完毕后,部分环梁(如1C3)和框架梁出现微细裂缝;楼板边缘出现裂缝,这对构造做法具有一定的启发意义。峰值加速度为0.3g加载完毕后,各环梁上表面、框架梁及楼板上表面发现少量裂缝,楼板上表面裂缝的走向大致垂直于加载方向,裂缝较细,并且没有连通。在0.3g加载过程中,环梁下表面和框架梁下表面可能出现裂缝,由于离楼、地面比较高,在试验过程中不易观察裂缝,试验后未发现裂缝。峰值加速度为0.4g加载完毕后,环梁上下表面均发现裂缝,上表面开裂程度比下表面轻微。二层框架梁及节点开裂比一层轻微,原因是二层层间剪力比一层层间剪力小,二层框架梁梁端弯矩比一层小。随节点设计参数的不同,主要裂缝出现的部位不同。一层节点1B2的环梁宽为300mm,环筋相对配筋量Ash/Ask为0.79,箍筋配筋适中,裂缝主要在框架梁上,环梁上的裂缝非常细微。一层C轴节点的Ash/Ask为0.50,环向配筋少,裂缝主要集中在环梁的下表面和侧面,下表面的径向裂缝在框架梁钢筋锚固区外呈“八”字形,并且延伸至框架梁钢筋锚固区内连通近似成“Λ”形,裂缝较宽,且与侧面的裂缝相连通(参见图5的照片)。1C1和1C2的箍筋少于1C3,环梁底面“Λ”形裂缝张大。单调推覆试验完成后,原有的裂缝的宽度和长度都有发展,裂缝相互连通;环梁节点出现新的径向裂缝,其中靠近框架梁处裂缝在环梁外侧,与框架梁方向约4550度处裂缝在环梁内侧,这与环梁的受力状态一致。典型的裂缝形态参见图5的照片。4.2环筋、亚规范和刚度表3列出了各加载工况下部分节点环梁环筋最大拉应变及此时与环梁相连的框架梁下部纵筋的应变。随着峰值加速度ap的增加,环梁的环筋和箍筋的最大应变增加,相应地框架梁端纵筋应变的最大值增加,说明框架梁端的最大弯矩增大。峰值加速度为0.34g时,1B2节点南侧框架梁底部钢筋屈服。环梁截面的宽度大,则纵筋的应变小。以节点1A2和1C2为例。环梁的环筋配筋量相同,但1A2截面宽度小于1C2。正方向推力时,1A2下部受压,1C2下部受拉;负方向拉力时,1A2下部受拉,1C2下部受压。在ap≤0.3g时,正向推力和负向拉力峰值相差不大,节点1C2和1A2的框架梁端纵筋应变接近,而1C2环筋应变小于1A2;ap≥0.34g时,正方向最大推力比负方向最大拉力大很多,1C2下部开裂比较严重,其环筋应变增加较快,往复荷载完成后,其环筋应变最大达2525×10-6,已经屈服。环梁的环筋配筋量小,则其应变大。例如,1A2与1A1和1B1的截面宽度相同,但环筋配筋量小,其环筋应变比1A1和1B1相应位置的钢筋应变大。各拟动力加载工况下,环梁箍筋应变较大的节点主要是1A1、1A2和1C2。随ap增大,箍筋应变增大,ap=0.4g时,部分环梁的箍筋屈服。在单调推覆试验后,量测到的最大箍筋应变超过9000×10-6,已经有很大的塑性变形。拟静力往复加载和单调推覆试验后,二层节点由于层间剪力小,梁端弯矩小,框架梁只有2A3、2B1、2B2、2B3和2C1屈服,环梁只有2B1和2B2的环筋屈服。4.3框架柱间缝宽在拟动力、拟静力和单调推覆试验中,环梁与STCC柱之间的界面局部产生缝隙,各种工况下部分节点的柱与环梁的缝隙宽度最大值见表4。最大缝隙宽度均远小于抗剪环的直径,而且最宽缝隙只发生于框架梁轴线与柱边相交处,缝隙不贯通,上宽下窄;其余大部分区段缝隙宽很小,在一些区域环梁与柱间处于挤紧状态。从环梁与钢管混凝土柱间缝宽的大小与形态可以看出,环梁不会发生越过抗剪环沿柱竖向滑脱的情况。在各种工况下,环梁与柱之间沿竖向相对滑移均非常小,最大值为0.2mm。在模型拆除过程中,仔细观察了抗剪环焊缝以及与抗剪环接触的混凝土的情况。抗剪环焊缝未有损坏迹象,与抗剪环接触的混凝土未见破坏迹象。可见,即使环梁已有相当程度的破坏,环梁与柱界面的抗剪能力也远大于框架梁传来的剪力。4.4框架梁环梁与框架梁之间破坏形态由于试验框架的STCC柱没有发生破坏,因此,试验框架的破坏形态实际是由RC框架梁—RC环梁—STCC柱组成的节点的破坏形态。节点的破坏形态与框架梁尺寸、环梁尺寸、环梁箍筋以及环梁环筋与框架梁纵筋的相对配筋量有关,即与环梁和框架梁的相对承载力有关。节点的破坏形态可以归结为两类:框架梁端形成塑性铰和环梁形成塑性铰。破坏形态之一:框架梁端形成塑性铰。环梁截面宽度以及环筋和箍筋配筋较大时,框架梁梁端出现竖向受拉裂缝,受拉钢筋屈服,梁端形成塑性铰,框架梁端底部混凝土压碎,而环梁裂缝很少,如1B2节点(图5(a));破坏形态之二:环梁形成塑性铰。环梁截面比较小,环梁配筋较少时,环梁破坏,框架梁不破坏。环梁环筋较少时,在环梁底面径向裂缝宽度较大;环梁侧面出现斜裂缝,在环梁外边缘处与环梁底面径向裂缝连通,环梁箍筋较少时,环梁侧面裂缝较宽;框架梁以下的环梁混凝土保护层可能破碎,如节点1C2、1B1等(图5(b)、(c))。环梁节点的上表面以基本垂直于加载方向的水平裂缝为主,有少量细微径向裂缝,框架梁没有混凝土压碎现象(图5(d))。就整体结构而言,尽管拟静力和单调推覆试验时,柱脚钢管局部屈服,但结构的破坏模式为梁破坏,从而实现了“强柱弱梁”的抗震设计要求。4.5不同加速度条件下不同时距油层间刚度的变化图6和图7分别给出了结构拟动力试验的部分水平位移时程曲线和基底剪力-顶点位移滞回曲线;图8给出了拟静力往复加载和单调推覆试验的基底剪力-顶点位移曲线。定义层间刚度Ki=Vi/δi,Vi和δi分别为第i层层间剪力和层间位移。每次试验前均测定结构的层间刚度。表5列出了结构初始层间刚度和各工况加载后结构的层间刚度。综合上述试验结果,峰值加速度为0.07g时,结构有微裂缝,刚度略有降低,但滞回线基本为直线;峰值加速度为0.2g时,刚度降低约30%,滞回曲线已不是直线;峰值加速度为0.4g时,刚度显著降低,水平位移时程曲线的形状已显著不同于峰值加速度为0.07g时的形状;囿于加载能力,在往复加载试验和单调推覆试验后,基底剪力-顶点位移曲线仍处于上升阶段,框架尚未达到最大承载力。4.6静力试验的稳定性图9为不同峰值加速度下,结构最大位移反应的包络图,沿高度基本呈线性。峰值加速度由0.2g增至0.4g时,位移已经不是线性增加了。表6列出了部分加载工况下结构最大层间剪力、最大基底剪力与结构总重量之比β、最大层间位移和最大层间位移角。在ap为0.07g和0.1g时,结构基本处于弹性状态;在ap为0.4g时,尽管结构已经表现出一定的弹塑性特征,但层间位移角仍小于1/100;在拟静力往复加载和单调推覆试验时,部分框架梁和环梁破坏已经比较严重,层间位移角已经达到1/34,但结构具有很好的整体性,承载力还没有下降。以上结果表明,RC环梁连接的RC梁-STCC柱框架实现了强柱弱梁,具有良好的抗震性能。5环梁和框架梁破坏形态由按8度抗震设防设计、用RC