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钢-混组合结构体系抗震试验研究

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    钢-混组合结构体系抗震试验研究
    王明贵1 储德文1 张莉若1 梁博2
    （1.中国建筑科学研究院 北京100013；2.西安建筑科技大学 西安710055）

    [摘要] 钢框架-核心混凝土筒体结构体系在我国地震区高层建筑中得到了广泛应用, 但在国外较少，其原因是钢混这种组合结构系的抗震性能研究不多。我们通过一个11层的钢混组合结构，按1:10的模型在振动台上模拟地震作用进行试验，测量动力反应，观察破坏现象，研究这种组合结构的抗震性能。着重分析了地震剪力在钢框架和混凝土筒体之间的分配比例关系，验证我国规范有关规定，为规范修订和工程设计提供参考依据。
    [关键词] 钢框架-混凝土筒体结构 振动台试验 抗震性能

    Test Study on Steel frame - core walls structure
    WANG Ming-gui1 CHU De-wen1 Zhang Li-ruo1 LIANG Bo2

    （1.China Academy of Building Research, Beijing 100013; 2.Xi’an University of Architecture
    and Technology , Xi’an 710055）
    [Abstract] Steel frame-RC core structure is widely used for high-rise buildings in seismic
    zone in China. But the research on anti-seismic performance of this kind of composite
    structural system is much less， it’s seldom used in foreign countries. So a shaking table
    test has been done on a 1:10 reduce-scale model of steel frame-concrete core structure. The
    dynamic characteristics, dynamic responses and damage features of the model under earthquake
    are recorded and analyzed. The distribution of seismic shear force between steel frame and RC
    core is studied. The results supply a reference to structural design and

    the revised of design code.
    [Key words] steel frame-RC core structure; shaking table test; anti-seismic performance
    1 前言
    钢框架-混凝土筒体结构体系在我国高层建筑中应用较多，它是由内部钢筋混凝土筒体和外围钢框架组成，其中筒体结构主要承担水平荷载，钢框架主要承担竖向荷载。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]已列入了这种混合结构体系（简称“规程”），并且用于高层甚至是超高层建筑抗震结构体系。在国外，美国把钢框架-钢筋混凝土筒体结构主要用于非抗震区，并且认为不宜大于150m[2]。日本于1992年建造了两栋钢框架-混凝土筒体结构的建筑，高度分别为78m和107m，未见到对这种结构体系的整体抗震性能研究报道，也未推广这种结构体系。
    在地震作用下，由于钢筋混凝土筒体的抗侧刚度较钢框架大得多，因而承担了绝大部分的地震力，但钢筋混凝土的拉伸极限应变很小，在达到规范限定的层间相对侧移变形（1/800）时，钢筋混凝土筒体已经开裂，而此时钢框架仍处于弹性阶段，地震作用会在混凝土筒体和钢框架之间进行重新分配，钢框架承受的地震力会突然增加，危及整个房屋的安全，有必要对钢框架承受地震力作更严格的要求。因此“规程”第11.1.5条规定，钢框架-混凝土筒体结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小者[1]。由此对框架柱进行剪力调整。但此项规定缺乏科学依据。
    国内学者对此做了一些研究工作。文献[3]和[4]进行了拟静力和拟动力试验研究。文献[5]对一幢25层的钢框架-混凝土筒体结构进行了1/20缩尺模型振动台试验，但原型是按7度抗震设防要求设计的，对于在8度区的抗震性能目前还缺乏振动台试验研究，更重要的是该振动台试验是欠人工质量模型，加速度相似系数Sa=3.2，表明配重较少，竖向荷载仅能达到理想相似所要求的竖向荷载的31%，真实地震作用力被缩小较多。
    本文的工作是通过振动台模拟地震作用，研究钢框架-混凝土筒体结构的抗震性能，着重分析地震剪力在钢框架和混凝土筒体之间的分配关系。并在试验模型设计时，优先考虑质量相似比，根据试验振动台的最大承载力来确定最佳的模型几何尺寸比例，使地震作用能做到大震阶段。试验具有如下特点：模型背景为一板式小高层中国建筑金属结构信息网住宅实际工程，按照8度抗震设防要求设计。模型的钢梁、钢柱、混凝土筒体采用了与原型相同的材料，模型配重比较足，模型与原型的相似性好。钢框架梁与混凝土筒体的连接节点采用了筒体内预埋钢柱的方式。

    2 模型设计及制作
    2.1 模型设计
    试验模型是以板式小高层钢框架-混凝土筒体结构住宅实际工程为背景提取一个单元设计的。原型为11层带跃层，层高2.8m，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，三类场地土，筒体采用C30混凝土，钢框架采用Q235B钢材。原型采用PKPM系列软件STS、SATWE进行了结构计算，满足规范要求。模型设计尺寸为1770×1350×3360?, 共12层，利用电梯井和卫生间布置混凝土筒体，混凝土筒体的面积约占总面积的11.2%，剪力墙的面积率约为4.5%。钢框架与筒体为铰接，筒体对应部位设置了暗钢柱。模型标准层结构布置见图1，试验模型见图2。

    2.2 相似比
    由于钢框架-混凝土筒体结构是由钢和钢筋混凝土两种性能差别大的材料组成，为了较好地模拟原型结构的实际地震反应，尽量满足相似关系，模型的材料采用原型材料，主要物理量的相似关系见表1。
    2.3 模型制作
    钢框架采用Q235B薄钢板，测得屈服强度平均值为221.7N/mm2，抗拉强度平均值为322.5N/mm2，弹性模量平均值为1.994×105N/mm2，伸长率平均值21.9%。Q235B钢材的弹性模量为2.06×105N/mm2，上述模型所用钢材与原型所用钢材的弹性模量相似比为0.97，满足弹性模量相似比为1的要求。

    混凝土筒体采用C30细石混凝土，试验测得做标准养护的立方体试块立方体抗压强度标准值为33.5 N/mm2，同条件养护的立方体试块立方体抗压强度标准值为36.5 N/mm2，同条件养护的棱柱体试块弹性模量平均值为3.58×104N/mm2。C30混凝土的弹性模量为3.0×104N/mm2，上述模型所用混凝土与原型所用混凝土的弹性模量相似比为1：1.19，基本满足弹性模量相似比为1的要求。楼板厚度为12mm，采用1：2水泥砂浆，基础底板厚度为200mm，采用C30普通混凝土。混凝土筒体钢筋采用镀锌铁丝代替，测得屈服强度平均值为321.7N/ mm2，极限抗拉强度平均值为470.0N/mm2，配筋量由等强度原则换算得出。
    2.4 配重
    模型质量为1.682t，原型质量为2588.042t，按照模型与原型的质量相似比要求，需要配置人工质量15.572t。实际1~11层每层配重为0.025×53=1.325t，12层配重为0.025×37=0.925t，总配重为1.325×11＋0.925=15.5t。模型底板质量为2.5×2.17×1.75×0.20=1.899t，配重后模型的总质量为19.081t，接近振动台20t的最大载重量。

    3 试验仪器布置及加载工况
    3.1加速度计的布置
    在模型上共布置了36个加速度计：振动台台面布置X、Y向的加速度计各一个（编号1X、2Y）；底座和各层楼板上在中间筒体附近布置X、Y向的加速度计各一个（编号从3X、4Y到27X、28Y）；顶层楼板四个角分别布置X、Y向的加速度计各一个（编号从29X、30Y到35X、36Y）。
    3.2应变计的布置
    在钢框架和混凝土筒体上一共布置了64个应变片。在第一、十层左半部的12根钢柱顶、底各布置两个应变片，一共布置了48个应变片。在一、二层筒体上布置16个应变片。一层应变片布置图见图3。
    3.3 加载工况
    试验在中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心大型振动台上进行，采用Taft波、EL-Centro波、人工（ART）波三条地震波作为模拟地震振动台台面输入波，试验加载分为5级，即小震（0.105g）、中震(0.3g)、中震强(0.45g)、大震(0.6g)、大震强(0.765g)，每一级的每条地震波分别按X、Y方向输入，共30种工况，并在加配重前、加配重后和每级加载后均输入白噪声测试结构的动力特性。

    4 试验数据分析
    4.1 模型的动力反应
    随着地震作用的加大，模型在两个方向上的自振周期加长，表明结构的刚度在下降。经历大震强后，模型X向的一阶自振周期是震前周期的1.57倍，Y向的一阶自振周期是震前周期的1.48倍。模型在配重前后的阻尼比变化较大，配重前后的结构阻尼比相差2~3倍，表明配重对结构阻尼的影响很大。模型的动力特性见表2，位移反应见表3。

    4.2 模型的应变
    模型混凝土筒体在小震作用下，最大拉应变为357.3με，而混凝土极限拉应变一般小于300με，表明混凝土筒体已有微小裂缝出现，进入弹塑性阶段；在中震阶段, 最大拉应变为626.0με；在大震阶段, 最大拉应变为1118.5με；在大震强阶段,最大拉应变为1258.5με，因为最宽的裂缝没有穿过应变片，所以混凝土筒体的实际最大应变比实测值大。
    模型钢框架部分从小震到大震作用下，最大拉应变为996.1με，最大压应变为1021.1με，而模型钢材的最大弹性应变限值为1111με，说明钢框架在这些试验阶段一直处于弹性阶段。在大震强阶段, 模型钢框架部分最大拉应变为1655.4με，最大压应变为1145.9με，均超过最大弹性应变限值。
    4.3 模型的裂缝及破坏情况
    小震情下，混凝土筒体没有观察到裂缝，中震时结构开始出现裂缝。裂缝首先出现在连梁，随着地震震级的加大，墙体出现水平裂缝和斜裂缝；墙体暗柱处、钢框架与混凝土筒体连接处出现裂缝较少，这与钢框架梁直接与混凝土筒体暗柱内配置的钢柱相连有关；钢框架基本上处于弹性阶段，没有发现明显的屈服或破坏现象。虽然模型发生了较大侧移，层间位移最大达到1/58，顶点位移达到总高度的1/104，但没有出现摇摇欲坠的现象，整个结构表现出较好的弹性和延性。
    试验中观察到暗柱混凝土保护层剥落露出钢筋的情况，但未观察到纵筋屈服的现象，这可能有两方面的原因：一方面是因为混凝土筒体的暗柱内配置了钢柱，改善了混凝土筒体的脆性，增加了延性；另一方面是因为混凝土筒体在振动过程中裂缝一开一合，由于钢框架有较好的弹性，起到一定的减震作用，降低了混凝土变形速度，对混凝土起了较好的扶持作用，使得纵筋没有被屈服。

    5 地震剪力在钢框架和混凝土筒体之间的分配
    对楼层 ，地震作用惯性力引起的楼层剪力由框架和筒体共同承担，即存在以下关系：

    地震剪力在钢框架和混凝土筒体之间的分配有以下主要规律：
    （1）在小震、中震、大震各阶段，混凝土筒体承担了绝大部分地震剪力，起着主要的抗侧力作用。El Centro波X向大震作用下各部分地震剪力见图3。
    （2）顶层钢框架承担的楼层地震剪力占本层地震剪力的比例最大。小震阶段，钢框架承担的楼层地震剪力占本层地震剪力的比例平均可达40％，最大可达46％；中震阶段，钢框架承担的楼层地震剪力占本层地震剪力的比例平均可达37％，最大可达55％；在大震阶段，钢框架承担的楼层地震剪力占本层地震剪力的比例平均可达48％，最大可达56％。
    （3）在钢框架承担的楼层地震剪力中，中下层钢框架承担的楼层地震剪力最大。小震阶段，钢框架承担的最大楼层地震剪力占底部总剪力的比例平均可达11％，最大可达14％；中震阶段，钢框架承担的最大楼层地震剪力占底部总剪力的比例平均可达9％，最大可达16％；大震阶段，钢框架承担的最大楼层地震剪力占底部总剪力的比例平均可达14％，最大可达18％。
    （4）钢框架部分的地震剪力设计值调整（取0.25 和 的较小者）是 起控制作用，调整后的地震剪力大致相当于中震作用下钢框架部分的地震剪力。中震阶段，钢框架承担的最大楼层地震剪力是小震阶段钢框架承担的最大楼层地震剪力的平均1.8倍，最大2.4倍；大震阶段，钢框架承担的最大楼层地震剪力是小震阶段钢框架承担的最大楼层地震剪力的平均4.2倍，最大5.4倍；所以， 大致相当于中震作用下框架部分的地震剪力平均值。

    6 结论及设计建议
    通过本次振动台试验，在试验数据分析和试验破坏现象观测的基础上，得到以下结论：
    （1）钢框架-混凝土筒体结构的阻尼比约为4～5%。
    （2）钢框架-混凝土筒体结构的破坏集中于混凝土筒体。墙体暗柱处、钢框架与混凝土筒体连接处裂缝较少；钢框架基本上处于弹性阶段，没有发现明显的屈服或破坏现象。
    （3）混凝土筒体结构在地震作用各阶段起主要抗侧力作用，钢框架对整个结构的贡献表现在为混凝土筒体提供侧向弹性支撑作用，改善了结构的极限变形性能和延性性能。
    （4）钢框架部分按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2002）第11.1.5条规定
    震剪力。
    通过本次振动台试验，提出以下设计建议：
    （1）钢框架-混凝土筒体结构的抗震性能在很大程度上取决于混凝土筒体，为此必须采取有效措施保证混凝土筒体的延性，建议在混凝土筒体内预埋尺寸较小的构造用钢柱、钢梁，一方面可以改善混凝土筒体的延性，另一方面可以方便中国建筑金属结构信息网施工。
    （2）钢框架梁与混凝土筒体连接节点受力复杂，建议采取钢框架梁与混凝土筒体内暗埋的钢柱直接相连的方式，这在本次试验中证明比较有效。
    （3）应限制混凝土筒体的高宽比，使其不超过1/12。

    参 考 文 献
    [1].高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2002）.
    [2].建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）.
    [3] 龚炳年、郝锐坤、赵宁. 钢-混凝土混合结构模型试验研究. 建筑科学，1994（1）：10-14.
    [4] 龚炳年、郝锐坤、赵宁.钢-混凝土混合结构模型动力特性的试验研究[J].建筑结构学报，1995，16（3）：37-43.
    [5] 李国强、周向明、丁翔. 高层建筑钢-混凝土混合结构模型模拟地震振动台试验研究. 第十六届全国高层建筑结构学术会议论文[C]，2000：362-370.
    [6].建筑抗震试验方法规程(JGJ 101-96).
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