鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)抗震性能振動臺試驗研究^*

儲德文¹，梁博²，王明貴¹

（1.中國建筑科學(xué)研究院 北京100013；2.西安建筑科技大學(xué) 西安710055）

[摘要] 鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)在我國地震區(qū)高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。通過1:10模型振動臺試驗，分析了鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)的自振特性、地震反應(yīng)和破壞特征，研究了這種混合結(jié)構(gòu)的抗震性能，著重分析了地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配比例關(guān)系。試驗表明，這種結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，試驗結(jié)果為規(guī)范修訂和工程設(shè)計提供了參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu) 振動臺試驗 抗震性能

[中圖分類號] TU973⁺.12; TU973⁺.212      [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

 Shaking Table Test Study

on Steel frame - corewalls structure

CHU De-wen ¹， LIANG Bo² ，WANG Ming-gui¹

（1.China Academy of Building Research, Beijing 100013;  2.Xi’an University of Architecture and Technology , Xi’an 710055）

[Abstract] Steel frame-corewall structure is widely used for high-rise buildings in seismic zone in China. Shaking table test is researched on a 1:10 reduce-scale model of steel frame-corewall 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 walls is also studied. Results show that the hybrid structure is is provided with antiseismic behavior well .

[Key words] steel frame-corewall structure; shaking table test; antiseismic behavior

1 前言

在我國，鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)是近年來迅速發(fā)展的一種混合結(jié)構(gòu)體系，它一般是由內(nèi)部鋼筋混凝土筒體和外圍鋼框架組成，筒體主要承擔(dān)水平荷載，鋼框架主要承擔(dān)豎向荷載�！陡邔咏ㄖ�混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》^[1]已列入了這種混合結(jié)構(gòu)體系（簡稱“規(guī)程”）。由于鋼筋混凝土筒體的彈性極限變形很小，層間位移約為1/3000，在達(dá)規(guī)范限定的變形（1/800~1/1500）時，鋼筋混凝土筒體已經(jīng)開裂，而此時鋼框架仍處于彈性階段，地震作用會在混凝土筒體和鋼框架之間進(jìn)行重新分配，鋼框架承受的地震力會增加。因此“規(guī)程”第11.1.5條規(guī)定，鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)各層框架柱所承擔(dān)的地震剪力不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的較小者。

在國外，美國把鋼框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)主要用于非抗震區(qū)，并且認(rèn)為不宜大于150m^[2]。日本于1992年建造了兩棟鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)的建筑，高度分別為78m和107m，未見到對這種結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能研究報道，也未推廣這種結(jié)構(gòu)體系。

對鋼框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能，業(yè)內(nèi)人士存在一些不同看法，主要集中在兩點：（1）鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)的抗震性，能否做到在高烈度區(qū)大震不倒。（2）地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配比例關(guān)系，即“規(guī)程”第11.1.5條規(guī)定的合理性。

國內(nèi)學(xué)者對此做了一些研究工作。文獻(xiàn)[3]和[4]進(jìn)行了擬靜力和擬動力試驗研究。文獻(xiàn)[5]對一幢25層的鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了1/20縮尺模型振動臺試驗，但原型是按7度抗震設(shè)防要求設(shè)計的，對于在8度區(qū)的抗震性能目前還缺乏振動臺試驗研究，更重要的是該振動臺試驗是欠人工質(zhì)量模型，加速度相似系數(shù)Sa=3.2，表明配重較少，豎向荷載僅能達(dá)到理想相似所要求的豎向荷載的31%，真實地震作用力被縮小較多。

本文的工作是通過振動臺模擬地震作用，研究鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)的抗震性能，著重分析地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配關(guān)系。并在試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計時，優(yōu)先考慮質(zhì)量相似比，根據(jù)試驗振動臺的最大承載力來確定最佳的模型幾何尺寸比例，使地震作用能做到大震階段。

本文是科技部專項基金項目“鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的研究開發(fā)”課題中，關(guān)于鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系在小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用研究。試驗具有如下特點：模型背景為一板式小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅實際工程，按照8度抗震設(shè)防要求設(shè)計。模型的鋼梁、鋼柱、混凝土筒體采用了與原型相同的材料，模型配重比較足，模型與原型的相似性好。鋼框架梁與混凝土筒體的連接節(jié)點采用了筒體內(nèi)預(yù)埋鋼柱的方式。

2 模型設(shè)計及制作

2.1 模型設(shè)計

試驗?zāi)Ｐ褪且园迨叫「邔愉摽蚣?混凝土筒體結(jié)構(gòu)住宅實際工程為背景提取一個單元設(shè)計的。原型為11層帶躍層，層高2.8m，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，三類場地土，筒體采用C30混凝土，鋼框架采用Q235B鋼材。原型采用PKPM系列軟件STS、SATWE進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計算，滿足規(guī)范要求。模型設(shè)計尺寸為1770×1350×3360㎜, 共12層，利用電梯井和衛(wèi)生間布置混凝土筒體，混凝土筒體的面積約占總面積的11.2%，剪力墻的面積率約為4.5%。鋼框架與筒體為鉸接，筒體對應(yīng)部位設(shè)置了暗鋼柱。模型標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置見圖1，試驗?zāi)Ｐ鸵妶D2。

   圖1 模型標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖                         圖2 試驗?zāi)Ｐ?/P>

2.2 相似比

由于鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)是由鋼和鋼筋混凝土兩種性能差別大的材料組成，為了較好地模擬原型結(jié)構(gòu)的實際地震反應(yīng)，盡量滿足相似關(guān)系，模型的材料采用原型材料，主要物理量的相似關(guān)系見表1。

2.3 模型制作

鋼框架采用Q235B薄鋼板，測得屈服強(qiáng)度平均值為221.7N/mm²，抗拉強(qiáng)度平均值為322.5N/mm²，彈性模量平均值為1.994×10⁵N/mm²，伸長率平均值21.9%。Q235B鋼材的彈性模量為2.06×10⁵N/mm²，上述模型所用鋼材與原型所用鋼材的彈性模量相似比為0.97，滿足彈性模量相似比為1的要求。

              模型相似系數(shù)             表1

混凝土筒體采用C30細(xì)石混凝土，試驗測得做標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的立方體試塊立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為33.5 N/mm²，同條件養(yǎng)護(hù)的立方體試塊立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為36.5 N/mm²，同條件養(yǎng)護(hù)的棱柱體試塊彈性模量平均值為3.58×10⁴N/mm²。C30混凝土的彈性模量為3.0×10⁴N/mm²，上述模型所用混凝土與原型所用混凝土的彈性模量相似比為1：1.19，基本滿足彈性模量相似比為1的要求。樓板厚度為12mm，采用1：2水泥砂漿，基礎(chǔ)底板厚度為200mm，采用C30普通混凝土。混凝土筒體鋼筋采用鍍鋅鐵絲代替，測得屈服強(qiáng)度平均值為321.7N/ mm²，極限抗拉強(qiáng)度平均值為470.0N/mm²，配筋量由等強(qiáng)度原則換算得出。

2.4 配重

模型質(zhì)量為1.682t，原型質(zhì)量為2588.042t，按照模型與原型的質(zhì)量相似比要求，需要配置人工質(zhì)量15.572t。實際1~11層每層配重為0.025×53=1.325t，12層配重為0.025×37=0.925t，總配重為1.325×11＋0.925=15.5t。模型底板質(zhì)量為2.5×2.17×1.75×0.20=1.899t，配重后模型的總質(zhì)量為19.081t，接近振動臺20t的最大載重量。

3 試驗儀器布置及加載工況

3.1加速度計的布置

在模型上共布置了36個加速度計：振動臺臺面布置X、Y向的加速度計各一個（編號1X、2Y）；底座和各層樓板上在中間筒體附近布置X、Y向的加速度計各一個（編號從3X、4Y到27X、28Y）；頂層樓板四個角分別布置X、Y向的加速度計各一個（編號從29X、30Y到35X、36Y）。第一層加速度計布置圖見圖3所示。

3.2應(yīng)變計的布置

在鋼框架和混凝土筒體上一共布置了64個應(yīng)變片。在第一、十層左半部的12根鋼柱頂、底各布置兩個應(yīng)變片，一共布置了48個應(yīng)變片。在一、二層筒體上布置16個應(yīng)變片。一層應(yīng)變片布置圖見圖3。

3.3 加載工況

試驗在中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心大型振動臺上進(jìn)行，采用Taft波、EL-Centro波、人工（ART）波三條地震波作為模擬地震振動臺臺面輸入波，試驗加載分為5級，即小震（0.105g）、中震(0.3g)、中震強(qiáng)(0.45g)、大震(0.6g)、大震強(qiáng)(0.765g)，每一級的每條地震波分別按X、Y方向輸入，共30種工況，并在加配重前、加配重后和每級加載后均輸入白噪聲測試結(jié)構(gòu)的動力特性。

圖3 第一層加速度計、應(yīng)變計布置圖

4 試驗數(shù)據(jù)處理

4.1 模型的動力反應(yīng)

隨著地震作用的加大，模型在兩個方向上的自振周期加長，表明結(jié)構(gòu)的剛度在下降。經(jīng)歷大震強(qiáng)后，模型X向的一階自振周期是震前周期的1.57倍，Y向的一階自振周期是震前周期的1.48倍。模型在配重前后的阻尼比變化較大，配重前后的結(jié)構(gòu)阻尼比相差2~3倍，表明配重對結(jié)構(gòu)阻尼的影響很大。模型的動力特性見表2，位移反應(yīng)見表3。

                        模型的動力特性                              表2

4.2 模型的應(yīng)變

模型混凝土筒體在小震作用下，最大拉應(yīng)變?yōu)?57.3με，而混凝土極限拉應(yīng)變一般小于300με，表明混凝土筒體已有微小裂縫出現(xiàn)，進(jìn)入彈塑性階段；在中震階段, 最大拉應(yīng)變?yōu)?26.0με；在大震階段, 最大拉應(yīng)變?yōu)?118.5με；在大震強(qiáng)階段,最大拉應(yīng)變?yōu)?258.5με，因為最寬的裂縫沒有穿過應(yīng)變片，所以混凝土筒體的實際最大應(yīng)變比實測值大。

模型鋼框架部分從小震到大震作用下，最大拉應(yīng)變?yōu)?96.1με，最大壓應(yīng)變?yōu)?021.1με，而模型鋼材的最大彈性應(yīng)變限值為1111με，說明鋼框架在這些試驗階段一直處于彈性階段。在大震強(qiáng)階段, 模型鋼框架部分最大拉應(yīng)變?yōu)?655.4με，最大壓應(yīng)變?yōu)?145.9με，均超過最大彈性應(yīng)變限值。

4.3 模型的裂縫及破壞情況

從模型的破壞現(xiàn)象和破壞過程來看，小震情況下，混凝土筒體沒有觀察到裂縫，中震時結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)裂縫。裂縫首先出現(xiàn)在連梁，隨著地震震級的加大，墻體出現(xiàn)水平裂縫和斜裂縫；墻體暗柱處、鋼框架與混凝土筒體連接處出現(xiàn)裂縫較少，這與鋼框架梁直接與混凝土筒體暗柱內(nèi)配置的鋼柱相連有關(guān)；鋼框架基本上處于彈性階段，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的屈服或破壞現(xiàn)象。

從模型的變形性能和延性性能來看，雖然模型發(fā)生了較大側(cè)移，層間位移最大達(dá)到1/58，頂點位移達(dá)到總高度的1/104，但沒有出現(xiàn)搖搖欲墜的現(xiàn)象，整個結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的彈性和延性。

試驗中觀察到暗柱混凝土保護(hù)層剝落露出鋼筋的情況，但未觀察到縱筋屈服的現(xiàn)象，這可能有兩方面的原因：一方面是因為混凝土筒體的暗柱內(nèi)配置了鋼柱，改善了混凝土筒體的脆性，增加了延性；另一方面是因為混凝土筒體在振動過程中裂縫一開一合，由于鋼框架有較好的彈性，起到一定的減震作用，降低了混凝土變形速度，對混凝土起了較好的扶持作用，使得縱筋沒有被屈服。

4.4 地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配

地震剪力在鋼框架和混凝土筒體之間的分配有以下主要規(guī)律：

（1）在小震、中震、大震各階段，混凝土筒體承擔(dān)了絕大部分地震剪力，起著主要的抗側(cè)力作用。El Centro波X向大震作用下各部分地震剪力見圖4。

（2）頂層鋼框架承擔(dān)的樓層地震剪力占本層地震剪力的比例最大。小震階段，鋼框架承擔(dān)的樓層地震剪力占本層地震剪力的比例平均可達(dá)40％，最大可達(dá)46％；中震階段，鋼框架承擔(dān)的樓層地震剪力占本層地震剪力的比例平均可達(dá)37％，最大可達(dá)55％；在大震階段，鋼框架承擔(dān)的樓層地震剪力占本層地震剪力的比例平均可達(dá)48％，最大可達(dá)56％。

（3）在鋼框架承擔(dān)的樓層地震剪力中，中下層鋼框架承擔(dān)的樓層地震剪力最大。小震階段，鋼框架承擔(dān)的最大樓層地震剪力占底部總剪力的比例平均可達(dá)11％，最大可達(dá)14％；中震階段，鋼框架承擔(dān)的最大樓層地震剪力占底部總剪力的比例平均可達(dá)9％，最大可達(dá)16％；大震階段，鋼框架承擔(dān)的最大樓層地震剪力占底部總剪力的比例平均可達(dá)14％，最大可達(dá)18％。

（4）鋼框架部分的地震剪力設(shè)計值調(diào)整（取0.25和 的較小者）是 起控制作用，調(diào)整后的地震剪力大致相當(dāng)于中震作用下鋼框架部分的地震剪力。中震階段，鋼框架承擔(dān)的最大樓層地震剪力是小震階段鋼框架承擔(dān)的最大樓層地震剪力的平均1.8倍，最大2.4倍；大震階段，鋼框架承擔(dān)的最大樓層地震剪力是小震階段鋼框架承擔(dān)的最大樓層地震剪力的平均4.2倍，最大5.4倍；所以， 大致相當(dāng)于中震作用下框架部分的地震剪力平均值。

圖4  El Centro波X向大震作用下各部分地震剪力

5.1 結(jié)論及設(shè)計建議

通過本次振動臺試驗，在試驗數(shù)據(jù)分析和試驗破壞現(xiàn)象觀測的基礎(chǔ)上，得到以下結(jié)論：

（1）鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)的阻尼比約為4～5%。

（2）鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)的破壞集中于混凝土筒體，先是混凝土筒體的連梁出現(xiàn)了斜裂縫，隨著地震震級的加大，墻體出現(xiàn)水平裂縫和斜裂縫，此時連梁裂縫加大；墻體暗柱處、鋼框架與混凝土筒體連接處裂縫較少；鋼框架基本上處于彈性階段，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的屈服或破壞現(xiàn)象，整個結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的彈性和延性。

（3）鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)的延性性能較好，最大層間位移可達(dá)1/60。

（4）混凝土筒體結(jié)構(gòu)在地震作用各階段起主要抗側(cè)力作用，鋼框架對整個結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)表現(xiàn)在為混凝土筒體提供側(cè)向彈性支撐作用，改善了結(jié)構(gòu)的極限變形性能和延性性能。

（5）鋼框架部分按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2002）第11.1.5條規(guī)定調(diào)整后的地震剪力（0.25和 的較小者）大致相當(dāng)于中震作用下鋼框架部分的地震剪力。

通過本次振動臺試驗，提出以下設(shè)計建議：

（1）鋼框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)的抗震性能在很大程度上取決于混凝土筒體，為此必須采取有效措施保證混凝土筒體的延性，建議在混凝土筒體內(nèi)預(yù)埋尺寸較小的構(gòu)造用鋼柱、鋼梁，一方面可以改善混凝土筒體的延性，另一方面可以方便鋼結(jié)構(gòu)施工。

（2）鋼框架梁與混凝土筒體連接節(jié)點受力復(fù)雜，建議采取鋼框架梁與混凝土筒體內(nèi)暗埋的鋼柱直接相連的方式，這在本次試驗中證明比較有效。

參 考 文 獻(xiàn)

[1].高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3-2002）.

[2].建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2001）.

[3] 龔炳年、郝銳坤、趙寧. 鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)模型試驗研究. 建筑科學(xué)，1994（1）：10-14.

[4] 龔炳年、郝銳坤、趙寧.鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)模型動力特性的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1995，16（3）：37-43.

[5] 李國強(qiáng)、周向明、丁翔. 高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)模型模擬地震振動臺試驗研究. 第十六屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文[C]，2000：362-370.

[6].建筑抗震試驗方法規(guī)程(JGJ 101-96).