钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌试验研究及数值模拟竞赛I:框架试验*


陆新征,叶列平,潘鹏,赵作周,纪晓东,钱稼茹

(清华大学土木工程系,清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室,北京 100084)

建筑结构/Building Structure, 2012,42(11):19-22+26.

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[摘要] 为研究汶川地震中钢筋混凝土框架结构震害机理,清华大学开展了钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌的系列试验研究,包括1个三层4RC框架、2个关键梁柱节点和4个关键框架柱。结合试验举行了相应的数值模拟分析竞赛,并将试验和数值模拟结果全部在互联网上公布,供有关科研和工程人员参考。本文介绍了三层4RC整体框架的试验设计、试验过程和主要试验结果。

[关键词] 汶川地震;框架;倒塌;钢筋混凝土;数值模拟

中图分类号TU375         文献标识码            文章编号

Pseudo-static collapse experiments and numerical prediction competition of RC frame structure I: RC frame experiment

Lu Xinzheng, Ye Lieping, Pan Peng, Zhao Zuozhou, Ji Xiaodong, Qian Jiaru

(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education MinistryBeijing 100084, China)

Abstract: In order to investigate the seismic damage mechanism of reinforced concrete (RC) frame structures during the Wenchuan Earthquake, a series of pseudo-static collapse experiments of RC frame structure were carried out by Tsinghua University, including one 3-story-4-span RC frame, two key beam-column joints and four key columns. Numerical prediction competition is also conducted together with the tests. The results of the experiments and numerical simulations are published on the internet, which can be freely downloaded by researchers and engineers. In this paper, the design, the experimental process and the test results of the 3-story-4-span RC frame are introduced.

Keywords: Wenchuan Earthquake; frame; collapse; reinforced concrete; numerical simulation


0   引言

由于汶川地震远超过设防地震烈度,导致大量建筑物严重破坏甚至倒塌。重灾区部分按照《建筑抗震规范设计规范》(GB 500112001)设计建造的RC框架结构也遭受不同程度的震害[1]。需要特别关注的是,除地震强度过大导致的破坏外,还出现了很多与预期破坏机制不一致的破坏现象,如出现大量强梁弱柱破坏,在地面±0处而不是基础顶面出现柱铰破坏等[1,2]

汶川地震后,国内外学术界对汶川地震中RC框架结构的震害现象进行了大量深入的研究,取得了很多研究成果。但现有的研究工作也存在一些局限性,主要包括:

1)许多学者采用数值方法模拟建筑物的震害,但是现有数值模型计算RC框架结构的合理性和准确性还存在争议。譬如,目前采用的数值模型包括纤维模型[3,4]、集中塑性铰模型[5]、实体单元模型[6]等,在采用纤维模型的计算中,有的研究者采用基于位移法的梁单元模型[4],有的研究者采用基于力法的梁单元模型[7]。在现有的计算条件下,到底哪种模型最适合进行强震下RC框架结构的强非线性分析,以及模型计算参数应如何取值,尚需要深入研究。

2)很多研究者针对汶川地震的震害现象(如强柱弱梁问题)设计了梁柱节点构件试验加以研究[8]。部分研究者认为,梁柱节点构件试验的边界条件与实际结构存在一定差别,所以用梁柱节点构件试验来近似实际结构中梁柱节点受力行为的合理性还有待进一步探讨[9]

3)部分研究者对整体RC框架结构的抗震性能进行了数值模拟,如陆新征等[10]对清华大学进行的三层框架拟静力试验进行了模拟。但是在研究中发现,由于框架结构整体变形的组成成分很多,如梁、柱等构件变形,节点区变形等,因此当计算结果和试验结果出现不一致时,往往难以明确数值计算误差的主要来源。

针对上述问题,中国建筑学会抗震防灾分会建筑抗倒塌专业委员会依托清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室,进行了RC框架拟静力倒塌的系列试验研究,并举行了相关的试验分析数值模拟竞赛。从2011620日开始到201213日截止,历时近半年,完成了1个三层4RC框架、2个关键梁柱节点和4个关键框架柱的系列试验,进行3轮试验分析竞赛,共收到72组预测结果。本文及后续系列论文[11,12]将分别对上述试验及竞赛情况加以介绍,供有关工程设计和研究人员参考。

1   RC框架试验设计

1.1 框架模型设计

试验的结构原型参考汶川地震相关震害资料[9],按我国《建筑抗震设计规范》(GB 5001120017度设防类场地设计了一个6层三跨RC框架,层高3.3m,跨度6m,柱截面尺寸为400mm×400mm,梁截面尺寸为250mm×500mm,梁、柱混凝土强度等级C30,纵筋HRB335,箍筋HPB235。框架抗震等级为三级。调整楼面恒载使首层中柱±0.000处设计轴压比为0.80,计算得施加的恒载为4.6kN/m2,活载为2.0kN/m2。采用PKPM软件完成其配筋设计。为保持与真实结构的受力情况相近,本次试验设计的RC框架结构试验模型有以下2个特点:1)在底层柱脚设计了拉梁,以考察拉梁对柱子的约束影响;2)框架梁考虑楼板(楼板宽度取6倍板厚),以模拟楼板对结构受力的影响。

考虑到清华大学实验室相关试验条件的限制,需要对原型结构进行适当简化以满足实验室的实验条件要求。可考虑的简化处理方法包括:1)将结构按12比例缩小以满足试验台座尺寸的限制;2)取对结构抗地震倒塌性能有决定性作用的底部若干层作为试验模型,上部各层的荷载通过千斤顶施加竖向荷载进行模拟,并保持底层柱轴压比不变。根据实验室高度限制,可取底部3层或2.5层;3)将结构楼面荷载折算到结构顶部的竖向荷载,以避免倒塌试验中楼板上堆载可能带来的安全隐患;4)将拟静力试验通常采用的倒三角多点比例加载模式的上部3层水平力简化为结构三层顶部一点水平加载。

为对比上述简化可能对结构最终破坏模式带来的影响,在试验前先对不同结构模型进行了Pushover分析,共考虑了6个不同的模型,如表1所示,其中模型1为原结构(基准模型),模型21/2缩尺模型,其他模型均进行了程度不同的简化。Pushover分析的目的是确认实际选择的试验模型已经尽可能简化,且与基准模型的受力性能差别最小。分析得到的各模型的破坏模式和塑性铰分布如图1所示,由图可见模型6与基准模型的破坏模式不同,即将多点力比例加载模式简化为结构顶部一点加载会改变结构的破坏模式,是不合适的。综合比较模型26的分析结果,最终采用模型5作为试验方案,即按1:2缩比的底部三层模型,并将竖向荷载都集中为模型的顶部集中力。最终试验方案如图2所示。框架的详细配筋设计资料可参阅建筑抗倒塌专业委员会的网站(http://www.collapse-prevention.net)。

各模型采用的简化处理方法         1

简化处理方法

模型1

模型2

模型3

模型4

模型5

模型6

1:2缩尺

×

2.5层截断

×

×

×

×

×

3层截断

×

×

×

楼板荷载折算为
结构顶部竖向荷载

×

×

×

×

×

单一水平力推覆

×

×

×

×

×

图1 不同试验方案的破坏模式

(a)  模型1

图1 不同试验方案的破坏模式

(b)  模型2

图1 不同试验方案的破坏模式

(c)  模型3

图1 不同试验方案的破坏模式

(d)  模型4

图1 不同试验方案的破坏模式

(e)  模型5

图1 不同试验方案的破坏模式

(f)  模型6

注: 梁中塑性铰, 柱中塑性铰, 破坏部位

1 不同试验方案的破坏模式

图2 试验设计加载模式

2 试验设计加载模式

1.2 加载方案设计

试验竖向荷载通过2个千斤顶和2个分配梁施加,每个千斤顶将489kN的竖向荷载加载在每个分配梁的三分点处,使中柱和边柱的轴压力保持1:2的比例。采用3个水平千斤顶以18:2:1的比例施加往复侧向水平力(图2)。为避免结构发生平面外位移,采用了4组侧向约束支撑。地梁端部通过锚栓固定,中部以压梁固定。试验框架如图3所示。整个试验以位移控制加载,通过MTS试验机保证三个水平加载点的水平力比例。试验中大多数水平往复加载以结构顶部水平位移控制,在最大层间位移角限值1/550(抗规小震变形限值)和1/50(抗规大震变形限值)时加载通过多点位移实时观测控制,分别循环1圈和2圈。试验加载制度如表2所示。

图3 整体框架试验布置

整体框架试验布置

试验加载循环简表              2

循环数

最大位移/mm

循环数

最大位移/mm

1

2

3

1

2

3

1

2

4

5

12

30

63

84

-2

-4

-5

-34

-67

-87

2

3

6

8

13

37

77

102

-3

-6

-8

-40

-79

-101

3

9

19

26

14

63

121

151

-10

-19

-25

-39

-77

-98

4

9

18

25

15

59

113

139

-10

-19

-25

-60

-113

-138

5

12

24

33

16

58

113

139

-13

-26

-34

-60

-114

-139

6

12

25

34

17

72

136

164

-13

-25

-33

-74

-138

-164

7

18

38

52

18

73

137

165

-19

-39

-50

-74

-140

-164

8

17

36

49

19

91

157

190

-19

-38

-49

-89

-147

-192

9

23

50

67

20

96

157

190

-26

-52

-67

-90

-147

-192

10

23

50

67

21

89

140

169

-26

-52

-67

     

11

30

63

84

       

-34

-67

-86

     

2   材性试验

试验前进行材性测试,得到混凝土和钢筋的有关力学指标如表34所示。

实测混凝土立方体抗压强度(试块边长:150mm)  3

位置

地梁

拉梁层梁柱

1梁柱

2梁柱

3梁柱

fcu, 150mm /MP)

36.6

31.8

36.2

34.7

33.6

实测钢筋拉伸数据平均值              4

材料类型

屈服强度/MPa

极限强度/MPa

屈服应变

弹性模量/MPa

伸长率/%

10钢筋

481

745

0.0020

265433

23.6

8钢筋

582

855

0.0020

289850

28.8

6钢筋

441

529

0.0022

203941

34.2

4钢筋

390

414

0.0021

195000

26.7

注:108钢筋实测直径高于公称直径,这里强度和弹模仍采用公称直径计算。

3   试验现象和结果

3.1 试验现象

将层14根柱自西向东依次编号为1号柱、2号柱、3号柱、4号柱(图2和图3),其中14号为边柱,23号为中柱。加载过程中,第5个循环拉梁层边节点区、层1中节点区出现斜裂缝(图4a))。第1112个循环结构变形达到大震层间位移角限值1/50,此时边柱和中柱柱脚混凝土有明显压酥现象,边节点区、中节点区混凝土有明显剥落(图4b))。第1516个循环3号柱柱脚保护层混凝土几乎完全剥落,纵筋压曲,箍筋露出(图4c))。第17~20个循环各柱脚、节点区混凝土破坏加剧,加载时结构发出响声。框架柱与三角支撑的接触面发生损坏,说明结构有平面外变形的趋势,而为三角支撑所约束。第21个循环正向加载时3号柱瞬间发生明显竖向变形,柱脚混凝土完全压溃,纵筋明显外鼓,柱身明显错位(图4d))。此时结构已呈危险状态,濒临完全倒塌,遂卸去轴力,停止试验。结构的最终破坏状态如图5所示。

整个试验过程中,正向加载时,3号柱破坏较为严重;反向加载时,2号柱破坏较为严重。从试验现象中可以总结出如下几点规律:1)裂缝最早出现在层1梁端和层1节点附近的楼板翼缘上;2)层1柱脚破坏严重,柱顶破坏相对较小;3)层1节点区破坏严重,层2节点区也有一定程度的破坏;4)结构整体呈现剪切型变形,底层层间变形在结构整体位移中占主要部分,越到后面的循环这一现象越明显(图6);5)由于P-D效应,结构最终因3号柱柱底混凝土压溃导致竖向承载力丧失而发生倒塌。

(a) 第5循环,层1的3号柱上端节点区交叉裂缝

(a)  5循环,层13号柱上端节点区交叉裂缝

(b) 第12循环,层1的3号柱上端节点区混凝土破坏

(b)  12循环,层13号柱上端节点区混凝土破坏

(c) 第16循环,层1的3号柱脚混凝土剥落、钢筋压曲

(c) 16循环,层13号柱脚混凝土剥落、钢筋压曲

d) 第21循环,层1的3号柱脚混凝土压溃,柱身明显错位

(d) 21循环,层13号柱脚混凝土压溃,柱身明显错位

4  试验细节图片

(a) 试验循环结束时全景

(a) 试验循环结束时全景

(b) 试验循环结束时3号柱柱脚和节点

(b) 试验循环结束时3号柱柱脚和节点

5  框架结构最终破坏状态

(a) 向东加载

(a)  向东加载

(b) 向西加载

(b)  向西加载

6  各循环最大层间位移角

3.2 试验滞回曲线

试验框架的基底剪力-顶点位移曲线以及各层的层剪力-层间位移曲线如图710所示。从图中可以看出,结构的滞回曲线呈现比较饱满的纺锤形,表现出一定程度的捏拢现象,总的来说,结构的耗能能力较好。结构的层间位移主要发生在层1和层3,层3层间位移较小。另外,在试验后期加载位移较大时,层2和层3的层剪力-层间位移曲线表现出一定程度的不对称。

图7 框架基底剪力-顶点位移曲线

7 框架基底剪力-顶点位移曲线

图8 层1剪力-层间位移曲线

8 1剪力-层间位移曲线

图9 层2剪力-层间位移曲线

9 2剪力-层间位移曲线

图10 层3剪力-层间位移曲线

10 3剪力-层间位移曲线

框架的详细试验数据可参阅建筑抗倒塌专业委员会的网站:www.collapse-prevention.net

4   结论

由以上试验结果可得到以下结论:

1)框架结构破坏主要位于框架柱和节点内,不能保证完全“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的设计原则。

2)框架柱底塑性铰区主要位于基础拉梁以上,表明基础拉梁对框架柱有着很好的约束作用,传统设计中将框架底层柱计算长度取到基础顶面(而非拉梁以上)可能会低估框架柱的线刚度,进而导致底层柱配筋不足。

3)整体框架试验只能得到整体结构的宏观外力-宏观变形规律。节点区塑性变形和框架柱塑性变形都可能对结构的整体变形有较大贡献,而仅通过框架试验难以确定结构局部的力和变形关系,也难以详细检验现有数值模型的计算误差的来源。为此,本系列试验将通过底层框架柱和梁柱节点试验,进一步对框架结构的抗地震倒塌性能开展深入研究。

致谢:参与本次试验的研究生主要包括:唐代远、施炜、卢啸、张万开、徐梁晋、张华、曹海韵、韩博等。

参 考 文 献

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[2]        刘庆志, 贺小岗, 赵作周, . 无地下室框架结构整体计算模型的讨论[J]. 建筑结构, 2010, 40(10): 36-40.

[3]        马玉虎, 陆新征, 叶列平, . 漩口中学典型框架结构震害模拟与分析[J]. 工程力学, 2011, 28(5): 71-77.

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[10]     陆新征, 林旭川, 叶列平, . 地震下高层建筑连续倒塌的数值模型研究[J]. 工程力学, 2010, 27(11): 64-70.

[11]     陆新征, 叶列平, 潘鹏, . 钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌试验研究及数值模拟竞赛——II:关键构件试验[J]. 建筑结构, 20124211): ..

[12]     中国建筑学会建筑结构防倒塌专业委员会. 钢筋混凝土框架结构拟静力倒塌试验研究及数值模拟竞赛——III:模拟结果分析 [J]. 建筑结构, 20124211): ..

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