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*

陆新征,叶列平,潘鹏,唐代远,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):23-26.

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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2个关键梁柱节点和4个关键框架柱的试验设计、试验过程和主要试验结果。

[关键词] 汶川地震;RC框架结构;倒塌;钢筋混凝土;数值模拟

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

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

key element experiment

Lu Xinzheng, Ye Lieping, Pan Peng, Tang Daiyuan, Qian Jiaru

(1 Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry Beijing 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 2 key beam-column joints and 4 key columns are introduced.

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


0   引言

[1]介绍了整体RC框架结构拟静力倒塌试验。为更全面深入地研究RC框架结构的抗地震倒塌性能,本文从文[1]的整体框架结构试验模型中取出可能发生破坏的底层框架柱(边柱和中柱)和层1梁柱节点(边节点和中节点)(1)进行构件试验,以获取这些关键部位的受力性能和滞回关系,并检验现有数值模型计算误差的来源。构件模型按照与整体框架结构试验相同的混凝土和配筋制作。

图1 关键构件位置示意图

1 关键构件位置示意图

1   钢筋混凝土框架柱试验

1.1 试验设计

试验前的有限元分析表明,底层框架柱底可能是损伤比较严重的部位,甚至是引起倒塌的部位,因此分别取出框架底层边柱和中柱,制作倒T型框架柱试件,边柱和中柱各2个试件,配筋与文献[1]中整体框架相应底层柱的配筋完全相同(具体配筋图参见建筑抗倒塌专业委员会的网站www.collapse-prevention.net),按相同轴压比进行拟静力往复水平加载试验,轴压力通过顶部千斤顶施加,顶部千斤顶球铰至柱底距离为1030mm。往复

水平力加载点至柱底距离为750mm。试验加载装置如图2所示。

图2 框架柱试验加载装置

(a) 试验加载装置示意图

图2 框架柱试验加载装置

(b) 试验装置照片

2 框架柱试验加载装置

试验前测得试件混凝土的立方体抗压强度如表1所示。根据实际混凝土强度,调整试验轴压力使得框架柱试验的轴压比与整体框架结构试验中底层边柱和中柱的轴压比基本一致,4个构件试验时施加的竖向轴力见表1。钢筋强度同文[1]中的表4

  构件试验主要参数             1

试件编号

立方体试块抗压强度实测值fcu,150/MPa

试验竖向轴力/kN

边柱A

31.1

141

边柱B

34.5

156

中柱C

30.1

256

中柱D

32.5

276

边节点E

43.4

218

中节点F

41.6

398

1.2 试验过程及结果

4个框架柱拟静力试验的加载过程、主要试验现象及最终破坏状态描述如下,其中正向加载是指水平千斤顶以推力方式加载,反向加载是指水平千斤顶以拉力方式加载。

(1) 边柱

2个边柱试验中首先施加柱端竖向荷载至试验轴压比,之后以水平荷载控制加载,所加水平荷载依次为102030kN,各级荷载循环一圈。此后以水平加载点位移控制加载,所加水平位移依次为101520253037.54555mm,各级位移循环两圈。

框架边柱A经历了19个循环,框架边柱B经历了20个循环。基本上都是在最大位移20mm时柱底部混凝土开始呈现压酥状态,最大位移25mm时柱底部受压区混凝土出现轻微脱落,最大位移45mm时,柱底部保护层混凝土大量剥落,纵筋露出并已严重变形,箍筋表现出很好的约束效果;最后加载点达到最大位移时,水平力已经接近零值。由于P-D效应,此时试件的水平承载力基本丧失殆尽,试验结束。试件的破坏状态如图3所示。

(a) 整体破坏状态

(a)  整体破坏状态

(b) 柱脚混凝土剥落,纵筋压曲

(b)  柱脚混凝土剥落,纵筋压曲

3  边柱A破坏状态

(2) 中柱

2个中柱试验也是首先施加柱端竖向荷载,之后以水平荷载控制加载。所加水平荷载依次为10203040kN,各级荷载循环一圈;此后以水平加载点位移控制加载,所加位移依次为101520253037.54555mm,各级位移循环两圈。

框架中柱C经历了19个循环,框架中柱D经历了20个循环。基本上都是在最大位移17mm时混凝土开始呈现压酥状态,最大位移25mm时受压区保护层混凝土出现明显剥落;最大位移37.5mm时柱脚保护层混凝土大量剥落,纵筋露出并已严重变形,箍筋表现出很好的约束效果;加载点达到最大位移时,水平力降为零。由于P-D效应,此时即使没有水平力,试件在竖向荷载的作用下也将发生压溃破坏,试验结束。试件的破坏状态见图4

(a) 整体破坏状态

(a)  整体破坏状态

(b) 柱脚混凝土剥落,纵筋压曲

(b)  柱脚混凝土剥落,纵筋压曲

4  中柱D破坏状态

试验得到的滞回曲线如图5所示。滞回曲线形状比较饱满,呈纺锤形。在试验后期,因为P-D效应,滞回曲线在24象限内出现了明显的负刚度现象。中柱的承载力高于边柱,而其延性略小于边柱,这是由于中柱的配筋较多,因此具有较高的承载力,而其轴压比亦较大,因此其延性较差。另外,中柱正向、反向加载时曲线的不对称性比边柱大,这主要是由于中柱轴压比大,构件的P-D效应更显著,因此竖向荷载偶然偏心的影响要比边柱大。

以中柱C为例,虽然它在水平位移为20mm时(大致相当于1/51层间位移角),其水平承载力就降低到峰值水平承载力的85%以下,但是还可以一直维持承受预定竖向轴力直至50mm以上(大致相当于1/20层间位移角)。也就是说,这个柱子直至位移达到1/20层间位移角都可以提供防倒塌贡献。以往很多框架柱拟静力试验在水平荷载降低到85%后就停止试验,其结果不适用于进行结构倒塌模拟。

(a) 边柱A、B 滞回曲线

(a)  边柱AB 滞回曲线

(b) 中柱C、D 滞回曲线

(b)  中柱CD 滞回曲线

5  框架柱试验滞回曲线

2   梁柱节点试验

2.1 试验设计

试验前有限元分析表明,层1框架梁柱节点也可能是损伤比较严重的部位,因此取出框架层1梁柱边节点和中节点各一个进行拟静力试验。其配筋与文[1]中整体框架配筋完全相同,具体参见建筑抗倒塌专业委员会的网站www.collapse-prevention.net

试验加载装置如图6所示,试件具体尺寸如图7所示。试验前测得相应的立方体抗压强度如表1所示。根据实际混凝土强度,调整试验的框架柱轴压力使得竖向轴压比近似与整体框架结构试验中的轴压比基本一致,2个节点试验时施加的竖向轴力见表1。钢筋强度同文[1]中表4

图6 加载装置示意图

注:1为自平衡刚架,2为施加轴力的千斤顶,3为施加往复荷载的千斤顶,4为球铰支座,5为提供水平约束的钢支撑,6为节点试件。

6 加载装置示意图

图7 试验现场布置/mm

 

 
图7 试验现场布置/mm

(a)  边节点E

图7 试验现场布置/mm

 

 
图7 试验现场布置/mm

(b)  中节点F

7  试验现场布置/mm

2.2 试验过程及结果

2个节点拟静力试验的加载过程、主要试验现象及最终破坏状态描述如下。边节点E正向加载是指北侧梁端千斤顶向下加载,反向加载是指北侧梁端千斤顶向上加载(图7a));中节点F正向加载是指北侧梁端千斤顶向下加载,南侧梁端千斤顶向上加载,反向加载是指北侧梁端千斤顶向上加载,南侧梁端千斤顶向下加载(图7b))。

1)边节点E

试验中首先施加柱端竖向荷载,而后以位移控制加载,整个试验经历了18个循环。第3个循环(最大位移15mm),正向加载时楼板表面出现裂缝,节点区出现交叉裂缝。梁上裂缝大量出现,梁下部钢筋屈服;第6个循环(最大位移30mm),梁上部钢筋屈服;第8个循环(最大位移40mm),柱受拉侧钢筋屈服;第10个循环(最大位移50mm),节点区混凝土少量剥落;第12个循环(最大位移60mm),节点区混凝土大量剥落;第18个循环(最大位移90mm),节点区破坏已非常严重,保护层混凝土完全剥落,箍筋露出,千斤顶接近最大行程,试验结束。试件的主要试验现象及破坏状态如图8所示。框架柱破坏程度要比整体框架试验的要轻。

边节点E的竖向往复荷载-加载点位移关系曲线如图9所示。边节点E竖向往复荷载最大值分别为22.2kN(向上)和27.6kN(向下)。

(a)节点区混凝土开始剥落

(a)节点区混凝土开始剥落

(b)节点区混凝土剥落(细节)

(b)节点区混凝土剥落(细节)

(c)最终破坏状态

(c)最终破坏状态

(d)节点区保护层混凝土完全剥落,箍筋露出(细节)

(d)节点区保护层混凝土完全剥落,箍筋露出(细节)

8  边节点E主要试验现象

图9 边节点E竖向往复荷载-加载点位移关系曲线

9  边节点E竖向往复荷载-加载点位移关系曲线

2)中节点F

试验中首先施加柱端竖向荷载,之后保证两侧千斤顶推力数值相等,方向相反,按左右两侧中竖向往复力加载点位移较大的一侧控制加载。整个试验经历了18个循环。第4个循环(最大位移20mm)正向加载时,梁端钢筋屈服,节点区柱端受压侧钢筋屈服。第14个循环(最大位移70mm),节点区混凝土大量剥落,节点严重破坏。第18个循环(最大位移90mm),节点区破坏已非常严重,保护层混凝土完全剥落,箍筋露出,楼板扭曲现象明显,千斤顶接近最大行程,试验结束。试件的主要试验现象及破坏状态如图10。在整个试验过程中,柱子几乎没有破坏,只产生少许裂缝,与整体框架试验中的现象比较相近。

中节点F的竖向往复荷载-加载点位移关系曲线如图11所示。中节点F北侧梁竖向往复荷载最大值分别为21.1kN(向上)和23.2kN(向下),南侧梁竖向往复荷载最大值分别为22.6kN(向上)和23.7kN(向下)。

(a) 节点区混凝土剥落,上部柱端混凝土开裂

(a)  节点区混凝土剥落,上部柱端混凝土开裂

(b) 节点区混凝土剥落(细节)

(b)  节点区混凝土剥落(细节)

(d) 最终破坏状态

(d)  最终破坏状态

(d) 节点区保护层混凝土完全剥落,箍筋露出(细节)

(d)  节点区保护层混凝土完全剥落,箍筋露出(细节)

10 中节点F主要试验现象

图11 中节点F竖向往复荷载-加载点位移关系曲线

(a)  北侧梁

图11 中节点F竖向往复荷载-加载点位移关系曲线

(b)  南侧梁

11  中节点F竖向往复荷载-加载点位移关系曲线

框架和节点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

3 结论

通过取出整体框架试验中的关键柱和关键节点,进行构件试验,得到以下结论:

(1)    关键构件试验得到的破坏模式和文[1]整体结构试验相应框架柱和节点得到的破坏模式基本相近,只有边节点试验的框架柱破坏程度比整体框架试验的轻。因此,对本次试验而言,梁柱节点试验和整体框架试验未见明显差异。

(2)    如果以框架柱不能承受预定竖向荷载时的位移作为构件的极限位移,则该极限位移要远大于传统框架柱抗震试验中水平力降低到85%时的位移。因此,如需要进行抗倒塌研究,应以构件不能继续承受预定竖向荷载作为加载终止的条件。

(3)    关键柱构件的软化速度要比关键节点构件要快。因此,随着结构整体变形量的增加,结构后期软化行为将更多地受到关键柱的影响。这在文[2]中还将详细加以讨论。

(4)    关键节点试验表明,节点区的破坏比相邻的框架梁和框架柱都要严重,不符合传统的“强节点-弱构件”设计原则要求。

参 考 文 献

[1]        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 I:框架试验[J]. 建筑结构, 20124211): .

[2]        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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