有关钢筋混凝土宽梁柱连接的振动台试验

■杨 清，牛传星 ■山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266510

1 引言

带有宽梁柱连接和单向节点板的钢筋混凝土抗弯框架在中强地震区的地中海国家经常使用，但是强震下这种结构的表现还未完全掌握。与传统的梁柱连接相比宽梁柱连接很少使用，也很少有关于这方面地震性能的具体研究。这种连接有抗侧刚度小，缺乏把弯矩从梁传给柱子的传动装置以及能量耗散能力差等缺点。由于有这些缺点所以目前大多数规范仍禁止或避免在地震区使用宽梁体系。由于结构工程师和业主越来越明白评估现有结构的脆弱性的重要性，所以为了明确在实际的地震荷载下宽梁柱连接的整体滞后性能、个别滞后性能及极限能量耗散能力，在震动台上进行了地震模拟试验，模型构建采用的是2∶3的比例。极限能量耗散能力取决于结构单元破坏时的变形模式。因此要想获得装配式结构在地震诱导下的极限能量耗散的实测值应采用震动台试验而不是静力试验。

2 试验研究

每个试验在进行之前都要进行大量的准备工作，准备工作是否充分直接关系到试验的速率甚至影响成败。首先要在明确试验目的的前提进行结构试验的设计，这一点是重中之重，包括确定试件外形及尺寸、确定试件数量、减少误差的措施、确定加载的速度及装置、选择试验仪器等;然后是进行结构试验，包括人员的组织与分工、试件的制作与安装以及数据的采集处理;最后是进行结构的结果分析并得出结论。

本试验采用的原型结构为六层并且有三个吊窗的的典型的住宅建筑。根据西班牙和意大利的施工实践得出:这种结构要想维持宽梁外侧区域的扭转要么需要设置横向梁要么加强相邻的柱子的强度。原型结构是依据西班牙以前的荷载规范和抗震规范设计的，而之前的抗震规范是以西班牙最高地震频发地带的数据为依据得出的，而且有关结构的延性规范中并没有给出详细的特别规定。观察原型结构中一个外部的宽梁柱连接和一个内部的宽梁柱连接，发现这两种连接分别在柱子中间和梁的跨中断裂，与横向荷载下弯矩图中的拐点对应。试验时对于所选取连接对应的测试模型采用的几何缩放因子为，加速度缩放因子为1，应力缩放因子为1。

在试验室制作模型时，这两个模型所采用的钢筋均为异型钢，且屈服强度都为500N/mm2。模型EWB 的混凝土平均抗压强度为11.8N/mm2，而模型IWB 的混凝土平均抗压强度为21.05N/mm2。柱子中的横向荷载(100KN)可以通过在柱子中引入两根钢棒或在试验前通过后张法来模拟。

试验装置采用了带有117.6KN 的混凝土砌块的惯性装置，整个装置由四个水平滚轮轴承支持。本试验将1980 年卡利特里发生的坎帕诺-卢卡诺地震所采用的梁轴方向的水平位移用在了本振动台试验中。每个试件都进行了连续三次的模拟地震加载，三次加载的峰值地面加速度(PGA)不断增加。其中EWB 试件的PGA 分别为0.08g、0.11g、0.16g，而IWB 试件则分别为0.08g、0.22g、0.25g(g 为重力加速度)。在试验中这两种试验模型都是在第三次地震模拟时达到了极限状态，分别用力传感器、位移传感器、应变片以及加速度传感器检测试验装置和试验模型。

试验过程中，试件EWB 和IWBDE 达到的最大侧移分别为6.65%、8%。试验中两种试件都表现出严重的滞后循环，并且都出现了整体横向强度的早期退化，这使得边节点的能量吸收能力很差，这点在后面有所提及。

3 试验结果讨论

内部连接EWB 表现为强柱弱梁机制。作用在柱子弯起钢筋和纵向钢筋上的应力并没有达到屈服强度，并且节点没有破坏的迹象，在正值加载区域该连接并没有充分发挥出其性能。在第一次地震模拟试验中，该连接在负值加载域充分发挥出了其性能，在梁铰接处发生正向挠曲且偏移大约为-1.5%。在负值加载域该连接充分发挥出其性能时的荷载要比预期的传到梁上的荷载小的多，这是因为扭转使得边梁开裂，扭转使得强度突然下降10%～1.76%。在第二次地震模拟试验中试件在负值加载域的横向承载力增长到了-3.11%。在第三次地震模拟实验初期由于边梁扭转能力的完全丧失使得试件的横向承载力下降，试件在大约-5.43%附近强度严重下降。

内部连接IWB 最初表现为弱柱强梁机制。在第一次地震模拟试验中，该结构基本上保持在弹性状态，在第二次地震模拟试验中，首先是柱子中的纵向钢筋发生屈服，紧接着是柱端塑性铰发生破坏。应变片上的数据表明梁上的纵向钢筋有一些已经非常接近屈服了，这些即将屈服的钢筋是位于梁的塑性铰边缘的钢筋。在正值加载域试件达到最大承载力时的横向侧移为5.4%，而负值加载域对应的横向侧移则是-7.6%。在第三次地震模拟试验中，该试件的横向承载力严重下降，锚固在柱芯的梁的纵向钢筋屈服，而且其应变已经超过了屈服应变4 倍还多，而测试中节点并没有出现破坏迹象。

整个体系在每个加载区域的能量耗散在测试结束时停止。Wp通过Q—δ 曲线计算可得，屈服强度Qy和屈服位移y 使得Wp更加规范化，并且累计塑性变形率η 可以反应出Wp，η=Wp/(Qyδy)，其中Qy和δy从上图可以得到。η 的结果表明试件EWB 只在负值加载域屈服，且η=6.4;试件IWB 正值加载域和负值加载域都屈服，且η+=5.0，η-=5.4。试验最后两个试件的强度明显下降，并且已进入将要破坏的阶段，因此，η 可以用来解释试件的极限能量耗损能力。

4 结语

根据旧的抗震规范设计的外部和内部宽梁柱连接试件在振动台上进行地震模拟时最终倒塌。其中外部连接表现为强柱弱梁机制:在负值加载域的层间偏移达到-1.5%时，梁开始屈服，并且在层间偏移达到-5.43%时，强度开始严重退化。内部连接表现为弱柱强梁机制:柱子在层间偏移达到约2.7%时开始弯曲屈服，并且保持其横向承载力不变，直到正值加载域的层间偏移达到5.4%及负值加载域达到-7.6%时横向承载力才发生变化。试件知道破坏时积累的总的塑性应变能量是由屈服强度、屈服应变的产物规定的，内部连接大约为5，外部连接大约为6。试验中对试件的低极限能量耗损能力和高横向弹性力的检测表明宽梁柱连接不能作为唯一的抗震体系被用在地震区，除非是低层结构，但是如果这种连接符合新规范给出的各种规定也是可以被应用的。

［1］H.霍斯多尔夫(德国)著，徐正忠等译.结构模型分析.北京:中国建筑工业出版社，1986.

［2］G.M.萨布尼斯，H.G.哈里斯(美国)等.结构模型和实验技术.北京:中国铁道出版社，1989.

［3］蔡乐刚.上海浦东香格里拉酒店扩建工程振动台试验误差分析与研究.上海:同济大学硕士学位论文，2005.