柱端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能的振动台试验研究

鲁　亮, 江　乐, 李　鸿, 吕西林

(1.同济大学 结构工程与防灾研究所，上海　200092；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海　200092)



柱端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能的振动台试验研究

鲁亮1, 江乐1, 李鸿2, 吕西林1

(1.同济大学 结构工程与防灾研究所，上海200092；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海200092)

摘要：柱端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架结构，是经过特殊节点设计与结构控制理论相结合而形成的一种新型消能减震结构体系。通过对一个缩尺比1/3的三层三跨摇摆框架模型和一个同尺寸的常规钢筋混凝土模型进行模拟地震振动台对比试验，研究模型结构在不同水准地震作用下的动力特性、加速度响应、位移响应，分析结构的抗震性能。试验结果表明柱端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架集中耗能机制明确,地震作用后能自主复位，主体承重构件在大震下保持完好，是一种免损伤的新型结构体系。

关键词：摇摆框架;节点设计;振动台试验;抗震性能;柱端铰

从Housner[1]发现可摇摆式基础对结构抗震的有利作用以来，国内外学者开展了摇摆结构体系的一系列研究。Priestley等[2]对一基础可摇摆式模型结构进行了模拟地震振动台试验，验证了Housner提出的摇摆结构耗能机理。Deierlein等[3]开始了带可摇摆式基础的后张预应力钢框架结构研究，并引入竖向耗能装置。Roh[4]放松框架柱基础约束构成摇摆柱，并且加入黏滞阻尼器耗能。Roh等[5-6]提出摇摆柱计算分析的宏观模型并随后又进行静力荷载试验，进行单榀框架的抗震性能分析。周颖等[7]研究表明：放松结构基础约束或者构件间约束，在地震作用下使结构发生摇摆，可以降低结构本身的延性设计要求，减小地震破坏，结构总体造价相应降低。

基于国内外摇摆结构的一系列研究，本文作者首次提出了受控摇摆式钢筋混凝土框架结构体系(Controllable Rocking Reinforced Concrete Frame，CR-RCF)[8-12]，并设计了数种构造差异较大的结构形式，为了与其它CR-RCF结构有所区别，本文将柱端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架简称为CR-RCFc。CR-RCFc的主要结构特征在于：①放松柱与基础、柱与梁约束，框架柱的上下端全部采用铰接，并在柱内布置无黏结预应力筋提供弹性恢复力，这样结构抗侧刚度得到较大弱化，结构所受地震作用将大大减小，通过调整预应力的数量来控制结构的抗侧刚度；②CR-RCFc结构抗侧刚度主要由预应力筋提供，比常规框架小很多，预期无控结构(未设置阻尼耗能装置)的地震位移响应会比常规结构大很多，为控制结构位移响应，在结构层间布置阻尼器，以耗散地震能量并控制结构地震响应位移以满足设计规范要求；③节点处设置抗风和抗小震装置，以满足结构在风荷载和小震作用下的舒适度要求。

本文以CR-RCFc结构和常规钢筋混凝土框架(Reinforced Concrete Frame，RCF)结构为振动台试验对比研究对象，设计和制作了比例为1/3的缩尺模型，通过振动台试验，验证CR-RCFc结构的抗震有效性，对比分析了CR-RCFc与RCF结构的动力特性、加速度和位移响应，评价其抗震性能。

1模型设计

1.1结构简介

试验原型结构为一个三层三跨钢筋混凝土框架，建筑所在地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2 g。层高3.6 m，一个开间平面尺寸5.4 m×13.5 m；柱截面尺寸为450 mm×450 mm,梁截面尺寸为300 mm×450 mm,板厚120 mm，梁板为普通梁板结构。

1/3缩尺CR-RCFc结构模型的混凝土材料采用强度等级C30的细石混凝土。框架柱内无黏结预应力筋对角布置，每孔采用2Φs5预应力钢丝，预应力筋配筋取值依据文献[13-14]的研究成果，初始张拉控制应力为0.35fptk，fptk为预应力钢丝的极限强度标准值，截面普通钢筋按构造配筋。振动台模型照片见图1。

图1　CR-RCFc试验模型Fig.1 CR-RCFc test model

1/3缩尺的RCF结构模型的外形尺寸、构件截面尺寸及混凝土材料与CR-RCFc完全相同，构件配筋按现行建筑抗震设计规范[15]设计，RCF结构振动台试验模型见图2。

模型设计制作、台面地震波以及试验实施所遵循的动力相似关系见表1。

图2　RCF试验模型Fig. 2 RCF test model

物理参数相似关系相似比备注长度Sl1/3尺寸控制应变Sε=11弹性模量SE1应力Sσ=SE1质量密度Sρ=SESaSl3/2质量Sm=SρSl31/18集中力Sp=SσSl21/9线荷载Sq=SσSl1/3面荷载Sq=Sσ1弯矩SMb=SσSl31/27刚度SK=SσSl1/3时间St=Sl/Sa1/6阻尼Sc=SσSl1.5Sa1/54加速度Sa2试验控制

1.2CR-RCFc结构节点设计

有别于常规框架节点的固结形式，CR-RCFc结构节点是一种介于纯固结和纯铰接间的一种固定刚度节点。柱脚节点设计如图3所示。考虑节点构造要求，连接柱与基础的钢铰放置于基础凹槽内。柱底与基础采用单向三片铰形式，铰上部钢连接件与柱内纵筋焊接，铰下部钢连接件与基础固结，埋至基础下100 mm处，两者通过钢插销形成铰接。柱梁节点如图4所示，与柱脚节点类似，单向三片铰预埋在梁上，与柱端钢铰连接件通过钢插销形成铰接。

柱内预留四个供预应力筋穿过的孔道，每个孔道布置2根无黏结预应力钢丝。柱内预应力筋两两对角交叉布置，预应力筋分楼层锚固，通过对预应力筋张拉施加预应力，使基础、柱和梁板形成整体，见图5所示。CR-RCFc结构在中、大震下发生摇摆，预应力筋作用使结构回复原位，主体承重构件不发生损伤，预应力筋始终处于弹性状态。

按平截面假定，预应力筋几何变形图和节点受力如图6所示，节点理论转动刚度见式(1)[16]。

(1)

式中，Δ为单根预应力筋伸长或缩减量；F为单根预应力筋增加或减少的力；H为柱中预应力筋的横向距离；L为预应力筋的长度；A为单孔预应力筋面积；E为预应力筋弹性模量。

图3　柱脚节点图Fig.3 Detail of column-base joint

图4　柱梁节点图Fig.4 Detail of column-beam joint

图5　柱内预应力筋布置Fig.5 Layout of prestressed strands in columns

图6　摇摆节点受力图Fig.6 Force diagram of the rocking joints

由设计思路看出，CR-RCFc结构节点相对于常规节点，结构整体侧移刚度得到显著的“弱化”。为防止结构在遭遇风荷载和小震作用时进入摇摆状态，从而不满足正常使用的舒适度要求，在摇摆结构中设置抗风和抗小震装置。参考此类研究性结构构造的常用设计方法，选用角钢作为CR-RCFc结构的抗风和抗小震装置(边柱外侧用钢板替代)，通过螺栓连接对称固定于柱脚和柱顶两侧，提供一定的侧向约束。期望在风荷载和小震作用下，结构不发生摇摆，在中震、大震作用下角钢失效，同时作为结构的第一道耗能体系，耗散部分地震能量。抗风和抗小震装置所采用的角钢根据袁锐文等提出的计算理论进行设计[17]。

1.3CR-RCFc结构层间阻尼器设计

CR-RCFc结构整体刚度得到较大削弱，在中震、大震作用下，抗风和抗小震装置失效，结构发生摇摆，将产生比常规结构较大的位移响应。为控制结构的地震位移响应，在结构每一层布置有层间阻尼器。本次试验的CR-RCFc模型采用X形钢板屈服耗能器[18]对结构位移响应进行控制，所设计的金属屈曲阻尼器具有大变形能力。在中震、大震结构发生摇摆时，作为结构的第二道耗能体系进入工作，耗散地震输入能量。这种耗能器由多块X形状的钢板叠加而成，其构造如图7所示。

图7　X型钢板屈曲阻尼器Fig.7 X-type metallic damper

这种耗能器通过X形钢板的侧向弯曲屈服而耗能。阻尼器采用人字形支撑固定在每一层的跨中(见图1)，经过试验前采用ABAQUS有限元软件试算[16]，最终振动台试验所采用的阻尼器参数见表2。

表2　金属阻尼器参数

2振动台试验

2.1试验方法

试验模型为两个：一个1/3缩尺CR-RCFc模型和一个1/3缩尺RCF模型。由于CR-RCFc是一种新型的消能减震结构体系，作为初探性研究，试验研究仅考虑水平单向地震作用，选择输入单向地震波，即沿振动台X向输入。根据试验方案，选用El Centro-EW 地震记录作为振动台台面激励，主要加载工况见表3。

表3　振动台试验加载工况

注：RCF加载至1.45 g时停止。

结构模型基础与振动台面固定后，在模型基础与1～3层楼板高度处的两侧柱上分别布置8个加速度传感器和8个位移传感器，以测定结构模型各层的加速度和位移地震响应。

需要说明的是，在小震工况下，模型设置角钢模拟抗风和抗小震装置，在中震和大震工况，人为拆除角钢来模拟角钢失效，因为屈服后的角钢本构特性比较离散，程序模拟困难，这样做的主要目的是使试验数据能更好地与数值模拟进行比较。

2.2试验现象

试验过程中每一工况后用黑色记号笔描述模型结构的裂缝开展情况，试验结束后，常规RCF结构模型损坏严重，具体损伤状况如图8所示，而大震作用后的CR-RCFc结构模型除阻尼器出现残余变形外(需要在震后更换)，主体构件保持完好，如图9所示，图9左下照片为震后阻尼器变形形态。由此可以看出：

(1) RCF模型经历峰值加速度为1.45 g的El Centro波后梁柱节点核心区开裂严重，形成塑性铰；梁端与柱端混凝土压碎、局部脱落，部分柱脚钢筋外露；主体承重结构损伤较大，结构已不满足正常使用和继续承载的要求。

(2) CR-RCFc结构在经历峰值加速度2.00 g的El Centro波作用后，仅金属阻尼器屈服变形，主体承重构件完好，表现出优越的“免损伤”特性。

图8　RCF模型试验后的破坏形态Fig.8 Failure mode of RCF model

图9　CR-RCFc模型试验后主体结构完好Fig.9 CR-RCFc model keep intact under test

3CR-RCFc抗震性能分析

3.1动力特性

在不同水准地震作用前后，均用小振幅的白噪声进行激振试验，得到振动台面和模型加速度响应。通过传递函数、功率谱等频谱分析，求得加载前模型的动力特性。由于模型只有三层且仅沿X向振动，故仅测量前三阶自振频率。表4为白噪声激励得到的CR-RCFc结构和RCF结构的自振频率。

表4　CR-RCFc结构和RCF结构频率对比

由表4可以得到CR-RCFc结构一阶自振周期为0.308 s、RCF结构一阶自振周期为0.174 s，再由表1推导得到两个原型结构的一阶自振周期分别为0.754 s和0.426 s。这里需要说明的是，表4数据均由白噪声激励得到，实际地震作用下，CR-RCFc结构进入大位移状态，阻尼器进入大变形状态，阻尼器的割线刚度会比初始刚度小很多，即CR-RCFc结构具有比0.754 s更长的一阶名义自振周期，经测试，在大震下原型最大接近2.449 s。本文所用El Centro-EW波的卓越周期为0.55 s，根据地震动反应谱理论，超过地震波卓越周期的结构自振周期越大，楼层加速度响应和层间剪力均会变小，CR-RCFc具有比一般RCF更好的减震效果。

3.2动力响应

同等水准地震作用下CR-RCFc结构和RCF结构的加速度反应对比如图10所示，定义动力放大系数K为各层加速度响应与模型底座加速度响应的最大值比值。图11给出了同等水准地震作用下CR-RCFc结构和RCF结构的顶层加速度时程响应曲线。由此可以看出：

(1) 在小震作用下，由于抗小震装置的作用，CR-RCFc结构并未启动摇摆运动机制，各层加速度动力放大系数与RCF结构接近，两者具有幅值相当的加速度响应。

(2) 在中震和大震作用下，CR-RCFc结构的加速度动力放大系数明显小于RCF结构。CR-RCFc结构各层的加速度动力放大系数在1左右，而RCF结构则在2～4之间，CR-RCFc结构的地震响应显著小于RCF结构，体现出CR-RCFc结构良好的抗震性能。

图10　加速度响应对比图Fig.10 Comparison of acceleration responses between CR-RCFc and RCF

图11　顶层加速度响应时程曲线Fig.11 Time-history curves of top floor’s acceleration responses

同等水准地震作用下两个框架的每层位移响应(相对于基础)的峰值对比如图12所示 ，由此看出：

(1) 小震作用下，由于CR-RCFc结构中布置抗风和抗小震装置，结构不发生大的摇摆，与RCF结构相比，两者的整体位移比较接近，地震响应无明显差别。

(2) 中震和大震作用下，抗风和抗小震装置退出工作，CR-RCFc结构启动摇摆机制。中震时，同一水准地震作用下，CR-RCFc结构和RCF结构整体位移大致相当，说明CR-RCFc结构阻尼器设置合理，能有效的控制结构的位移；大震时，RCF结构刚度退化严重，位移响应急剧增大，而CR-RCFc结构整体位移明显小于RCF结构，说明阻尼器对结构侧移的控制效果依然显著。

(3) 综合对比各水准地震作用下的加速度和位移响应，CR-RCFc结构在控制了结构位移的同时，显著降低了结构加速度地震响应。

图12　每层最大位移响应对比图Fig.12 Comparison of maximum displacement responses

4结论

(1) CR-RCFc结构采用独特的节点设计，通过调整预应力筋的配筋率可以调整结构抗侧刚度，结构整体刚度得到均匀弱化后，结构自振周期延长，减小了地震作用。

(2) CR-RCFc结构中设置的抗风和抗小震装置使结构基本保持稳定，小震作用下不发生摇摆，满足小震下舒适度需求；中、大震作用时，抗风和抗小震装置失效，结构启动摇摆机制，通过阻尼器有效控制位移和耗散地震能量，并在预应力筋作用下使结构回复原位。

(3) 中、大震作用后，CR-RCFc结构除了抗风和抗小震装置失效以及层间阻尼器屈服变形外，主体承重构件保持完好，结构仍然安全可靠，是一种 “免损伤”的抗震结构体系。

参 考 文 献

[ 1 ] Housner G W. The behavior of inverted pendulum structures during earthquakes [J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1963, 53(2):403-417.

[ 2 ] Priestley M J N, Evison R J, Carr A J. Seismic response of structures free to rock on their foundations [J]. Bulletin of the New Zealand National Society for Earthquake Engineering, 1978, 11(3): 141-150.

[ 3 ] Ma X, Deierlein G, Eatherton M, et al. Large-scale shaking table test of steel braced frame with controlled rocking and energy dissipating fuses [C]//Proceedings of the 9th USA National and 10th Canadian Conference on Earthquake Engineering, July 25-29, 2010, Toronto, Ontario, Canada, Paper No 1248.

[ 4 ] Roh H. Seismic behavior of structures using rocking columns and viscous dampers [D]. Buffalo: the State University of New York,2007.

[ 5 ] Roh M, Reinhorn A M. Analytical modeling of rocking elements [J]. Engineering Structures, 2009, 31: 1179-1189.

[ 6 ] Roh M, Reinhorn A M. Modeling and seismic response of structures with concrete rocking columns and viscous dampers [J]. Engineering Structures, 2010, 32: 2096-2107.

[ 7 ] 周颖，吕西林. 摇摆结构及自复位结构研究综述[J]. 建筑结构学报，2011，32(9)：1-10.

ZHOU Ying, LÜ Xi-lin. State-of-the-art on rocking and self-centering structures [J]. Journal of Building Structures, 2011, 32 (9):1-10.

[ 8 ] Lu L, Lu X L, Zhu F B, et al. Experimental study on seismic performance of a controllable rocking reinforced concrete frame[C]//Proceedings of the Fifth International Conference on Advances in Experimental Structural Engineering, November8-9, Taipei, Taiwan, 2013:468-475.

[ 9 ] 鲁亮，刘霞，陈俊杰. 一种摇摆式钢筋混凝土框架节点刚度取值研究 [J]. 振动与冲击，2015,34(13):195-199.

LU Liang, LIU Xia, CHEN Jun-jie. Parameter research of joints stiffness in a rocking reinforced concrete frame [J]. Journal of Vibration and Shock,2015,34(13):195-199.

[10] Lu Liang, Chen Jun-Jie, Lu Xi-Lin. Numerical analysis of the seismic performance of a controllable rocking reinforced concrete frame[C]//Proceedings of the 13th International Symposium on Structural Engineering, October 24-27, 2014, Hefei, China:1401-1411.

[11] 鲁亮，刘霞，陈俊杰. 基于弹塑性静力分析方法的一种摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能研究[J]. 地震工程与工程振动，2015,35(2):124-131.

LU Liang, LIU Xia, CHEN Jun-jie. Seismic performance study on a rocking reinforced concrete frame with push-over analysis [J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2015,35(2):124-131.

[12] 鲁亮，樊宇，刘亮,等. 受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震机理研究[J]. 地震工程与工程振动，2015,35(1):66-76.

LU Liang, FAN Yu, LIU Liang,et al. Research on the seismic performance of a controlled rocking RC frame [J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2015,35(1):66-76.

[13] 朱非白. 受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能试验研究与分析 [D]. 上海：同济大学， 2013,39-100.

[14] 李鸿. 受控摇摆式钢筋混凝土框架整体抗震性能振动台试验研究 [D]. 上海： 同济大学， 2014,13-112.

[15] 中华人民共和国国家标准. GB50011-2010. 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社.2012.

[16] 陈俊杰. 受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能数值分析研究[D]. 上海：同济大学，2014:19-123.

[17] 袁锐文，杨蔚彪，卢雷. 顶底角钢连接的初始刚度和极限承载力计算 [J]. 建筑结构，2009，39(9):91-93.

YUAN Rui-wen, YANG Wei-biao, LU Lei. Calculation of initial stiffness and ultimate bearing capacity of top-and-seat angle connections [J]. Building Structures, 2009, 39(9): 91-93.

[18] 欧进萍，吴斌. 摩擦型与软钢屈服型耗能器的性能与减振效果的试验比较 [J]. 地震工程与工程振动, 1995,15(3):73-86.

OU Jin-ping, WU Bin. Experimental comparison of the properties of friction and mild steel yielding energy dissipators and their effects on reducing vibration of structure under earthquakes [J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 1995,15(3):73-86.

Shaking table tests for aseismic performance of a controllable rocking reinforced concrete frame with column-end-hinge joints

LULiang1,JIANGLe1,LIHong2,LÜXi-lin1

(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Shanghai municipal Engineering Design Institute (Group) Co., Ltd, Shanghai 200092, China)

Abstract:A controllable rocking reinforced concrete frame (CR-RCF) with column-end-hinge Joints is a new type seismic-reducing structural system with special design for column-beam joints and the application of structural control theory and technology. Based on the comparative shaking table tests for a 1/3 scale 3-story-3-span CR-RCF with column-end-hinge Joints and a conventional reinforced concrete frame with the same sizes, the dynamic characteristics, acceleration reponses and displacement responses of the model structures under different earthquake levels were studied to validate the aseismic performance of CR-RCF with column-end-hinge Joints. Test results indicated that the CR-RCF with column-end-hinge Joints has a definite centralized energy dissipation mechanism, and an excellent self-centering capability during earthquake; it is a damage-free structural system with the main component keeping intact under major earthquake.

Key words:rocking frame; joint design; shaking table test; aseismic performance; column-end-hinge

中图分类号:TU317.1;TU352.1

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.031

收稿日期：2015-02-09修改稿收到日期：2015-03-16

基金项目：国家自然科学基金项目(51178354);国家自然科学基金委国际合作项目(51261120377)

第一作者 鲁亮 男，博士，副教授，1969年11月生