劲性装配式框架核心筒结构抗震性能试验研究

焦安亮， 李正良

(1.重庆大学 教育部重点实验室, 重庆　400045；2.中国建筑第七工程局有限公司,郑州　450004)



劲性装配式框架核心筒结构抗震性能试验研究

焦安亮1,2， 李正良1

(1.重庆大学 教育部重点实验室, 重庆400045；2.中国建筑第七工程局有限公司,郑州450004)

摘要：为研究劲性装配式框架核心筒体结构整体抗震性能，进行1∶3的缩尺模型振动台试验，获得结构体系在地震作用下整体抗震性能与结构破坏模式，并考证叠合梁与钢管混凝土柱、叠合梁与抗震墙、楼板等连接节点在地震作用下的可靠性。结果表明，该结构体系具有较高的承载力及良好的整体抗震性能，节点连接形式总体能满足现行规范抗震设防要求。

关键词：劲性装配式结构；振动台试验；抗震性能

钢-混凝土组合结构尤其钢-混凝土核心筒体结构广泛用于高层建筑。钢筋混凝土内筒与外钢-混凝土框架可形成多道抗震防线，利于提高结构整体抗震性能。外框结构用轻质高强度钢柱,较普通钢筋混凝土柱截面积小、承载力高、延性好，极大降低自重，从而降低结构承受的地震作用；钢筋混凝土内筒具有足够的抗侧移刚度，不仅对减少因水平作用所致侧移起重要作用，亦能削减结构P-△效应的不利影响，利于结构抗风[1]。预制装配式建筑虽具有节约工期、施工质量易于控制、节约成本、对环影响小等优点，但对装配式结构，除要求构件有足够的承载力外，节点连接可靠性与失效机制至关重要。地震灾害表明，装配式梁柱节点即为关键亦为易损部位，对钢管混凝土组成构件及现浇框架整体抗震性能研究较集中[2-16]，而对装配式建筑的整体抗震性能研究较少。

为此，本文采用1∶3缩尺模型对劲性装配式框架核心筒体结构进行振动台试验研究，以获得结构体系在地震作用下的整体抗震性能与结构破坏模式，并考证叠合梁与钢管混凝土柱、叠合梁与抗震墙、楼板等连接点在地震作用下的可靠性。

1原型结构

原型结构为框架核心筒形式计6层，层高均3 m，结构平面布置见图1。钢管混凝土柱，截面尺寸200 mm ×200 mm； Q345方钢管，尺寸为200 mm×200 mm×18 mm×18 mm；梁﹑楼板用预制结构，即钢筋混凝土梁，尺寸200 mm×400 mm。为保证梁柱节点的可靠性，梁纵向受力钢筋不在梁柱节点处截断，而贯穿柱体，并距柱体一定距离与其它纵筋用套筒连接；预应力叠合楼板[17]厚120 mm；抗震墙厚200 mm；连梁尺寸200 mm×400 mm；预制外墙板。梁用C30混凝土，梁内纵筋、箍筋均用HRB400级钢筋。梁柱节点见图2。

图1　原型结构平面图Fig.1 Plan view of the prototype structure

图2　原型梁柱节点详图Fig.2 beam-column connection details

2模型结构

2.1模型材料及制作

振动台试验中钢材、混凝土会呈非线性性质，模型材料应与原型材料应力-应变关系相似。由于本次试验长度相似比Sl较大，尽可能采用与原型结构相同材料为满足相似准则的简便实用方法。振动台所用材料为：劲性方钢管组合柱方钢管同原型；混凝土部分除尺寸过小的叠合梁、板预制用砂浆模拟外，其它均用细石混凝土；梁纵向钢筋采用与原型同等级钢筋，箍筋、板筋用镀锌铁丝模拟。

2.2模型相似比关系设计

动力试验关键在于模拟惯性力、恢复力及重力三种，由此对模型材料的弹性模量及密度提出相应要求。结构动力基本方程为：

(1)

由方程式分析法可知动力方程各物理量应满足

(2)

据量纲协调原理，以弹性模量、密度、长度、加速度相似常数表达上式，即

(3)

SE/SρSaSl=1

(4)

式(4)即为模型试验结构动力学问题物理量相似常数需满足的相似条件，由此可知模型相似设计思路为：先确定式(4)中3个可控相似常数；由式(4)求出满足动力试验要求的第4个相似常数，并校核按主控相似常数设计的模型是否满足试验条件；由似量纲分析法确定其余全部相似常数。

综合考虑同济大学振动台性能参数、试验室施工条件及吊装能力等因素，本试验先确定模型结构几何相似常数Sl=1/3；考虑振动台噪声、台面承载力及振动台性能参数等，据细石混凝土强度及弹性模量实测值、模型质量、结构脉动试验结果，调整应力相似常数Sσ=0.8，加速度相似常数Sa=3。故所用模型主要相似关系见表1。

表1　装配式钢-混凝土结构模型主要相似关系

2.3模型施工

模型为叠合构件装配式结构，叠合梁、板底层、抗震墙、外挂墙、方钢管柱均可在工厂预制。模型预制部分尺寸较小，定位精度要求较高，施工工序繁琐。预制构件施工前，焊接、绑扎模拟钢筋铁丝，固定浇筑预制构件模板。在保证定位可靠后进行砂浆或细石混凝土分批、分类浇筑，边浇筑边振捣密实，并重复此过程直至完成整个模型构件制作。进行构件拼装，柱吊装就位后将预埋钢筋与叠合梁预留钢筋套筒连接；将叠合板预制层铺装在梁上，铺设预制板顶层钢筋，进行整体板顶层现浇；安置抗震强和外挂墙；再进行上一层施工，柱之间采用对接满焊，并用两块连接夹板通过高强螺栓稳固。定位装配预制构件、支模板、浇筑节点及叠合板现浇层。边施工边检查构件尺寸、整体垂直度等，以确保模型制作质量。模型养护完成、试验前对与模型同步制作的细石混凝土、砂浆试块进行材料试验，以准确把握、调整相似关系。完成的结构模型总高6.345 m，其中模型底座厚0.3 m，柱底垫板0.045 m，模型高度6 m。结构试验模型总质量22.61 t(含底座)，模型与附加质量18.85 t，底座3.76 t，见表2。

表2　模型各层配重分布

模型制作及完工整体见图3～图13。

图3 模型底座浇筑Fig.3Thefoundation图4 模型叠合梁预制Fig.4Theprecastlaminatedbeams

图5 模型抗震墙预制部分Fig.5Theprecastshearwalls图6 模型外挂墙预制Fig.6Theplug-inwalls

图7 柱脚焊接Fig.7Weldsonthecolumns图8 梁、柱节点拼装Fig.8Column-beamassembly

图9 抗震墙拼装节点Fig.9Shearwallsassembly图10 柱-柱节点拼装Fig.10Columns

图11 外挂墙连接节点Fig.11Plug-inwall图12 叠合板预制部分拼装Fig.12Laminatedslabs

图13　模型结构完工全景Fig.13 Constructed test model

3测点布置及试验加载方案

3.1测点布置

据该结构特点，在楼层必要位置布设传感器及应变片，以不同水准地震作用不同部位加速度、位移、应变等数据确定应变片、传感器布置，见图14。

图14　模型测点布置Fig.14 Monitoring point arrangement

3.2结构模型试验加载

试验加载工况按7度(0.15 g)多遇(X、Y向)、基本(X、Y向)、罕遇(X向)顺序分5阶段模拟地震试验。在不同水准地震波输入前后对模型进行白噪声扫频，测试模型结构自振频率、振型及阻尼比等动力特性参数。由台面依次输入El Centro波、Pasadena波及SHW02波。地震波持时按相似关系压缩为原地震波的0.333倍，加速度幅值按相似关系放大为原型结构的3倍。各水准地震作用下台面输入加速度峰值均按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定及模型试验相似要求调整，以模拟不同水准地震作用。

4试验结果及分析

4.1试验现象描述

4.1.17度多遇地震试验阶段

按加载顺序依次对模型输入7度多遇烈度X、Y向各地震波后模型表面均无可见裂缝，但经白噪声扫频发现模型自振频率下降，说明结构局部装配节点内部松动。

4.1.27度基本地震试验阶段

按加载顺序依次对模型输入7度多遇烈度X、Y向各地震波后模型表面有可见裂缝，底层X向抗震墙底部出现细微水平裂缝，外挂墙松动。用白噪声扫频与初始值相比模型自振频率下降，在X、Y方向分别下降56%及43%。见图15、图16。

图15 一层抗震墙墙底水平裂缝Fig.15Horizontalfracturesofshearwallsatthebasefloor 图16 一层外挂墙连接松动Fig.16Looseningoftheplug-inwallatthebasefloor

按加载顺序依次对模型输入7度基本烈度Y向各地震波后多层X向抗震墙底部水平裂缝进一步发展，梁、柱节点松动，梁、预制板相交处产生缝隙。用白噪声扫频并与初始值相比，发现模型自振频率下降，在X、Y向分别下降56%及57%。见图17～图22。

图17 二层梁端裂缝、砼压碎Fig.17Fracturesattheendofthebeamsatthe2ndfloor图18 二层梁纵筋松动Fig.18Looseningofthereinforcementatthe2ndfloor

图19 三层梁、墙处裂缝Fig.19Horizontalfracturesattheshearwall-beamatthe3rdfloor图20 四层抗震墙上部水平裂缝Fig.20Horizontalfracturesofconnectiontheshearwallatthe4thfloor

图21 五层抗震墙水平裂缝Fig.21Horizontalfracturesoftheshearwallatthe5thfloor图22 六层抗震墙水平裂缝Fig.22Horizontalfracturesoftheshearwallatthe6thfloor

4.1.37度罕遇地震试验阶段

图23　柱脚混凝土压碎Fig.23 Concrete crush at the column base

7度罕遇地震试验后，发现6层抗震墙中部有水平裂缝，4～6层外挂墙角部斜裂缝，柱脚预埋螺栓松动，混凝土垫块压碎。见图23。

4.2结构模型试验结果

4.2.1结构模型结构动力特性

由试验结果看出，模型结构初始状态前两阶振型频率分别为4.5 Hz(X向平动)、3.5 Hz(Y向平动)，完成X向7度(0.15g)罕遇地震试验后，模型结构前

两阶频率分别降至1.25 Hz(X向平动)、1.5 Hz(Y向平动)，较初始值降幅分别达72%、57%；模型结构低阶振动形态主要为整体平动，扭转成份较少；模型结构频率随输入地震动幅值加大而降低，随结构破坏加剧，模型实测阻尼比逐渐增大。

4.2.2模型结构加速度及位移反应

模型结构加速度放大系数及最大位移反应见图24～图27。由图看出，①底部两层相对底座位移较上部大，二、三层位移响应较大；②在不同水准地震作用下，位移最大值及台面输入激励无直接对应关系，即结构最大位移取决于台面输入激励大小及地震波频谱特性、结构动力特性之关系。

(a) 7度多遇(b) 7度基本(c) 7度罕遇图24 模型结构X向加速度放大系数包络图Fig.24AccelerationamplificationcoefficientenvelopeinX-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本图25 模型结构Y向加速度放大系数包络图Fig.25AccelerationamplificationcoefficientenvelopeinY-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本(c) 7度罕遇图26 模型结构X向最大位移反应包络图Fig.26AccelerationamplificationcoefficientenvelopeinX-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本图27 模型结构Y向最大位移反应包络图Fig.27ThemaximumdisplacementresponseenvelopeinY-directionformodelstructure

4.3原型结构抗震性能

4.3.1原型结构加速度反应

由模型试验结果推算原型结构最大加速度反应公式为

ai=Kiag

(5)

式中：ai为原型结构第i层最大加速度反应(g)；Ki为与原型结构对应烈度水准下模型第i层最大动力放大系数；ag为与烈度水准对应的地面最大加速度，即7度(0.15 g)多遇地震时ag=0.055 g，基本地震时ag=0.15 g，罕遇地震时ag=0.31 g。见图28、图29。

4.3.2原型结构位移反应

由模型试验结果推算原型结构最大位移反应公式为

(6)

式中：Di为原型结构第i层最大位移反应(mm)；Dmi为模型结构第i层最大位移反应(mm)；amg为按相似关系要求的模型试验底座最大加速度(g)；atg为模型试验时与Dmi对应的实测底座最大加速度(g)；Sl为模型位移相似系数。

在7度(0.15 g)多遇地震作用下X、Y向层间位移角均小于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)限值1/800要求。在7度(0.15 g)罕遇地震作用下X向层间位移角小于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)限值1/100要求。

(a)(b)图28 原型结构加速度放大系数包络图Fig.28Accelerationamplificationcoefficientenvelopeforprototypestructure

(a)(b)图29 原型结构位移最大值Fig.29Themaximumdisplacementresponseenvelopeinforprototypestructure

4.3.3楼层剪力及倾覆力矩分布

据模型结构加速度反应及结构楼层质量分布，可获得原型结构在不同水准地震作用下的剪力分布、倾覆力矩及剪重比，见图30～33。

4.3.4原型结构扭转效应

结构顶部相对位移时程可通过同楼层两端测点位移时程相减获得，确定最大相对位移后计算扭转角。

在X向输入7度(0.15 g)多遇地震作用，屋面两端测点X向相对位移最大值为11.3 mm，最大扭转角为1/230；在Y向输入7度(0.15 g)多遇地震作用，屋面两端测点Y向相对位移最大值为12.7 mm，最大扭转角为1/204；在X向输入7度(0.15 g)基本地震作用，X向相对位移最大值为21.3 mm，最大扭转角为1/122；在Y向输入7度(0.15 g)基本地震作用，Y向相对位移最大值为18.2 mm，最大扭转角为1/143；在X向输入7度(0.15 g)罕遇地震作用，X向相对位移最大值为38.9 mm，最大扭转角为1/67。可见随地震作用加大结构扭转反应有一定增加。

(a) 7度多遇(b) 7度基本(c) 7度罕遇图30 模型结构楼层X向剪力分布Fig.30ThedistributionofthestoryshearforceinX-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本图31 模型结构楼层Y向剪力分布Fig.31ThedistributionofthestoryshearforceinY-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本(c) 7度罕遇图32 模型结构楼层X向倾覆力矩分布Fig.32ThedistributionofoverturningmomentinX-directionformodelstructure

(a) 7度多遇(b) 7度基本图33 模型结构楼层Y向倾覆力矩分布Fig.33ThedistributionofoverturningmomentinY-directionformodelstructure

5建议

据试验结果，本文建议：① 改进抗震墙连接形式，如预制带抗剪键(锯齿形)抗震墙；② 改进框架梁、中柱节点后浇部位构造措施，如加贯通钢管的U型筋；③ 加强带肋PK板的连接构造；④ 设计中避免出现框架梁与连梁面外连接；⑤ 适当考虑外挂墙对结构刚度影响；⑥ 在不影响建筑外装饰等使用功能“小震不坏、中震可修”条件下，外挂墙定位预留孔适当放大，能起阻尼的作用。

6结论

通过观察实验现象、分析整理实验数据，结论如下：

(1) 原型结构前四个振型自振周期依次为0.667 s、0.857 s、0.169 s、0.207 s，对应振动形态分别为X向平动(一、二阶)、Y向平动(一、二阶)。模型结构自振频率随台面输入加速度峰值增大而降低，结构阻尼比随结构破坏程度加剧而增大。

(2) 受7度(0.15 g)多遇地震作用时模型结构自振频率、刚度有所降低，无可见裂缝及塑性变形等破坏现象，结构底层部分外挂墙连接松动；受基本烈度地震作用时除自振频率、刚度降低外，底层抗震墙预制、现浇部分过度区现细微裂缝，底层连梁端现剪切裂缝，但无塑性变形等破坏现象；受罕遇地震作用时出现开裂，部分框架梁端现裂缝，全部抗震墙底过渡区现不同宽度水平裂缝，连梁端现剪切裂缝，结构自振频率下降，实测X、Y向弹塑性层间位移角均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)限值要求。

(3) 结构存在明显的扭转效应，核心筒出现较多水平裂缝，包括每层抗震墙底部过渡区及4～6层预制抗震墙层高中间部分，导致核心筒部分刚度被稍弱。模型试验中未见明显薄弱楼层，只存在薄弱部位，即底层抗震墙预制、现浇部分过渡区及框架梁与抗震墙连接点。

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收稿日期：2014-08-25修改稿收到日期：2014-11-11

通信作者李正良 男，博士，教授，1963年生

中图分类号:TB122

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.02.006

Experimental study on seismic behaviors of precast frame-core tube structures

JIAO An-liang1,2, LI Zheng-liang1

(1. The Key Laboratory of the Ministry of Education of Chongqing University, Chongqing 400045, China； 2. China Construction Seventh Engineering Division Corp.ltd，Zhengzhou 400004, China)

Abstract:A 1/3 scale model was constructed and subjected to a series of earthquake excitations to investigate the seismic behaviors of precast frame-core tube structures with reinforced concrete (RC) beams and concrete filled steel tubular (CFST) conlums. The seismic behaviors of this type of structures, including the seismic responses, the reliability of connections, and the failure mechanisms were studied. The test results show that: this type of structures has excellent bearing capacity and seismic behavior, and the connections could generally satisfy the requirement in the structural design codes.

Key words:precast structure; shaking table test; seismic behavior

第一作者 焦安亮 男，教授级高级工程师，1960年生