受损钢框架缩尺结构模型在地震作用下的试验与理论研究

张曙光，张红霞

(1.长春工程学院土木工程学院，长春 130012； 2.吉林省土木工程抗震减灾重点实验室，长春130012；3.中国建筑第八工程局有限公司西北分公司，西安 710075)

0 引言

科学技术的发展给各个领域带来了质的飞跃，同样也为建筑结构领域带来了新的发展，有限元软件的研发、计算机运行速率的提升、试验技术的进步，使得复杂建(构)筑物能够模拟在地震作用下的力学性能研究成为可能。振动台模型试验是利用计算机控制振动台台面按一定地震波振动，模拟地震状态。利用先进的量测、记录仪器，测量并记录模型振动过程中的结构响应。本文对存在损伤的钢框架结构模型进行振动台加载试验，并建立相应的有限元分析模型进行分析对比。

1 实验方案

1.1 钢框架结构试验模型

受到振动台负载能力和台面尺寸的限制，试验缩尺模型选用的缩尺比例为CL=25。钢框架结构缩尺模型的柱、梁横截面不是完全按照比例进行缩尺选取工字钢的，采用的是建材市场上截面较小的方钢管按等截面高度、等截面面积替代工字钢，未存在损伤的缩尺钢框架模型如图1～3所示。设定了4种研究模型，其梁和柱截面几何尺寸见表1。

1.2 钢框架模型应变测点布置

钢框架结构缩尺模型的应变测点布置数量为15个，试验测点位置的确定根据试验目的及框架结构梁、柱的受力特点选取。应变片测点布置如图4～5所示。

图1 钢框架结构模型试件

图2 模型平面图

图3 模型立面图

表1 梁柱截面尺寸单位：mm

图4 应变测点布置图

图5 应变片布置简化图

1.3 模型结构配重

进行结构动力试验时，各层配重情况见表2。

1.4 加载方案

钢框架结构缩尺模型在加载过程中，为了保证采集的数据具有可比性，4种不同工况均按4级加载，且同一级加载值相同。每级加载通过台面加速度最大加速度来控制，振动台台面加载分级情况见表3。

表2 各层集中质量 单位：kg

表3 台面输入加速度 单位：m·s-2

1.5 钢材材料性能测定

钢框架结构模型在施加地震作用前，对模型所选用的钢材进行材料拉伸性能试验，并在有限元分析过程中进行材料参数调整，使得理论分析模型与试件材料性能相同。试验测得的实际钢材弹性模量、屈服强度、拉伸强度见表4。

表4 材料性能 单位：MPa

1.6 模型动力特性测定

1.6.1 模型的自振频率

振动系统可通过台面噪声激振获得钢框架结构模型的前三阶阵型，激振完成后的控制界面如图6所示。判断各阶振型的位置通过虚部频谱图来确定，如图7所示。无损情况下前三阶振型如图8～10所示。

图6 框架结构激振完成所示页面

图7 虚部频谱

图8 第一阶振型

图9 第二节振型

图10 第三阶振型

1.6.2 不同工况下前三阶频率

通过试验测得4种不同工况下结构的前三阶自振频率，具体数值见表5。

表5 模型测定的自振频率 单位：Hz

对比表5中不同工况下结构自振频率可知，钢框架结构模型损伤程度越大，结构自振频率降低越多。

2 模型结构试验的动态应变分析

钢框架结构模型由振动台(WS-Z30-50)在计算机控制下输入E-L地震波，为钢框架结构模型提供地震荷载，各工况在动荷载作用下的各测点应变通过动态应变采集仪DH3822采集。

2.1 相同工况下的应变分析

图11～14为钢框架结构模型在同一种工况下，不同加载级别时各测点最大动应变图，可以看出：

图11 工况1各测点最大动应变值

1)同一工况下，各测点的最大动应变值会随着振动台台面加速度的增加而增大，特别是柱子底层的最大动应变变化较大。无损情况下，钢框架结构在第4级加载作用下测点1的最大应变值为149.3 με，应力值为29.3 MP。梁的应变值(测点12～15)在不同加载等级情况下几乎未发生变化。

2)图12显示，钢框架结构模型底层梁受损，工况2测点12的应变值随加载等级的增加而增大。因此可得出，底层梁截面受到损伤，结构在地震荷载作用下，其截面动应变增大速率较其他工况更快。

图12 工况2各测点最大动应变值

3)工况3、4分别为钢框架结构模型底层柱、一二层柱存在损伤，图13及图14显示，柱截面损伤会导致截面应变值增大较明显。工况3测点1的应变最大值为157.6 με，工况4测点1的应变最大值为167.3 με，较无损情况下测点1的应变值增大5.5%、12.1%。底层柱受损，对钢框架结构的承载能力削减较大。

图13 工况3各测点最大动应变值

2.2 同一加载级别不同工况下的动应变分析

1)加载级别相同的条件下，图15～18显示，工况2(钢框架结构底层梁截面受损)在测点12处的应变值与其他工况相比要大许多。

图14 工况4各测点应变值

图15 1级加载各测点应变值

图16 2级加载各测点应变值

2)图16中，工况2除在测点12的应变值有突然增大的趋势之外，其余各测点应变与工况1曲线趋势一致。

3)图17～18，工况3、工况4结构底层柱受损对柱脚应变值的影响较无损工况下增长较快，会使构件较快的达到屈服、破坏。

图17 3级加载各测点应变值

图18 4级加载各测点应变值

3 钢框架模型数值计算分析

3.1 框架结构模型及参数选取

对试验钢框架模型，利用SAP2000进行有限元动力分析，相应的材料参数取值见表6。有限元分析模型如图19所示。

表6 参数取值

图19 有限元分析模型

3.2 钢框架结构模型数值计算与试验结果对比分析

3.2.1 模态分析

对不同工况模型进行模态分析，得到结构前三阶自振频率。将理论计算频率与试验测得的频率对比，对比结果见表7。由表7可得出，钢框架结构模型存在损伤时，会使结构自振频率降低。理论值与实验值之间的误差很小。

表7 不同工况计算、试验自振频率和计算频率对比 单位：Hz

3.2.2 E-L地震波作用下钢框架结构模型对应测点应变分析

在有限元分析中，调整E-L地震波峰值，使其地震波输入与试验过程中的台面加速度最大值相同。将各工况模型运行结构动力分析后，得框架结构模型各测点最大正应力、最大应变值与试验数据进行对比，如图20～23所示，可得到如下结论：4种工况条件下有限元分析得到的理论值与实测最大动应变值在前两级加载等级时曲线基本重合，但是随着加载级别的增大，理论值与实测值相差越来越大，如图20～21所示。工况1、工况2在第4级荷载作用下，测点1处的最大应变值，理论4比实测4分别降低16.50%、15.17%。产生这种现象的原因如下：1)试验模型制作并非完全理想状态。2)有限元分析模型定义材料属性一致，试验模型选用的材料会存在一定差异。

图20 工况1各测点应变值

图21 工况2各测点应变值

图22 工况3各测点应变值

4 结语

本文对钢框架结构模型分别建立有限元分析模型与制作试件分别进行动力加载，得出相应测点的应变值并进行对比分析，得到如下结论：

1)振动台台面输入El-Centro地震波对钢框架结构模型进行动力作用加载，通过动态应变采集仪采集各测点最大动应变，对得到的数据进行分析，在相同工况下，随着加载级别的增加，各测点应变值也在增加，底层柱子的应变变化率较大；当底层梁受到损伤，底层柱的截面应变值也在随着加载级别的增加而增大。即结构底层梁、柱受到不同程度的损伤时对钢框架结构的整体力学性能影响较大，将会使结构更早的发生屈服、破坏。

图23 工况4各测点应变值

2)利用有限元软件建立的分析模型与钢框架结构试验模型采用相同的构件参数、加载状态，将理论分析最大动应变值与试验值进行对比分析，4种工况对应测点最大动应变值在一二级加载过程中，试验应变值与有限元应变值基本重合，但随着加载级别的增大，差异加大。实际结构的受力性能与有限元软件分析结果存在差异，有待进一步研究。