钢筋混凝土框架屈曲约束支撑试验研究.pdf
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1、书书书 第 43 卷 第 1 期 2013 年 1 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 1 Jan 2013 钢筋混凝土框架屈曲约束支撑试验研究 薛彦涛, 金林飞, 韩雪, 程小燕, 佟道林 ( 中国建筑科学研究院,北京 100013) 摘要将屈曲约束支撑用于结构体系, 增强了整体结构的抗侧刚度和抗剪强度, 有利于减小结构的层间位移和 总体位移。将支撑应用到框架中后, 结构的滞回曲线较传统的框架形状更加饱满, 说明结构耗能能力得到了大幅 度提高。支撑框架的骨架线的下降段也不像普通框架那样随着位移的增加加速下降, 而是有下降减缓的趋势。本 文试图通过试验数据
2、说明可以考虑用支撑代替混凝土剪力墙应用于混凝土结构体系中。 关键词屈曲约束支撑;钢筋混凝土框架;试验研究 中图分类号: TU375. 4文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 01- 0001- 04 Experimental study on buckling- restrained brace of reinforced concrete frame structure Xue Yantao,Jin Linfei,Han Xue,Cheng Xiaoyan,Tong Daolin ( China Academy of Building Research,Beiji
3、ng 100013,China) Abstract: When buckling-restrained brace( BRB)is applied into structure system,it can strengthen lateral stiffness and shear strength of the structure,thus cut down the layer displacement and overall displacement of the structure After brace is applied into the frame structure,its h
4、ysteretic curve has an essential change comparing with the traditional structure For the influence of brace,the shape is full of energy Furthermore,the capacity of energy consumption is improved to a large degree The declined part of skeleton line of brace structure will not decline dramatically due
5、 to the increase of displacement like the common structure Instead,the pace of decline slows down The data show that it can be considered in design to adopt brace instead of shear wall in concrete structure system Keywords: buckling-restrained brace;reinforced concrete frame structure;experimental s
6、tudy 作者简介: 薛彦涛, 博士, 研究员, Email: yantaoxue sina com。 0前言 钢筋混凝土框架结构是地震中破坏和倒塌较严 重的结构之一。由于缺少“二道防线” , 建筑抗震 设计规范 ( GB 500112010) 的设计理念是将框架 结构引导到“强柱弱梁” 上, 要求柱不出现塑性铰, 梁首先出铰, 使结构能够具有较好的弹塑性变形能 力, 在地震中消耗能量, 达到大震不倒的目的。但由 于地震作用的不确性以及结构设计中的诸多因素, 这个设计理念很难在实际工程中得以实现, 多数框 架结构的破坏和倒塌均表现为“薄弱层” 破坏模式, 即底层柱上下端出现塑性铰。因此, 钢筋
7、混凝土框 架结构抗倒塌成为了结构工程师迫切需要解决的 问题。 钢筋混凝土框架结构是一种柔性结构, 在多遇 地震设计时往往会遇到变形不满足规范要求的情 况。此时许多设计单位希望通过增加钢筋混凝土抗 震墙来提高结构的变形能力, 但却带来了另一个问 题: 抗震墙布置少了, 墙体抗震不满足要求; 墙体布 置多了, 就成为另一种结构 框架-剪力墙结构, 增加建造成本。 本文探索采用支撑解决这两个问题。钢筋混凝 土框架支撑结构的刚度介于框架与剪力墙之间。在 正常使用阶段和多遇地震作用下, 结构具有足够的 刚度和强度安全储备, 支撑主要起增加结构刚度、 减 小结构变形的作用。在罕遇地震作用下, 支撑进入 塑
8、性阶段, 消耗地震能量, 达到结构抗倒塌的目的。 通常, 普通钢支撑杆件受压屈曲, 其耗能能力有限, 只能起一道防线的作用。试验 1证明, 支撑将先于 钢筋混凝土框架破坏, 也就是说在框架最终倒塌时 起不到抗倒塌的作用。本研究采用屈曲约束支撑, 受压时支撑不屈服, 完全实现受压时的塑性发展要 求, 性能与受拉时完全相同, 滞回曲线见图 1, 滞回 曲线饱满, 耗能能力巨大。 图 1屈曲约束支撑滞回曲线 建筑结构2013 年 本次试验以一个 8 层框架为原型, 按 8 度抗震 设防、 场地类别类进行设计配筋, 构造符合建筑 抗震设计规范 ( GB 500112010) 的要求。取支撑 框架底部
9、3 层进行试验。试验模型比例 1 3, 侧向 采用低周反复加载, 研究此类结构的破坏形态、 恢复 力特性、 能量耗散等, 检验屈曲约束支撑框架的抗震 耗能性能, 为钢筋混凝土框架屈曲约束支撑的理论 分析与工程设计提供依据。 1试验概况 1. 1 模型设计 试验采用 3 层 2 跨的钢筋混凝土框架单元模 型, 如图 2 所示, 模型跨度2 400mm, 层高1 200mm, 柱截 面 为 200mm 200mm, 梁 截 面 为 100mm 180mm。模型配筋按原型结构底部 3 层的实配钢筋 量比例减少。结构柱配纵筋 816, 梁采用 T 形截 面, 配筋 414 + 66。模型实测混凝土强度
10、为 45. 3MPa。 图 3支撑与框架连接 图 4模型施加的竖向荷载 图 5模型加载及测点布置照片 模型所采用的屈曲约束支撑屈服力为 94kN, 弹 性阶 段 的 刚 度 为 35. 8kN/mm, 屈 服 后 的 刚 度 为 1. 38kN/mm。屈曲约束支撑按对角布置于框架中, 共布置 3 根, 见图 2 中虚线位置。 框架模型中, 为保证柱下端嵌固, 防止基础转 动, 设计了相对刚度较大的基础梁与柱连接。为消 除柱端和梁端加载装置对框架节点受力产生的约 束, 在柱上端部和梁端部各伸出一悬臂端作为加载 端。支撑与节点板采用“法兰连接” , 见图 3。 1. 2 加载方式、 量测内容及方法
11、 1. 2. 1 竖向加载 框架柱顶施加轴向荷载以代替原框架上 5 层的 荷载及自重。轴向力分别为 280, 470, 280kN, 柱轴 压比 0. 6。梁上荷载按构件相似关系进行转化。楼 层的均布荷载按跨度折算成线荷载, 实际模型施加 的竖向荷载见图 4。 1. 2. 2 水平荷载 受条件所限, 只能在层 3 顶设一个加载点, 见图 4。加载分为两个阶段。第一阶段为力控制, 共 8 个 图 2结构模型 加载次序, 分别为: 15, 30, 45, 60, 80, 100, 120, 140kN; 第二阶段为位移控制, 共 15 个加载次序, 分别为: 7. 2, 12, 17, 22,+
12、27 ( 86) , 32, 37, 42, 47, 60, 72,+ 80 ( 72) ,+ 90( 72) ,+ 100( 72) ,+ 120( 72) mm。两阶段共 23 个加载次序, 各级加载循环三次。 1. 2. 3 测点布置 结构的位移测点设在层 1 3 层顶。层 3 1 层 顶分别设有位移计 1、 位移计 2、 位移计 3。三个支 撑也分别设置了用于测量支撑两端相对位移的位移 计。在各层关键构件的钢筋表面布置了 60 个应变 片。柱子的应变片布置在柱的上下端, 梁的应变片 布置在梁的左右端。试验模型见图 5。 2试验结果及分析 2. 1 试验过程与滞回曲线 试验过程可分为三部
13、分: ( 1) 最大循环位移为 0 7. 2mm( 层间位移角为 1 /500) , 当位移达到 7. 2mm 时, 发现千斤顶提供的 竖向荷载不稳, 因而中断试验。该段滞回曲线如图 2 第 43 卷 第 1 期薛彦涛, 等 钢筋混凝土框架屈曲约束支撑试验研究 图 6滞回曲线 图 7破坏情况 6( a) 所示。 ( 2) 循环位移为 0 22mm, 当 试 验计划 推至 27mm 时, 用于位移加载监测的顶层位移计示数停 在了 25mm 左右处( 位移计被卡住) , 导致千斤顶由 于没有到达“目标位移” 而继续加载, 实际位移已经 达到 了 86mm ( 该 次 循 环 即 对 应 加 载 次
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