引言

据对灾后倒塌的钢筋混凝土结构建筑物的考察发现,大量钢筋混凝土框架结构房屋出现了柱端破坏而梁端未破坏的情况。这些建筑物在地震作用下极少有满足钢筋混凝土框架结构抗震设计中关于“强柱弱梁”设计准则的要求。根据分析发现,梁端附近一定范围内的板筋与板的尺寸对其受弯承载力均有明显的增强作用。

目前,关于现浇板对框架结构抗震性能影响国内外已做了一系列的理论分析与试验研究,其中包括对带现浇板框架结构的相关数值模拟分析(French,1991;Pantazopoulou等,2001),也包含带楼板的框架结构节点以及平面框架等的低周反复试验(郑士举等,2009)。结果表明,现浇板显著提高了梁的抗弯刚度与承载能力,而该方面研究尚不完善。本文制作两榀单层两跨框架结构试件,研究二者在低周反复荷载作用下的破坏特征、破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化和耗能情况等指标。

1 试验设计
1.1 试件模型设计

试验试件采用两个1:3缩小尺寸模型(中华人民共和国建设部等,2010a;2010b):未设现浇板的裸框架结构(RCF1)和带有现浇板的框架结构试件(RCF2),框架试件尺寸与配筋见图1,净高均为1000mm,跨度均为1300mm,柱截面尺寸均为250mm×250mm,纵梁尺寸均为150mm×200mm,RCF2试件中,横梁尺寸120mm×150mm,现浇板横向宽度1000mm,纵向长度与纵梁长度相等,板厚60mm。底槽的混凝土强度等级采取C30,梁和柱为C25。

图 1 框架试件尺寸及配筋(单位:mm) Fig. 1Specimen dimension and the form of reinforcement
1.2 试验装置

试验在宿迁学院建筑结构实验室完成,试件竖向荷载通过3个千斤顶分别施加在各柱端,为保证柱顶的竖向荷载能随着框架侧移时一起移动,每个竖向千斤顶和加载平台之间布置小滑车。千斤顶通过滑轮将荷载传递给反力架。底槽通过地锚与刚性台面固定,水平荷载通过钢板结合4根拉杆固定在水平作动器端头,图2为装载示意图。

图 2 加载装置 Fig. 2Loading device
1.3 加载方案
图 3 加载方案
Fig. 3Loading program

实验边柱轴压比采用0.25,中柱为0.35,边柱竖向荷载取200kN,中柱取280kN,荷载均分两次施加,第一次先施加50%,然后加到100%的竖向荷载设计值后保持不变。

按《建筑抗震实验方法规程》(JGJ101- 96),水平荷载在构件屈服前采用力控制,每级加载25kN,各循环一次。构件屈服后,采用位移加载控制,位移选取屈服位移的整数倍,每级循环三次,直到构件破坏。具体加载方案如图3。

1.4 测试内容

测试内容包括:①梁、柱端纵筋应变;②水平荷载;③梁端水平位移。

2 试验结果与分析
2.1 破坏形态

在竖向荷载方案与水平加载方案均相同的情况下,RCF1先于梁端相继出现塑性铰,接着柱底位置受力纵筋屈服进入塑性阶段,属于先梁铰后柱铰机制。RCF2先在柱脚出现塑性铰,然后柱顶、柱底随机出现屈服,而梁端并没有屈服,属于典型的柱铰机制。

由于现浇楼板的存在,RCF2中的梁端在构件破坏时并没有达到屈服,塑性铰在柱端的出现是随机的,在裂缝与破坏形态上,RCF1梁端有大量的裂缝,并伴有混凝土大量压碎与剥落现象,RCF2的梁端仅有少量裂缝出现,在现浇板上侧靠近柱端附近有细小裂缝。对于柱端,RCF2有混凝土严重的压碎与剥落现象,并伴有钢筋裸露于外,RCF1中柱顶均只有预留缝附近出现少量裂缝、混凝土局部压坏与起皮现象,柱底虽压碎破坏,但并没有RCF2严重。

由破坏形态可知,现浇楼板的存在,在很大程度上提高了梁的抗弯承载能力,使得柱端屈服而梁端并未屈服,构件的破坏机制发生改变,由梁铰机制变为柱铰机制。

2.2 滞回曲线

RCF1和RCF2的滞回曲线分别如图4和图5所示,屈服前均大致呈线性关系,残余应变很小,形成面积极小的滞回环,此阶段构件有着较好的弹性变形能力。二者均有明显的屈服点,RCF1的屈服荷载较RCF2低,屈服后,随着循环位移的逐级加载,所形成的滞回环面积逐渐饱满,说明有较好的塑性变形能力和抗震性能。在屈服阶段内,残余应变逐渐增大,滞回曲线的斜率不断减小偏向位移轴,结构在每一级循环下的最大承载能力达到极值后均有下降趋势,即有明显的强度与刚度退化。整个加载中,RCF2的极限承载能力与位移高于RCF1。

图 4 RCF1滞回曲线 Fig. 4Hysteresis curve of RCF1
图 5 RCF2滞回曲线 Fig. 5Hysteresis curve of RCF2
2.3 骨架曲线
图 6 RCF1与RCF2骨架曲线 Fig. 6Skeleton curve of RCF1 and RCF2

框架骨架曲线如图6,加载过程中均经历弹性、屈服、极限三阶段,正向对应的荷载与位移均略大于负向,结果并不对称,该现象符合典型的包辛格效应(Bauschinger effect),即正向加载引起的塑性应变强化导致材料在随后的反向加载过程中呈现塑性应变软化。

对比可以发现,二者在屈服前均呈线性增长,直至屈服,骨架曲线出现明显的拐点,屈服后斜率变小,继续增长到极限荷载值,最后结构达到破坏。现浇板的存在,使得结构的极限荷载和极限位移均有所提高,具体对比见表1。

2.4 变形恢复能力

变形恢复能力是指结构在水平荷载作用下的残余变形,意味着地震后结构的可修复性。用残余变形和极限变形的比值来表示残余变形率。表2、表3分别表示二榀框架结构在屈服之后的残余变形、极限变形和残余变形率,且表中 表示对应框架的屈服位移。

表1 RCF1、RCF2荷载与位移对比 Table 1 Comparison the load and displacement of RCF1 and RCF2
表2 RCF1变形恢复能力 Table 2 Deformation resilience of RCF1
表3 RCF2变形恢复能力 Table 3 Deformation resilience of RCF2

通过观察表中的数值发现,随着位移等级的递增,残余变形也不断增大,客观说明了试件的损伤在反复荷载作用下不断累积。对比可发现,在同等级位移下,RCF2的平均残余变形率低于RCF1,说明现浇板的存在,使得钢筋混凝土框架结构的变形恢复能力变强。

2.5 刚度退化

刚度退化曲线均呈明显下降趋势,如图7,现浇楼板的存在,屈服后RCF1比RCF2刚度退化快一些,刚度退化到屈服阶段刚度的30%后,二者退化比较接近。

2.6 耗能情况

关于结构耗能情况,从图8可以看出:

(1)二榀框架构件的等效粘滞阻尼系数均随试件位移的递增呈上升趋势,说明在整个实验加载过程中,其仍然保持着良好的耗能能力;

(2)等效粘滞阻尼系数最高仅达到0.2,表明钢筋混凝土框架结构具有良好的滞回耗能能力,现浇板的存在对耗能能力的影响不大。

图 7 刚度退化曲线 Fig. 7Stiffness degradation curve of each frame
图 8 耗能曲线 Fig. 8Energy dissipation of RFC1 and RFC2
2.7 延性性能

框架位移延性系数如表4所示。从表中数据可看出,两榀框架均有较好的延性,RCF2的延性略高于RCF1,表明现浇楼盖存在较小的影响结构的延性性能。

表4 框架延性系数 Table 4 Ductility factor of each frame
3 结论

(1)现浇板的存在,使得框架结构的破坏机制发生一定的变化,RCF1为梁铰机制,而RCF2为柱铰机制。

(2)滞回曲线显示两个框架结构试件都具有良好的塑性变形能力,而带有现浇板的框架结构具有较高整体性能与承载能力,二者滞回曲线相似,但RCF2的滞回环面积有所增大。

(3)随着位移量级的递增,试件的损伤在反复荷载作用下不断累积。对比可发现在同量级位移下,带有现浇板框架结构的平均残余变形率较低,变形恢复能力变强。

(4)带现浇楼板框架结构的刚度退化快一些,刚度退化到屈服阶段刚度的30%后,二者退化比较接近。

(5)整个实验加载过程中,两个框架均具有良好的耗能能力与延性性能,而现浇板的存在对耗能能力的影响不大,较小地提高了结构的延性性能。

(6)综上,不能忽视现浇板对结构抗震性能的影响,影响框架结构“强柱弱梁”的其他因素如填充墙、轴压比等仍有待进一步研究。

参考文献
[1]郑士举,蒋利学,张伟平,顾祥林,2009.现浇混凝土框架梁端截面有效翼缘宽度的试验研究与分析. 结构工程师 25(2):134—140[本文引用:1次]
[2]中华人民共和国建设部,2010a.建筑抗震设计规范(GB 50011-2010). 北京:中国建筑工业出版社 [本文引用:1次]
[3]中华人民共和国建设部,2010b.混凝土结构设计规范(GB 50011-2010). 北京:中国建筑工业出版社 [本文引用:1次]
[4]French,1991.Effect of Floor Slab on Behavior of Slab-Beam-Column Connections.ACI SP-123, Design of Beam-Column Joints for Seismic Resistance[本文引用:1次]
[5]Pantazopoulou S.J., French C.W.,2001.Slab Participation in Practical Earthquake Design of Reinforced Concrete Frames.ACI Structrue Journal,98 (46): 479—489[本文引用:1次]