高层钢_混凝土混合结构拟动力试验研究
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建筑结构学报 Jour nal of Bu ildi ng Structures 第30卷第3期2009年6月Vol 30No 3June2009004文章编号:1000 6869(2009)03 0027 09高层钢 混凝土混合结构拟动力试验研究陆铁坚,秦素娟,罗应松,余志武(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)摘要:进行了一个15层钢 混凝土混合结构1/10缩尺模型的两自由度单向加载拟动力试验研究,得到了7种不同加载工况下结构的顶层位移时程、楼层最大位移及层间位移角响应,并与有限元理论分析结果进行了比较,两者吻合较好。
试验结果表明:在7度地震作用下,结构无明显破坏特征;在8度、9度罕遇地震作用下,连梁开裂,楼板及底层筒体出现裂缝,但钢框架未发生屈服,结构仍具有较大承载力;在地震波峰值加速度达到1 0g、1 6g地震作用下,连梁开裂严重,出现交叉斜裂缝,呈剪切型破坏,筒体底部出现水平通缝,部分底层钢柱屈服,但结构并未完全破坏,仍具有一定的承载能力。
因此,只要设计合理,钢 混凝土混合结构具有良好的抗震性能,能实现 小震不坏、中震可修、大震不倒的设计目标。
关键词:钢 混凝土混合结构;拟动力试验;抗震性能中图分类号:TU973 14 TU317 1 文献标识码:APseudo dyna m ic experm i ental study on highrise steel concretehybrid structureLU T ieji an,QI N Sujuan,LUO Y i ngsong,YU Zh i w u(School of C i vil Eng i neeri ng and A rchitect ure,C entral Sout h Universit y,Changsha410075,Ch i na)Abstract:A pseudo dyna m ic test research of uniax i al loading for a1/10scale15 storey steel c oncrete hybri d structure w as co mpleted.The steel concrete hybri d str ucture modal w as equivalent as t wo degree of freedo m syste m,which was execute d a pseudo dyna m ic testing w ith7cases earthquake accelerat i on wave.The displace m e nt tm i e history of top floor,the m a x m i al floor displace m ent and i nter story displace m e nt angle of the m odel str ucture were obta i ned.By co mpari ng w ith the fi nite ele m ent ana l ysis results,it was found that t he test results were i n good agree m e nt w ith the calculati on results.The test results i nd i cate t hat the hybrid str ucture has no obv i ous fa ilure characteristics under7 degree basic i ntensity and7 degree of rare eart hquake.Crac ks appears on the coupli ng bea m s,the fl oor slabs and the botto m layer of t he core t ube under the rare earthquake of magnitude of8 degree and9 degree,but the steel fra m e is i n unyieldi ng stat us and t he structure has good beari ng capacity.A t the peak acceleration of1 0g and1 6g of earthquake i nputs,cr oss i nclined crac k appears on the coupli ng bea m s and t hey are badly cracked i n the type of shear failure.Horizontal crack devel ops across t he botto m surface of the core tube and so m e of the steel co l umns yield,wh ile the steel concrete hybri d structure still has so m e beari ng capacity.Theref ore,it can be concl uded that w ith reasonable desi gn,the steel c oncrete hybri d str ucture can have good seis m ic perfor mance under earthquake act i ons and can sat i sf y the require ments of three l evel perf or m ance objectivity.K ey wor ds:steel c oncrete hybrid struct ure;pseudo dyna m ic test;se is m ic behavior基金项目:国家自然科学基金资助项目(50478092),国家自然科学重点基金资助项目(50438020)。
作者简介:陆铁坚(1963! ),男,湖南岳阳人,工学博士,教授。
E ma i:l tieji an@m ai.l csu.ed 收稿日期:2008年6月0 引言近年来,钢 混凝土混合结构体系在我国高层建筑中已被广泛应用,但是目前国内外对该类结构体系的抗震性能仍存在很大争议,对其展开的抗震性能的理论与试验研究尚不够充分与完善,理论研究落后于工程实践。
我国是地震多发地区,深入开展对混合结构体系抗震性能理论与试验研究,对推动混合结构体系在我国更广泛应用具有重要意义。
目前,国内已开展了一些混合结构抗震性能的理论与试验研究[1 12],文献[1 2]对一个23层钢 混凝土混合结构1/20模型开展了一系列试验研究,包括模型动力特性试验,六点单调加载弹性阶段试验及二点、单点反复加载弹塑性性能试验等,获得了模型的频率、阻尼等动力特性,了解结构在弹性及塑性工作阶段的工作性能。
文献[3]进行了一个1/20的25层钢 混凝土混合结构模型的振动台试验研究,获得了模型的位移、加速度反应,并观察了混凝土核心筒裂缝发生、开展的过程及破坏情况等,分析了混合结构的自振特性、结构地震反应特性和破坏形态。
文献[4 5]对上海环球金融中心大厦(大厦为三重混合结构体系)进行了1/50比例的模型振动台试验研究,测量了模型的自振频率、振型和阻尼等特征参数,试验测得模型在不同输入台面激励下的加速度、位移和应变反应等数据,并观察模型结构的破坏情况,以此分析推断原型结构的地震反应并对其综合抗震性能作出评价。
以上所列举大多是混合结构体系小比例整体模型的振动台试验,这些试验能反映结构整体抗震性能,但由于构造上与原型结构存在差异,导致结构局部破坏特征与原型结构存在较大不同,这也正是振动台试验存在局限性。
拟动力试验方法自其开发成功以来,由于其可以模拟大型复杂结构地震反应等优点,在结构工程试验中得到了广泛应用,因此,通过采用拟动力试验方法,对一个15层钢 混凝土混合结构1/10缩尺寸模型开展地震作用下抗震性能研究,为混合结构抗震理论提供试验依据。
1 模型设计与制作1 1 模型设计针对目前混合结构中常用外钢框架 内混凝土核心筒混合结构形式,依据∀高层建筑混凝土结构技术规程#(J G J3!2002)[13]、∀高层民用建筑钢结构技术规程#(J G J99!98)[14]及∀建筑抗震设计规范#(GB 50011!2001)[15]等,设计15层钢框架 混凝土核心筒混合结构,抗震设防烈度7度,∃类场地土,设计地震分组第一组,安全等级∃级。
外钢框架采用方钢管柱(600%600%20)与方钢管梁(500%500%20);钢筋混凝土筒体厚200mm;钢筋混凝土屋面板、楼面板厚200mm;结构各层高4m。
依据试验模型的设计原则,按相似理论设计制作了1/10缩尺模型,平面尺寸为2100mm%2100mm,其高宽比H/B=2 86 模型结构平面图及三维透视图分别如图1,图2所示。
混凝土强度等级C30,钢材采用Q235级,各构件截面参数如表1所示。
图1 模型结构平面图F ig.1 P l ane fra m ework d i sposal图2 模型结构三维透视图F i g.2 T hree d i m ensi on frame scenograph表1 模型结构及构件参数表Tab le1 P ara m eters o f mode l struc t u re membe r结构构件尺寸/mm配筋钢柱方钢管60%60%2!!!钢梁方钢管50%50%2!!!混凝土楼板8、15层板厚30双层1 0@15钢丝网混凝土楼板其余层板厚20双层1 0@15钢丝网混凝土剪力墙墙厚40双层2 0@24钢丝网剪力墙门洞200%280!!!1 2 模型制作楼板与核心筒剪力墙采用C30微粒混凝土,核心筒底层剪力墙配筋加强,于核心筒四角部位各配置四根2 5加强钢筋。
模型顶部设置2100mm %2100mm %200mm 尺寸的板作为顶部加载板,该板与主体结构分离。
模型基础底板尺寸为2700mm %2700mm %300mm,采用双层双向14@150配筋,C30混凝土,保护层厚度为25mm 。
为保证模型与基础的连接,基础底板中预埋I 14号工字型钢,如图3所示,截面尺寸为140%80%5 5%9 1,布置于基础底层钢筋之上,钢管柱与预埋工字型钢焊接,如图4所示。
