地震后有損傷鋼筋混凝土框架耗能減震加固試驗分析-副本

1、南 京 建 筑 工 程 學(xué) 院 學(xué) 報1996年 Journal of N anjing A rch itectural and第 4期 C ivil Engineering Institute Sum N o . 391 2 王光遠(yuǎn) 2(, 南京 , 210009; 2 哈爾濱建筑大學(xué) , 哈爾濱 , 150001; 第一作者 39歲 , 男 , 講師 摘要 通過地震模擬振動臺試驗 , 研究用耗能減震裝置修復(fù)震后有損傷鋼筋混凝土框架的效果和可行性 , 并對一座三層鋼筋混凝土剪切型框架進(jìn)行震后損傷修復(fù)加固試驗 , 給出地震后損傷結(jié)構(gòu)物理參數(shù)識別方法 , 以及震后有損傷結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計的具體步驟

2、 。關(guān)鍵詞 地震控制 ; 地震模擬試驗 ; 結(jié)構(gòu)修補(bǔ) ; 耗能裝置 ; 損傷結(jié)構(gòu) ; 震后修復(fù)中圖號 TU 375我國現(xiàn)行抗震設(shè)計原則是 :“小震不壞 , 中震可修 , 大震不倒” 。 基于這一原則 , 對中震后有 損傷結(jié)構(gòu)需進(jìn)行修復(fù)加固 , 使其保證具有抵抗下次地震的能力 。 傳統(tǒng)的加固方法基本上都是通 過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度或剛度來實現(xiàn)抗震加固的目的 。 文獻(xiàn) 1, 2已提出結(jié)構(gòu)控制與維修策 略 , 使其保證結(jié)構(gòu)具有整體性能 。 隨著被動控制技術(shù)的發(fā)展 , 該技術(shù)已應(yīng)用于完好結(jié)構(gòu)在震前 的抗震加固 3, 4, 但是 , 這一技術(shù)應(yīng)用于震后有損傷結(jié)構(gòu)的抗震修復(fù)在國內(nèi)尚不多見 , 本文通過 震后

3、損傷結(jié)構(gòu)耗能減震修復(fù)試驗 , 力圖在這方面做一點(diǎn)有益的嘗試 。1有損傷結(jié)構(gòu)加固控制參數(shù)的確定在結(jié)構(gòu)修復(fù)加固之前 , 應(yīng)確定結(jié)構(gòu)完好時及損傷后的層間剛度 。 結(jié)構(gòu)損傷前 、 后的層間剛 度參數(shù)確定 , 歸結(jié)為結(jié)構(gòu)參數(shù)識別問題 。 目前 , 結(jié)構(gòu)參數(shù)識別方法較多 5, 但多數(shù)方法僅能識別 結(jié)構(gòu)的動力特性及物理參數(shù) , 如 :結(jié)構(gòu)自振頻率 、 振型及結(jié)構(gòu)整體或總剛度矩陣等參數(shù) 。 而對于 有損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固 , 主要是要確定結(jié)構(gòu)的層間剛度退化值 , 才能進(jìn)行加固設(shè)計 。 本文提 出結(jié)構(gòu)層間剛度識別方法 , 既能確定結(jié)構(gòu)剛度損傷值 , 又能確定損傷所在的層位 , 為損傷結(jié)構(gòu) 的修復(fù)提供可靠信息 。

4、111完整模態(tài)參數(shù)狀態(tài)下的物理參數(shù)識別對于有損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振 , 通過測試和識別得到結(jié)構(gòu)全部模態(tài)參數(shù)時 , 即已知 :d1, d2, , dn 及振型矩陣 5d , 根據(jù)彈性體系振動理論可以求得結(jié)構(gòu)損傷后的整體剛度矩陣K d =(5T d -1diag (K d 5-1d (1 國家自然科學(xué)基金資助項目 (59378365收稿日期 :1995212221式中 diag (K d 是有損傷結(jié)構(gòu)廣義剛度矩陣 , 可以由下式計算diag (K d =diag (m diag (2d (2 式中 diag (m 是結(jié)構(gòu)廣義質(zhì)量矩陣 , 按下式計算diag (m =5Td M 5d(3M 是結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣

5、 , , , 是已知的 對角矩陣 。 由式 (1 i (i =d1=- d n =K (4K d j = K d j -1, j (j =2, 3, , n -1式中 K ij d 中的元素。 112非完整模態(tài)參數(shù)狀態(tài)下的物理參數(shù)識別當(dāng)識別得到非完整模態(tài)參數(shù) , 即僅獲得某階頻率 d j 及對應(yīng)的振型向量 5dj 時 , 則根據(jù)彈性 體無阻尼自由振動方程K d 5dj =2d j M 5d j(5 及剪切型框架總剛度矩陣形成特點(diǎn) , 損傷后層剛度值由下式計算K d1=2nT l 1j(6K d i =2nT lij -i -1j (i =2, 3, , n 式中 T l =2d j m l d

6、 l 是式 (5 右端列向量第 l 個元素 , ij 是 5dj 中第 i 個元素。 2耗能減震裝置的力學(xué)特性及設(shè)計耗能減震是通過采用附加子結(jié)構(gòu)或一定措施 , 以消除地震傳遞給結(jié)構(gòu)的能量為目的的減 震手段 。 本文著重討論這一技術(shù)在震后有損傷結(jié)構(gòu)修復(fù)加固領(lǐng)域中的應(yīng)用 。耗能減震裝置是利用裝置的變形或摩擦原理吸收能量 , 主要分為四類 :耗能支撐 、 耗能剪 力墻 、 阻尼器和耗能構(gòu)件 。 本文所做的震后有損傷框架修復(fù)試驗 , 采用的軟鋼阻尼器是利用金 屬的塑性變形吸能原理 , 形狀如圖 1所示 。 其力學(xué)性能是阻尼器進(jìn)入屈服后剪力不再增加 , 單 片恢復(fù)力模型如圖 2所示 。修復(fù)加固安裝在框架

7、層間的阻尼器系統(tǒng)由支撐及軟鋼阻尼片構(gòu)成圖 (3 示 。 支撐設(shè)計為剛圖 1三 角 鋼 板 耗 能 片 mm 圖 2耗 能 片 恢 復(fù) 力 模 型 圖 3裝 有 阻 尼 器 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖9第 4期 李洪泉等 :地震后有損傷鋼筋混凝土框架耗能減震加固試驗分析性 , 計算時僅考慮阻尼器的側(cè)移剛度 , 因此 , 損傷后結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度增強(qiáng)由耗能器貢獻(xiàn) 。 修復(fù)后的 結(jié)構(gòu)屈服點(diǎn)應(yīng)與原結(jié)構(gòu)的屈服點(diǎn)相同 , 因此 , 選擇計算模型如圖 4所示 。圖 4耗能片數(shù)量通過以下計算可以求得 Q y i =Q d i +Q z i Q d i =K d i y i , z i =K zi y iQ y

8、i i Q d i 2; z i ; y i 是結(jié)構(gòu)第 i 層屈 d i i 層的損傷剛度 ; K z i 是阻尼片屈服剛度 。 由K z i =K o i 2K d i o i 是結(jié)構(gòu)完好時第 i 層的側(cè)移剛度 , 可由設(shè)計參數(shù)確定 ; Q d i 根據(jù)識別方法獲得 。阻尼片的屈服 強(qiáng)度和屈服位移由下式計算 6K z i =Q y z y z (7-1Q y z =26h(7-2 y z =2E t(7-3 通過以上各式計算可求得修復(fù)結(jié)構(gòu)某層所需耗能片的數(shù)量 N , 計算公式為N =E t 3 b6h 3(8 式中 E 和 t 分別是耗能器材料 (鋼板 的彈性模量和屈服應(yīng)力 ; t 、 h

9、和 b 分別是耗能器的厚度 、 高度和底邊寬度 , 圖 1所示 。3震后有損傷結(jié)構(gòu)的抗震加固設(shè)計為了防止修復(fù)后的結(jié)構(gòu)在某個預(yù)料不到的樓層出現(xiàn)剛度和強(qiáng)度突變現(xiàn)象 , 本文提出如下 加固準(zhǔn)則 :加固后結(jié)構(gòu)的初始剛度和屈服強(qiáng)度與該結(jié)構(gòu)完好時相同 , 即保證加固后結(jié)構(gòu)的上 、 下層剛度比和屈服強(qiáng)度比與完好結(jié)構(gòu)一致 。 基于上述修復(fù)加固準(zhǔn)則 , 給出震后有損傷結(jié)構(gòu)抗震 加固設(shè)計的具體步驟 :(1 按設(shè)計參數(shù)或識別方法計算結(jié)構(gòu)完好時各層剛度 ;(2 按本文第一節(jié)識別方法確定結(jié)構(gòu)損傷后的各層剛度 ;(3 按測試反應(yīng)確定薄弱層 ;(4 按式 (8 計算所需耗能片的數(shù)量 。阻尼器設(shè)計參數(shù) h 、 t 和 b 根

10、據(jù)阻尼器剛度選擇而定 , 阻尼器剛度根據(jù) K o i 和 K d i 確定 。4地震后損傷框架耗能減震加固試驗分析為了驗證震后修復(fù)加固理論和方法的可行性 , 制作了兩榀單跨剪切型三層鋼筋混凝土框 架 , 設(shè)計工況為 8度地震烈度 ; 類場地條件 ; 結(jié)構(gòu)按我國現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范設(shè)計 ; 試驗?zāi)Ｐ桶?1 4比例制作 。01南 京 建 筑 工 程 學(xué) 院 學(xué) 報 1996年 411試驗?zāi)Ｐ椭谱骷翱蚣艿讓踊謴?fù)力骨架曲線試驗?zāi)Ｐ统叽缛鐖D 5所示 , 框架模型特征參數(shù)列于表 1中 , 鋼筋混凝土框架柱截面為 60mm ×60mm , 受力筋為 4× 4螺紋鋼筋 , 箍筋用 126的鐵絲

11、 , 間距為 25mm , 混凝土配合比 為水泥水細(xì)骨料粗骨料 =1 0152 1152 215, 水泥標(biāo)號為 450#, 細(xì) 骨料最大直徑小于 215mm , 粗骨料最大直徑在 215104112Nmm 2。 圖 5框架模型尺寸 mm1層數(shù) 初始剛度 K o i kN c m -1屈服剪力Q y i kN質(zhì)量m 2 kg軸壓比n o i第一層 913851631100125第二層 913851631100117第三層913851631100108表 2單榀鋼筋混凝土框架底層框架試驗?zāi)Ｐ突謴?fù)力參數(shù)參數(shù) 屈服位移X y c m屈服剪力Q y kN極限位移X u c m極限剪力Q u kN倒塌位移

12、X p c m倒塌剪力Q p kN試驗值0165163213611413512412耗能器設(shè)計耗能片的幾何形狀如圖 1所示 , 規(guī)格為三種 , 尺寸列于表 3中 , 斜撐采用 50mm ×50mm角鋼 。 層間加固裝置如照 1所示 。 t =235N mm 2, E =211×105N mm 2。表 3耗能片幾何尺寸 mmt (厚 234b (寬 607080h (高 707070照 1加固裝置413結(jié)構(gòu)地震后損傷修復(fù)加固試驗結(jié)構(gòu)地震后損傷修復(fù)加固試驗在哈爾濱建筑大學(xué)力學(xué)與結(jié)構(gòu)實驗中心 3m ×4m 模擬地 震振動臺上進(jìn)行 , 為了保證框架在試驗時的整體穩(wěn)定性 ,

13、 將兩個單榀框架用角鋼聯(lián)接為整體 ,每層質(zhì)量為 2000kg 。 輸入 EL Cen tro (SN 地震記錄 , 最大加速度為 400c m s 2, 地震波在時域 進(jìn)行了壓縮 , 時間步長為 t =0101s (相當(dāng)于原結(jié)構(gòu)的 0102s , 持時為 10s 。地震工況輸入如 下 :(1 輸入 011g , 測試結(jié)構(gòu)完好時動力特性 ;11第 4期 李洪泉等 :地震后有損傷鋼筋混凝土框架耗能減震加固試驗分析(2 輸入 014g , 進(jìn)行框架地震動損傷試驗 ; 表 4框架動力特性 、 層間剛度及測試值 工況反應(yīng)第一層 第三層框 架 完 好 時的 動 f 1=1(H z 510110026z 1

14、01100f 35031180-21251100層間剛度K o i kN c m -1181761817618176框 架 損 傷 后的 動 力 特 性 及 層 間 剛 度 (輸入 011g 識別值 、 測試 值f 1=1184(H z 5d101592018581100f 2=5163(H z 5d2 f 3=8152(H z 5d3層間剛度 K d i kN c m -1111061817618176實測層間位移 (014g c m X di c m 111201570152框 架 加 固 后 (每榀 2片 3mm 厚 耗 能 片 輸入 014g 反應(yīng) , 層間 剛度實測層間位移 x i

15、c m01980159301580修復(fù)后的 層間剛度K i kN mm -1181801817618176(3 對損傷框架輸入 011g ,識別損傷剛度 ;(4 對 修 復(fù) 后 的 框 架 輸 入014g , 進(jìn)行損傷分析 , 并與 ( 2 對比 , 分析修復(fù)效果 。 以上 (2 、(4 果見圖 6和表 (414試驗結(jié)果表明 , 當(dāng)完好結(jié)構(gòu)輸入峰值 014g 的地震波時 , 僅 有框架底層柱上 、 下出現(xiàn)裂縫 , 其 最大位移反應(yīng)是 1112c m , 該層 已進(jìn)入塑性階段 , 所以底層為薄 弱層 , 需進(jìn)行修復(fù) 。 第二 、 三層柱 均未出現(xiàn)裂縫 , 其層間位移小于 屈服位移 , 仍處于彈性

16、階段 , 見表 4。 對損傷結(jié)構(gòu)輸入 011g , 同時對位移時程反應(yīng)進(jìn)行 Fou rier 幅值譜分析見圖 6(h , 由位移反應(yīng)譜中的峰值點(diǎn)確定第一頻率 , 并測得振型 (分別見表 4與圖 6(h 。 按本文第一節(jié)計算損傷后結(jié)構(gòu)層間剪切剛度 (見表 4 , 并按第二節(jié)設(shè)計耗能器對底層進(jìn) 行修復(fù) 。 修復(fù)后的結(jié)構(gòu)再進(jìn)行地震損傷分析 , 其結(jié)果列入表 4。 從以上結(jié)果可以看出 , 上述加固 方案有效地改善了震后有損傷結(jié)構(gòu)在下次地震作用下變形集中問題 , 從而達(dá)到結(jié)構(gòu)修復(fù) 、 提高 抗震能力和防止倒塌的目的 。(a 框架第三層位移反應(yīng) (014g (b 框架第二層位移反應(yīng) (014g 21南 京

17、 建 筑 工 程 學(xué) 院 學(xué) 報 1996年第4期 李洪泉等: 地震后有損傷鋼筋混凝土框架耗能減震加固試驗分析 13 5結(jié)論 本文利用結(jié)構(gòu)被動控制方法, 對震后有損傷鋼筋混凝土框架應(yīng)用耗能減震技術(shù)修復(fù)進(jìn)行 試驗研究, 并給出具體加固設(shè)計步驟。 通過試驗得出如下結(jié)論: ( 1 鋼筋混凝土框架在遭受中等強(qiáng)度的地震損傷后, 采用耗能減震裝置修復(fù), 可以使結(jié)構(gòu) © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ( g 修復(fù)后框架第一層位移反應(yīng) ( 014 g ( h 框架損

18、傷后輸入 011 g 第三層位移反應(yīng)譜 圖 6Fou rier 幅值譜分析圖 14 南 京 建 筑 工 程 學(xué) 院 學(xué) 報 1996 年 達(dá)到完好狀態(tài)下的抗震能力; ( 2 震后有損傷框架結(jié)構(gòu)的層間剛度可以應(yīng)用參數(shù)識別方法確定, 從而為修復(fù)用的耗能裝 置設(shè)計提供依據(jù), 本文采用的識別方法簡便易行; ( 3 采用耗能裝置對震后有損傷鋼筋混凝土框架進(jìn)行抗震修復(fù), 有簡便實用特點(diǎn)。 參 考 文 獻(xiàn) u sing energy d issip a t ion device a re stud ied by test of Seism ic Sim u la t ion A ppo ra tu s. T

19、 he test of seism ic ret rofit is ca rried ou t fo r ea rthquake dam age of a th ree 2sto ry shea r typ e R. C. u sing energy d issip a t ion device. d issip a t ion devices; dam aged st ructu res; seism ic ret rofit © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights res

20、erved. fram e. T he iden t ifica t ion m ethod of p a ram eter of ea rthquake dam aged st ructu re is estab 2 lished. T he concrete p roceduer is set up fo r seism ic ret rofit of ea rthquake dam aged st ructues Ke y w o rds ea rthquake con t ro l; seism ic m odel exp eri en t s; st ructu re rep a i

21、r; energy m 1王光遠(yuǎn) 1 工程軟設(shè)計理論 1 北京: 科學(xué)出版社, 19921252 256 2吳波, 李洪泉, 歐進(jìn)萍 1 地震后有損傷結(jié)構(gòu)耗能減震加固設(shè)計 1 世界地震工程, 1995 ( 2 : 1 8 3B raci J. M , Seism ic R etrofit of R. C. Structu res u sing dam p ing devices. In: p roceeding of A TC 21721 Sem i2 . 4 You ssef. N. Seism ic retrofit of stru tru res w ith p a ssive ener

22、gy dissip a tion devices. 5方崇智 1 過程辨識 1 北京: 清華大學(xué)出版社, 1988. 80 105 6 T sa i K C. D esign of steel triangu la r p la te energy ab so rbers fo r seism ic resistan t con truction. Ea rthquake . A TC 21721 Sem ina r on Seism ic Iso la tion. Pa ssive Energy D issip a tion and A ctive Con tro l. Ca lifo rn ia: U n i2 na