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作者：鄭曉敏

  國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)一般框架結(jié)構(gòu)，在連續(xù)倒塌機(jī)理及防控措施方面，已進(jìn)行了深入研究并取得了一定成果。本文對(duì)近來(lái)在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的異形柱鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系在該方面進(jìn)行了相關(guān)研究：在試驗(yàn)室內(nèi)制作了一個(gè)1/3縮尺的兩層3x2跨異形柱鋼筋混凝土框架，在其二層角柱柱頂作用液壓伺服作動(dòng)器，以模擬柱中豎向軸力，進(jìn)行靜力加載。

1  異形柱框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ?

  按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50010-2010)和《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JCJ 149-2006)，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)1/3縮尺的兩層3x2跨異形柱框架結(jié)構(gòu)，層高均為Im，采用剛性十字交叉條形基礎(chǔ)，并用地腳螺栓將主體結(jié)構(gòu)固定在地槽中。圖1為模型實(shí)體圖及結(jié)構(gòu)平面布置圖。

  試驗(yàn)采用了機(jī)械式位移計(jì)，鋼筋電阻應(yīng)變片，混凝土電阻應(yīng)變片，替代柱為A4柱（A4柱為軸A與軸4交點(diǎn)位置柱），具體測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2所示。對(duì)于圖2中的鋼筋電阻應(yīng)變片作如下說(shuō)明：括號(hào)外表示應(yīng)變片布置于梁上部鋼筋，括號(hào)內(nèi)表示應(yīng)變片布置于梁下部鋼筋。

  建筑材料選用：C40商品混凝土，HRB400縱筋，HPB300箍筋�？蚣苣Ｐ褪┕み^(guò)程中，每批次均預(yù)留鋼筋和混凝土試塊，施工完成后對(duì)預(yù)留鋼筋進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)混凝土28d強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，并得到混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為41. 2MPa；縱筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為433. 6MPa，極限強(qiáng)度為627. 8MPa。圖3為梁板柱尺寸及配筋圖。

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)測(cè)試方法

  選用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀( DH3816N)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集頻率為1Hz；采用機(jī)械式位移計(jì)來(lái)量測(cè)框架結(jié)構(gòu)模型的水平和豎直方向的位移；鋼筋應(yīng)變片和混凝土應(yīng)變片均采用電阻式應(yīng)變片。

2.2試驗(yàn)加載方法及加載制度

  試驗(yàn)通過(guò)每塊樓板上均勻布置500kN/袋的沙袋，以模擬樓面活荷載2kN/m2，滿跨布置。沙袋這種柔性加載體，避免了加載過(guò)程中由于樓板等構(gòu)件的變形而產(chǎn)生的加載體相互擠壓，從而保證了模擬的準(zhǔn)確性。

  試驗(yàn)通過(guò)液壓伺服作動(dòng)器在替代柱（A4柱）失效位置的二層柱頂進(jìn)行豎向加載，為保證試驗(yàn)過(guò)程中現(xiàn)象的連續(xù)性和明顯程度，加載制度選用位移、力混合控制，由安裝在作動(dòng)器上的力傳感器測(cè)量軸力的變化。第1-12級(jí)采用力控制，每級(jí)加載lOkN，加載速度20kN/min；第13 - 18級(jí)采用位移控制，每級(jí)加載2mm，加載速度2mm/min；從19級(jí)開(kāi)始每級(jí)加載Smm，加載速度維持2mm/min不變，直至試驗(yàn)終止。每級(jí)加載結(jié)束后，等待lOmin - 15min用來(lái)讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)、觀測(cè)并記錄試驗(yàn)現(xiàn)象。

3  試驗(yàn)結(jié)果及分析

  試驗(yàn)結(jié)果從荷載與位移關(guān)系、框架水平變形、框架內(nèi)力重分布及框架受力機(jī)理四個(gè)方面闡釋了異形柱框架的倒塌全過(guò)程及梁板空間受力機(jī)制的體現(xiàn)。

3.1  荷載一位移關(guān)系

  液壓伺服作動(dòng)器在模型框架A4柱柱頂施加的豎向荷載與該位置處豎向位移之間的關(guān)系，如圖4所示。

  從圖中可以看出，該模型框架的倒塌破壞全過(guò)程分為四個(gè)階段：彈性變形階段( OA)、彈塑性變形階段(AB)、塑性變形階段(BC)和破壞階段(CD)。

  OA段：框架整體變形處于彈性變形階段，隨著荷載的增加，豎向位移并未明顯增大，且結(jié)構(gòu)中基本未出現(xiàn)裂縫，框架結(jié)構(gòu)的抗力與豎向位移接近線性關(guān)系；直到A點(diǎn)，在二層A4柱梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較明顯裂縫，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向位移為2. 15mm，抗力為30. SkN。

  AB段：隨著豎向荷載繼續(xù)增加，豎向位移增加的速度變快。裂縫開(kāi)始在失效柱附近的梁柱節(jié)點(diǎn)及梁板柱構(gòu)件中出現(xiàn)并不斷開(kāi)展，隨著梁中縱筋及板中分布筋的應(yīng)變逐漸增大，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，與失效柱相連的梁端受拉鋼筋屈服，形成第一個(gè)塑性鉸；B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向位移為19. llmm，抗力為110. 7kN。

  BC段：隨著豎向位移繼續(xù)增大，構(gòu)件開(kāi)始進(jìn)入塑性變形階段，與失效柱相連的框架梁的梁端受拉鋼筋相繼屈服并形成塑性鉸；與此同時(shí)，失效柱周?chē)�的樓板�?nèi)分布筋也相繼屈服并形成塑性鉸線；這樣由梁端塑性鉸和板內(nèi)負(fù)彎矩塑性鉸線形成的梁板空間受力機(jī)制共同抵抗上部豎向荷載，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，該梁板機(jī)制形成的抗力達(dá)到最大值。C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向位移為56. 28mm，抗力為152. 7kN。

CD段：豎向位移繼續(xù)增大，梁端塑性鉸轉(zhuǎn)角也隨之增大，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變逐漸達(dá)到極限壓應(yīng)變，梁端及板內(nèi)塑性鉸線壓區(qū)混凝土逐漸被壓碎剝落而退出工作，梁板受力體系的抗彎能力逐步下降，其中的突變點(diǎn)表示部分受拉鋼筋突然斷裂。

  綜上可知，由梁端塑性鉸和板內(nèi)負(fù)彎矩塑性鉸線構(gòu)成的梁板空間受力機(jī)制在延緩框架倒塌過(guò)程中起著極大作用。

3.2框架側(cè)向位移

  框架整體側(cè)向位移和角柱豎向位移關(guān)系曲線，如圖5所示。其中，正值表示框架向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，負(fù)值表示框架向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。

  底層角柱失效后，失效柱周?chē)�結(jié)構(gòu)形成了梁板空間受力機(jī)制共同抵抗上部豎向荷載，根據(jù)圖5可將框架的側(cè)向位移曲線分為兩部分：梁板空間受力機(jī)制增大階段和梁板空間受力機(jī)制減弱階段。轉(zhuǎn)折點(diǎn)為角柱豎向位移達(dá)到60mm附近處，該值處于荷載一豎向位移曲線的破壞階段，且和梁板空間受力機(jī)制達(dá)到最大值時(shí)角柱的豎向最大位移56. 28mm相契合，這也驗(yàn)證了梁板空間受力機(jī)制在異形柱框架結(jié)構(gòu)中存在的合理性。

  另外，從圖中還可以看出，加載過(guò)程中，梁板空間受力體系帶動(dòng)周?chē)鷺?gòu)件整體向著失效柱方向發(fā)生偏移，且距離失效柱越近的構(gòu)件位移越大（通過(guò)位移的矢量和進(jìn)行比較），此外，結(jié)構(gòu)的二層位移大于首層位移。

3.3框架內(nèi)力重分布

  失效柱周?chē)�的二層框架梁梁端鋼筋微�?yīng)變比值變化曲線，如圖6所示；失效柱周?chē)�框架柱柱腳及柱中混凝土微應(yīng)變變化曲線如圖7所示。

  靜力加載過(guò)程中的內(nèi)力重分布發(fā)生在圖6中MN之間的下降段，M點(diǎn)和N點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角柱豎向位移分別為20mm和60mm左右，該段對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)的彈塑性階段和塑性階段，即荷載位移曲線的AC段。

  M點(diǎn)之前，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，失效柱周?chē)�的二層框架梁梁端鋼筋微�?yīng)變比值基本維持不變，內(nèi)力重分布現(xiàn)象尚未發(fā)生；隨著荷載增加，梁端鋼筋微應(yīng)變比值開(kāi)始減小，裂縫開(kāi)始出現(xiàn)并擴(kuò)展以及梁端鋼筋受拉屈服并形成第一個(gè)塑性鉸，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎剛度發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)入MN段，內(nèi)力重分布開(kāi)始出現(xiàn)；隨著荷載不斷增加，梁端鋼筋微應(yīng)變比值繼續(xù)減小，梁端鋼筋的塑性鉸逐漸增多，失效柱周?chē)�的樓板�?nèi)塑性鉸線不斷發(fā)展，內(nèi)力重分布現(xiàn)象趨于明顯；隨著荷載繼續(xù)增加，梁端鋼筋塑性鉸及樓板塑性鉸線發(fā)展完全，結(jié)構(gòu)結(jié)束塑性階段，曲線達(dá)到N點(diǎn)。此后，梁端鋼筋微應(yīng)變比值基本維持不變，內(nèi)力重分布現(xiàn)象逐漸趨于消失。

  從圖7中也可以看出，隨著荷載的增大，在框架梁板對(duì)框架柱的“拉動(dòng)”作用下，失效柱周?chē)�框架柱�?cè)向變形不斷增大，在角柱豎向位移達(dá)到60mm時(shí)，混凝土微應(yīng)變達(dá)到最大值，此時(shí)正對(duì)應(yīng)圖6中的N點(diǎn)，此后框架梁對(duì)框架柱的約束作用因內(nèi)力重分布現(xiàn)象基本結(jié)束、塑性鉸發(fā)展趨于完全而減弱，框架柱側(cè)向變形也因此開(kāi)始逐漸減小。另外，對(duì)于失效柱周?chē)�的框架柱，面向失效柱一�?cè)的混凝土微應(yīng)變稍大于背向失效柱一側(cè)的混凝土微應(yīng)變，表明在加載過(guò)程中，框架整體是向著失效柱方向偏移的，這也從混凝土微應(yīng)變的角度證明了圖5的結(jié)論。

3.4框架受力機(jī)理

  抗力體系單元見(jiàn)圖8。負(fù)彎矩塑性鉸線試驗(yàn)圖見(jiàn)圖9。

  角柱失效后，由梁板形成的懸挑受力機(jī)制共同抵抗由失效柱在失效前所承擔(dān)的荷載，采用塑性計(jì)算理論，計(jì)算該結(jié)構(gòu)抗力機(jī)制的塑性最大抗力，即參照如下公式：

式中：Mp為梁端彎矩；M8為樓板負(fù)彎矩塑性鉸線處彎矩；L1為縱向柱距；L2為橫向柱距；d為樓板角點(diǎn)到負(fù)彎矩塑性鉸線的垂直距離。

  將試驗(yàn)框架相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)代人式(l)得該結(jié)構(gòu)的塑性最大抗力為154. 6kN，與試驗(yàn)值152. 7kN較為接近，由此可得出梁板空間受力體系的科學(xué)性。

4  結(jié)論

  本試驗(yàn)對(duì)一個(gè)1/3縮尺的兩層3x2跨的空間框架模型在移除底層角柱的條件下完成了靜力倒塌破壞性試驗(yàn)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象得出以下結(jié)論：

  1)框架的倒塌破壞全過(guò)程可分為彈性階段、彈塑性階段、塑性階段和破壞階段四個(gè)階段。

2)在角柱失效后，由框架梁端塑性鉸和樓板中的負(fù)彎矩塑性鉸線構(gòu)成的空間受力機(jī)制為抵抗框架倒塌破壞的主要體系。

5[摘要]按照我國(guó)現(xiàn)有抗震標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一個(gè)1/3縮尺的兩層3x2跨異形柱框架結(jié)構(gòu)模型，并在替代柱的二層柱頂進(jìn)行了豎向靜力加載，以研究模型框架在失去底層角柱后，框架結(jié)構(gòu)在倒塌破壞過(guò)程中的水平變形、傳力方式及受力機(jī)理。研究結(jié)果表明：框架的倒塌破壞全過(guò)程可分為彈性階段、彈塑性階段、塑性階段和破壞階段；在角柱失效后，由梁端塑性鉸和板內(nèi)負(fù)彎矩塑性鉸線構(gòu)成的梁板空間受力機(jī)制為抵抗框架倒塌破壞的主要體系。