帶轉(zhuǎn)換層筒中筒結構模型靜力彈性試驗（建筑）
帶轉(zhuǎn)換層筒中筒結構模型靜力彈性試驗（建筑）
陳伯望， 雷玉成， 李 頻， 黨曉冰
（中南林業(yè)科技大學土木工程與力學學院，長沙410004）
[摘要] 制作比例為1：10的13層帶轉(zhuǎn)換層的筒中筒結構模型，底部5層為鋼管混凝土框支柱，上部轉(zhuǎn)換為鋼筋混凝土外框筒，內(nèi)部為落地鋼筋混凝土核心筒，高位轉(zhuǎn)換且豎向剛度有突變，模型結構形式比較復雜。為了掌握復雜高層建筑結構的抗震性能，對模型施加不同工況的水平荷載，測試模型在水平荷載作用下的靜力彈性性能。試驗結果表明，豎向荷載能顯著減少結構的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)變形，水平荷載及偏心距大小與結構的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)變形基本上呈比例關系，且變形符合疊加原理，結構的剛度突變使結構的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)變形在轉(zhuǎn)換層出現(xiàn)明顯拐點。
[關鍵詞] 鋼管混凝土柱；框支轉(zhuǎn)換；筒中筒結構；模型試驗；彈性變形
中圖分類號：TU317+．1 文章編號：1002-848X(2016)09-0048-06
0 前言
對于簡體結構的靜力彈性分析，目前理論研究較多。Coull A等提出了框筒結構的剪力滯現(xiàn)象，Foutch A等又發(fā)現(xiàn)了負剪力滯現(xiàn)象，剪力滯削弱了框筒結構的空間性能。研究影響剪力滯的因素、減少剪力滯的措旋，對充分發(fā)揮框筒結構的空間作用具有特別重要的意義。筒體結構的彈性簡化計算方法主要包括兩種：等效平面框架法、等效連續(xù)體法。各種簡化方法都通常假設簡體中的各平面框架只在自身平面內(nèi)具有抗側(cè)力剛度，而忽略平面外的剛度；樓板在自身平面內(nèi)剛度無限大，而忽略平面外剛度。與一般簡體結構相比，帶轉(zhuǎn)換層的復雜高層建筑結構的組成和內(nèi)力比較復雜，簡化分析計算比較困難，且靜力彈性性能分析的理論文獻較少，彈性階段受力性能的模型試驗研究更少見，一般是結合實際工程的帶轉(zhuǎn)換層復雜結構的擬動力試驗或振動臺試驗。
由于結構在絕大多數(shù)情況下處于靜力彈性工作階段，為了深入了解外框支．框筒內(nèi)核心筒結構的靜力彈性工作性能，依據(jù)相關規(guī)范，制作了一個比例為1：10的13層筒中筒結構模型，外筒底部5層為鋼管混凝土柱一鋼筋混凝土梁板結構，在第5層進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換梁為型鋼混凝土組合結構，上部8層為鋼筋混凝土密柱一深梁簡體結構，筒體四角為鋼管混凝土柱；核心筒為鋼筋混凝土結構。對模型進行了從水平荷載作用下的靜力彈性試驗到地震作用下的結構擬動力試驗等一系列試驗，掌握了結構模型在各種荷載工況下的內(nèi)力和變形情況，彌補了目前對帶轉(zhuǎn)換層復雜結構的理論和試驗研究較少的現(xiàn)狀。本文重點介紹結構模型的靜力彈性試驗及試驗成果。
1 試驗模型
1.1模型設計
在實驗室制作了比例為1：10的13層帶轉(zhuǎn)換層的筒中筒結構模型，模型總高4750mm，平面尺寸為1800 x1800。模型外框1～5層為框支結構，采用鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土梁板；6～13層為框筒結構，第5層設置型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換層，四角鋼管混凝土柱貫穿全高；采用鋼筋混凝土核心筒，四面開洞。模型立面圖見圖1。
模型1～4層層高450mm，5層層高300mm，沿四周等距布置8根鋼管混凝土柱，柱距900mm。鋼管截面為121.6×4.68（直徑×壁厚），周邊梁截面為40×80，鋼管與梁采用環(huán)形接點連接，各層樓板厚度為15mm，核心筒壁厚30mm，四面開洞150×300。第5層為梁式轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換梁截面為70×160，沿四周連接各鋼管混凝土柱，樓板厚20mm。模型6～13層層高300mm，外框筒四周等距布置24根截面為50×90的混凝土柱，柱距300mm，角柱截面為89.5×4.2（直徑×壁厚）的鋼管混凝土柱，裙梁截面為50×90，除頂層樓板厚20mm外，其他層樓板厚度15mm；核心筒壁厚20mm，四面開洞150×220。各樓層平面圖見圖2。
1.2模型制作
鋼管內(nèi)用細石混凝土澆筑，模型其他構件采用配筋石英砂漿，水泥標號為42.5。鋼管及管內(nèi)混凝土材性指標見表1，鋼絲材性指標見表2，石英砂漿強度見表3。以上指標均為實測平均值，混凝土試塊尺寸150 ×150×150，砂漿試塊尺寸70.7×70.7×70.7。模型立于尺寸為2 600 x2 600×250（長×寬×厚）的混凝土底座上，底層的8根鋼管混凝土柱和內(nèi)筒所配鋼筋全部錨入底座，并與底座下排鋼筋網(wǎng)焊接。為了加強底部筒體，在內(nèi)筒四角處附加一根
4.2的鋼筋錨固于底座至2層頂面。采用透明平板玻璃用作模板支模，以易于觀察混凝土的澆筑質(zhì)量，而且模型表面平整美觀。試驗模型見圖3。
1.3相似性關系
模型和原型的主要相似關系：長度相似系數(shù)
= 1/10；彈性模量相似系數(shù)E r=0.928。模型各層質(zhì)量如表4所示。
由于受到樓層空間不足限制，本試驗采用了欠人工質(zhì)量模型，考慮自重和活荷載模擬，不考慮非結構構件。欠人工質(zhì)量通過在樓層堆加砝碼和頂層施加豎向荷載實現(xiàn)。模型與原型的相似關系見表5。
2 試驗方法
2.1加載裝置
試驗在湖南城市學院結構實驗室進行。在模型的5，13層的南面和北面分別安裝一臺千斤頂，共4臺，各配20t力傳感器，由反力墻和反力架提供水平反力；在模型頂板安裝豎向千斤頂2臺，各配10t力傳感器，豎向反力通過反力梁傳遞給設置在模型兩側(cè)的
32豎向鋼拉桿，豎向鋼拉桿鉸接并錨固于地槽，這樣可避免由固定反力架提供豎向反力時反力梁對模型的水平約束作用。水平加載裝置見圖4。
在模型2，4，5，7，9，11，13層每層布置兩個百分表，分別位于每層東北角和西南角方向角柱的環(huán)形接點上，用來測量該層的平均水平位移和轉(zhuǎn)角位移。將應變片貼于模型各構件外表面進行應變測試，分布于1～6層。
2.2試驗工況
在彈性范圍內(nèi)加載，采用分級加載制度，中部加載F．、頂部加載F：的作用點高度分別位于5層（轉(zhuǎn)換層）、13層（頂層）樓板中心面位置處。
無豎向荷載時，加載工況主要分3類：1）中部加載，即F1≠0，F2=0，偏心距e的大小分別為e=0,e=150mm，e=300mm；2)頂部加載，即F1=0，F2≠0，偏心距的大小分別為e=0，e=150mm，e= 300mm；3)中、頂部同時加載，即F1=F2≠0，偏心距的大小分別為e=0，e=150mm，e=300mm。
有豎向荷載時，加載工況主要分2類：1）中部加載，即F1≠0，F2=0，豎向荷載分別為P=13. 89t,P=23. 89t;2)頂部加載，即F1=0，F2≠0，豎向荷載分別為P= 13. 89t，P=23. 89t。
以上所有工況分別改變水平荷載F的大小。
3 試驗結果
3.1不同偏心距e下的水平加載
在模型頂部（13層）和轉(zhuǎn)換層（5層）分別或同時施加水平荷載，以偏心距和荷載大小為變化參數(shù)，水平荷載分別為10，20，30kN，偏心距分別為0，150，300mm，測得模型相應樓層的水平位移見圖5。
3.2恒定豎向壓力作用下的水平加載
在模型頂板施加豎向荷載P，保持恒定的豎向壓力，然后分別對頂層和轉(zhuǎn)換層施加水平對中荷載，以水平荷載為變化參數(shù)，測得模型水平位移見圖6。
3.3水平偏心荷載下的扭轉(zhuǎn)角
無豎向荷載(P=0)時，模型在水平偏心荷載作用下的平面扭轉(zhuǎn)角位移見圖7。
在模型頂板施加豎向荷載P=13. 89t，將在頂層作用水平偏心荷載作用下測得模型的扭轉(zhuǎn)角位移與無豎向荷載工況下結果進行對比，見圖8。
4 試驗結果分析
4.1平移變形分析
(1)結構變形特征
由圖5，6可以看出，模型在較小的水平荷載作用下，荷載與水平位移成正比，基本上滿足線彈性假定。結構的水平位移曲線呈彎剪綜合變形特征，模型底部幾層以彎曲變形為主，模型上部樓層則以剪切變形為主。
模型外框筒為框支簡體結構，轉(zhuǎn)換層以下層間剛度較小，轉(zhuǎn)換層以上筒中筒結構樓層剛度較大，且底層層高比上部樓層大，故底部樓層的層間位移比上部樓層稍大。而且模型的中部（5層）位置為梁式轉(zhuǎn)換層，樓層剛度相對較大，其對結構側(cè)移的影響主要集中在結構上部，使結構頂點位移與層間相對位移都有所減小，只是后者減小的幅度稍大。這樣就導致了模型的水平位移曲線沒有明顯的反彎點，而是在轉(zhuǎn)換層附近出現(xiàn)了一個較為明顯的拐點。
模型試驗進一步驗證了轉(zhuǎn)換層對內(nèi)力和側(cè)移影響的理論，即轉(zhuǎn)換層會使結構層間抗側(cè)移剛度和層間抗剪承載力發(fā)生突變，因此，工程中應盡量避免轉(zhuǎn)換層結構的出現(xiàn)，且轉(zhuǎn)換層的位置應盡量低，以減少薄弱層的數(shù)量；另外，需在轉(zhuǎn)換層以下的樓層設置必要的剪力墻，以減少轉(zhuǎn)換層上下層剛度和抗剪承載力的突變。
(2)平扭耦合特征
模型在相同水平荷載作用下，改變偏心距的大小，對模型的整體水平位移影響不大，只是樓層扭轉(zhuǎn)角隨偏心距的增大而增大。由此可知，結構在平扭耦合作用下，可以將結構平移和扭轉(zhuǎn)分開計算，然后再進行疊加，試驗進一步驗證了平扭耦合的解扭原理，見圖9。
(3)豎向荷載對側(cè)移的影響
由圖6還可以看到，增加結構的豎向荷載時，模型的側(cè)移會有所減小，即增大豎向荷載能增大結構的抗側(cè)剛度，或者結構的抗側(cè)剛度與豎向荷載有關。這一現(xiàn)象在工程結構和結構試驗中普遍存在，工程中對結構側(cè)移的計算沒有考慮豎向荷載變化的影響�，F(xiàn)有的側(cè)移計算理論和分析手段都沒有考慮豎向荷載對側(cè)移的影響。
(4)位移疊加原理
如圖10所示，對結構中、頂部同時加載產(chǎn)生的水平位移與對結構中、頂部分別加載后的水平位移的疊加位移進行對比可以看出，兩者非常接近，可近似認為疊加原理在結構彈性階段是適用的。、
4.2扭轉(zhuǎn)變形分析
由圖7，8可以看出，模型在偏心荷載作用下的扭轉(zhuǎn)變形具有與平移變形相似的特征。
(1)偏心荷載位置對扭轉(zhuǎn)變形的影響
在偏心荷載較小的情況下，結構扭轉(zhuǎn)基本上滿足線彈性假定，也符合變形疊加原理。
在頂部施加偏心荷載時，扭轉(zhuǎn)角沿高度變化，除轉(zhuǎn)換層有一突變點之外，扭轉(zhuǎn)角曲線基本上接近于斜直線，說明各層的層間扭轉(zhuǎn)變形接近；在中部施加偏心荷載時，模型底層的扭轉(zhuǎn)變形相對較小，變形曲線在加載點以下基本呈斜直線，在加載點以上各層的扭轉(zhuǎn)角則相差不多，基本上處于同一垂直線上；對中、頂部兩點同時施加偏心荷載時，其扭轉(zhuǎn)變形類似于頂部單點加載時的情形。
(2)抗扭剛度對扭轉(zhuǎn)變形的影響
扭轉(zhuǎn)角曲線在轉(zhuǎn)換層位置發(fā)生突變。轉(zhuǎn)換層以下為框架筒體結構，相對上部筒中筒結構的抗扭剛度弱，結構扭轉(zhuǎn)變形大，各層抗扭剛度基本一致，即層扭轉(zhuǎn)變形基本一致，扭轉(zhuǎn)角曲線為斜率較�。▌偠容^小）的直線；轉(zhuǎn)換層以上為筒中筒結構，抗扭剛度大，扭轉(zhuǎn)變形大大減小，且為斜率較大（剛度較大）的直線。轉(zhuǎn)換層位置越高，突變越明顯。豎向荷載的增大使結構模型的扭轉(zhuǎn)變形變�。▓D8），而使結構和構件的扭轉(zhuǎn)剛度增大。
帶轉(zhuǎn)換層的結構，轉(zhuǎn)換層以下的結構抗扭剛度較弱，會給結構的扭轉(zhuǎn)變形帶來兩個問題：一是轉(zhuǎn)換層出現(xiàn)剛度突變，造成抗扭轉(zhuǎn)剛度嚴重不連續(xù)；二是下部結構扭轉(zhuǎn)變形過大，可能使層間扭轉(zhuǎn)變形超過規(guī)范規(guī)定值。因此，帶轉(zhuǎn)換層結構在下部布置必要的剪力墻、增加抗側(cè)移剛度和抗扭轉(zhuǎn)剛度是非常必要的。
5 結論
(1)豎向剛度突變的筒中筒結構的水平側(cè)移曲線雖然仍呈現(xiàn)彎剪綜合特性，但其已不具有明顯的反彎點，而是出現(xiàn)了一個明顯的位移拐點，拐點位置出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換層附近。
(2)彈性階段變形符合疊加原理，無論是水平側(cè)移還是扭轉(zhuǎn)，其變形量都可以按照疊加原理累加計算。
(3)轉(zhuǎn)換層的存在使抗側(cè)力構件不連續(xù)、結構剛度發(fā)生突變，顯著影響結構的受力特征，應盡量降低轉(zhuǎn)換層的位置、布置必要的剪力墻，加大下部結構的抗側(cè)移剛度和抗扭轉(zhuǎn)剛度。
(4)豎向荷載對變形有重要影響，豎向荷載的增加能加大結構抗側(cè)移剛度和抗扭轉(zhuǎn)剛度，顯著減小結構的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)變形。
