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文檔簡介
1、南 京 建 筑 工 程 學 院 學 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 2(, 南京 , 210009; 2 哈爾濱建筑大學 , 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行震后損傷修復加固試驗 , 給出地震后損傷結構物理參數識別方法 , 以及震后有損傷結構抗震加固設計的具體步驟
2、 。關鍵詞 地震控制 ; 地震模擬試驗 ; 結構修補 ; 耗能裝置 ; 損傷結構 ; 震后修復中圖號 TU 375我國現行抗震設計原則是 :“小震不壞 , 中震可修 , 大震不倒” 。 基于這一原則 , 對中震后有 損傷結構需進行修復加固 , 使其保證具有抵抗下次地震的能力 。 傳統的加固方法基本上都是通 過增強結構自身的強度或剛度來實現抗震加固的目的 。 文獻 1, 2已提出結構控制與維修策 略 , 使其保證結構具有整體性能 。 隨著被動控制技術的發(fā)展 , 該技術已應用于完好結構在震前 的抗震加固 3, 4, 但是 , 這一技術應用于震后有損傷結構的抗震修復在國內尚不多見 , 本文通過 震后
3、損傷結構耗能減震修復試驗 , 力圖在這方面做一點有益的嘗試 。1有損傷結構加固控制參數的確定在結構修復加固之前 , 應確定結構完好時及損傷后的層間剛度 。 結構損傷前 、 后的層間剛 度參數確定 , 歸結為結構參數識別問題 。 目前 , 結構參數識別方法較多 5, 但多數方法僅能識別 結構的動力特性及物理參數 , 如 :結構自振頻率 、 振型及結構整體或總剛度矩陣等參數 。 而對于 有損傷結構進行修復加固 , 主要是要確定結構的層間剛度退化值 , 才能進行加固設計 。 本文提 出結構層間剛度識別方法 , 既能確定結構剛度損傷值 , 又能確定損傷所在的層位 , 為損傷結構 的修復提供可靠信息 。
4、111完整模態(tài)參數狀態(tài)下的物理參數識別對于有損傷結構進行激振 , 通過測試和識別得到結構全部模態(tài)參數時 , 即已知 :d1, d2, , dn 及振型矩陣 5d , 根據彈性體系振動理論可以求得結構損傷后的整體剛度矩陣K d =(5T d -1diag (K d 5-1d (1 國家自然科學基金資助項目 (59378365收稿日期 :1995212221式中 diag (K d 是有損傷結構廣義剛度矩陣 , 可以由下式計算diag (K d =diag (m diag (2d (2 式中 diag (m 是結構廣義質量矩陣 , 按下式計算diag (m =5Td M 5d(3M 是結構質量矩陣
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)參數狀態(tài)下的物理參數識別當識別得到非完整模態(tài)參數 , 即僅獲得某階頻率 d j 及對應的振型向量 5dj 時 , 則根據彈性 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 , 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特性及設計耗能減震是通過采用附加子結構或一定措施 , 以消除地震傳遞給結構的能量為目的的減 震手段 。 本文著重討論這一技術在震后有損傷結構修復加固領域中的應用 。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 、 阻尼器和耗能構件 。 本文所做的震后有損傷框架修復試驗 , 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 。 其力學性能是阻尼器進入屈服后剪力不再增加 , 單 片恢復力模型如圖 2所示 。修復加固安裝在框架
7、層間的阻尼器系統由支撐及軟鋼阻尼片構成圖 (3 示 。 支撐設計為剛圖 1三 角 鋼 板 耗 能 片 mm 圖 2耗 能 片 恢 復 力 模 型 圖 3裝 有 阻 尼 器 系 統 的 結 構 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移剛度 , 因此 , 損傷后結構側移剛度增強由耗能器貢獻 。 修復后的 結構屈服點應與原結構的屈服點相同 , 因此 , 選擇計算模型如圖 4所示 。圖 4耗能片數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 是結構第 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 是結構完好時第 i 層的側移剛度 , 可由設計參數確定 ; Q d i 根據識別方法獲得 。阻尼片的屈服 強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結構某層所需耗能片的數量 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震后有損傷結構的抗震加固設計為了防止修復后的結構在某個預料不到的樓層出現剛度和強度突變現象 , 本文提出如下 加固準則 :加固后結構的初始剛度和屈服強度與該結構完好時相同 , 即保證加固后結構的上 、 下層剛度比和屈服強度比與完好結構一致 。 基于上述修復加固準則 , 給出震后有損傷結構抗震 加固設計的具體步驟 :(1 按設計參數或識別方法計算結構完好時各層剛度 ;(2 按本文第一節(jié)識別方法確定結構損傷后的各層剛度 ;(3 按測試反應確定薄弱層 ;(4 按式 (8 計算所需耗能片的數量 。阻尼器設計參數 h 、 t 和 b 根
10、據阻尼器剛度選擇而定 , 阻尼器剛度根據 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 , 設計工況為 8度地震烈度 ; 類場地條件 ; 結構按我國現行抗震設計規(guī)范設計 ; 試驗模型按 1 4比例制作 。01南 京 建 筑 工 程 學 院 學 報 1996年 411試驗模型制作及框架底層恢復力骨架曲線試驗模型尺寸如圖 5所示 , 框架模型特征參數列于表 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 為水泥水細骨料粗骨料 =1 0152 1152 215, 水泥標號為 450#, 細 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 初始剛度 K o i kN c m -1屈服剪力Q y i kN質量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模型恢復力參數參數 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結構地震后損傷修復加固試驗結構地震后損傷修復加固試驗在哈爾濱建筑大學力學與結構實驗中心 3m ×4m 模擬地 震振動臺上進行 , 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接為整體 ,每層質量為 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 進行了壓縮 , 時間步長為 t =0101s (相當于原結構的 0102s , 持時為 10s 。地震工況輸入如 下 :(1 輸入 011g , 測試結構完好時動力特性 ;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 , 層間 剛度實測層間位移 x i
15、c m01980159301580修復后的 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 后 的 框 架 輸 入014g , 進行損傷分析 , 并與 ( 2 對比 , 分析修復效果 。 以上 (2 、(4 果見圖 6和表 (414試驗結果表明 , 當完好結構輸入峰值 014g 的地震波時 , 僅 有框架底層柱上 、 下出現裂縫 , 其 最大位移反應是 1112c m , 該層 已進入塑性階段 , 所以底層為薄 弱層 , 需進行修復 。 第二 、 三層柱 均未出現裂縫 , 其層間位移小于 屈服位移 , 仍處于彈性
16、階段 , 見表 4。 對損傷結構輸入 011g , 同時對位移時程反應進行 Fou rier 幅值譜分析見圖 6(h , 由位移反應譜中的峰值點確定第一頻率 , 并測得振型 (分別見表 4與圖 6(h 。 按本文第一節(jié)計算損傷后結構層間剪切剛度 (見表 4 , 并按第二節(jié)設計耗能器對底層進 行修復 。 修復后的結構再進行地震損傷分析 , 其結果列入表 4。 從以上結果可以看出 , 上述加固 方案有效地改善了震后有損傷結構在下次地震作用下變形集中問題 , 從而達到結構修復 、 提高 抗震能力和防止倒塌的目的 。(a 框架第三層位移反應 (014g (b 框架第二層位移反應 (014g 21南 京
17、 建 筑 工 程 學 院 學 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結論 本文利用結構被動控制方法, 對震后有損傷鋼筋混凝土框架應用耗能減震技術修復進行 試驗研究, 并給出具體加固設計步驟。 通過試驗得出如下結論: ( 1 鋼筋混凝土框架在遭受中等強度的地震損傷后, 采用耗能減震裝置修復, 可以使結構 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ( g 修復后框架第一層位移反應 ( 014 g ( h 框架損
18、傷后輸入 011 g 第三層位移反應譜 圖 6Fou rier 幅值譜分析圖 14 南 京 建 筑 工 程 學 院 學 報 1996 年 達到完好狀態(tài)下的抗震能力; ( 2 震后有損傷框架結構的層間剛度可以應用參數識別方法確定, 從而為修復用的耗能裝 置設計提供依據, 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行抗震修復, 有簡便實用特點。 參 考 文 獻 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 1 工程軟設計理論 1 北京: 科學出版社, 19921252 256 2吳波, 李洪泉, 歐進萍 1 地震后有損傷結構耗能減震加固設計 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
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