欠人工质量缩尺振动试验结构模型设计方法

欠人工质量缩尺振动试验结构模型设计方法目录•1引言•2原型和模型设计•3Pushover分析•4弹塑性时程分析•5结论•1引言•在现有的试验条件下可以得到振动台试验模型混凝土的弹性模量相似比一般在1/3附近,而模型钢筋通常采用镀锌铅丝模拟,它与原型钢筋的力学性能较接近，但与模型理想钢筋材料的力学性能相差较大。由于模型钢筋对试验模型进入弹塑性阶段的性能有重要影响，因此，本文研究振动台试验模型在不同配筋设计方法下其试验结果的差异，分析欠质量程度对欠人工质量模型承载力的影响，建议了缩尺模型设计的实用方法。2原型和模型设计•本文是以处于8度抗震设防区的单跨六层钢筋混凝土框架结构原型FM1为例，FM8-a和FM8-z分别为原型FM1按等面积配筋率方法和按构件承载力相似原则配筋设计的1/8缩尺模型。原型与缩尺模型的几何尺寸及配筋见图1与表1。•根据《建筑抗震设计规范》可知原型抗震等级为二级。根据需要可分别算出原型的梁、柱截面配筋率，配箍率等。•下表2列出了按一致相似率设计时不同附加质量模型的相似关系。原型混凝土材料取C30，弹性模量3.00×104N/mm2，附加面荷载3kN/m2，两种模型混凝土材料的弹性模量与承受荷载大小由FM1的相关参数按表给出的相似系数推算得到。)(SSSSlEa•注意：••缩尺模型混凝土的力学性能满足相似关系要求，但模型钢筋采用力学性能与原型钢筋力学性能接近的铅丝，不满足相似关系的要求。•FM8-a按照截面配筋率相等设计，参照原型FM1确定梁柱截面纵筋直径为4.25mm。FM8-z按刚才讲的设计方法可以得到每根纵筋的截面面积为4.25mm2，配筋根数同FM1，柱截面总配筋率1.36%，梁端受弯钢筋配筋率为0.91%，虽符合《建筑抗震设计规范》的要求，但梁柱配筋率分别降低了70%左右。箍筋配置同FM8-a，按受弯破坏控制设计。3Pushover分析•采用SAP2000软件，完成了原型结构与按不同设计方法设计的两个缩尺模型在不同附加质量下Pushover分析。用杆端离散的塑性铰模拟杆件的塑性行为，其中梁端设置M铰，柱端设置PMM铰。利用某截面分析软件得到构件截面的弯矩-曲率关系和柱截面的弯矩-轴力屈服面关系参数。混凝土应力-应变曲线采用《混凝土结构设计规范》建议的单轴应力-应变曲线，混凝土轴心抗压强度标准值为混凝土圆柱体轴心抗压强度，取立方体强度的0.8倍，抗拉强度标准值取轴心抗压强度标准值的1/10。模型混凝土的曲线形状与原型似，满足等应变要求。输入该软件的混凝土和钢筋应力-应变曲线如图2所示，具体参数取值见表3。将截面分析软件计算得到的梁、柱截面塑性铰曲线参数赋予SAP2000计算模型中对应的杆端塑性铰。通过推覆分析获得模型的基底剪力-顶点水平位移关系曲线，按表2给出的相似比将模型的计算曲线换算到对应原型，结果如图3所示。•由图3知，按等面积配筋率进行配筋设计时，FM8-a不同配重模型的最大基底剪力相差不足3%，但与原型FM1的计算结果比较FM8-a满载时最大基底剪力为1354.8kN，为FM1计算最大基底剪力537.2kN的2.5倍，即缩尺试验模型均过高地估计了原型结构的抗震能力。•按构件承载力相似原则进行配筋设计的FM8-z缩尺模型，在不同配重下的最大基底剪力相差不足3%，与原型FM1的计算结果相比，FM8-a模型在满载时最大基底剪力为548.5kN，二者比较接近。•图4和图5所示分别为不同计算模型Pushover分析中在基底剪力最大时模型中塑性铰分布情况(图上数字为荷载步);表4与表5所示分别为不同计算模型在Pushover最终状态下塑性铰出铰顺序，表6与表7所示分别为不同计算模型Pushover分析中出现第1个梁铰与第1个柱铰时对应的顶点位移与基底剪力。•由表4、5和图4、5可知，按等面积配筋率配筋的FM8-a不同配重模型均为底层柱端先出铰，而原型FM1梁端先出铰。按构件承载力相似原则配筋的FM8-z不同配重模型的出铰顺序一致，也与原型FM1的出铰顺序一致。•表6、7中FM8*为将缩尺模型响应按相似比换算到原型结构后对应的值。由表6可知，按等面积配筋率设计的不同配重模型换算的原型FM8*-a，对比第1次出铰时的顶点位移和基底剪力，最大偏差均未超过5%，但均为原型FM1对应计算结果的2倍以上。由表7可知，按构件承载力相似原则设计的不同配重模型换算的原型FM8*-z，对比第1次出铰时顶点位移和基底剪力，最大偏差为17.3%，满载时第1次出梁铰和第1次柱铰时对应的顶点位移与原型FM1的计算结果的最大偏差不到5%。从上述分析计算结果，可得如下结论:框架结构振动台试验模型设计中，如果配筋采用与原型钢筋力学性能接近的材料但与理想钢筋模型力学性能相差较大的材料如镀锌铅丝，而模型混凝土满足相似关系要求时，按构件等面积配筋率设计模型，根据模型试验结果推算原型结构性能时将过高地估计原型结构的抗震能力。按承载力相似原则设计的模型其地震响应与原型接近。4弹塑性时程分析•由于Pushover是弹塑性静力分析，而振动台试验是动力响应问题，因此，在静力弹塑性分析的基础上补充模型的弹塑性时程分析。•建立混凝土受拉、受压模型及钢筋本构模型并考虑相关效应，应用某种时程分析软件进行弹塑性时程分析。•选用El波地震加速度记录作为地震输入，对原型FM1将峰值加速度调整到400cm/s2，以模拟8度设防罕遇地震的加速度峰值，对缩尺模型进行时间缩比与加速度峰值调整后输入。采用该时程分析软件计算了上述计算模型，得到不同结构模型的出铰顺序以及出铰时的位移、最终状态下的塑性铰分布及出铰顺序，结果见图7、8及表8～11。•由图7和表8可知，按等面积配筋率配筋的FM8-a不同配重模型均在二层和三层先梁出铰，不同于原型FM1在四层先梁出铰，柱出铰时间与FM1接近，但梁出铰时间明显晚于FM1。•由图8和表9可知，按承载力相似原则配筋的FM8-z不同配重模型均为四层先梁出铰，底层柱出铰晚于二～五层梁铰出现，与FM1出铰顺序基本一致，出铰时间也与FM1基本一致。•表10与表11中带*即为模型响应按相似比换算到原型后对应的响应值。由表10、11中可知，按等面积配筋率配筋的FM8-a不同配重下柱出铰时顶点位移最大偏差为3.2%，与FM1相比，偏差达27.6%。按构件承载力相似原则配筋的FM8-z不同配重模型柱出铰时的顶点位移最大偏差达17.1%，与FM1相比，最大相差约10.3%。5结论•(1)对于钢筋混凝土框架结构模型，按承载力相似原则进行配筋设计，能够基本准确预测原型的动力响应;当模型钢筋力学性能不完全满足相似比要求时，按等面积配筋率配筋的模型会高估原型的地震响应。•(2)欠人工质量模型中配重不足因素的影响与构件配筋率有关，当柱配筋率较高时，配重不足因素的影响小。•(3)提出按实际模型中钢筋的弹性模量与理想模型钢筋弹性模量比来修正杆件截面配筋率的设计方法，以使模型试验结果能更真实反映原型结构的性能，并易于操作。谢谢观赏WPSOfficeMakePresentationmuchmorefun@WPS官方微博@kingsoftwps