1、对一个半完工的双层预制混凝土结构物的抗震测试RODRIGUEZ Mario E , BLANDON John J. PCI journal, ISSN 0887-9672,2005, vol. 50, no1, pp. 94-114 21 page(s) (article) (14 ref.),Institute of Engineering National University of Mexico, Mexico City, MEXIQUE摘 要此论文讲述了关于对地震的研究以及对预制混凝土建筑物的设计。在墨西哥城，对一个纳入双系统的半规模两层预制混凝土建筑和一个停车的代表性的构筑物进行了调
2、查。在实验室里用模拟地震荷载测试，这个结构物测试的结果没有成功。在一些梁与柱的接头处，粱底部的纵筋由于尺寸的限制而不能屈服。这项研究所强调的是提高所测试结构物的可观察的综合性能。这种现象表明，所测试结构物的墙控制传力途径，而且能显著地减少预制结构所要求的侧向变形。源自于此项研究的预制混凝土结构抗震设计标准和规范细节亦被讨论过了。此项研究的最终结果是，这项研究能更好地了解这种类型的建筑物的已知的性能。关键词：结构失效；结构分析；延性；混凝土结构；预制构件；墨西哥导言此论文讲述了关于对地震的研究以及对预制混凝土建筑物的设计。在墨西哥图1城，对一个纳入双系统的半规模两层预制混凝土建筑和一个停车的代表
3、性的构筑物进行了调查。在实验室里用模拟地震荷载测试，这个结构物测的试结果没有成功。在一些梁与柱的接头处，粱底部的纵筋由于尺寸的限制而不能屈服。这项研究所强调的是提高所测试结构物的可观察的综合性能。这种现象表明，所测试结构物的墙控制传力途径，而且能显著地减少预制结构所要求的侧向变形。源自于此项研究的预制混凝土结构抗震设计标准和规范细节亦被讨论过了。此项研究的最终结果是，这项研究能更好地了解这种类型的建筑物的已知的性能。图2本文描述的结果是在墨西哥的，一个由预制混凝土构件建成两层的预制混凝土建筑物上加上模拟的地震荷载。在测试结构物中所选择的结构系统即是所谓的双重类型，其定义就是构造墙的结合点以及梁
4、-柱框架。测试结构物中预制梁柱之间的结合是窗型的。这种类型的建设显著地用在低的或中等高建筑物中，在这种建筑中在每一楼层中柱子和窗子连在一起。这些“窗”包含顶部和底部的钢筋。图1所示的是在墨西哥市中的这种类型的一个商业建筑物。大多数的预制混凝土结构如图1中所示，纵梁底部的钢筋不能完全屈服。这是由于在梁-柱接头中柱的尺寸限制所造成的。为了尽力克服这种缺陷，正如在后文所描述的，在墨西哥一些工程师尝试着这样设计这些接头，那就是通过用箍筋圈住这些钢筋，这样做是为了达到所要求的连续性。然而，这种尝试并没有包括在ACI建筑规范和MCBC中。这些研究的一部分也是为了阐述这个观点。图3这项研究的目的是为了提高在
5、实验室里的预制混凝土结构屋的可观察的性能以及为利用预制构件或预制结构建议了一个可接受的期望的抗震性能以及从建设能力的观点所得出的有吸引力的特征。这篇文章中强调的所测试结构物中预制构件间的连接处的可观察的性能以及预制楼层系统的性能将会详细讲述。在过去的地震中，在建筑物中造成的可观察的构造和非构造的破坏显示了通过控制结构的侧向位移，来降低由地震造成的建筑物的破坏的重要性。在这里还要提到的是，在中等程度的地震中有一些情况下非结构构件的破坏相当大，尽管构造构件只有一点破坏或根本就没有破坏。这种性能和结构物中所要求的过多的侧向位移有关。为了减少地震所造成的破坏，以上的讨论建议了在结构物中可以方便地使用能
6、控制恻向位移的构造系统。这种类型的解决方法就是所谓的双重系统。Paulay和 Priestly的关于双重系统的地震反映的研究表明了墙的出现降低了框架微系统中结构构件的动力要求。同时，在一个现浇的钢筋混凝土双重系统上所做的摇摆测试显示了双重系统能够达到良好的抗震性能的潜力。在这次调查研究中，双重系统应用在预制混凝土构件上。图4双重系统的柔性要求为了使这个工程所研究的被测试结构物的能观测到的抗震反应的以后的分析打好基础，一个简单的分析模式被用来提高双重系统中主要柔性特征要求。表1图2所示的是一个简单的分析作用在双重系统侧向荷载反映的结果。侧向荷载从这种方式标准化，将任一系统中最大的侧向抵抗力联合起
7、来。比如，墙和框架导致综合系统的侧向抵抗力。假设任一微系统的总的位移量为4和2。在第二种情况下，框架系统假设为弹性，墙微系统的刚度为框架微系统的4倍。图5图2所示，联合系统的侧向变形兼容性由墙微系统的侧向变形量控制，在第一种情况下，假设双重系统的总侧向反应有一个塑料封套，相应的位移系数是3.3在第二种情况下，框架微系统在弹性力下，起位移系数是2.5。图6这些简单的例子说明，在以上分析的情况下，由于在双重系统中框架微系统与墙微系统相比弹性大的多，框架微系统柔性要求更小比墙微系统的该项要求有价值。这项分析结果在被测试的结构物上所做的研究被证实了，这个证明在这篇文章的后面会讨论。有趣的是图2所示的类
8、型的结果，Bertero在一个摇摆测试的双重系统中也发现了。图7描述测试结构物在这次调查中所用到的被测试结构物是一个两层的预制混凝土建筑，是一个位于墨西哥市的频繁地震发生地带的有代表性的低层的停车构筑物。原型还未完工，为了简单起见，一个停车场结构物所需的扶梯在所选的结构物中没有考虑。如果考虑的话，将占有楼层系统的大面积空间，为了进行结构物的线性或非线性分析，将需要一个非常复杂的楼层系统模型。关于所测试结构物的详细的尺寸，材料，设计步骤和建设描述到处都可以发现，下面给出了这些信息的一个总结。所测试结构物的尺寸和一些特征如图3所示，其纵向以及相反方位如图3所示，同时，外部框架包含墙被定义为侧向框架
9、，内部框架和单个T梁被定义为中间框架。纵向的两个T梁由相反方向的L型预制梁支撑如图3所示，该结构物用预制框架和预制构造墙组成，后面构件的功能是作为主要的侧向荷载抵抗系统，图4所示的是所测试结构物建设的早期阶段。我们可以看到，在柱和墙上留下了一些窗，是为了以后的预制梁的装配。图8墨西哥城市建筑规范所要求的设计基础剪力为0.2Wt, Wt是模型结构物的总重，假设横载为5.15Kpa，活载为0.2Kpa，模型结构物是按弹性分析的步骤设计的，比例是按照MCBC要求来的，结构物中构件总的惯性都考虑了，结构物中除了中间框架的梁（会在以后介绍）以外的所有梁都考虑了刚度补偿。图9这些分析的结果表明测试结构物中
10、的构造墙将承受65%的设计侧向荷载，一个用MCBC步骤考虑的结构物的名义上的侧向抵抗显示这个抵抗力是规范规定的侧向抵抗的1.3倍。这只是使结构无承载过度的因素中的其中之一，其它的以后会讨论。图10测试结构物的所有构件的纵筋都是从420级钢筋开始破坏的，表一是模型结构物中不同构件的混凝土压柱强度。图5显示了预制梁在跨越侧边方向的荷载时的典型增强细节。图6，7分别是柱，构造墙和基础的钢筋详细情况，应提到的是，测试结构物是按MCBC要求设计的适度柔性结构物。由于这些规定，测试结构物不需要ACI318-02第21章所要求的有边界部件的特殊的构造墙。图11预制的两层柱是通过埋置在一个插座连接处与预制基础
11、相连接的基础的配筋情况以及设计步骤和性能在相应的文章中讨论。测试结构物的梁-柱接头是现浇的，为了能安置框架梁中的纵向钢筋。梁顶部钢筋是按in-situ分布在预制梁的顶部.图8所示的是中间框架中双T接头的配筋情况。因为这些T支座和支撑他们的L型梁 在轴A,C上深度相同(见图3),在双T座底部的钢筋不能穿过整个柱深,因为其被相反方向的底部钢筋打断了。图12所以 ,这些带钩的钢筋只有ACI318-02第21章所要求的55%的发展长度。为了能锚固住这些带钩钢筋,在墨西哥的一些设计师沿着钩用封闭的箍筋箍住,如图8所示,这种方法的有效性在相应的文章中会研究。测试结构物的侧向框架中的梁-柱接头中有相反方向的
12、梁比纵梁还要深。这使的纵梁中顶部,底部的钢筋能穿过整个接头,所以这些钢筋能达到所需要的发展长度。测试结构物中顶部的现浇的板层有30mm厚,也形成了结构系统的图表。WWR被用作顶部的板层的钢筋,顶部板层中WWR的数量由MCBC中温度和收缩要求控制,这与ACI318-02中的控制要求相似。有趣的是,由这些规范所给的图表中的抗剪强度要求与ACI318-89的要求相似,不控制设计,钢筋尺寸是66英寸,10/10导致在顶层 的钢筋增强比率为0.002,WWR的测试屈服和破坏强度分别是400和720MPa。测试程序以及测试设备测试程序测试结构物在纵向加上了模拟的地震荷载（见图3a）,周期的侧向荷载F1,F
13、2分别加在结构物的第一第二高度上，F2与F1的比率代表的是转变的三角分布荷载。这种比率与MCBC中大多数抗震规范的假定一致。图13测试装置如图9所示，结构物在每个厚板高度处有合页A、B、C如图9所示，装合页的目的是通过在侧向荷载测试时允许厚板的尾部自由转动来避免结构物的不真实的抵制，从图9中可以看到侧向荷载是通过水力发动机在拉压方向施加。当发动机工作在压力方向时，它直接在结构物的一边施加荷载。但是当发动机在结构物的一边施加拉力时，会通过4个高强的预应力钢筋在每一边转变为压力，这些钢筋的两端焊在50mm的厚钢板上，在每一楼层高度处，这些钢板中的两个是合页A的一部分，在发动机一边的另两个钢板是合页
14、B的一部分（见图9b）。如图9b所示，在用发动机施加拉力之前，钢板的尾部留下了放置厚板端部的空间。在侧向荷载为0处该空间大约为50mm，当梁中的塑料合页形成时，该空间就允许了梁的延长，在这种发动机作用在合页B上一边的相反方向的梁上产生压力的情况下（见图9b），系统也允许50mm的梁的延长。测试装置的这些特殊的特点允许在厚板上的一些点上有压力而在这些点上不需特别加强。如果拉力已加在厚板上的荷载点上，那么很有可能的是这些荷载将需非真实的特殊的加强，而在真实的结构上不需要。图14重力荷载是结构物中分布的53个钢板的重力。如图9a所示，每一单元的每一高度出的钢板重力的是2.79kPa(58.3psf)
15、,且加上了厚板的重力，使楼层的横载为5.73kPa。这是抗震设计所需重力荷载的88%（MCBC,1993）。由于厚板的空间的局限剩下的12%的重力荷载不能应用。结构物的总重，不包括基础的重力，是284.2kN(63.9KIPS)。结构物的横向偏移（垂直与荷载方向）可以通过安装在第二层的A1,A3梁-柱接头上的刚球来防止。这些球座通过刚框架支撑。如图10所示，预制的柱，墙用由基础支撑的刚梁安置在楼层上，并锚固在楼层上。测试结构物上的侧向加载是由结构上的弹性反映的控制力，还根据屈服阶段位移控制，即结构物上屋顶的侧向位移。最终的侧向荷载是上面的一半。最初应用的一个周期的侧向荷载大约是0.75VR，V
16、R的数值是198kN（44.5Kips）,能假定为结构物第一阶段的屈服强度。这个参数是用可测量的材料特性计算出来的，单元的折减系数和简单的加强混凝土部件的抗弯强度的假定。侧向力为0.75VR，其相关的屋顶侧向位移被定义为0.75y,用这个数值和假定为弹性的情况下，在第一屈服阶段计算位移为y，即4.5mm(0.18英寸)。图15在0.75y的周期过后，结构物被加上三个周期的荷载，每一个周期最大的屋顶位移为2y，4y，6y，13y，20y，与此对应的屋顶的偏差率是0.003Dr,0.006Dr,0.009Dr,0.020Dr,0.031Dr。屋顶偏差率可以这样计算Dr=/H，H是结构物从第一楼层的
17、端部测量的，其数值为2920mm(115英寸)。图16加在结构物上的完整的侧向荷载如图11所示。这个加在过程是用位移比来表达的，/y，屋顶偏差率Dr，另外图11中侧向位移最大值与可测量的剪力V相关，用V/VR的比率表示。使用仪器详细的结构物的测试设备的描述可以见Rodriguez和Blandon的报告。结构物的侧向位移是由装在结构物每一高度处的线性电位计测量出来的。图12对电位计用来测量结构物的两个柱见的临界截面的平均曲率，九对电位计设置在中心和侧向框架中梁的垂直部分，以及墙的基础部分。图17电阻应变测量器安装在结构物中一些梁柱和墙中的纵向钢筋处。还装在梁-柱接头出的箍筋出。用着写测试设备所测
18、的结果以及电位计测量在相关文章中会讨论。这里带有不合格的钢筋信息的梁柱接头的可观察的试验反映被计算出来了。实验结果加在试验结构物上的侧向荷载又如图13所示，在这种情况下，侧向位移的最大值与测试时大多数重要构件有关，比如纵向钢筋的第一屈服阶段，墙和顶部厚板刚开始破裂时，混凝土盖板倒塌，纵筋屈服。图18图14所示的是可测量的基础剪力V，屋顶偏差率。该图的纵坐标代表的是以非尺寸形式表达的V/VR.如图14a所示，墙和基础临界面处纵筋的第一屈服阶段，屋顶的偏差率为0.0030，与此相关的基础剪力大约为1.4VR，可测量的最大基础剪力为549kN（123.4kips）或2.77VR,与此相关的屋顶偏差率
19、为0.020。图14b所示的是偏差率dr，是在结构物的两处高度处测量出来的，结果显示的是两层有相同的偏差值，这是由于构造桥对结构物的总的反映的突出贡献。结构物的这个位移特征表示，给定一个Dr值，偏差值在数量上相似。周期侧向荷载以屋顶偏差率0.034以及相应的基础剪力为462kN或2.3VR终止。在这个侧向位移的高度处，在第一层墙的端部的纵筋的屈服点超过了，这导致了沿着顶部厚板-墙的接头的裂开处的显著的超出平面的位移。图14a也显示在测试过程中一些可观察重要的构件。下面介绍的是在结构物的测试过程中可观察的破坏构件的小结。图19墙的破坏最初是由混凝土盖板的倒塌以及在第一楼层墙端的纵筋的屈服造成的，
20、这些构件的Dr值为0.020，纵筋的屈服是在这些临界面的混凝土的倒塌后立刻发生的。图15，16所示的是测试结束时侧向框架的破坏的总的概括。图18提供的是测试结束时第一楼层墙端的纵筋屈服时的详细情况，图15-18说明了测试结束时，柱，梁柱，梁-柱接头处可观察到的破坏情况明显的比墙要小。在结构构件的临界面中的塑料合页的形成，比如在第一楼层柱和墙的末端，在梁的末端，尤其在达到最大基础剪力时被观测到了。刚开始裂开和折断时，在厚板的顶部和板-墙接头处的WWR被观测出的值的范围是从1.4到2.1，测试结束时，每一楼层的裂缝形式，在Rodriguez和Blandon的相关文章中有介绍，如此处所见，在厚板顶部,尤其是板-墙接头处的钢筋的折断可以观察到，接头出折断的宽度是15mm和30mm。图19所示的是结构物的失效模式，描述的是弱梁-强墙的失效机理，该假定的机理以可观察的塑料合页的安置为基础。20
