蔡玉軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

高強輕質混凝土框架的抗震性能研究及在鐵路旅客站房上的應用

蔡玉軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

在對高強輕質混凝土和普通混凝土力學特性對比分析的基礎上，以某鐵路旅客站房為例，運用SAP2000有限元軟件，對C40、LC40兩種材料的混凝土框架進行動力特性和地震作用反應譜對比分析。首次進行1∶5比例的兩層兩跨高強輕質混凝土框架模型的縮尺試驗，對框架的破壞機制、延性及恢復力特性進行數(shù)據(jù)收集和分析，其研究結論表明:高強輕質混凝土框架具有良好的滯回特性和耗能能力，可滿足地震區(qū)抗震性能的要求。

鐵路旅客站房；高強輕質混凝土框架；反應譜分析；試驗研究；縮尺試驗

高強輕質混凝土(High Strength Lightweight Concrete，簡稱HSLC)兼有結構材料和功能材料的特點，具有高強輕質、保溫隔熱、隔音性能好等優(yōu)點，是一種具有良好發(fā)展前景的綠色建筑材料，美國、德國、日本等國家將該種混凝土廣泛應用于高層建筑、公共建筑、海洋工程、橋梁工程等領域[1-4]。在我國，由于受粗骨料強度、摻和料性能及配合比等因素的制約，高強輕質混凝土的應用受到一定的限制，特別是在鐵路旅客站房方面更是如此。

新時期，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路旅客站房的功能和空間要求得到了進一步提升，涌現(xiàn)出一批結構和體型較為復雜和具有標志性的旅客站房[5]。目前，鐵路旅客站房多采用現(xiàn)澆混凝土框架結構體系，在普通混凝土框架結構設計中，混凝土自重在結構荷載中占了很大比例，造成結構自重大、地震效應突出等問題，應該在材料的合理選用方面做出創(chuàng)新，走符合國家健康發(fā)展高性能混凝土結構產(chǎn)業(yè)的政策道路。

本文以鐵路旅客站房為研究對象，開展了高強輕質混凝土框架的反應譜反應分析和1∶5縮尺模型試驗，為高強輕質混凝土材料在鐵路旅客站房的應用提供技術支持和理論依據(jù)。

1 高強輕質混凝土的研究現(xiàn)狀

S.H.Ahmad等[6]、Keun-Hyeok Yang等[7]、Kowalsky[8]、Serena[9]等學者對高強輕質混凝土簡支梁、深腹梁、柱和橋墩等構件進行了試驗研究，研究表明：由于高強輕質混凝土的脆性顯著，直接將其用于工程還存在強度、剛度和延性難以滿足地震區(qū)重要建筑結構要求的技術問題。因此，對高強輕質混凝土的強度給出了嚴格的限制。如ACI318—08規(guī)范規(guī)定“地震區(qū)輕質混凝土強度等級不宜超過34.5 MPa”、我國《輕骨料混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ12—2006)規(guī)定“設防烈度為8度時，輕質混凝土強度等級不宜超過LC45”。

高永孚[10]等對高強輕質混凝土框架節(jié)點進行了抗震性能研究，研究表明：輕骨料混凝土較普通混凝土節(jié)點剪切變形影響顯著，在高強輕質混凝土框架地震反應分析中，應考慮節(jié)點剪切變形對結構變形的影響，需要建立節(jié)點的剪應力與剪應變的計算模型。

劉哲鋒[11]等基于輕骨料混凝土對普通混凝土框架結構作等截面代換的研究，提出了結構底部彈性層間位移放大系數(shù)及地震力放大系數(shù)的簡化計算公式。研究表明，當采用的輕骨料混凝土的強度以及密度等級足夠高時，框架結構的抗震性能并不會降低，且結構自重的降低、混凝土抗壓強度的提高以及地震力的減小將使工程造價有所降低。

但目前國內(nèi)外尚無高強輕質混凝土框架模型的抗震性能試驗研究。本文在對C40普通混凝土和LC40高強輕質混凝土框架地震反應響應對比分析的基礎上，首次進行了1∶5比例的雙跨雙層高強輕質混凝土框架模型的試驗，對框架的破壞機制、強度、延性及耗能性能進行了數(shù)據(jù)收集和分析，對進一步研究高強輕質混凝土在旅客站房上的應用提供了依據(jù)。

2 高強輕質混凝土的本構關系及相關材料特性

以陶料為粗骨料配制高強輕質混凝土，陶?；炷梁推胀ɑ炷猎嚰膽?應變曲線如圖1所示。可以看出，陶粒混凝土與普通混凝土的應力-應變曲線類似，但陶?；炷恋膽?應變曲線下降段與普通混凝土不同。這主要是因為試驗中所采用的輕骨料陶粒強度相比碎石低，在配制強度較高的輕骨料混凝土時，其表現(xiàn)出一定的脆性，所以在試件的應力-應變曲線下降段還未完整的得到時，陶?；炷翗嫾寻l(fā)生了脆性斷裂，由此說明陶粒的優(yōu)劣在很大程度上影響著陶?；炷恋馁|量[12-13]。

依照《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)和《輕骨料混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ12—2006)，C40、LC40兩種材料的力學性能參數(shù)對比如表1所示。

圖1 混凝土本構關系

材料強度/MPa容重/(kN/m3)彈性模量/MPa泊松比C4019.124.03.25×1040.2LC4019.118.02.33×1040.2

注：混凝土切剪模量約為彈性模量的40%。

3 高強輕質混凝土框架的地震反應分析

結合某鐵路旅客站房結構框架，運用SAP2000有限元軟件對C40、LC40兩種材料的混凝土框架進行了動力特性和地震作用反應譜對比分析，研究其在彈性范圍內(nèi)地震作用下的結構位移、基底剪力的差異。

3.1 工程概況

某鐵路旅客站房，主體結構采用鋼筋混凝土框架體系，中部候車廳屋蓋為鋼網(wǎng)架。原設計中框架梁、柱及板均采用普通混凝土，等級為C40，現(xiàn)采用LC40高強輕質混凝土代替原結構普通混凝土材料，其他條件不變。站房平面軸線尺寸為21.0 m×36.0 m，一層結構平面如圖2所示。兩側站房地上兩層(含局部夾層)，層高分別為8.0 m和6.0 m，中部候車廳網(wǎng)架頂高程為23.5 m，結構計算模型如圖3所示。

圖2 一層結構平面(單位：mm)

圖3 整體結構空間模型

站房計算主要參數(shù)如下

地震烈度：7度(0.15g)；地震分組：第二組；場地類型：Ⅱ類，Tg=0.40 s；阻尼系數(shù)：0.05；基本風壓：0.50 kN/m2；基本雪壓：0.40 kN/m2。

3.2 結構動力特性分析

采用特征向量法對C40混凝土和LC40混凝土框架結構進行模態(tài)分析，兩種混凝土材料的結構前6階模態(tài)及周期如表2所示，兩種混凝土材料的結構振型質量參與系數(shù)如表3所示。

表2 不同混凝土材料模型的自振周期和模態(tài)

表3 結構振型質量參與系數(shù)

由表2可得，LC40混凝土框架結構的周期有所加大，根據(jù)高強輕質混凝土的材料性能可知，同等級輕質混凝土材料彈性模量相比普通混凝土低27%左右，導致結構的周期相比同級別普通混凝土有所加大；由表3可知，LC40混凝土結構在第10階模態(tài)水平方向的質量參與系數(shù)大于90%，滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，C40混凝土結構在第10階振型仍沒有滿足要求。由此可見，采用特征向量法對框架結構進行模態(tài)分析時，高強輕質混凝土更易滿足規(guī)范規(guī)定的水平地震作用下的質量參與系數(shù)要求。

3.3 地震作用反應譜分析

兩種混凝土框架按QCC法地震作用下基底反力如表4所示，LC40混凝土在反應譜作用下的基底剪力比C40混凝土在反應譜作用下的基底剪力減小約20%。由此可見，在地震作用下采用高強輕質混凝土框架的基底反力因其自重的減輕而減小，對優(yōu)化結構截面、配筋及柱下基礎具有積極的意義。

表4 兩種混凝土框架地震作用下基底反力

兩種混凝土框架在縱、橫向地震作用下A～E列柱的剪力及結構層間總剪力如表5、表6所示。由表可知，橫向(Y向)地震作用下，LC40混凝土結構Y向總剪力為6 339 kN，比C40混凝土結構Y向總剪力7 618 kN減少了20.2%；縱向(X向)地震作用下，LC40混凝土結構X向總剪力為6 468 kN，比C40混凝土結構X向總剪力7 940 kN減少了22.8%。

表5 橫向(Y向)地震作用下柱列剪力 kN

表6 縱向(X向)地震作用下柱列剪力 kN

地震作用下結構位移及層間位移角如表7所示。結果表明，由于LC40混凝土材料的彈性模量較C40混凝土的彈性模量小，導致LC40混凝土框架的結構位移要略大于LC40混凝土框架，柱頂側移增大約12%，但均可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表7 地震作用下結構位移及位移角

圖5 典型構件各個階段特征

綜上所述，由于界面彈性模量的變化，采用高強輕質混凝土的框架位移略大于普通混凝土框架，其柱頂側移增大量往往不大，一般均可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；但高強輕質混凝土框架在地震作用下的內(nèi)力可有效地減小，可據(jù)此對結構、基礎進行優(yōu)化設計。

4 高強輕質混凝土框架縮尺試驗

4.1 試件的主要參數(shù)

試驗選取原型結構中橫向兩層兩跨的平面框架，縮尺比例采用1∶5。一層層高為1.57 m，二層層高為1.25 m；第一跨跨度為1.3 m，第二跨跨度為2.0 m，混凝土強度等級采用LC40，構件配筋按原結構配筋率設置，實驗模型如圖4所示。

圖4 模型加載裝置

4.2 破壞過程及破壞機制

框架在水平反復荷載作用下經(jīng)歷了開裂、屈服、極限和破壞4個階段，共經(jīng)歷了27次循環(huán)到達破壞。首先，采用荷載控制加載，加載至接近屈服荷載后采用位移控制加載，且每個位移循環(huán)3圈。典型構件各個階段破壞過程如圖5所示。

從試驗現(xiàn)象及破壞過程可以看出，框架的破壞機制基本上是梁鉸機制，塑性鉸出現(xiàn)的次序見圖6，框架裂縫及破壞形態(tài)見圖7。

圖6 塑性鉸形成順序

圖7 框架破壞模態(tài)

實際工程中為保證框架的延性，一般要求框架的破壞機制為梁鉸機制。本次試驗設計滿足了強柱弱梁的要求，并且在試驗中梁上首先出現(xiàn)塑性鉸，框架的破壞過程屬于梁鉸機制破壞，當多處梁鉸形成后出現(xiàn)了柱腳塑性鉸，此時梁端塑性鉸的發(fā)展將不再明顯。

4.3 滯回曲線

試驗測得的荷載-位移曲線見圖8，根據(jù)滯回曲線可得出以下結論。

(1)在頂點和層間滯回曲線上均明顯地表現(xiàn)出3個特征點，即開裂點、屈服點和極限點。

(2)頂點位移在21 mm以前，荷載和位移之間基本呈線性關系，同時卸載后殘余變形較小，這說明框架的工作狀態(tài)基本處于彈性狀態(tài)；梁柱端部開裂后，隨著頂點側移和加載次數(shù)的增加，構件端部裂縫不斷發(fā)展和增加，加載滯回曲線逐漸開始偏向位移軸，卸載為零時殘余變形不斷增大，表明結構的剛度不斷退化，框架的工作狀態(tài)進入了彈塑性階段。

(3)在同一位移的3個加載循環(huán)中，第1循環(huán)的荷載峰值點明顯高于其他兩次，表現(xiàn)出一定程度的強度退化特征，然而強度退化不明顯。在頂點相對側移大于1/50時，框架的承載能力隨著側移量級和循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，但下降的幅度不大，說明框架具有較好的位移延性。

(4)無論是頂點還是層間滯回曲線，在正反兩個方向上都有一個明顯的定點，同時各個滯回曲線都較為飽滿，表現(xiàn)出良好的耗能能力。

圖8 框架荷載-位移滯回曲線

5 結論

在對高強輕質混凝土和普通混凝土力學特性對比分析的基礎上，以某鐵路旅客站房實際工程為背景，運用SAP2000有限元軟件，對C40、LC40兩種材料的混凝土框架進行了動力特性和地震作用下的反應譜分析，進行了1∶5比例的兩層兩跨高強輕質混凝土框架模型的縮尺試驗，研究結論如下。

(1)由于高強輕質混凝土較普通混凝土質量輕，可顯著降低恒載比重，降低結構內(nèi)力，同時也減小了地震作用下的結構響應，在混凝土框架結構的應用上具有較好的潛力。

(2)對結構進行的模態(tài)及反應譜分析可得出，高強輕質混凝土相比同等級普通混凝土結構周期大、結構層間位移略大，但結構基底反力及構件內(nèi)力有所減小，且均可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(3)通過單榀1∶5比例的兩層兩跨高強輕質混凝土框架模型的低周反復荷載試驗，系統(tǒng)的研究了框架受力過程、破壞形態(tài)、破壞機制、位移延性、滯回特性和耗能能力等。試驗表明，高強輕質混凝土框架具有良好的滯回特性和耗能能力，可在高烈度區(qū)應用。

通過系統(tǒng)的理論分析和試驗研究，高強輕質混凝土具有輕質、高強等特點，其框架具有良好的滯回特性和耗能能力，可滿足地震區(qū)抗震性能的要求，為其應用于鐵路旅客站房提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

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Study on Seismic Performance of High Strength Lightweight Concrete Framework and Its Application to Railway Passenger Station

CAI Yu-jun

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Based on the analysis of high strength lightweight concrete and ordinary concrete mechanical properties of one railway station， the dynamic characteristics and response spectrum of concrete frames made of C40 and LC40 are compared and analyzed with SAP2000 finite element software. For the first time， scale test of two-span and two-storey high strength lightweight concrete frame model of 1∶5 ratio is carried out， and the datum on framework failure mechanism， ductility and characteristics of restoring force are collected and analyzed. The research results show that the high strength lightweight concrete frame has good hysteretic properties and energy dissipation capacity， which meet the seismic requirements for seismic zone.

Railway passenger station building; High strength lightweight concrete framework; Response spectrum analysis; Experimental study; Scale test

2015-04-09；

2015-04-25

中鐵第一勘察設計院集團有限公司科研課題(編號：院科11-52)

蔡玉軍(1980—)，男，高級工程師，工學碩士。

1004-2954(2015)11-0092-05

U291.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.022