張曙光，張紅霞

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.吉林省土木工程抗震減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130012；3.中國(guó)建筑第八工程局有限公司西北分公司，西安 710075)

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給各個(gè)領(lǐng)域帶來了質(zhì)的飛躍，同樣也為建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展，有限元軟件的研發(fā)、計(jì)算機(jī)運(yùn)行速率的提升、試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，使得復(fù)雜建(構(gòu))筑物能夠模擬在地震作用下的力學(xué)性能研究成為可能。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)控制振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面按一定地震波振動(dòng)，模擬地震狀態(tài)。利用先進(jìn)的量測(cè)、記錄儀器，測(cè)量并記錄模型振動(dòng)過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。本文對(duì)存在損傷的鋼框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)加載試驗(yàn)，并建立相應(yīng)的有限元分析模型進(jìn)行分析對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 鋼框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

受到振動(dòng)臺(tái)負(fù)載能力和臺(tái)面尺寸的限制，試驗(yàn)縮尺模型選用的縮尺比例為CL=25。鋼框架結(jié)構(gòu)縮尺模型的柱、梁橫截面不是完全按照比例進(jìn)行縮尺選取工字鋼的，采用的是建材市場(chǎng)上截面較小的方鋼管按等截面高度、等截面面積替代工字鋼，未存在損傷的縮尺鋼框架模型如圖1～3所示。設(shè)定了4種研究模型，其梁和柱截面幾何尺寸見表1。

1.2 鋼框架模型應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

鋼框架結(jié)構(gòu)縮尺模型的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置數(shù)量為15個(gè)，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置的確定根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募翱蚣芙Y(jié)構(gòu)梁、柱的受力特點(diǎn)選取。應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置如圖4～5所示。

圖1 鋼框架結(jié)構(gòu)模型試件

圖2 模型平面圖

圖3 模型立面圖

表1 梁柱截面尺寸單位：mm

圖4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 應(yīng)變片布置簡(jiǎn)化圖

1.3 模型結(jié)構(gòu)配重

進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)，各層配重情況見表2。

1.4 加載方案

鋼框架結(jié)構(gòu)縮尺模型在加載過程中，為了保證采集的數(shù)據(jù)具有可比性，4種不同工況均按4級(jí)加載，且同一級(jí)加載值相同。每級(jí)加載通過臺(tái)面加速度最大加速度來控制，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加載分級(jí)情況見表3。

表2 各層集中質(zhì)量 單位：kg

表3 臺(tái)面輸入加速度 單位：m·s-2

1.5 鋼材材料性能測(cè)定

鋼框架結(jié)構(gòu)模型在施加地震作用前，對(duì)模型所選用的鋼材進(jìn)行材料拉伸性能試驗(yàn)，并在有限元分析過程中進(jìn)行材料參數(shù)調(diào)整，使得理論分析模型與試件材料性能相同。試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際鋼材彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度見表4。

表4 材料性能 單位：MPa

1.6 模型動(dòng)力特性測(cè)定

1.6.1 模型的自振頻率

振動(dòng)系統(tǒng)可通過臺(tái)面噪聲激振獲得鋼框架結(jié)構(gòu)模型的前三階陣型，激振完成后的控制界面如圖6所示。判斷各階振型的位置通過虛部頻譜圖來確定，如圖7所示。無損情況下前三階振型如圖8～10所示。

圖6 框架結(jié)構(gòu)激振完成所示頁(yè)面

圖7 虛部頻譜

圖8 第一階振型

圖9 第二節(jié)振型

圖10 第三階振型

1.6.2 不同工況下前三階頻率

通過試驗(yàn)測(cè)得4種不同工況下結(jié)構(gòu)的前三階自振頻率，具體數(shù)值見表5。

表5 模型測(cè)定的自振頻率 單位：Hz

對(duì)比表5中不同工況下結(jié)構(gòu)自振頻率可知，鋼框架結(jié)構(gòu)模型損傷程度越大，結(jié)構(gòu)自振頻率降低越多。

2 模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變分析

鋼框架結(jié)構(gòu)模型由振動(dòng)臺(tái)(WS-Z30-50)在計(jì)算機(jī)控制下輸入E-L地震波，為鋼框架結(jié)構(gòu)模型提供地震荷載，各工況在動(dòng)荷載作用下的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀DH3822采集。

2.1 相同工況下的應(yīng)變分析

圖11～14為鋼框架結(jié)構(gòu)模型在同一種工況下，不同加載級(jí)別時(shí)各測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變圖，可以看出：

圖11 工況1各測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變值

1)同一工況下，各測(cè)點(diǎn)的最大動(dòng)應(yīng)變值會(huì)隨著振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度的增加而增大，特別是柱子底層的最大動(dòng)應(yīng)變變化較大。無損情況下，鋼框架結(jié)構(gòu)在第4級(jí)加載作用下測(cè)點(diǎn)1的最大應(yīng)變值為149.3 με，應(yīng)力值為29.3 MP。梁的應(yīng)變值(測(cè)點(diǎn)12～15)在不同加載等級(jí)情況下幾乎未發(fā)生變化。

2)圖12顯示，鋼框架結(jié)構(gòu)模型底層梁受損，工況2測(cè)點(diǎn)12的應(yīng)變值隨加載等級(jí)的增加而增大。因此可得出，底層梁截面受到損傷，結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下，其截面動(dòng)應(yīng)變?cè)龃笏俾瘦^其他工況更快。

圖12 工況2各測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變值

3)工況3、4分別為鋼框架結(jié)構(gòu)模型底層柱、一二層柱存在損傷，圖13及圖14顯示，柱截面損傷會(huì)導(dǎo)致截面應(yīng)變值增大較明顯。工況3測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)變最大值為157.6 με，工況4測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)變最大值為167.3 με，較無損情況下測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)變值增大5.5%、12.1%。底層柱受損，對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的承載能力削減較大。

圖13 工況3各測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變值

2.2 同一加載級(jí)別不同工況下的動(dòng)應(yīng)變分析

1)加載級(jí)別相同的條件下，圖15～18顯示，工況2(鋼框架結(jié)構(gòu)底層梁截面受損)在測(cè)點(diǎn)12處的應(yīng)變值與其他工況相比要大許多。

圖14 工況4各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

圖15 1級(jí)加載各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

圖16 2級(jí)加載各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

2)圖16中，工況2除在測(cè)點(diǎn)12的應(yīng)變值有突然增大的趨勢(shì)之外，其余各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與工況1曲線趨勢(shì)一致。

3)圖17～18，工況3、工況4結(jié)構(gòu)底層柱受損對(duì)柱腳應(yīng)變值的影響較無損工況下增長(zhǎng)較快，會(huì)使構(gòu)件較快的達(dá)到屈服、破壞。

圖17 3級(jí)加載各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

圖18 4級(jí)加載各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

3 鋼框架模型數(shù)值計(jì)算分析

3.1 框架結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)選取

對(duì)試驗(yàn)鋼框架模型，利用SAP2000進(jìn)行有限元?jiǎng)恿Ψ治?，相?yīng)的材料參數(shù)取值見表6。有限元分析模型如圖19所示。

表6 參數(shù)取值

圖19 有限元分析模型

3.2 鋼框架結(jié)構(gòu)模型數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.2.1 模態(tài)分析

對(duì)不同工況模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)前三階自振頻率。將理論計(jì)算頻率與試驗(yàn)測(cè)得的頻率對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表7。由表7可得出，鋼框架結(jié)構(gòu)模型存在損傷時(shí)，會(huì)使結(jié)構(gòu)自振頻率降低。理論值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差很小。

表7 不同工況計(jì)算、試驗(yàn)自振頻率和計(jì)算頻率對(duì)比 單位：Hz

3.2.2 E-L地震波作用下鋼框架結(jié)構(gòu)模型對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分析

在有限元分析中，調(diào)整E-L地震波峰值，使其地震波輸入與試驗(yàn)過程中的臺(tái)面加速度最大值相同。將各工況模型運(yùn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析后，得框架結(jié)構(gòu)模型各測(cè)點(diǎn)最大正應(yīng)力、最大應(yīng)變值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖20～23所示，可得到如下結(jié)論：4種工況條件下有限元分析得到的理論值與實(shí)測(cè)最大動(dòng)應(yīng)變值在前兩級(jí)加載等級(jí)時(shí)曲線基本重合，但是隨著加載級(jí)別的增大，理論值與實(shí)測(cè)值相差越來越大，如圖20～21所示。工況1、工況2在第4級(jí)荷載作用下，測(cè)點(diǎn)1處的最大應(yīng)變值，理論4比實(shí)測(cè)4分別降低16.50%、15.17%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因如下：1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞑⒎峭耆硐霠顟B(tài)。2)有限元分析模型定義材料屬性一致，試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用的材料會(huì)存在一定差異。

圖20 工況1各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

圖21 工況2各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

圖22 工況3各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

4 結(jié)語

本文對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)模型分別建立有限元分析模型與制作試件分別進(jìn)行動(dòng)力加載，得出相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值并進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

1)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入El-Centro地震波對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)力作用加載，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀采集各測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在相同工況下，隨著加載級(jí)別的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值也在增加，底層柱子的應(yīng)變變化率較大；當(dāng)?shù)讓恿菏艿綋p傷，底層柱的截面應(yīng)變值也在隨著加載級(jí)別的增加而增大。即結(jié)構(gòu)底層梁、柱受到不同程度的損傷時(shí)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能影響較大，將會(huì)使結(jié)構(gòu)更早的發(fā)生屈服、破壞。

圖23 工況4各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值

2)利用有限元軟件建立的分析模型與鋼框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎孟嗤臉?gòu)件參數(shù)、加載狀態(tài)，將理論分析最大動(dòng)應(yīng)變值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，4種工況對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)應(yīng)變值在一二級(jí)加載過程中，試驗(yàn)應(yīng)變值與有限元應(yīng)變值基本重合，但隨著加載級(jí)別的增大，差異加大。實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力性能與有限元軟件分析結(jié)果存在差異，有待進(jìn)一步研究。