1、 - 1 - 一个未完工的二层预制混凝土结构物的抗震测试 这篇文章是关于地震和预制混凝土建筑物设计的试验性的研究。墨西哥市里一个带有双重系统和代表了一个停车场结构的未完工的两层的预制混凝土建筑物被调查研究。这个结构物在实验室里用模拟地震荷载测试，结果失败了。在一些梁和柱的接头处，粱底部的纵筋由于尺寸的限制不能屈服。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。这种性能表现为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。源自于这项研究的预制混凝土结构抗震设计标准和规范细节被讨论。这项研究的 最终结果是能更好地理解这种类型的建筑物的已得知的性能。 在墨西哥，一个两层
2、的预制混凝土构件建成的预制混凝土建筑物，在其上加上模拟的地震荷载。在这里描述的是其结果。在测试结构物中所选择的结构系统是所谓的双重类型，其定义就是构造墙的结合点以及梁 -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，正如在后面所描述的，在墨西哥一些工程师尝试着这样设计这些接头，就是
3、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，这种尝试在 ACI 建筑规范和 MCBC 中都没有提到。这些研究的一部分是为了阐述这个观点。 这项研究的目的是为了提高在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谕旨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
4、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。 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
5、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。 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 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 - 2 - 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。 这些简单的例子说明，在以
6、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结构物上所做的研 究上被证实了，这个证明在这篇文章的后面会讨论。有趣的是图 2 所示的类型的结果， Bertero 在一个摇摆测试的双重系统中也发现了。 测试结构物的描述 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高地震发生地带的有代表的低层的停车结构。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
7、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，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。 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
8、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 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。 这些分析的结果表明测试结构物中的构造墙将承受 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。 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 6， 7 分别是柱
9、，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ACI318-02 第 21 章所要求的有边界部件的特殊的构造墙。 预制的两层柱是通过埋置在一个插座连接处与预制基础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
10、相反方向两的底不钢筋打断了 . 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 性在相应的文章中回研究 . 测试结构物的侧向框架中的梁 -柱接头中有相反方向的梁比纵梁还要深 .这使 - 3 - 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 ,
11、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 6*6,10/10导致在顶层 的钢筋比率为 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,F2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。 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
12、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 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
13、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。 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),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
14、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， VR 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 0.75 y ,用这个数值和假定为弹性情况下，在第一屈服阶段计算位移为
