全轻混凝土剪力墙结构抗震动力特性分析

杨艳敏，聂亚男，章润涛，甄 严，董文龙

(1.吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118；2.吉林省建筑科学研究院，吉林 长春 130011)

全轻混凝土剪力墙结构抗震动力特性分析

杨艳敏1，聂亚男1，章润涛2，甄 严1，董文龙1

(1.吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118；2.吉林省建筑科学研究院，吉林 长春 130011)

为研究不同配筋形式和不同轴压比下全轻混凝土剪力墙的动力特性，对4片全轻混凝土剪力墙试件在拟静力试验下采用锤击方法激振加速度信号，通过对比获得的振型、频率及阻尼比等参数，分析全轻混凝土剪力墙结构在不同损伤程度下的抗震动力特性，为实际工程运用提供理论基础。研究结果表明：随着轴压比增大，结构频率增大，阻尼比减小；斜向支撑钢筋对全轻混凝土剪力墙的阻尼比及频率无明显影响。

全轻混凝土；剪力墙；锤击方法；抗震动力特性

近年来，我国发生多次地震，对震后受损建筑结构的残余能力、安全性能的评价以及对结构的继续使用是否需要经过加固，是目前结构工程研究的课题。对于这一课题的解决，关键是需要对受损结构的实际特性做出正确的判定[1]。本文通过对不同配筋形式和不同轴压比下的全轻混凝土剪力墙结构进行抗震试验研究，分析全轻混凝土剪力墙结构在不同损伤程度下的实际动力特性，为进一步研究全轻混凝土结构抗震性能提供理论基础[2]。

1 试验设计

依据《轻骨料混凝土结构技术规程》[3](JGJ12-2006)设计4片全轻混凝土剪力墙试件，试件均采用LC35全轻混凝土材料，混凝土保护层厚度25 mm，剪力墙采用双层钢筋网，截面两端暗柱的纵筋、顶梁与底梁的受力钢筋和剪力墙分布钢筋采用HRB400级钢筋，截面两端暗柱的箍筋、顶梁与底梁的箍筋采用HPB300级钢筋。为便于试验的加载与固定，在剪力墙上部设混凝土加载梁，在剪力墙底部设混凝土基础梁，试件的纵向和斜向钢筋均锚固于底梁中。各试件尺寸及配筋如图1所示，配筋参数见表1。

图1 试件尺寸及配筋图

试件高度×宽度×厚度/mm高宽比轴压比暗柱纵筋配筋率/%横向分布钢筋配筋率/%纵向分布钢筋配筋率/%斜向钢筋配筋率/%ALACW-10.33.350.7070.7061.41ALACW-21600×1000×1601.60.13.350.7070.7061.41ALACW-30.33.350.7070.7060ALACW-40.13.350.7070.7060

2 试验方案

试验采用拟静力试验加载方法模拟水平地震力，试验加载制度采用位移加载制度，位移加载至4 mm后，以2 mm作为加载增量。试验开始前，在剪力墙试件表面中间位置均匀分布7个加速度传感器，采用锤击试验方法，对位移响应衰减曲线进行分析,从而得到损伤加载前和各级损伤加载后全轻混凝土剪力墙位移反应加速度与时间关系曲线族,通过观察分析这一曲线族,总结出全轻混凝土剪力墙的非线性动力特性,进而研究用全轻混凝土剪力墙的非线性动力特性做损伤检测的可行性[4]。加速度传感器布置及试验装置如图2所示。

图2 试验装置及加速度传感器布置

3 试验结果与分析

结构的动力特性包括振型、自振频率和阻尼比[5]。自振频率是建筑物所固有的动力特性之一。当结构整体或某一部分构件发生损伤时，结构固有频率会发生改变。通过测量结构或构件自振频率的降低幅度，建立自振频率与结构刚度之间的关系，从而进行混凝土结构损伤程度的判断[6]。阻尼比的大小反映结构消耗和吸收地震能力的大小，不同结构或者同一个结构在不同的受力阶段其阻尼比有所不同[7]。各剪力墙试件在水平荷载作用下相同位移的各测点曲线近乎一致，选取不同位移作用下最优测点信号，通过动态信号采集系统获得的加速度—时间历程曲线如图3所示，各阶振型、频率、周期及阻尼比见表2。

图3 各试件加速度—时间历程曲线

振型试件一阶二阶0mm10mm20mm30mm40mm0mm10mm20mm30mm40mmALACW-1频率(Hz)9.03518.52618.17318.84017.26437.52239.65140.32843.54338.077周期(S)0.11070.0540.0550.05310.0580.02670.02520.02480.0230.0263阻尼比(%)3.8602.8712.9322.4172.4551.8201.1281.5431.4511.961ALACW-2频率(Hz)8.81715.20513.90815.19814.32322.51433.83332.96033.36731.177周期(S)0.11340.06580.07190.06580.06980.04440.02960.03030.030.0321阻尼比(%)4.2012.5044.0332.8624.6963.0892.6582.9112.3002.661ALACW-3频率(Hz)8.83718.63618.21217.73617.82237.69940.67738.93538.88938.405周期(S)0.11320.05370.05490.05640.05610.02650.02460.02570.02570.026阻尼比(%)3.7842.5472.9412.7272.4930.2300.4800.0440.9470.572ALACW-4频率(Hz)12.17015.21215.31614.30314.24024.50632.64931.47929.68929.111周期(S)0.08220.06570.06530.06990.07020.04080.03060.03180.03370.0344阻尼比(%)4.0832.4592.2052.9762.3242.4702.1772.2752.8612.031〛

对比和分析图3及表2可知：(1)从试验数据可以看出，全轻混凝土剪力墙结构的低阶频率容易测出，由于结构本身的尺寸大小，很难激励出结构的高阶频率。(2)对比各试件一阶、二阶振型可得，各试件在无损伤时的周期较大，当位移达到10 mm、20 mm、30 mm、40 mm，并出现不同程度损伤时的周期较小且基本保持不变。说明全轻混凝土剪力墙结构的周期变化与其是否损伤有关，而与损伤程度大小无明显关系。(3)对比各试件的阻尼比可知，一阶振型下的阻尼比均大于二阶振型，且在无损伤时，一阶振型的阻尼比远大于二阶振型下的，随着试件损伤程度的增大，一、二阶振型的阻尼比差值减小。(4)对比试件ALACW-1与ALACW-2、ALACW-3与ALACW-4可知，轴压比大的试件在不同损伤程度时的周期较小，阻尼比较小。(5)对比试件ALACW-1与ALACW-3、ALACW-2与ALACW-4可知，相同轴压比下的试件在不同损伤过程中，配有斜向支撑钢筋的剪力墙与无斜向支撑钢筋的剪力墙频率、阻尼比相差不大。

4 结论

(1)当全轻混凝土剪力墙结构的尺寸较小时，结构的低阶频率容易测得，但是很难激励出结构的高阶频率。(2)全轻混凝土剪力墙结构的阻尼比在0.02～0.04范围内。(3)全轻混凝土剪力墙结构的周期、阻尼比与其整体完好性有关，墙体一旦出现损伤，其一阶、二阶振型基本保持不变。(4)在相同轴压比下，配有斜向支撑钢筋的全轻混凝土剪力墙结构与无斜向支撑钢筋的全轻混凝土剪力墙结构频率、阻尼比无明显差异。(5)全轻混凝土剪力墙结构随着轴压比的提高，结构周期下降、阻尼比减小。说明轴压比增加，耗能性能减弱，刚度退化加剧、延性降低，等效阻尼比减小，抗震能力下降。

[1] 程怀江.中承式钢筋混凝土拱桥动力特性及动力响应分析[D].合肥：合肥工业大学硕士论文，2007.

[2] Yanmin Yang, Hao Zhang. Experimental Research on Dynamics Characteristics and Damage of ALC Wallboard[J].Advanced Engineering Materials II,2012.

[3] 中国建筑科学研究院. 轻骨料混凝土结构技术规程(JGJ12-2006)[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[4] 王利恒，周锡元，阎维明，涂鸣.钢筋混凝土梁非线性动力特性试验研究[J].地震研究，2006(1)：65-70.

[5] 尹晓芷，刘彦昌.钢筋混凝土梁动力特性检测研究[J].山西建筑，2009(4)：104-105.

[6] 史春辉，胡海涛，高立堂.高温下钢筋混凝土简支板动力特性分析[J].工程建设，2014(1)：1-4.

[7] 金怀印，许淑芳，周德源.带缝空心R.C.剪力墙结构模型动力特性研究[J].工程建设，2008(1)：78-82.

Analysis on the Anti-earthquake Dynamic Characteristics of the Lightweight Concrete Shear Wall Structure

YANG Yanmin1, NIE Yanan1, ZHANG Runtao2, ZHEN Yan1, DONG Wenlong1

(1．School of Civil Engineering，Jilin Jianzhu University，Jilin Changchun 130118; 2．Jilin Research Institute of Building Science，Jilin Changchun 130011, China)

For the research on the dynamic characteristics of different reinforcement forms and different axial compression ratio under lightweight concrete shear wall, 4 pieces of whole lightweight concrete shear wall specimens with hammering method of vibration acceleration signal parameters are tested. The frequency and damping ratio of these wall specimens are obtained by comparing the analysis. In the structure under different damage degrees, the anti-earthquake dynamic characteristics of lightweight concrete shear wall are obtained. A theoretical basis for the practical engineering application is provided. The results show that with the increase of the axial compression ratio, the structure frequency increases and the damping ratio decreases. The damping ratio and full light frequency of the diagonal bracing of reinforced concrete shear wall are not affected obviously.

all-lightweight aggregate concrete；shear wall；hammering method；anti-earthquake dynamic characteristics

2016-11-06

国家自然科学基金(51378238，51178206)，吉林省科技厅计划项目(20150203014SF)，吉林省教育厅计划项目(2015267)

杨艳敏(1969-)，女，吉林省长春市人，教授.

P315.925

B

1001-8115(2017)01-0015-04

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.01.004