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全輕混凝土管廊在地震模擬作用下的動力響應(yīng)試驗研究

2020-06-03 12:37楊艷敏李子根葛澤森張志新
吉林建筑大學(xué)學(xué)報 2020年2期
關(guān)鍵詞:墻板管廊測點

楊艷敏,李子根,葛澤森,徐 冉,張志新

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

作為城市生命線工程的地下綜合管廊,其抗震設(shè)計研究一直為工程界所關(guān)注.廖智麒[1]通過ABAQUS軟件分析管廊在地震波作用下的動力響應(yīng),發(fā)現(xiàn)管廊內(nèi)部應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置是結(jié)構(gòu)頂板與側(cè)墻板、底板與側(cè)墻板的連接處;羅韜[2]通過小波變換的Rayleigh地震波對管廊進行地震響應(yīng)研究,發(fā)現(xiàn)管廊結(jié)構(gòu)主要以受彎為主,且結(jié)構(gòu)上部的應(yīng)力變形大于結(jié)構(gòu)底部的應(yīng)力變形;薛偉辰等[3]人通過試驗,驗證了管廊整體變形是因管廊腋角處鋼筋屈服引起的.以上文獻都是基于普通混凝土管廊抗震性能展開的研究,而對于全輕混凝土管廊的抗震性能研究還較少,楊艷敏等[4]人通過研究得出全輕混凝土其受力特性、破壞機理以及延性性能都表現(xiàn)出良好的效果,為本試驗研究提供了一定的理論支撐.

輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標準(JGJ/T 12-2019)[5]對輕骨料混凝土的定義是:用輕骨料、輕砂、水泥和水配置而成的干表觀密度不大于1 950 kg/m3的混凝土.其中,全部由輕砂做細骨料配制而成的輕骨料混凝土稱為全輕混凝土.本試驗采用LC 40級全輕混凝土的干表觀密度僅為1 700 kg/m3,比等強度普通混凝土輕30 %,能夠有效減輕結(jié)構(gòu)地震作用.與普通混凝土相比,全輕混凝土輕質(zhì)高強、保溫和隔熱性能好、耐火性能好和抗震性能好等優(yōu)點.本文擬通過整體現(xiàn)澆式全輕混凝土管廊模型進行地震模擬振動臺試驗,研究腋角高度為30 mm的全輕混凝土管廊在單向水平地震波EL-Centro波作用下的動力響應(yīng),分析管廊結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)、層間位移和鋼筋應(yīng)變,得出全輕混凝土管廊結(jié)構(gòu)抗震性能.

1 試驗方案設(shè)計

1.1 模型箱設(shè)計

試驗振動臺采用的是英國SERVOTEST公司生產(chǎn)的地震模擬振動臺,最大滿載加速度為1.5 g,臺面尺寸為3 m×3 m.實際工程中,地下管廊埋置兩側(cè)邊界無限遠,模型箱的有限范圍必然會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響,為減少這種“邊界效應(yīng)”[6-7]對試驗的影響,本試驗所用的模型箱是特制剛性模型箱[8-9],設(shè)計尺寸為2.6 m(平行于振動方向)×1.8 m(垂直于振動方向)×1.2 m(高),如圖1所示.

圖1 模型箱

模型箱采用邊角鋼焊接而成,用20 mm厚的木板作為內(nèi)側(cè)擋板,并鋪設(shè)一層塑料薄膜以防止試驗土外漏,在擋板內(nèi)部鋪設(shè)100 mm厚的聚苯乙烯泡沫板用于吸收地震波能量,在箱體內(nèi)側(cè)和底板上粘接少量碎石,減少土體與模型箱產(chǎn)生相對滑動.

1.2 管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計

管廊模型的設(shè)計應(yīng)滿足模型相似條件[10],依據(jù)試驗條件,確定加速度相似常數(shù)Sa為3,彈性模量相似常數(shù)SE為1,幾何相似常數(shù)SL為1/6,管廊模型材料采用全輕混凝土,通過相似量綱分析法和可控相似常數(shù)推算出其他的相似常數(shù).試驗制作的全輕混凝土管廊模型長1.2 m,寬0.5 m,管廊模型截面尺寸如圖2所示.

圖2 管廊模型截面尺寸(mm)

圖3 頁巖陶粒

全輕混凝土管廊的制作:采用直徑6 mm的HPB 300級鋼筋作為管廊模型鋼筋的使用材料,采用強度LC 40的頁巖陶粒全輕混凝土作為模型管廊混凝土的使用材料,頁巖陶粒如圖3所示,根據(jù)等強度配比原則,確定試件配筋率為1.9 %.

1.3 觀測方案設(shè)計

鋼筋綁扎成型后,試件鋼筋骨架如圖4所示,4個應(yīng)力片測點S-1,S-2,S-3和S-4的布置如圖5所示.在模型管廊側(cè)墻板頂端處設(shè)置1個位移傳感器即位移測點D-1,在模型管廊頂板、底板和側(cè)墻板的中心位置處各布置1個加速度傳感器即加速度測點A-1,A-2和A-3,如圖6所示.對加速度的動態(tài)采集使用東華測試生產(chǎn)的型號為DH 5922動態(tài)采集系統(tǒng),最大連續(xù)采樣頻率256 000 Hz/通道,對鋼筋應(yīng)變和層間位移的動態(tài)采集使用東華測試生產(chǎn)的型號為DH 5929動態(tài)采集系統(tǒng),最大采集頻率20 000 Hz/通道,共64通道.

圖4 試件鋼筋骨架

1.4 加載方案設(shè)計

試驗采用地震波EL-Centro波作為振動臺的輸入波,采用垂直于模型縱軸線方向(X向)加載,加速度逐級遞增.為得出加速度峰值對管廊結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,試驗設(shè)計了4種不同的工況,即加速度峰值分別為0.2 g,0.4 g,0.6 g,0.8 g,見表1.為研究管廊結(jié)構(gòu)體系動力特性,每級加載前使用0.2 g白噪聲對結(jié)構(gòu)體系進行掃描,通過加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)分析研究管廊體系動力特性變化規(guī)律.

表1 加載工況

2 試驗結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

本文只列出了管廊結(jié)構(gòu)試件在EL 2,EL 4工況下結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng),實測A-1,A-2,A-3測點的加速度時程曲線與傅里葉頻譜如圖7~圖8所示,3個測點的加速度峰值見表2.

圖7 工況EL 2時結(jié)構(gòu)加速度時程曲線和傅里葉頻譜

圖8 工況EL 4時結(jié)構(gòu)加速度時程曲線和傅里葉頻譜

表2 測點的加速度峰值

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知,全輕混凝土綜合管廊在同一工況作用下,結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻板以及底板加速度反應(yīng)基本相同,工況EL 2,EL 4時加速度幅值差相差較小,分別為 0.131 g,0.156 g,傅里葉頻譜圖形變化也基本吻合,在EL 2,EL 4工況下的最高值出現(xiàn)點相同,分別在 16.015 6 Hz,14.062 5 Hz處,幅值差相差分別為0.003 1,0.016 3,表明全輕混凝土管廊結(jié)構(gòu)在地震波作用下仍然具有良好的整體性.

對比同一工況3個測點的加速度峰值,頂板加速度峰值最大、側(cè)墻板次之、底板最小,表明在相同地震作用下,管廊頂板更容易發(fā)生破壞.

隨著地震波輸入峰值的增大,管廊結(jié)構(gòu)各測點加速度峰值也隨之增大.傅里葉頻譜幅值增強,表明輸入能量越大,管廊結(jié)構(gòu)反響越劇烈,可能造成的結(jié)構(gòu)損壞就越嚴重.

2.2 層間位移反應(yīng)

研究全輕混凝土管廊在振動過程中,結(jié)構(gòu)頂板與結(jié)構(gòu)底板的層間位移,通過簡易支架將位移傳感器固定在管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)部頂板與側(cè)墻板連接處,簡易支架固定在管廊底板上,測得管廊結(jié)構(gòu)分別在4種不同工況加載下的位移變化,如圖9所示.

圖9 管廊結(jié)構(gòu)層間位移曲線

由管廊結(jié)構(gòu)層間位移曲線可知,在EL 1,EL 2工況下,輸入地震強度較小,管廊結(jié)構(gòu)整體位移變化不明顯,層間位移最大值分別為1.397 mm,3.784 mm;在EL 3,EL 4工況下,輸入地震強度增大,管廊模型結(jié)構(gòu)整體位移變化明顯,層間位移曲線越來越密集,層間位移最大值分別為6.034 mm,8.088 mm;管廊結(jié)構(gòu)試件的層間位移峰值隨地震波輸入峰值的增大而增大,EL 4工況比EL 1工況時增大6.691 mm,層間位移變化明顯.

2.3 鋼筋應(yīng)變反應(yīng)

研究全輕混凝土管廊在振動過程中腋角鋼筋應(yīng)變和側(cè)墻板鋼筋應(yīng)變反應(yīng),選取腋角鋼筋上S-1,S-2測點,側(cè)墻板鋼筋上S-3,S-4測點進行研究,結(jié)構(gòu)鋼筋各測點的應(yīng)變峰值,見表3.

腋角鋼筋各測點應(yīng)變隨著地震波的增大而增大,在同一工況下底部腋角鋼筋應(yīng)變明顯大于頂部腋角鋼筋應(yīng)變,表明全輕混凝土管廊底部腋角處變形要大于頂部腋角處變形.

側(cè)墻板鋼筋各測點應(yīng)變反應(yīng)隨著地震波的增大而增大,管廊在EL 1,EL 2和EL 3工況,側(cè)墻板上部鋼筋應(yīng)變峰值大于下部鋼筋應(yīng)變峰值;在EL 4工況(強震作用),側(cè)墻板上部鋼筋應(yīng)變突增,而下部因管廊與周圍土體之間出現(xiàn)剝離現(xiàn)象,土體對管廊結(jié)構(gòu)體進行二次撞擊,管廊模型整體變形導(dǎo)致應(yīng)變片瞬間損壞.依據(jù)EL 1,EL 2,EL 3工況說明全輕混凝土管廊在地震波EL-Centro波作用下側(cè)墻板上部更易受到破壞.

表3 管廊結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)變峰值

3 結(jié)論

對腋角高度為30 mm的全輕混凝土管廊模型進行振動臺試驗,研究管廊在X軸單向振動下結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)、層間位移和鋼筋應(yīng)變規(guī)律,分析結(jié)果如下:

(1)同一工況作用下,3個測點的加速度時程曲線、傅里葉頻率和相位相似度較高,在地震波增強時,僅在幅值有所增強,可知全輕混凝土管廊結(jié)構(gòu)在地震波作用下整體性良好;

(2)對比管廊模型結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻板和底板的加速度反應(yīng),結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻板、底板峰值依次為1.090 g,1.033 g,0.992 g,表明在相同地震作用下,管廊頂板更容易發(fā)生破壞;

(3)管廊結(jié)構(gòu)頂板與底板層間位移隨著地震波輸入峰值的增大而增大,最大層間位移為8.088 mm;

(4)腋角鋼筋各測點應(yīng)變隨著地震波的增大而增大,在同一工況下底部腋角鋼筋應(yīng)變明顯大于頂部腋角鋼筋應(yīng)變,表明管廊底部腋角相較頂部腋角更易受到破壞.

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