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Smart2008：不对称钢筋混凝土结构上的震动台试验和抗震裕度评估

摘要：本文介绍了一个具有很强不对称性的三层钢筋混凝土模型的一系列振动台试验的主要结果，并作为核建筑的代表。试件被施加了13次加速度从0.05g至1g的双向地震动，引起了显著的扭转和非线性响应。试验是在AZALEE振动台( Saclay，法国)上进行的，这是法国原子能和可持续能源委员会( CEA )、法国电力公司( EDF )和国际原子能机构( IAEA )发起的一个广泛研究方案的一部分，题为“受扭转和非线性影响的钢筋混凝土建筑物的抗震设计和最佳估算方法评估”。以下结论从实验中得出：( a )从地震试验序列结束时观察到的裂纹模式可以看出，试样发生了中度损伤(主要接近几何奇点)；( b )模型主要以扭转模式响应；( c )观察到一个重要的试样刚度降低，第一峰值频率的偏移几乎等于50 %；( d )用两个不同的破坏标准(频移和层间漂移)进行的地震边缘评估也显示了对高地震振幅的重要样本鲁棒性。

1介绍：

核电厂的重要性和核事故的后果要求核电厂的设计能够安全地抵御可能合理预期会影响到它们的一生中最严峻的环境条件。 这鼓励核工业在财政上支持国际科学界开展雄心勃勃的研究计划，旨在提高几个最重要领域的知识，从而确保核电厂的安全。 在此背景下，地震工程领域取得了重大进展，以更好地理解复杂钢筋混凝土（RC）结构在受到地震荷载作用时的行为方式。 此外，这些改进旨在评估结构动态响应和地板反应谱的设计实践和最佳估算方法在低至甚至超出设计地震运动的情况下进行评估，并为数值模型验证提供参考数据。

鉴于钢筋混凝土剪力墙有可能承受严重破坏，自20世纪70年代以来，它一直在被广泛研究。 许多研究项目旨在研究静态荷载作用下隔震剪力墙的结构性能[1–11]。 所产生的实验数据指出了剪力墙在承受静载作用时的高承载力。 在欧洲委员会运行的联合研究中心（JRC）的SAFE（StructureArmeacute;esFaiblementElanceacute;es）计划内，在伪动态加载条件下，对钢筋混凝土剪力墙进行了一些试验运动，位于意大利的伊斯普拉[12]，其中延展性已被证实。 此外，还观察到基频明显下降，这是由于混凝土开裂和由此产生的刚度下降，导致系列地震荷载随着水平的增加（高达设计水平的15倍）的每一步。 最近，在2010年，欧洲IRIS项目在JRC启动了一个实验项目TESSH（强烈的SHear墙壁上的TEsts）（请参阅[13]）在静态的RC剪力墙上以实际尺寸反转循环加载条件，以改进可用的延展性和滞后模型进行分析。 尚未分析的主要问题是剪力墙通常不用作隔离组件，而是包含在其他组件中并与其连接。 这可能会导致必须理解的特定结构效应。 额外的实验研究集中在带端壁的剪力墙上[14–19] 或用横梁和立柱框起来[20,21] 在静态负载下。

由于组装而引起的每个部件之间的结构效应似乎不可忽略。 因此，对三维剪力墙组件进行了实验研究[22,23]，在正常情况下在平面和海拔都在静态条件下进行测试。 为了评估剪力墙结构抵抗地震荷载的能力，进行了考虑动力荷载的实验研究。 尽管如此，由于在RC样品上施加动态载荷以允许描述惯性力场的困难，实验数据在文献中很少出现，特别是当考虑将这种载荷条件应用于三维剪切模型时基于墙体的结构。 文献中提供了用于分析结构的基本动态特性的脉冲加载的实验[24,25]。 文献还报道了一些研究，其中完整的三维结构模型受到动态负荷[26–28]。 从这个简短的最新技术评论中可以看出，对于承受动态载荷的剪力墙结构，缺乏实验数据。

为了扩大关于墙体结构抗震性能的知识，法国原子能和可持续能源委员会（CEA）和法国电力公司（EDF）于2006年开始了一项广泛的研究计划，名为“抗震设计和最佳估算国际原子能机构（IAEA）部分支持的受扭转和非线性效应的钢筋混凝土建筑物评估方法“（SMART）。 该项目的目标是：（i）创建参考实验数据，以更好地理解非对称钢筋混凝土墙基结构在受到高强度地震荷载作用时的行为方式，（ii）根据设计估算地震边界（iii）评估数值方法对这类结构进行地震评估的能力，包括通过最佳估计的非线性模拟超越设计水平，以及将不确定性传播给饲料概率脆弱性评估研究。 SMART项目分为两部分。 第一部分是一个广泛的实验性运动，2008年通过由核能部门（DEN）在CEA中心运行的AZALEE振动台在RC墙体结构的非对称缩小比例模型上进行了地震测试位于萨克莱（法国）。 项目的第二部分是国际基准，旨在允许国际地震工程界表达当前的地震评估实践并分享最佳估算方法的经验，以便为工程界提供更高效的工具和指南。

本文旨在揭示实验性贡献

SMART项目已经允许到达。 特别是，该项目的实验部分的主要贡献在于，被测试的结构模型具有不对称的平面形状，导致高扭转和平面外效应。 选择地震测试序列是为了允许对传统极限状态进行地震边界评估。 最后，文献回顾清楚地表明，在满足动态环境的条件下，缺乏三维结构模型获得的实验数据。

本文概述如下。 首先，在SMART项目框架内开展实验性活动被呈现。 详细描述了被测RC样本的设计原理。 然后，提供试件几何形状以及构成材料（混凝土和钢）的基本力学性能。 介绍仪器布局和地震测试顺序。 其次，描述了在实验运动中进行的一些一般实验观察。 第三，显示了主要的实验结果。 介绍了通过实验识别技术在地震测试序列前后测量的RC试样的动态特性。 然后，显示楼层响应谱和层间漂移的结果。 第四，根据前面几节介绍的实验测量结果，根据几个边界指标对地震边界进行估算。

1. 试验计划

2.1测试样本和材料属性

RC样本是核电建筑简化部分的缩放模型。 它准备重现真实建筑物的几何，物理和动态特征。 由于与实验室能力有关的内在限制 - 无论实验室 - 必须考虑一些简化的假设。 在AZALEE摇床的情况下，可以使用8个1000 kN执行机构来施加地震荷载，并且可以测试最大质量为100吨的样本。 最大加速度为1.0 g，水平方向（X和Y）的最大位移为125 mm，垂直方向（Z）的最大位移为100 mm。 特别是考虑到实际建筑物的大小或质量，并考虑AZALEE摇床的负载能力[29]，模型必须在几何上减小到1/4规模。 为了确保在缩小比例模型上进行测量的代表性，应考虑相似法则。 必须满足以下条件

1. 几何; （ii）所有构成材料的应力和应变之间的关系; （三）惯性和重力; 和（iv）初始和边界条件[30,31]。 考虑到AZALEE振动台的技术规格（位移振幅，负载能力等），可以通过缩小比例来确保应力和加速度的不变性。 因此，本研究选择了着名的柯西 - 弗鲁德相似定律。 缩放因子在中给出表格1.由于为模型和实际建筑物选择了相同的材料特性，特别是相同的特定质量，因此有必要设置额外的质量来平衡质量缺失，相当于特定质量的3倍，模拟。 决定将这些附加质量均匀分布在模拟地板上，因为这种选择对其结构作用几乎没有影响，基本上作为RC墙上的隔膜，并且因为我们不希望捕捉到具体的弯曲行为地板。 装有附加质量的RC试件的总质量等于44.29吨。 第一块板块装载11.60吨，第二块板坯12.00吨，第三块10.25吨。 无附加质量的RC试件的质量为10.44吨。

RC样本是根据法国现行设计规则设计的，在处理核能建筑时应予以考虑[32,33]。 所考虑的设计频谱如图所示图。1。 它对应于距离破裂面10公里处5.5级的地震。 标称地面加速度为0.2 g。 合成加速度图由设计光谱生成。 所选信号的加速度响应频谱如图所示图。1，可以注意到与目标频谱相当好的一致性。 选定的信号是一个与目标光谱具有最高的相关因子。 所使用的生成技术的详细描述可以在中找到[34].

定义RC试件的几何形状以满足三个条件：（i）试件应具有不对称形状以在加载过程中经历显着的扭转效应，

1. 第一个特征频率应该在4-10Hz范围内以确保发生重大损伤，并且（iii）在设计水平的50％处不应出现重大损坏。 它由九个结构元素组成：一个基础，三个带开口的剪力墙，三个平板，三个梁和一个柱子。 钢筋混凝土试件的模板图如图所示图2。 它高3.65米，具有平面梯形形状。 主剪力墙由两个剪力墙（SW2和SW3）组成，长度为3.10米。 中等剪力墙（SW1）长2.55米，最后剪力墙（SW4）长1.05米。 所有剪力墙和厚板厚0.10米。 钢筋混凝土梁位于地板下面，长1.45米，矩形截面0.325米0.15米。 钢筋混凝土柱高3.80米，矩形横截面为0.20米times;0.20米。 最后，剪力墙基础由0.38米宽和0.15米高的连续RC基础构成。 基脚固定在0.02米厚的钢板上，该钢板通过适当的螺丝和螺母与振动台上板连接。 钢筋混凝土柱锚定在a0.62 mx 0.62 mx 0.02 m钢板。 钢筋比例是接近2.3％的剪力墙和2％的板坯。 有关钢筋图纸的详细介绍请参见[35]

已经根据法国核工业中使用的当前工程设计规则来定义用于RC试样的构成材料（混凝土和钢筋）的目标机械性能[33]。 为了获得必要的数据来开发数值模型，进行了特性测试。 具体而言，混凝土强度分别通过对圆柱形试样（160 mmtimes;320 mm）和巴西试验进行的压缩试验进行测量。 由于RC试件采用七种不同的铸件建造，因此不仅在28天时间内，而且在地震试验开始时，混凝土的几个区域都有特点。 每个演员测试了12个样品。 实验结果报告在表2.

放入钢筋混凝土试件的钢筋有五种不同的直径。 由于缩小规模，直径范围从3毫米到10毫米。 值得注意的是，没有供应商能够为所有直径提供肋条。 直径为3和4毫米的钢筋是光滑的，而其他直径（6,8和10毫米）的钢筋是带肋的。 根据当前的工程实践进行表征测试[36]。 主要结果显示在表3.

2.2传感器布局

定义测量点是为了捕获地震荷载过程中试样的总体结构响应以及钢材屈服等局部效应。 共使用了264个采集通道，其中230个用于RC样本，34个用于振动台。 关于标本的通道，采用加速度计，线性可变差动变压器（LVDT）和应变仪。 主要测量点的位置（应变片除外）显示在图3。 在相对于固定在振动台外侧的外部刚性框架（离振动台侧大约75cm）处，在每个板的四个角落处的X和Y方向上测量位移时间历史。 另外，不仅在E点的各个板之间，而且在位于三层的A，B，C和D点以及位于基础水平的相应点之间，还在Z方向上测量了位移时间历程。 最后，还使用LVDT来监测样本与振动台上板之间的界面处的相对位移时间历程。 有关传感器布置的详细说明，请参阅[35]。 在专门用于振动台的通道中，加速度计被放置在其上盘中心以监测根据水平（X和Y）和垂直（Z）方向。 此外，还记录了由振动台控制器自动计算的所谓自由度（DOF），以获得与被测系统（振动台和RC试件）的空间位置有关的全局信息。 这些信息可以用作加载输入来提供数字模型。

2.3测试加载协议

地震加载顺序汇总于表4。 加载协议由水平方向上的21个双轴地震道（X和Y）组成。 运行期间使用的输入信号＃1，＃2，＃13，＃14，＃16，＃17，＃19和＃20是白噪声信号峰值地面加速度（PGA）水平限制在0.05 g。 他们致力于识别RC试件的模态特性。 在运行＃3和＃4中，来自地震信号实际记录的使用等于0.05g的PGA水平。 这两次初步地震试验的目的是创建一个初始轻度破坏状态，正如现有的RC中可以观察到的那样结构。 在运行＃5到＃12以及运行＃15，＃18和＃21中，将双轴地震输入运动应用于RC样本。 这些输入信号是合成的; 它们是从设计范围生成的。 为了估计RC样本相对于设计水平的地震边缘，PGA水平逐渐增加。 重要的是要注意，考虑白噪声信号的运行不包括在内表4.

另外，与规定的输入信号相关的PGA被称为“目标PGA”，并且与振动台上板上的测量信号有关的那个被称为“实现的PGA”。两种类型的PGA都可以通过控制系统中的一些缺陷来解释。 尽管如此，重要的是要记住PGA是一个高频指标; 它并不代表输入的整个频率范围信号。 目标响应谱与频率范围0-30 Hz中规定的一致，这是AZALEE样振动台考虑的经典范围。

3.实验观察

在到达运行＃8之前，其中X和Y方向上的最大PGA等于0.32g（表4），在剪力墙，梁或板上没有观察到明显的损伤。 在＃8运行期间，在SW1，SW2和SW4结束时，基础上出现了第一条裂缝。 所有的裂缝都沿着基础的宽度。 值得注意的是，对于强度较高的地震运行，没有其他裂缝发生; 只有在运行＃8期间产生的裂缝继续以有限的方式传播。 在地基中观察到的主要裂缝位置如图所示图4。 这个观察导致了基础的假设在地震荷载期间表现出不可忽略的灵活性，这导致了第一裂缝的发展。

从运行＃9到＃12，在几何不规则的区域，例如位于开口附近的区域，只能观察到有限的模糊裂纹（参见图5a）或门楣（见图5b）墙壁SW1和SW2之间。在＃15运行期间，沿高度的剪力墙以及基础层与第一层之间出现水平和斜向裂缝。 从＃18到＃21，裂纹主要在门楣中传播; 没有监测到显着的开裂开始。 如图所示，在实验地震序列的这一部分中，钢筋混凝土板受到了破坏图6一个。 看起来板坯弯曲多于膜。 如图所示，RC试件受损最严重的区域是剪力墙SW4图6湾 这一观察结果与这个剪力墙位于离扭转中心最远的事实是一致的RC试件并因此受到最高载荷。 在地震序列结束时，根据1998年更新的欧洲宏观地震等级（EMS98）[37].

4.实验结果和讨论

4.1自然震动特性

4.1.1方法描述

本部分旨在揭示所使用的模态识别方法的驱动思想; 深入介绍可以在中找到[38,39]。 正在研究的样本装有仪器加速度计。 其基本思想是向样品开具一个特定的输入

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