CN114964849A - 一种框架梁低周往复加载的试验结构及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种框架梁低周往复加载的试验结构及试验方法，其试验结构包括试验层框架梁、试验层板、基础层梁、反力层梁和框架柱，试验层框架梁、试验层板、基础层梁、反力层梁和框架柱形成三层的x跨×y跨钢筋混凝土框架结构，试验层中非边梁的试验层框架梁在其跨中，通过两个背靠背相互贴合的金属件断开；试验层中的试验层板从其跨中至断开的试验层框架梁的跨中，通过两个背靠背相互贴合的金属件断开；两个金属件相互贴合之处涂抹有润滑剂；试验层板在断开处的厚度局部增大，在试验层框架梁和试验层板设有传感器。本发明可以解决如何在释放框架梁剪力约束的情况下进行整体结构的框架梁低周往复加载试验的问题。

Description

一种框架梁低周往复加载的试验结构及试验方法
技术领域
本发明涉及建筑结构抗震技术领域，更具体地，涉及一种框架梁低周往复加载的试验结构及试验方法。
背景技术
传统的结构抗震设计要求框架结构在强震作用下形成合理的屈服机制，即控制塑性变形能力大的梁端先于柱出现塑性铰。然而，多次地震的结果显示，较少房屋能够实现“强柱弱梁”的抗震设计要求，这是由于实际结构中周边结构对钢筋混凝土梁受弯开裂时产生了空间轴向约束，大幅度提高了框架梁的实际承载力，造成梁承载力严重超强，这也是地震到来时现有结构无法实现预设屈服机制的根本原因之一。
现行各国混凝土结构设计方法均建立在构件试验基础上，没有充分考虑构件的实际边界条件和结构的复杂空间约束作用对梁破坏形态、承载能力、变形能力等力学性能的影响，设计出来的结构不但难以满足预设的“强柱弱梁”的抗震设计要求，而且梁的承载力超强也在一定程度上造成了不少钢材的浪费。如何在改善结构抗震性能的同时提高结构经济性是目前结构抗震方向急需解决的关键问题之一。
为解决上述问题，就必须以整体结构试验为基础，逐步深入研究复杂空间约束作用对梁力学性能的影响，将混凝土基本理论和设计方法建立在考虑复杂空间约束的结构试验基础上。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种框架梁低周往复加载的试验结构及试验方法，用于解决如何在释放框架梁剪力约束的情况下进行整体结构的框架梁低周往复加载试验的问题。
本发明采取的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种框架梁低周往复加载的试验结构，包括试验层框架梁、试验层板、基础层梁、反力层梁和框架柱，所述试验层框架梁、试验层板、基础层梁、反力层梁和框架柱形成三层的x跨×y跨钢筋混凝土框架结构，x为大于或等于3的整数，y为大于或等于2的整数，所述试验层框架梁、试验层板连接所述框架柱形成试验层作为第二层，所述基础层梁连接所述框架柱形成基础层作为第一层，所述反力层梁连接所述框架柱形成反力层作为第三层；
所述试验层中非边梁的所述试验层框架梁在其跨中，通过两个背靠背相互贴合的金属件断开；所述试验层中的所述试验层板从其跨中至断开的所述试验层框架梁的跨中，通过两个背靠背相互贴合的所述金属件断开；两个所述金属件相互贴合之处涂抹有润滑剂；
所述试验层板在断开处的厚度局部增大，在所述试验层框架梁和所述试验层板设有传感器。
可选地，断开所述试验层框架梁的所述金属件包裹所述试验层框架梁断开的截面，断开所述试验层板的所述金属件包裹所述试验层板断开的截面。
可选地，所述金属件包括上翼缘、下翼缘和腹板，所述上翼缘、腹板、下翼缘依次连接呈槽形；
断开所述试验层框架梁的所述金属件的上翼缘顶面与所述试验层框架梁的顶面平齐、下翼缘的底面与所述试验层框架梁的底面平齐；
断开所述试验层板的所述金属件的上翼缘顶面与所述试验层板的顶面平齐、下翼缘的底面与所述试验层板的底面平齐；
两个相互贴合的所述金属件的腹板相互贴合，两个所述腹板相互贴合之处涂抹有润滑剂。
可选地，断开所述试验层框架梁的所述金属件的上翼缘底面和/或下翼缘顶面，与所述试验层框架梁的纵筋焊接；断开所述试验层板的所述金属件的上翼缘底面和/或下翼缘顶面，与所述试验层板的纵筋焊接。
可选地，沿着一个方向断开所述试验层板的金属件，与另一个方向断开所述试验层板的金属件相互连接处，采用切角处理，并外贴金属连接片连接或者焊接连接。
可选地，不同所述试验层框架梁的配筋率和/或配箍率不同。
可选地，所述试验层板在局部增大处的厚度为所述试验层框架梁高度的0.5倍～1.0倍。。
可选地，所述传感器包括应变片和位移计；
所述应变片设置在所述试验层框架梁的纵筋距离所述框架柱的边缘线一定距离的位置，和所述试验层板的纵筋距离所述框架柱的边缘线一定距离的位置以及所述试验层框架梁靠近所述框架柱的第一个箍筋；
所述位移计设置在所述试验层框架梁的两端。
可选地，在所述试验层框架梁的一端所设置的所述位移计为两个，在所述试验层框架梁同一端所设置的两个所述位移计高度不同，所述位移计还设置在所述试验层框架梁的加载点。
第二方面，本发明提供一种框架梁低周往复加载的试验方法，用于在如第一方面所述的框架梁低周往复加载的试验结构上进行试验，包括：
在所述试验层框架梁的上面设置上千斤顶，在所述试验层框架梁的下面设置下千斤顶，所述上千斤顶的上下分别抵接于所述反力层梁和所述试验层框架梁，所述下千斤顶的上下分别抵接于所述试验层框架梁和所述基础层梁；
通过所述上千斤顶和所述下千斤顶的交替加载，对所述试验层框架梁进行低周往复加载。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过金属件并在其刷润滑剂的方式将试验层框架梁和试验层板断开，能够有效地释放剪力，将原有的超静定的梁构件转化为静定梁构件，并减少不同试验层框架梁加载的相互影响，便于对单根试验层框架梁进行逐次加载以获得实际框架结构中的梁力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1框架梁低周往复加载试验结构示意图。
图2为本发明实施例1框架梁低周往复加载试验结构中的试验层示意图。
图3为本发明实施例1横向和纵向的金属件在相互连接处的切角处理示意图。
图4为本发明实施例1两个背靠背相互贴合的金属件示意图。
图5为本发明实施例1两个金属件断开试验层框架梁的示意图。
图6为本发明实施例1两个金属件断开试验层板的示意图。
图7为本发明实施例1试验层框架梁纵筋的应变片设置示意图。
图8为本发明实施例1横向的试验层板纵筋的应变片设置示意图。
图9为本发明实施例1纵向的试验层板纵筋的应变片设置示意图。
图10为本发明实施例1位移计设置示意图。
图11为本发明实施例2试验层框架梁加载示意图。
标记说明：11-试验层框架梁；12-试验层板；13-试验层框架梁的纵筋；14-试验层板的纵筋； 20-基础层梁；30-反力层梁；40-框架柱；50-金属件；51-上翼缘；52-下翼缘；53-腹板；60- 应变片。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
本实施例提供一种框架梁低周往复加载的试验结构。图1是本实施例所提供的框架梁低周往复加载试验结构示意图，如图1所示，该试验结构包括试验层框架梁11、试验层板12、基础层梁20、反力层梁30和框架柱40，试验层框架梁11、试验层板12、基础层梁20、反力层梁30和框架柱40形成三层的x跨×y跨钢筋混凝土框架结构，x为大于或等于3的整数，y为大于或等于2的整数，在图1中x取值为4，y取值为2。
试验层框架梁11、试验层板12连接框架柱40形成试验层作为第二层，基础层梁20连接框架柱40形成基础层作为第一层，反力层梁30连接框架柱40形成反力层作为第三层，由此形成了三层的框架结构。
该试验结构试验层框架梁11的截面尺寸和材料强度可以在可靠范围内选取。示例性地，在本实施例提供一种实施方式下的可靠范围：试验层梁宽度b1取100mm～500mm，高度h1 取200mm～1000mm，高宽比h1/b1取1.5～4.0，试验层板12厚hs取40mm～200mm，混凝土强度等级取C15～C80。
基础层梁20主要用于框架柱40的拉结，保证加载过程中柱不发生底部偏移，以及承担试验层框架梁11下方所设千斤顶的反力和整个自平衡结构重力的共同作用。基础层梁20的截面也可以在可靠范围内选取，保证试验层框架梁11顺利加载到极限工况的同时基础层不会发生明显破坏或局部翘起，保证基础层梁20具有较大的刚度和强度。示例性地，基础层梁 20宽度b2可取200mm～600mm且不小于试验层框架梁11的宽度b1，高度h2可取 300mm～1200mm且不小于试验层框架梁11的高度h1，混凝土强度等级不低于试验层。
反力层梁30主要用于试验层框架梁11上方的千斤顶作用试验层框架梁11时给予反力，为保证试验层框架梁11顺利加载到极限工况的同时反力层不会发生大位移，需保证反力层梁 30具有较大的刚度和强度。反力层梁30的截面也可以在可靠范围内选取。示例性地，反力层梁30的宽度b3可取200mm～600mm且不小于试验层框架梁11的宽度b1，高度h3可取300mm～1200mm且不小于试验层框架梁11的高度h1的1.5倍，混凝土强度等级不低于试验层。
框架柱40需保证较大的截面和配筋量，保证在加载过程中不先于梁破坏，且具有足够的安全富裕度，在本实施例中框架柱40的截面可以取500mm×500mm。
在一种优选的实施方式下，在试验层中，不同试验层框架梁11的配筋率和/或配箍率不同，可实现在同一试验结构中变化不同的配筋率和配箍率，进而得到不同设计参数下框架结构的梁力学性能。
试验层中非边梁的试验层框架梁11在其跨中，通过两个背靠背相互贴合的金属件50断开；试验层中的试验层板12从其跨中至断开的试验层框架梁11的跨中，通过两个背靠背相互贴合的金属件50断开；两个金属件50相互贴合之处涂抹有润滑剂。可以理解的是，润滑剂应完整均匀地涂刷在钢板相互连接面，最大程度地减少加载过程中金属件错动引起的摩擦，保证剪力的有效释放。
图2是本实施例所提供的框架梁低周往复加载试验结构中的试验层示意图。如图2所示，两个金属件50相互贴合将非边梁的试验层框架梁11进行断开，同时将试验层板12从其跨中到非边梁的试验层框架梁11的跨中进行断开，由此可以形成横向和纵向的金属件50。
为了保证不同方向的金属件50可以共同工作，沿着一个方向断开试验层板12的金属件 50，与另一个方向断开试验层板12的金属件50相互连接处，采用切角处理，并外贴金属连接片连接或者焊接连接。如图2所示，横向和纵向的金属件50在相互连接时，采用切角处理，并通过外贴金属连接片进行可靠连接，或者通过焊接进行可靠连接。图3是横向和纵向的金属件50在相互连接处的切角处理示意图，如图3所示，横向和纵向的金属件50进行45°切角处理后实现了拼接。
试验层板12在断开处的厚度局部增大，以满足试验结构在试验加载时的大位移需求，同时也方便试验层板12断开处金属件50的设置。优选地，试验层板12在局部增大处的厚度为试验层框架梁11高度的0.5倍～1.0倍。
在试验层框架梁11和试验层板12设有传感器，可以在试验过程中通过传感器获取各力学试验数据。
通过金属件50的断开，能够将原有的超静定梁构件转化为静定梁构件，并减少不同梁加载的相互影响，便于对单根梁构件进行逐次加载以获得实际框架结构中不同设计参数下的梁力学性能。金属件50仅在试验层框架梁11和试验层板12中部的适当位置断开，不延伸到作为边梁的试验层框架梁11，使得周边试验层板12和外部的框架柱40能够起到“箍环”的作用，最大程度保证了空间轴向约束的真实性。
在试验过程中金属件50存在从断面脱落的可能性，因此优选地，断开试验层框架梁11 的金属件50包裹试验层框架梁11断开的截面，断开试验层板12的金属件50包裹试验层板 12断开的截面，如此可以确保金属件50有效地包裹断面而不易在试验过程中脱落。
在一种优选的实施方式下，金属件50可以具体包括上翼缘51、下翼缘53和腹板52，上翼缘51、腹板52、下翼缘53依次连接呈槽形。如图4所示，两个背靠背相互贴合的金属件50分别各自包括上翼缘51、下翼缘53和腹板52，每个金属件50各自呈槽型，两个金属件 50的腹板52相互贴合，两个腹板52相互贴合之处涂抹有润滑剂。示例性地，金属件50可以采取热轧普通槽钢40#a，其高度、腿宽、腰厚分别为400mm、100mm、10mm。
图5是两个金属件50断开试验层框架梁11的示意图。如图5所示，断开试验层框架梁 11的金属件50的上翼缘51顶面与试验层框架梁11的顶面平齐、下翼缘53的底面与试验层框架梁11的底面平齐，以使得金属件50包裹试验层框架梁11断开的截面。
图6是两个金属件50断开试验层板12的示意图。如图6所示，断开试验层板12的金属件50的上翼缘51顶面与试验层板12的顶面平齐、下翼缘53的底面与试验层板12的底面平齐。
为了进一步加强金属件50分别与试验层框架梁11、试验层板12之间的连接性，断开试验层框架梁11的金属件50的上翼缘51底面和/或下翼缘53顶面，与试验层框架梁11的纵筋13焊接；断开试验层板12的金属件50的上翼缘51底面和/或下翼缘53顶面，与试验层板12的纵筋14焊接。
关于传感器的设置，可以根据试验加载的情况以及所需要的试验数据进行合理设置。示例性地，传感器可以具体包括应变片60和位移计。
试验层框架梁11中的纵筋13，其受力最不利区域位于其靠近框架柱40的区域，因此应变片60可以设置在试验层框架梁11的纵筋13距离框架柱40的边缘线一定距离的位置以及试验层框架梁11靠近框架柱40的第一个箍筋，以获取试验层框架梁11最不利受理区域的钢筋应变。该一定距离可以优选为3cm～5cm。图7为一种实施方式下试验层框架梁11的纵筋 13的应变片60设置示意图。
应变片60还可以设置在试验层板12的纵筋14距离框架柱40的边缘线一定距离的位置。图8和图9分别为一种实施方式下试验层板12横向和纵向的纵筋14的应变片60设置示意图。
位移计可以设置在试验层框架梁11的两端，通过设置在试验层框架梁11两端的位移计可以获取试验层框架梁11的轴向伸长量。
在一种优选的方式下，在试验层框架梁11的一端所设置的位移计为两个，在试验层框架梁11同一端所设置的两个位移计高度不同，所述位移计还设置在试验层框架梁11的加载点。通过试验层框架梁11同一端两个不同高度的位移计，可以获取与试验层框架梁11连接的框架柱40转角，再根据试验层框架加载点的位移计所测得的位移消除框架柱40转角引起的刚体位移，也可得到真实的试验层框架梁11位移，进而得到真实的构件滞回曲线。
图10是一种实施方式下的位移计设置示意图。以图10对位移计的设置进行说明，试验层框架梁11的两端分别各放置两个高度不同的位移计Q2、Q3和两个高度不同的位移计Q5、 Q6，加载点对应位置的梁侧面放置位移计Q1、Q4，通过Q2与Q5测得位移差和Q3与Q6 测得位移差的加权平均可求得梁的轴向伸长值e，通过Q2与Q3(Q5与Q6)测得的位移及两个位移计的距离L可求得柱转角θ，将Q1(或Q4)求得的位移消除去柱转角引起的刚体位移可获得真实的构件位移，进而得到真实的构件滞回曲线。
实施例2
本实施例提供一种框架梁低周往复加载的试验方法，用于在如实施例1的框架梁低周往复加载的试验结构上进行试验，包括：
在试验层框架梁11的上面设置上千斤顶，在试验层框架梁11的下面设置下千斤顶，上千斤顶的上下分别抵接于反力层梁30和试验层框架梁11，下千斤顶的上下分别抵接于试验层框架梁11和基础层梁20；
通过上千斤顶和下千斤顶的交替加载，对试验层框架梁11进行低周往复加载。
图11是其中一根试验层框架梁11加载的示意图。以图11对试验方法中的加载过程进行说明，采用反对称加载对试验层框架梁11进行低周往复加载。首先上千斤顶M1和下千斤顶 M2同时进行加载，此时上千斤顶N1和下千斤顶N2处于静止状态，在完成第一次加载后，将上千斤顶M1和下千斤顶M2，上千斤顶N1和下千斤顶N2同时进行加载，在完成第二次加载后，将上千斤顶N1和下千斤顶N2进行卸载，如此依次进行交替加载，在构件屈服前通过控制力增幅实现分级加载，在构件屈服后通过控制位移增幅实现分级加载。
本实施例所提供的试验方法还可以包括：通过变化上千斤顶和下千斤顶的相对位置改变梁构件的剪跨比，进而探究不同的剪跨比对梁力学性能的影响。
基于整体框架结构进行梁承载力试验，能够考虑空间复杂约束作用的影响，得到相比单独构件试验结果更加真实可靠的梁构件力学性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种框架梁低周往复加载的试验结构，其特征在于，包括试验层框架梁、试验层板、基础层梁、反力层梁和框架柱，所述试验层框架梁、试验层板、基础层梁、反力层梁和框架柱形成三层的x跨×y跨框架柱结构，x为大于或等于3的整数，y为大于或等于2的整数，所述试验层框架梁、试验层板连接所述框架柱形成试验层作为第二层，所述基础层梁连接所述框架柱形成基础层作为第一层，所述反力层梁连接所述框架柱形成反力层作为第三层；
所述试验层中非边梁的所述试验层框架梁在其跨中，通过两个背靠背相互贴合的金属件断开；所述试验层中的所述试验层板从其跨中至断开的所述试验层框架梁的跨中，通过两个背靠背相互贴合的所述金属件断开；两个所述金属件相互贴合之处涂抹有润滑剂；
所述试验层板在断开处的厚度局部增大，在所述试验层框架梁和所述试验层板设有传感器。
2.根据权利要求1所述的一种框架梁低周往复加载的试验结构，其特征在于，断开所述试验层框架梁的所述金属件包裹所述试验层框架梁断开的截面，断开所述试验层板的所述金属件包裹所述试验层板断开的截面。
3.根据权利要求1所述的一种框架梁低周往复加载的试验结构，其特征在于，所述金属件包括上翼缘、下翼缘和腹板，所述上翼缘、腹板、下翼缘依次连接呈槽形；
断开所述试验层框架梁的所述金属件的上翼缘顶面与所述试验层框架梁的顶面平齐、下翼缘的底面与所述试验层框架梁的底面平齐；
断开所述试验层板的所述金属件的上翼缘顶面与所述试验层板的顶面平齐、下翼缘的底面与所述试验层板的底面平齐；
两个相互贴合的所述金属件的腹板相互贴合，两个所述腹板相互贴合之处涂抹有润滑剂。
4.根据权利要求3所述的一种框架梁低周往复加载的试验结构，其特征在于，断开所述试验层框架梁的所述金属件的上翼缘底面和/或下翼缘顶面，与所述试验层框架梁的纵筋焊接；断开所述试验层板的所述金属件的上翼缘底面和/或下翼缘顶面，与所述试验层板的纵筋焊接。
5.根据权利要求1所述的一种框架梁低周往复加载的试验结构，其特征在于，沿着一个方向断开所述试验层板的金属件，与另一个方向断开所述试验层板的金属件相互连接处，采用切角处理，并外贴金属连接片连接或者焊接连接。
6.根据权利要求1所述的一种框架梁低周往复加载的试验结构，其特征在于，不同所述试验层框架梁的配筋率和/或配箍率不同。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种框架梁低周往复加载的试验结构，其特征在于，所述试验层板在局部增大处的厚度为所述试验层框架梁高度的0.5倍～1.0倍。
8.根据权利要求1至6任一项所述的一种框架梁低周往复加载的试验结构，其特征在于，所述传感器包括应变片和位移计；
所述应变片设置在所述试验层框架梁的纵筋距离所述框架柱的边缘线一定距离的位置，和所述试验层板的纵筋距离所述框架柱的边缘线一定距离的位置以及所述试验层框架梁靠近所述框架柱的第一个箍筋；
所述位移计设置在所述试验层框架梁的两端。
9.根据权利要求8所述的一种框架梁低周往复加载的试验结构，其特征在于，在所述试验层框架梁的一端所设置的所述位移计为两个，在所述试验层框架梁同一端所设置的两个所述位移计高度不同，所述位移计还设置在所述试验层框架梁的加载点。
10.一种框架梁低周往复加载的试验方法，其特征在于，用于在如权利要求1至9任一项所述的框架梁低周往复加载的试验结构上进行试验，包括：
在所述试验层框架梁的上面设置上千斤顶，在所述试验层框架梁的下面设置下千斤顶，所述上千斤顶的上下分别抵接于所述反力层梁和所述试验层框架梁，所述下千斤顶的上下分别抵接于所述试验层框架梁和所述基础层梁；
通过所述上千斤顶和所述下千斤顶的交替加载，对所述试验层框架梁进行低周往复加载。
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