研究协议对木剪力墙抗侧性能的影响
-Caltech近断层协议(CUREE-NF)〔注〕。CUREE-Caltech协议主要是针对木结构房屋的滞回反应而制定的,用来模拟远场地震地面运动对木结构产生的影响;CUREE-Caltech近断层协议主要是模拟近断层地震地面运动对木结构的影响
CUREE-Caltech协议的位移历程是根据试件最大循环承载力处的估计变形(参考变形Δ)建立的。使用这个位移协议时,循环试验前需要预估出参考变形Δ,可以通过单调试验、分析预测、以及从类似试验的数据中确定出Δ。单调加载试验是木框架结构研究人员确定参考变形Δ的主要方法。图1说明了由单调试验结果确定的参考变形Δ。单调变形能力Δm是最大承载力下降到80%处的位移。参考变形Δ是单调变形能力Δm的函数。建议使用公式Δ=0.6×Δm初步估计出循环荷载峰值承载力处的变形。木框架结构研究人员根据他们的循环加载试验经验判断得出了“0.6”这个值。为保证到达参考变形前能出现预计的循环次数,在某些情况下也可以对“0.6”进行修改。
CUREE近断层协议(CUREE-NF)与CUREE-Caltech协议都利用了记录的近断层地面运动。CUREE近断层协议(CUREE-NF)是根据近断层参考变形Δm定义的,试件要求与单调加载相类似。
当不能定义出合适的参考变形时,结构试验可采用CUREE力控制试验协议,它是根据参考力 定义的, 是试件经历地震时的承载力,可以通过单调试验或者经验得出。由于小循环对力控制构件的最大承载力影响不大,故小于0.7 的循环次数非常少。
3.2 SPD试验协议。SPD加载协议最早是由美国砌体研究技术协调委员会 (TCCMAR)提出,后经南加州结构工程协会(SEAOSC 1995)改进和采用,该加载协议必须依据静力加载下试件达到破坏状态时的位移,加载过程中振幅按该破坏位移的一定比例逐渐增加。
SPD试验协议与CUREE试验协议有很多相似之处。剪力墙试验采用的都是位移控制而不是力控制;都使用反复循环加载而不是单调加载来确定木剪力墙的抗震性能。
SPD与CUREE还有三个主要区别。首先SPD试验协议以试件初始破坏的特征为基础,其性能与理想的弹塑性材料模型有关,而CUREE试验协议用加载历程来评价一系列地震时地面运动的需求。
第二点差别在于CUREE试验协议采用循环加载时最大承载力处的估计值来建立加载历程,而SPD试验协议更关注于首先出现破坏的情况,这与SPD试验协议中屈服的定义相近。当首个指定位移路径下的承载力明显高于随后位移路径的承载力时判断这一点为屈服。屈服极限状态(YLS)是指,最后循环路径与首个循环路径相比,承载力下降5%或更多则认为是屈服。
第三点区别与约束有关。CUREE试验协议要求约束条件更能代表实际结构的约束情况。SPD试验协议特别要求使用刚性约束来消除由于剪力墙变形引起的墙骨柱上拔。由于覆面板和连接件的共同作用,这种边界条件的方法更侧重于抗剪性能,因此它的约束条件与美国ASTM E72〔ASTM, 1995〕试验标准大致相同。
使用SPD试验协议时,需要通过预先的循环试验来确定一片或一组墙的首个主要的试验现象。SPD协议在试验多次循环以后,比预期地震能吸收更多的能量。这时的最大承载力是真实的,但应注意出现首个主要试验现象的循环次数在10-12次左右。除了循环次数外,位移大小以及相同位移水平下的循环次数对试验协议来说也十分重要。SPD试验协议的研究者们近来建议减小试验循环次数。
SPD试验协议建议从试验结果推导出设计值。对于强度的设计步骤来说,名义承载力是根据3-5个试验得出的平均屈服荷载定义的。对于容许应变来说,名义承载力应乘以1.4的系数。由于试验中观察的典型破坏机制与地震或飓风作用下观察到的破坏有着显著的不同,SPD试验协议没有得到普遍认可。
3.3 ISO试验协议。ISO加载协议和SPD加载协议相似,加载过程中位移按极限荷载下的位移以一定比例逐渐增加。
ISO试验协议的标题为“木结构——机械连接点——拟静力反复循环试验方法” 〔5〕。尽管这个方法是专门为节点提出来的。反复荷载取用相同试件单向荷载试验所确定的极限位移(荷载下降至极限荷载的80%或者试件出现严重破坏时的位移)作为控制位移,位移速率为5 mm/秒,加载循环为:峰值位移为控制位移的1.25%,2.5%,5%,10%三角形波依次进行一次循环,峰值位移为控制位移的20%、40%、60%、80%、100%和120%三角形波依次进行三个循环后终止试验。
ISO试验协议与CUREE试验协议的相似点在于,它主要研究最大承载力处的性能,要求在正式试验前估计出最大承载力处的位移,并要求在20次循环内到达估计的最大位移(Vu)。而不同点在于,ISO试验协议在相同位移下要循环多次,它的能量吸收与一系列地震地面运动的能量吸收有关。
近年来有关木剪力墙的抗侧试验中多采用了循环往复加载试验协议来模拟地震作用,研究者们研究了不同加载协议(CUREE、SPD、ISO等)对木剪力墙受力性能影响〔6-7〕,发现加载序列对剪力墙的性能影响较大, 但对墙体初始刚度影响不明显,同时还发现剪力墙的破坏模式与加载协议有关,循环次数多的SPD加载协议使得钉子发生剪切疲劳破坏,使得剪力墙的极限承载力与变形能力降低;它所需能量比CUREE、ISO加载协议明显要大,但这个协议下木剪力墙的破坏现象在实际的地震作用中并不常见。CUREE方案和静力加载方案下墙体性能最为接近。不同加载协议下的最大荷载基本差不多(10%以内),SPD最大荷载时的位移小于其它加载协议。但目前尚无一个统一的加载协议来完全反映地震作用下木剪力墙的抗侧性能,目前推荐将ISO试验协议作为我国剪力墙试验加载协议。
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