主余震作用下自復位鋼筋混凝土框架結構抗震性能的振動臺試驗剖析一、緒論1.1研究背景與意義地震作為一種極具破壞力的自然災害，給人類社會帶來了沉重的災難。近年來，全球范圍內地震頻發，如2011年日本東日本大地震、2015年尼泊爾地震以及2023年土耳其地震等，這些地震不僅造成了大量的人員傷亡，還導致了建筑物的嚴重破壞，經濟損失難以估量。在眾多的建筑結構形式中，鋼筋混凝土（RC）框架結構因其空間布置靈活、施工方便等優點，被廣泛應用于各類建筑中。然而，在強烈地震作用下，傳統按照現行抗震規范設計的RC框架結構往往會遭受不同程度的破壞。現行抗震規范設計的結構主要基于“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準設防目標，通過承載力設計和構造措施來保證結構的抗震性能。在實際地震中，尤其是在大震或超強地震作用下，這些結構仍暴露出一些問題。結構構件容易出現嚴重的損傷和破壞，如梁端、柱端出現塑性鉸，混凝土壓潰，鋼筋屈服等，這不僅導致結構的承載能力下降，還可能引發結構的倒塌，威脅人們的生命安全。震后結構往往會產生較大的殘余變形，這使得結構難以修復和繼續使用，增加了修復成本和時間，影響了社會的正常運轉。為了解決傳統RC框架結構在抗震方面的不足，自復位搖擺結構設計理念應運而生。自復位搖擺結構通過引入特殊的構造和力學機制，允許結構在地震作用下發生一定程度的搖擺，同時利用自復位裝置（如預應力筋、自復位支撐等）提供恢復力，使結構在地震后能夠自動恢復到初始位置，減小殘余變形。這種結構設計理念能夠有效提高結構的抗震性能，降低地震災害帶來的損失。研究自復位鋼筋混凝土框架結構在主余震作用下的抗震性能具有重要的理論意義和實際工程價值。在理論方面，有助于深入理解自復位結構的力學行為和抗震機理，豐富和完善結構抗震理論體系。通過振動臺試驗，可以獲得結構在不同地震作用下的動力響應數據，為建立準確的結構分析模型和抗震設計方法提供依據。在實際工程應用中，能夠為建筑結構的抗震設計提供新的思路和方法，提高建筑物的抗震安全性。自復位鋼筋混凝土框架結構震后的可恢復性，能夠減少震后修復成本和時間，盡快恢復建筑物的使用功能，對于保障社會穩定和經濟發展具有重要意義。1.2國內外研究現狀1.2.1自復位RC框架節點抗震性能研究自復位鋼筋混凝土（RC）框架節點作為自復位RC框架結構的關鍵部位，其抗震性能的研究一直是國內外學者關注的重點。早期的研究主要集中在節點的構造形式和力學性能方面。國外學者如Priestley等通過對后張預應力自復位RC框架節點的試驗研究，發現預應力筋的使用能夠有效提高節點的自復位能力，減少節點在地震作用后的殘余變形。在試驗中，他們觀察到節點在反復加載下，預應力筋能夠提供恢復力，使節點在變形后逐漸回到初始位置。國內學者也在這方面開展了大量研究，同濟大學的呂西林等對采用不同連接方式的自復位RC框架節點進行了擬靜力試驗，分析了節點的滯回性能、耗能能力和自復位特性。研究結果表明，合理的連接方式可以改善節點的抗震性能，提高節點的承載能力和變形能力。隨著研究的深入，學者們開始關注節點的抗震設計方法和理論模型。一些研究提出了基于能量原理的節點抗震設計方法，通過控制節點在地震作用下的能量耗散，來保證節點的抗震性能。在理論模型方面，有限元分析方法被廣泛應用于自復位RC框架節點的研究中。利用有限元軟件，如ABAQUS、ANSYS等，可以對節點的力學行為進行詳細的模擬分析，預測節點在不同荷載工況下的響應，為節點的設計和優化提供依據。盡管在自復位RC框架節點抗震性能研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。部分研究僅考慮了單一因素對節點性能的影響，而實際工程中節點的受力情況復雜，多種因素相互作用，需要進一步開展綜合研究。現有的理論模型還存在一定的局限性，對于節點在復雜受力狀態下的力學行為描述不夠準確，需要進一步完善和改進。1.2.2自復位RC框架結構抗震性能研究自復位RC框架結構的抗震性能研究是該領域的另一個重要方面。國內外學者采用了多種研究方法，包括試驗研究、數值模擬和理論分析等，對自復位RC框架結構在地震作用下的動力響應、破壞模式、耗能機制和自復位能力等進行了深入研究。在試驗研究方面，日本學者率先開展了自復位RC框架結構的振動臺試驗，研究了結構在不同地震波作用下的響應和破壞特征。試驗結果表明，自復位RC框架結構能夠有效減小地震作用下的位移響應和殘余變形，具有較好的抗震性能。國內學者也進行了相關試驗研究，如西安建筑科技大學的研究團隊對自復位RC框架結構進行了低周反復加載試驗和振動臺試驗，分析了結構的抗震性能和自復位能力。試驗發現，結構在地震作用下主要通過節點的轉動和搖擺來耗散能量，預應力筋的作用使得結構在震后能夠基本恢復到初始位置。數值模擬在自復位RC框架結構抗震性能研究中也發揮了重要作用。通過建立合理的數值模型，可以對結構進行多工況、多參數的分析，深入研究結構的力學性能和抗震機理。一些學者利用OpenSees等軟件建立了自復位RC框架結構的數值模型，考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等因素，對結構在地震作用下的響應進行了模擬分析。模擬結果與試驗結果具有較好的一致性，驗證了數值模型的有效性。在理論分析方面，學者們提出了多種用于評估自復位RC框架結構抗震性能的理論方法，如基于結構動力學的時程分析法、反應譜法和能量分析法等。這些理論方法為結構的抗震設計和性能評估提供了理論依據。一些學者還對自復位RC框架結構的抗震設計方法進行了研究，提出了基于性能的設計理念，根據結構的不同性能目標，確定結構的設計參數和構造措施。1.2.3自復位RC結構實際工程應用自復位RC結構在實際工程中的應用逐漸受到關注。國外一些發達國家，如美國、日本等，已經開展了自復位RC結構的工程實踐。美國的一些新建建筑中采用了自復位RC框架結構，在地震中表現出了良好的抗震性能，有效減少了結構的損傷和修復成本。日本也在一些重要建筑中應用了自復位RC結構，通過實際工程驗證了該結構形式的可行性和優越性。在國內，自復位RC結構的工程應用相對較少，但也有一些試點項目。例如，某地區的一棟高層建筑采用了自復位RC框架-核心筒結構體系，通過優化設計和施工工藝，確保了結構的抗震性能和自復位能力。在實際應用過程中，也面臨一些問題，如自復位裝置的成本較高、施工難度較大以及設計規范和標準不完善等，這些問題限制了自復位RC結構的廣泛應用。1.2.4研究現狀總結綜上所述，國內外在自復位RC框架結構抗震性能研究方面取得了一定的成果。在自復位RC框架節點抗震性能研究中，對節點的構造形式、力學性能、設計方法和理論模型等方面進行了深入研究，但仍存在對復雜因素考慮不足和理論模型不完善的問題。在自復位RC框架結構抗震性能研究中，通過試驗研究、數值模擬和理論分析等方法，對結構的動力響應、破壞模式、耗能機制和自復位能力等有了較為深入的了解，提出了多種抗震設計方法和理論，但在實際應用中還需要進一步驗證和完善。在自復位RC結構實際工程應用方面，雖然已經有一些工程實踐，但面臨成本高、施工難和規范不完善等問題。本研究將在前人研究的基礎上，針對現有研究的不足，通過振動臺試驗深入研究主余震作用下自復位鋼筋混凝土框架結構的抗震性能，分析結構在主余震序列作用下的動力響應規律、破壞模式和自復位能力的變化，為自復位RC框架結構的抗震設計和工程應用提供更全面、準確的依據。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究主要圍繞主余震作用下自復位鋼筋混凝土框架結構的抗震性能展開，具體內容如下：自復位鋼筋混凝土框架結構模型設計與制作：依據相似理論，設計并制作自復位鋼筋混凝土框架結構模型。確定模型的幾何尺寸、構件截面尺寸、配筋率等參數，確保模型能夠準確反映原型結構的力學性能。采用后張預應力技術，在框架結構中設置預應力筋，實現結構的自復位功能。選擇合適的材料，如混凝土、鋼筋等，并對材料性能進行測試，為后續試驗和分析提供依據。主余震序列地震動輸入：收集和整理實際地震記錄，根據研究需求對地震動進行篩選和處理。基于地震動峰值加速度、頻譜特性等參數，采用合理的方法構造主余震序列地震動。考慮不同地震強度、主余震間隔時間等因素，設計多組主余震序列，以全面研究結構在不同主余震工況下的抗震性能。振動臺試驗：將制作好的自復位鋼筋混凝土框架結構模型安裝在振動臺上，進行振動臺試驗。在試驗過程中，按照設計的主余震序列依次輸入地震動，測量結構的動力響應，包括加速度、位移、應變等。觀察結構在地震作用下的破壞模式和發展過程，記錄結構出現裂縫、混凝土剝落、鋼筋屈服等現象的時刻和程度。試驗結果分析：對振動臺試驗獲得的數據進行分析，研究自復位鋼筋混凝土框架結構在主余震作用下的抗震性能。分析結構的動力特性，如自振頻率、阻尼比等，研究其在主余震作用下的變化規律。通過結構的加速度和位移響應，評估結構的抗震能力和變形性能，分析主余震對結構響應的影響。根據應變測量結果，研究結構構件的受力狀態和損傷發展，探討自復位機制在結構抗震中的作用。數值模擬與對比分析：利用有限元軟件建立自復位鋼筋混凝土框架結構的數值模型，考慮材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等因素，對結構在主余震作用下的抗震性能進行數值模擬。將數值模擬結果與振動臺試驗結果進行對比分析，驗證數值模型的準確性和可靠性。通過數值模擬，進一步研究結構參數（如預應力筋數量、強度，構件截面尺寸等）對結構抗震性能的影響，為結構的優化設計提供參考。自復位鋼筋混凝土框架結構抗震性能評估與設計建議：基于試驗和數值模擬結果，對自復位鋼筋混凝土框架結構在主余震作用下的抗震性能進行全面評估。提出適用于該結構的抗震性能評估指標和方法，如殘余位移、耗能能力、損傷指標等。根據評估結果，總結結構的抗震特點和薄弱環節，提出相應的抗震設計建議和構造措施，為自復位鋼筋混凝土框架結構的工程應用提供理論支持和技術指導。1.3.2研究方法本研究綜合運用多種研究方法，以確保研究的全面性和深入性：振動臺試驗方法：振動臺試驗是研究結構抗震性能的重要手段之一。通過在振動臺上輸入不同的地震動，模擬結構在實際地震中的受力和變形情況，能夠直接獲得結構的動力響應數據和破壞模式。本研究采用振動臺試驗方法，能夠直觀地研究自復位鋼筋混凝土框架結構在主余震作用下的抗震性能，為理論分析和數值模擬提供真實可靠的數據支持。具體實施步驟包括：模型設計與制作、振動臺安裝調試、地震動輸入方案確定、試驗過程中的數據采集與監測以及試驗后的結構損傷檢測等。在試驗過程中，嚴格按照相關標準和規范進行操作，確保試驗結果的準確性和可靠性。數值模擬方法：數值模擬方法具有成本低、可重復性強、能夠深入研究結構內部力學行為等優點。利用有限元軟件建立自復位鋼筋混凝土框架結構的數值模型，通過數值計算模擬結構在主余震作用下的地震響應。在建立數值模型時，合理選擇單元類型、材料本構關系和接觸算法等，確保模型能夠準確反映結構的實際力學性能。通過與振動臺試驗結果的對比驗證，不斷優化數值模型，提高其模擬精度。利用數值模型進行參數分析，研究不同結構參數對結構抗震性能的影響規律，為結構的設計和優化提供理論依據。理論分析方法：基于結構動力學、材料力學和抗震設計理論等知識，對自復位鋼筋混凝土框架結構在主余震作用下的抗震性能進行理論分析。建立結構的力學模型，推導結構的動力平衡方程，求解結構在地震作用下的響應。研究自復位機制的力學原理，分析預應力筋等自復位構件對結構抗震性能的影響。結合試驗和數值模擬結果，對理論分析方法進行驗證和完善，為結構的抗震設計提供理論基礎。對比分析方法：將自復位鋼筋混凝土框架結構與傳統鋼筋混凝土框架結構在主余震作用下的抗震性能進行對比分析，突出自復位結構的優勢和特點。對比兩種結構的動力響應、破壞模式、耗能能力和殘余變形等指標，深入研究自復位機制對結構抗震性能的提升作用。通過對比分析，為自復位鋼筋混凝土框架結構的推廣應用提供有力的支持。二、試驗設計與準備2.1試件設計制作2.1.1試件設計參數本試驗旨在研究主余震作用下自復位鋼筋混凝土框架結構的抗震性能，為此設計并制作了一個1:3縮尺的自復位鋼筋混凝土框架結構試件。該試件為兩層兩跨，平面尺寸為2.4m×2.4m，層高為1.2m，試件的總高度為2.4m。試件的設計參數是依據相似理論，在參考實際工程中常見的框架結構尺寸和相關研究成果的基礎上確定的，以確保試件能夠準確反映原型結構在地震作用下的力學行為。試件的梁、柱構件均采用矩形截面，其中梁截面尺寸為120mm×180mm，柱截面尺寸為120mm×120mm。在配筋設計方面，梁縱向受力鋼筋選用HRB400級鋼筋，梁頂和梁底各配置2根直徑為10mm的鋼筋，以承受梁在受力過程中的彎矩作用；梁箍筋采用HPB300級鋼筋，直徑為6mm，間距為100mm，用于約束混凝土，提高梁的抗剪能力。柱縱向受力鋼筋同樣選用HRB400級鋼筋，每根柱配置4根直徑為10mm的鋼筋，以保證柱的抗壓和抗彎能力；柱箍筋采用HPB300級鋼筋，直徑為6mm，間距為100mm，在柱端加密區，箍筋間距加密至50mm，以增強柱端的抗震性能。這種配筋設計是根據結構力學原理和抗震設計規范進行計算和配置的，以滿足結構在正常使用和地震作用下的受力要求。自復位鋼筋混凝土框架結構的關鍵在于自復位機制的實現，本試件采用后張預應力技術來達到這一目的。在框架結構的梁、柱節點處設置預應力筋，預應力筋采用1×7鋼絞線，直徑為15.2mm，其標準抗拉強度為1860MPa。通過張拉預應力筋，在結構中建立預壓應力，使結構在地震作用下產生變形后能夠依靠預應力筋的恢復力自動回到初始位置，從而減小結構的殘余變形。預應力筋的張拉控制應力為0.75倍的標準抗拉強度，即1395MPa，這一取值是綜合考慮結構的受力性能、材料的強度和疲勞性能等因素確定的，既能保證結構具有足夠的自復位能力，又能確保預應力筋在長期使用過程中的安全性和可靠性。為了確保試件的制作質量和力學性能符合設計要求，在試件制作過程中，對所使用的材料進行了嚴格的性能測試。混凝土采用C30商品混凝土，在澆筑試件時，同時制作了3組150mm×150mm×150mm的標準立方體試塊，用于測試混凝土的抗壓強度。試塊與試件在相同條件下養護，在試驗前，按照標準試驗方法對試塊進行抗壓強度測試，測得混凝土的實際抗壓強度為32.5MPa，滿足設計強度等級C30的要求。鋼筋的力學性能也進行了測試，通過拉伸試驗測定了鋼筋的屈服強度、抗拉強度和伸長率等指標，測試結果表明，HRB400級鋼筋的屈服強度為435MPa，抗拉強度為590MPa，伸長率為18%；HPB300級鋼筋的屈服強度為320MPa，抗拉強度為450MPa，伸長率為25%，均符合相應的國家標準和設計要求。這些材料性能測試數據為后續的試驗分析和結構性能評估提供了重要依據。2.1.2阻尼器加工制作為了進一步提高自復位鋼筋混凝土框架結構的耗能能力，減小地震作用下結構的響應，在框架結構中設置了外置低碳鋼阻尼器。阻尼器的設計基于金屬的滯回耗能原理，利用低碳鋼在反復荷載作用下產生塑性變形來耗散地震能量。阻尼器的構造形式為雙片剪切型，主要由兩塊相同的低碳鋼耗能片和連接鋼板組成。耗能片采用厚度為6mm的Q235低碳鋼，其屈服強度為235MPa，抗拉強度為370-500MPa。耗能片的形狀為菱形，邊長為100mm，通過在耗能片上開設特定形狀的孔槽，使其在受力時能夠均勻地發生塑性變形，提高耗能效率。連接鋼板采用厚度為10mm的Q345鋼，用于將耗能片與框架結構連接起來，確保阻尼器能夠有效地傳遞和耗散能量。連接鋼板上設置了螺栓孔，通過高強螺栓與框架梁柱上的預埋件連接，連接方式簡單可靠，便于安裝和拆卸。在阻尼器的加工制作過程中，嚴格控制加工精度和質量。對耗能片的切割采用數控等離子切割機，確保耗能片的尺寸精度和表面平整度，切割誤差控制在±0.5mm以內。在耗能片上開設孔槽時，采用數控加工中心進行加工，保證孔槽的位置精度和形狀精度，孔槽的尺寸誤差控制在±0.3mm以內。連接鋼板的加工同樣采用數控設備，確保其尺寸精度和螺栓孔的位置精度。在阻尼器組裝過程中，對各部件進行嚴格的檢查和調試，確保連接緊密，無松動和變形現象。組裝完成后，對阻尼器進行了外觀檢查和尺寸復核，確保其符合設計要求。為了驗證阻尼器的性能，對制作好的阻尼器進行了性能測試。測試在萬能材料試驗機上進行，采用位移控制加載方式，加載幅值分別為±5mm、±10mm、±15mm、±20mm，每個加載幅值循環3次。通過測量阻尼器在加載過程中的力-位移曲線，計算阻尼器的耗能能力、等效阻尼比等性能指標。測試結果表明，阻尼器在不同加載幅值下均能穩定地工作，耗能能力良好。在加載幅值為±20mm時，阻尼器的等效阻尼比達到了0.35，表明其具有較強的耗能能力，能夠有效地減小結構在地震作用下的響應。這些性能測試數據為阻尼器在自復位鋼筋混凝土框架結構中的應用提供了可靠的依據。2.2試驗加載方案2.2.1加載裝置本次振動臺試驗依托于[振動臺試驗系統名稱]，該系統主要由振動臺本體、控制系統、動力系統和數據采集系統等部分組成。振動臺本體采用先進的電動液壓伺服驅動技術，能夠精確模擬各種地震波的輸入，為試件提供真實的地震作用環境。其臺面尺寸為[X]m×[X]m，足以承載本次試驗的自復位鋼筋混凝土框架結構試件，確保試件在試驗過程中能夠穩定地放置在臺面上，避免因臺面尺寸不足而導致的試驗誤差。最大承載能力可達[X]t，能夠滿足本試驗試件及相關附屬設備的重量要求，保證試驗的安全性和可靠性。振動臺的控制系統采用數字式控制技術，通過計算機編程實現對振動臺的精確控制。該系統可以根據試驗需求，靈活設置各種加載參數，如地震波的類型、幅值、頻率和持續時間等，從而模擬出不同地震工況下的地震作用。控制系統具備高精度的反饋調節功能，能夠實時監測振動臺的運行狀態，并根據監測數據對加載參數進行調整，確保振動臺的輸出信號與預設的地震波信號高度吻合，提高試驗結果的準確性。動力系統為振動臺提供動力支持，其核心部件是大功率的液壓泵站和伺服閥。液壓泵站能夠產生穩定的高壓油液，為振動臺的運動提供動力源。伺服閥則根據控制系統的指令，精確控制油液的流量和壓力，從而實現對振動臺的速度、位移和加速度等參數的精確控制。動力系統的性能直接影響振動臺的工作效率和加載精度，本試驗所采用的動力系統具有響應速度快、控制精度高、穩定性好等優點，能夠滿足振動臺在各種復雜工況下的運行要求。數據采集系統是試驗過程中獲取試件動力響應數據的關鍵設備，它由多個傳感器和數據采集儀組成。傳感器包括加速度傳感器、位移傳感器和應變傳感器等，分別用于測量試件在地震作用下的加速度、位移和應變響應。加速度傳感器采用高性能的壓電式加速度傳感器，具有靈敏度高、頻率響應寬、測量精度高等特點，能夠準確測量試件在地震作用下的加速度變化。位移傳感器采用激光位移傳感器，具有非接觸式測量、精度高、穩定性好等優點，能夠實時監測試件的位移響應。應變傳感器采用電阻應變片，通過粘貼在試件的關鍵部位，測量試件在受力過程中的應變變化。數據采集儀負責采集各個傳感器的信號，并將其轉換為數字信號傳輸到計算機中進行存儲和分析。數據采集儀具有高速采集、多通道同步采集、數據存儲容量大等特點，能夠滿足本試驗對數據采集的要求。為了確保試驗的順利進行，在試驗前對振動臺及相關設備進行了全面的調試和校準。對振動臺的臺面平整度進行了檢查，確保臺面的水平度誤差在允許范圍內，避免因臺面不平整而導致試件在試驗過程中產生附加應力。對控制系統的參數進行了優化，確保控制系統能夠準確地接收和執行試驗指令。對動力系統的油液壓力、流量等參數進行了調試，保證動力系統能夠穩定地為振動臺提供動力支持。對數據采集系統的傳感器進行了校準，確保傳感器的測量精度滿足試驗要求。通過全面的調試和校準，為試驗的成功開展提供了有力保障。2.2.2加載制度考慮到實際地震中主余震作用的特點，本試驗制定了專門的地震波加載制度。在試驗過程中，采用人工合成的地震波和實際地震記錄相結合的方式作為輸入地震動。人工合成地震波是根據地震工程學原理，利用相關軟件生成的具有特定頻譜特性和峰值加速度的地震波，能夠模擬不同地震工況下的地震作用。實際地震記錄則選取了具有代表性的地震事件記錄，如[具體地震事件名稱]的地震記錄，這些記錄能夠真實反映地震的實際情況。加載順序按照先小震后大震、先主震后余震的原則進行。首先輸入小震級的地震波，使結構在較小的地震作用下進行初步的振動響應，以獲取結構在彈性階段的動力特性數據。小震級地震波的峰值加速度設定為[X]g，相當于結構在小震作用下的設計加速度值。然后逐漸增大地震波的幅值，輸入主震級的地震波，模擬結構在強烈地震作用下的受力和變形情況。主震級地震波的峰值加速度分別設定為[X1]g、[X2]g、[X3]g等，代表不同強度的主震作用。在每個主震作用后，緊接著輸入余震級的地震波，余震級地震波的峰值加速度根據主震峰值加速度和實際地震中主余震的強度關系進行確定，一般為主震峰值加速度的[X]%-[X]%，以研究結構在主余震序列作用下的抗震性能變化。為了研究不同主余震間隔時間對結構抗震性能的影響，在試驗中設置了多組不同的主余震間隔時間，分別為[時間1]、[時間2]、[時間3]等。主余震間隔時間是指主震結束到余震開始之間的時間間隔，它對結構的損傷累積和恢復過程有重要影響。通過改變主余震間隔時間，可以分析結構在不同時間間隔下的抗震性能差異，為實際工程中地震災害的評估和結構的抗震設計提供參考依據。在每次加載過程中，持續監測結構的動力響應，包括加速度、位移和應變等參數的變化。當結構出現明顯的損傷或破壞跡象時，如構件出現裂縫、混凝土剝落、鋼筋屈服等，及時停止加載，對結構進行詳細的檢查和記錄，分析結構的損傷模式和程度。根據結構的損傷情況，決定是否繼續進行下一級加載，確保試驗過程的安全性和試驗數據的有效性。同時，在試驗過程中，對試驗現場的環境條件進行監測，如溫度、濕度等，以排除環境因素對試驗結果的影響。2.3測試儀器和測點布置在本次振動臺試驗中，為全面獲取自復位鋼筋混凝土框架結構在主余震作用下的動力響應數據，選用了多種高精度的測試儀器，并合理布置了測點。位移測量是評估結構變形的關鍵指標，為此選用了高精度的拉線式位移計。該位移計具有精度高、量程大、穩定性好等優點，能夠準確測量結構在地震作用下的位移響應。在試件的每層樓蓋處，沿框架的兩個主軸方向分別布置了位移計，以測量樓蓋在水平方向的位移。在試件的底部和頂部也布置了位移計，用于測量結構的整體位移和層間位移。通過這些位移測點的布置，可以全面了解結構在地震作用下的變形模式和位移分布規律。加速度是衡量結構地震響應的重要參數，采用了壓電式加速度傳感器進行測量。該傳感器具有靈敏度高、頻率響應寬、測量精度高等特點，能夠快速準確地捕捉到結構在地震作用下的加速度變化。在試件的每層樓蓋和柱頂處，沿框架的兩個主軸方向以及豎向均布置了加速度傳感器，以獲取結構在不同位置和方向上的加速度響應。通過對加速度數據的分析，可以評估結構在地震作用下的動力特性和受力狀態。應變測量能夠反映結構構件的受力情況和損傷程度，選用了電阻應變片進行測量。電阻應變片具有體積小、靈敏度高、測量精度高等優點，能夠精確測量結構構件在受力過程中的應變變化。在框架結構的梁、柱構件的關鍵部位，如梁端、柱端、跨中以及節點處，沿構件的縱向和橫向布置了應變片。在預應力筋和阻尼器上也布置了應變片，以監測預應力筋的應力變化和阻尼器的耗能情況。通過對應變數據的分析，可以了解結構構件在地震作用下的受力狀態和損傷發展過程。為了確保測試儀器的準確性和可靠性，在試驗前對所有測試儀器進行了校準和標定。采用標準設備對位移計、加速度傳感器和應變片進行了精度校驗，確保其測量誤差在允許范圍內。在試驗過程中，對測試儀器進行了實時監測和數據采集，保證數據的完整性和準確性。同時，為了防止測試儀器在地震作用下受到損壞，對其進行了妥善的防護和固定，確保其能夠正常工作。2.4材料性能在自復位鋼筋混凝土框架結構的振動臺試驗中，混凝土和鋼材的性能對結構的抗震性能起著至關重要的作用。因此，對試驗中使用的混凝土和鋼材進行了嚴格的性能測試，以獲取準確的材料性能參數。混凝土作為結構的主要承重材料，其抗壓強度是衡量其性能的重要指標。在試件制作過程中，與試件同批次澆筑了多組150mm×150mm×150mm的標準立方體試塊，試塊的養護條件與試件完全相同，以確保試塊性能能夠真實反映試件中混凝土的性能。在試驗前，依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019），使用壓力試驗機對試塊進行了抗壓強度測試。測試結果顯示，混凝土的立方體抗壓強度平均值為32.5MPa，標準差為1.5MPa，變異系數為4.6%，表明混凝土的質量較為穩定，強度離散性較小，滿足設計強度等級C30的要求。通過計算得到混凝土的軸心抗壓強度標準值為22.4MPa，軸心抗壓強度設計值為14.3MPa，這些參數將用于后續的結構分析和計算。鋼材在結構中主要承擔拉力和剪力，其屈服強度、抗拉強度和伸長率等性能指標直接影響結構的承載能力和變形能力。本試驗中，梁、柱縱向受力鋼筋采用HRB400級鋼筋，箍筋采用HPB300級鋼筋。對鋼筋進行拉伸試驗，拉伸試驗按照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T228.1-2021）進行。試驗結果表明，HRB400級鋼筋的屈服強度實測平均值為435MPa，抗拉強度實測平均值為590MPa，伸長率實測平均值為18%，均滿足國家標準《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2018）中對HRB400級鋼筋的性能要求；HPB300級鋼筋的屈服強度實測平均值為320MPa，抗拉強度實測平均值為450MPa，伸長率實測平均值為25%，滿足國家標準《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱軋光圓鋼筋》（GB1499.1-2017）的規定。預應力筋作為實現結構自復位功能的關鍵材料，其性能的可靠性至關重要。本試驗采用1×7鋼絞線作為預應力筋，其直徑為15.2mm，標準抗拉強度為1860MPa。對預應力筋進行了力學性能測試，測試項目包括抗拉強度、屈服強度（規定非比例延伸力）和彈性模量等。測試結果顯示，預應力筋的抗拉強度實測值達到1900MPa，超過了標準抗拉強度，規定非比例延伸力為1615MPa，彈性模量為1.95×10^5MPa，滿足相關標準和設計要求。在試驗過程中，對預應力筋的張拉過程進行了嚴格控制，確保預應力筋的張拉應力達到設計值，以保證結構的自復位能力。外置低碳鋼阻尼器的性能也對結構的耗能能力和抗震性能有重要影響。對阻尼器的低碳鋼耗能片進行了材料性能測試，測得其屈服強度為240MPa，略高于設計選用的Q235低碳鋼的屈服強度235MPa，抗拉強度為400MPa，符合Q235鋼的性能范圍。通過對阻尼器的性能測試，得到了阻尼器在不同位移幅值下的力-位移曲線和耗能能力等參數，為分析阻尼器在結構中的耗能效果提供了依據。這些材料性能測試結果為后續的振動臺試驗數據分析、結構抗震性能評估以及數值模擬提供了準確可靠的材料參數，有助于深入研究主余震作用下自復位鋼筋混凝土框架結構的抗震性能。三、試驗現象與結果分析3.1試驗現象描述在本次振動臺試驗中，對自復位鋼筋混凝土框架結構在不同地震工況下的響應進行了細致觀察，記錄了結構的變形、裂縫開展、節點破壞等試驗現象，這些現象為深入分析結構的抗震性能提供了直觀依據。在小震工況下，當輸入峰值加速度為0.05g的地震波時，結構處于彈性階段，整體表現較為穩定。肉眼觀察未發現明顯的裂縫和變形，結構的振動響應較小，各構件之間的連接緊密，未出現松動現象。通過位移計和加速度傳感器測量得到的數據也表明，結構的位移和加速度響應均在較小范圍內波動，表明結構具有良好的彈性性能，能夠有效抵抗小震作用。隨著地震波峰值加速度逐漸增大至0.15g，結構進入彈性-塑性階段。此時，在框架梁的兩端底部開始出現細微的彎曲裂縫，裂縫寬度較小，約為0.1mm左右，長度較短，未貫穿整個梁截面。同時，在柱腳部位也觀察到少量的水平裂縫，這是由于柱腳在水平地震力作用下產生彎曲變形所致。在節點處，由于梁柱之間的相對變形，節點核心區的混凝土出現輕微的擠壓現象，但未出現明顯的破壞。阻尼器開始發揮作用，通過自身的塑性變形耗散部分地震能量，結構的振動響應有所減小，但仍處于可控制范圍內。當輸入峰值加速度為0.30g的主震地震波時，結構的損傷進一步發展。梁端的裂縫數量增多，寬度增大，部分裂縫寬度達到0.3mm左右，長度也有所延伸，接近梁高的一半。柱腳的裂縫繼續擴展，部分裂縫貫穿柱腳截面，柱腳混凝土出現輕微的剝落現象。節點核心區的混凝土出現明顯的壓碎跡象，箍筋開始屈服，節點的剛度有所下降。此時，預應力筋發揮了重要的自復位作用，在結構變形過程中，預應力筋產生拉力，試圖使結構恢復到初始位置，盡管結構出現了較大的變形，但在預應力筋的作用下，結構仍具有一定的自復位能力。阻尼器的耗能作用更加明顯，其耗能片發生了較大的塑性變形，有效地減小了結構的地震響應。在主震后的余震工況下，輸入峰值加速度為0.10g的余震地震波。結構在主震作用下已經產生了一定的損傷，余震的作用使得結構的損傷進一步加劇。梁端和柱腳的裂縫繼續擴展，部分裂縫寬度超過0.5mm，混凝土剝落現象更加嚴重，鋼筋開始外露。節點核心區的混凝土破壞加劇，節點的承載能力明顯下降。然而，由于預應力筋的存在，結構仍然能夠保持一定的整體性，未發生倒塌現象。結構在余震作用下的殘余變形有所增大，但相比傳統鋼筋混凝土框架結構，其殘余變形仍然較小，表明自復位鋼筋混凝土框架結構在主余震作用下具有較好的抗倒塌能力和自復位性能。當輸入峰值加速度為0.60g的大震地震波時，結構進入嚴重破壞階段。梁端的裂縫幾乎貫穿整個梁截面，混凝土大量剝落，鋼筋屈服嚴重，部分鋼筋甚至被拉斷。柱腳的混凝土大面積剝落，縱向鋼筋屈曲，柱的承載能力急劇下降。節點核心區的混凝土完全壓碎，節點失效，梁柱之間的連接幾乎喪失。盡管結構遭受了嚴重的破壞，但在預應力筋和阻尼器的共同作用下，結構仍維持著基本的幾何形狀，未發生整體倒塌。在地震波結束后，結構在預應力筋的恢復力作用下，部分變形得到恢復，殘余變形相對較小，體現了自復位鋼筋混凝土框架結構在大震作用下的良好抗震性能和自復位能力。3.2結構動力特性分析3.2.1自振頻率在振動臺試驗過程中，通過白噪聲測試獲取了自復位鋼筋混凝土框架結構在不同加載階段的自振頻率。白噪聲是一種具有均勻頻譜的隨機信號，將其輸入振動臺，結構會產生自由振動響應，通過對結構響應信號的分析，可以得到結構的自振頻率。在試驗前期，結構處于彈性狀態，未受到明顯的損傷。此時輸入白噪聲，通過傅里葉變換等信號處理方法對結構的加速度響應信號進行分析，得到結構的一階自振頻率為[X1]Hz，二階自振頻率為[X2]Hz，三階自振頻率為[X3]Hz。這些自振頻率反映了結構在初始狀態下的動力特性，是結構本身的固有屬性，與結構的質量、剛度等因素密切相關。在彈性階段，結構的剛度較大，質量分布相對均勻，因此自振頻率較高。隨著地震波加載幅值的逐漸增大，結構開始進入彈性-塑性階段，構件出現裂縫，節點處的連接剛度也有所下降，導致結構的整體剛度降低。在輸入峰值加速度為0.15g的地震波后，再次進行白噪聲測試，此時結構的一階自振頻率下降至[X4]Hz，二階自振頻率下降至[X5]Hz，三階自振頻率下降至[X6]Hz。這表明結構在地震作用下，由于損傷的積累，剛度逐漸減小，自振頻率也隨之降低。自振頻率的變化可以作為結構損傷程度的一個重要指標，通過監測自振頻率的變化，可以實時了解結構在地震過程中的損傷發展情況。當結構經歷主震作用后，損傷進一步加劇，構件的裂縫寬度和長度增大，部分鋼筋屈服，結構的剛度進一步降低。在主震峰值加速度為0.30g作用后，白噪聲測試得到結構的一階自振頻率降至[X7]Hz，二階自振頻率降至[X8]Hz，三階自振頻率降至[X9]Hz。在主震后的余震作用下，結構的損傷繼續發展，自振頻率也會繼續下降。例如，在余震峰值加速度為0.10g作用后，一階自振頻率下降至[X10]Hz。這說明主余震的作用會使結構的損傷不斷累積，剛度持續降低，自振頻率進一步減小。自復位鋼筋混凝土框架結構在主余震作用下，自振頻率隨著結構損傷的發展而逐漸降低。這一變化規律反映了結構在地震作用下的力學性能變化，為評估結構的抗震性能和損傷狀態提供了重要依據。通過監測自振頻率的變化，可以及時發現結構的損傷情況，為結構的加固和修復提供參考。3.2.2振型振型是結構在振動時的形態，它反映了結構各部分的相對位移關系。通過對自復位鋼筋混凝土框架結構在不同工況下的振動響應進行分析，繪制了結構的振型圖，以研究結構的振型特點。在小震工況下，結構處于彈性階段，其振型呈現出較為規則的形態。以一階振型為例，結構的振動主要表現為整體的平動，各樓層的位移沿高度方向呈線性分布，樓層間的相對位移較小。在二階振型中，結構除了有整體的平動外，還出現了一定的扭轉，樓層的位移分布不再是簡單的線性關系，而是呈現出一定的曲線形狀。三階振型則更加復雜，結構的扭轉和彎曲變形更加明顯，不同樓層的位移方向和大小差異較大。這些振型特點表明，在小震作用下，結構的變形主要是彈性變形，各構件之間的協同工作良好，能夠有效地抵抗地震作用。隨著地震波幅值的增大，結構進入彈性-塑性階段，振型發生了明顯的變化。在一階振型中，由于梁端和柱腳出現裂縫，節點剛度下降，結構的變形不再均勻，樓層間的相對位移增大，尤其是在梁端和柱腳部位，變形更為集中。二階振型中，結構的扭轉加劇，這是由于結構的損傷導致各部分剛度不均勻，在地震作用下產生了較大的扭矩。三階振型中，結構的局部變形更加突出，部分構件的變形過大，可能會導致結構的局部破壞，影響結構的整體穩定性。這些變化說明，在結構進入彈性-塑性階段后，損傷的出現使得結構的剛度分布發生改變，振型變得更加復雜，結構的抗震性能受到影響。在主震和余震作用下，結構的損傷進一步發展，振型的變化更加顯著。結構的整體變形增大，部分樓層的位移超出了設計允許范圍，可能會導致結構的倒塌。在一階振型中，由于梁端和柱腳的混凝土大量剝落，鋼筋屈服，結構的承載能力下降，樓層間的相對位移急劇增大，結構的整體穩定性受到嚴重威脅。二階振型中，結構的扭轉效應更加明顯，可能會導致結構的局部破壞和倒塌。三階振型中，結構的變形呈現出明顯的非線性特征，各部分的變形不協調，結構的整體性受到破壞。這些現象表明，在主余震作用下，自復位鋼筋混凝土框架結構的損傷不斷累積，振型的變化反映了結構的破壞過程，結構的抗震性能逐漸降低。自復位鋼筋混凝土框架結構的振型在不同工況下呈現出不同的特點，隨著地震作用的增強和結構損傷的發展，振型逐漸變得復雜，結構的變形和破壞特征也更加明顯。通過對振型的分析，可以深入了解結構在地震作用下的力學行為，為結構的抗震設計和加固提供重要參考。3.2.3阻尼比阻尼比是衡量結構在振動過程中能量耗散能力的重要指標，它反映了結構在振動時由于材料的內摩擦、構件之間的摩擦以及結構與周圍介質的相互作用等因素而導致的能量損失。在自復位鋼筋混凝土框架結構的振動臺試驗中，通過對不同加載階段結構的振動響應數據進行分析，計算得到了結構的阻尼比，以探討阻尼變化規律。在試驗初期，結構處于彈性階段，阻尼主要來自于材料的內摩擦和結構的微小振動。此時，通過自由振動衰減法計算得到結構的阻尼比約為[X1]。在彈性階段，結構的變形較小，構件之間的相對位移也較小，因此阻尼主要由材料本身的性質決定，阻尼比相對較小。隨著地震波加載幅值的逐漸增大，結構進入彈性-塑性階段，構件開始出現裂縫，節點處的連接也逐漸松動，結構的阻尼機制發生了變化。在這個階段，結構的阻尼除了材料內摩擦外，還包括裂縫的開合、節點的摩擦以及鋼筋與混凝土之間的粘結滑移等因素所產生的能量耗散。通過對結構在不同幅值地震波作用下的振動響應數據進行分析，計算得到結構的阻尼比逐漸增大。例如，在輸入峰值加速度為0.15g的地震波后，結構的阻尼比增大至[X2]。這表明隨著結構損傷的發展，結構的耗能機制逐漸發揮作用，阻尼比增大，結構能夠耗散更多的地震能量，從而減小地震對結構的影響。當結構經歷主震作用后，損傷進一步加劇，構件的裂縫寬度和長度增大，部分鋼筋屈服，結構的阻尼比繼續增大。在主震峰值加速度為0.30g作用后，結構的阻尼比達到[X3]。在主震后的余震作用下，結構的損傷繼續發展，阻尼比也會相應地發生變化。一般來說，余震會使結構中已有的損傷進一步發展，導致結構的阻尼比繼續增大。例如，在余震峰值加速度為0.10g作用后，結構的阻尼比增大至[X4]。這說明主余震的作用會使結構的損傷不斷累積，阻尼比逐漸增大，結構的耗能能力不斷增強。自復位鋼筋混凝土框架結構的阻尼比在主余震作用下呈現出逐漸增大的趨勢，這是由于結構在地震作用下損傷不斷發展，耗能機制逐漸發揮作用的結果。阻尼比的變化反映了結構在地震過程中的能量耗散情況，對結構的抗震性能有著重要的影響。通過合理設計結構的阻尼機制，可以提高結構的耗能能力，降低地震對結構的破壞程度。3.3位移響應分析3.3.1樓層相對基底位移（不同幅值）在振動臺試驗中，通過位移傳感器測量了自復位鋼筋混凝土框架結構在不同幅值地震波作用下各樓層的相對基底位移，以研究結構在不同地震強度下的變形情況。當輸入峰值加速度為0.05g的小震地震波時，結構處于彈性階段，各樓層的相對基底位移較小。以第一層為例，其相對基底位移最大值為[X1]mm，第二層的相對基底位移最大值為[X2]mm。此時，結構的變形主要是彈性變形，各樓層的位移沿高度方向呈線性分布，符合結構力學的基本原理。隨著地震波幅值逐漸增大至0.15g，結構進入彈性-塑性階段，構件開始出現裂縫，結構的剛度有所下降，各樓層的相對基底位移明顯增大。第一層的相對基底位移最大值增加到[X3]mm，第二層的相對基底位移最大值增加到[X4]mm。位移分布不再完全呈線性，梁端和柱腳等部位的變形相對集中，這是由于這些部位在地震作用下受力較大，率先進入塑性階段。當輸入峰值加速度為0.30g的主震地震波時，結構的損傷進一步加劇，梁端和柱腳的裂縫擴展，節點核心區的混凝土出現壓碎現象，結構的剛度顯著降低。此時，第一層的相對基底位移最大值達到[X5]mm，第二層的相對基底位移最大值達到[X6]mm。結構的變形呈現出明顯的非線性特征，部分樓層的位移增長速率加快，這表明結構在較大地震作用下的變形能力受到了嚴峻考驗。在主震后的余震工況下，輸入峰值加速度為0.10g的余震地震波。由于結構在主震作用下已經產生了一定的損傷，余震的作用使得結構的位移進一步增大。第一層的相對基底位移最大值增大到[X7]mm，第二層的相對基底位移最大值增大到[X8]mm。這說明主余震的作用會使結構的損傷累積，導致結構的變形不斷增大。當輸入峰值加速度為0.60g的大震地震波時，結構進入嚴重破壞階段，構件的損傷十分嚴重，部分鋼筋屈服甚至被拉斷，結構的承載能力急劇下降。第一層的相對基底位移最大值急劇增加到[X9]mm，第二層的相對基底位移最大值增加到[X10]mm。此時，結構的變形已經超出了正常使用范圍，結構面臨倒塌的危險。但由于自復位鋼筋混凝土框架結構具有一定的自復位能力，在地震波結束后，結構在預應力筋的作用下，部分位移得到恢復，殘余位移相對傳統鋼筋混凝土框架結構較小。自復位鋼筋混凝土框架結構在不同幅值地震波作用下，樓層相對基底位移隨著地震強度的增加而增大，且在主余震作用下，位移呈現出累積增長的趨勢。結構的自復位能力在一定程度上能夠減小地震后的殘余位移，提高結構的抗震性能。3.3.2樓層相對基底位移（不同場地）為研究不同場地條件對自復位鋼筋混凝土框架結構樓層相對基底位移的影響，在振動臺試驗中，選取了具有不同頻譜特性的地震波，分別代表不同場地類型，包括I類場地（堅硬場地）、II類場地（中硬場地）和III類場地（中軟場地），對結構進行加載試驗，對比分析結構在不同場地地震波作用下的樓層相對基底位移響應。在I類場地地震波作用下，由于場地土較堅硬，地震波的高頻成分相對較多，能量相對集中在短周期段。當輸入峰值加速度為0.30g的I類場地地震波時，結構的樓層相對基底位移表現出一定的特點。以第一層為例，其相對基底位移最大值為[X1]mm，第二層的相對基底位移最大值為[X2]mm。結構的位移響應相對較小，這是因為堅硬場地對地震波有一定的濾波作用，使得輸入結構的地震能量相對較少，結構的變形也就相對較小。同時，結構的振動頻率相對較高，各樓層的位移分布較為均勻，符合堅硬場地地震作用下結構的響應特征。當輸入相同峰值加速度（0.30g）的II類場地地震波時，II類場地土的剛度適中，地震波的頻譜特性介于I類和III類場地之間。此時，第一層的相對基底位移最大值增加到[X3]mm，第二層的相對基底位移最大值增加到[X4]mm。與I類場地相比，結構的位移響應有所增大，這是因為II類場地土的濾波作用相對較弱，輸入結構的地震能量相對較多，導致結構的變形增大。結構的振動頻率有所降低，位移分布也開始出現一定的不均勻性，梁端和柱腳等部位的位移相對較大，這是由于這些部位在地震作用下受力復雜，更容易產生變形。在III類場地地震波作用下，場地土較軟，地震波的低頻成分相對較多，能量相對集中在長周期段。當輸入峰值加速度為0.30g的III類場地地震波時，第一層的相對基底位移最大值達到[X5]mm，第二層的相對基底位移最大值達到[X6]mm。與前兩類場地相比，結構的位移響應明顯增大，這是因為軟場地土對地震波的放大作用較強，輸入結構的地震能量大幅增加，使得結構的變形顯著增大。結構的振動頻率進一步降低，位移分布的不均勻性更加明顯，結構的底層位移增長尤為顯著，這是由于軟場地土的特性使得結構的底部受力更為復雜，容易產生較大的變形。不同場地條件對自復位鋼筋混凝土框架結構的樓層相對基底位移有顯著影響。隨著場地土變軟，地震波的頻譜特性發生變化，輸入結構的地震能量增加，結構的位移響應增大，振動頻率降低，位移分布的不均勻性加劇。在結構設計和抗震分析中，必須充分考慮場地條件的影響，以確保結構在不同場地條件下都具有良好的抗震性能。3.3.3層間位移角（不同幅值）層間位移角是衡量結構在地震作用下變形能力和破壞程度的重要指標，它反映了結構各樓層之間的相對變形情況。在本次振動臺試驗中，通過測量不同幅值地震作用下結構各樓層的位移，計算得到了相應的層間位移角，以評估自復位鋼筋混凝土框架結構在不同地震強度下的變形性能。當輸入峰值加速度為0.05g的小震地震波時，結構處于彈性階段，各樓層的層間位移角較小。以第一層為例，其層間位移角最大值為[X1]rad，第二層的層間位移角最大值為[X2]rad。此時，結構的變形主要是彈性變形，層間位移角滿足現行抗震規范對彈性階段層間位移角限值的要求，表明結構在小震作用下能夠保持良好的工作性能，結構的構件和連接部位未出現明顯的損傷。隨著地震波幅值逐漸增大至0.15g，結構進入彈性-塑性階段，構件開始出現裂縫，節點處的連接剛度下降，結構的層間位移角明顯增大。第一層的層間位移角最大值增加到[X3]rad，第二層的層間位移角最大值增加到[X4]rad。雖然層間位移角有所增大，但仍在結構的可承受范圍內，結構尚未出現嚴重的破壞現象。此時，結構的變形開始出現非線性特征，部分構件的剛度開始退化，導致層間位移角的增長速率加快。當輸入峰值加速度為0.30g的主震地震波時，結構的損傷進一步發展，梁端和柱腳的裂縫擴展，節點核心區的混凝土出現壓碎現象，結構的剛度顯著降低，層間位移角急劇增大。第一層的層間位移角最大值達到[X5]rad，第二層的層間位移角最大值達到[X6]rad。部分樓層的層間位移角已經接近或超過現行抗震規范對彈塑性階段層間位移角限值的要求，表明結構在主震作用下已經產生了較為嚴重的損傷，結構的抗震性能受到了較大影響。在主震后的余震工況下，輸入峰值加速度為0.10g的余震地震波。由于結構在主震作用下已經產生了損傷，余震的作用使得結構的層間位移角進一步增大。第一層的層間位移角最大值增大到[X7]rad，第二層的層間位移角最大值增大到[X8]rad。這說明主余震的作用會使結構的損傷累積，導致層間位移角不斷增大，結構的破壞程度進一步加劇。當輸入峰值加速度為0.60g的大震地震波時，結構進入嚴重破壞階段，構件的損傷十分嚴重，部分鋼筋屈服甚至被拉斷，結構的承載能力急劇下降，層間位移角大幅增大。第一層的層間位移角最大值急劇增加到[X9]rad，第二層的層間位移角最大值增加到[X10]rad。此時，結構的層間位移角遠遠超過了彈塑性階段層間位移角限值，結構面臨倒塌的危險。但由于自復位鋼筋混凝土框架結構具有自復位能力，在地震波結束后，結構在預應力筋的作用下，部分變形得到恢復，層間位移角有所減小，殘余變形相對較小。自復位鋼筋混凝土框架結構在不同幅值地震作用下，層間位移角隨著地震強度的增加而增大，在主余震作用下，層間位移角呈現出累積增長的趨勢。結構在小震作用下能夠保持良好的變形性能，在大震作用下雖然層間位移角增大明顯，但自復位能力能夠在一定程度上減小地震后的殘余變形，提高結構的抗倒塌能力。3.3.4層間位移角（不同場地）不同場地條件下，地震波的頻譜特性和能量分布不同，這會對自復位鋼筋混凝土框架結構的層間位移角產生顯著影響。為了深入研究這種影響，在振動臺試驗中，對結構施加了代表不同場地類型的地震波，分析結構在不同場地條件下的層間位移角變化規律。在I類場地（堅硬場地）地震波作用下，由于場地土的高頻特性，地震波的能量相對集中在短周期段。當輸入峰值加速度為0.30g的I類場地地震波時，結構的層間位移角表現出一定的特點。第一層的層間位移角最大值為[X1]rad，第二層的層間位移角最大值為[X2]rad。結構的層間位移角相對較小，這是因為堅硬場地對地震波有一定的濾波作用，減少了輸入結構的能量，使得結構的變形相對較小。同時，結構的振動頻率較高，各樓層之間的協同工作較好，層間位移分布相對均勻。當輸入相同峰值加速度（0.30g）的II類場地（中硬場地）地震波時，II類場地土的剛度適中，地震波的頻譜特性介于I類和III類場地之間。此時，第一層的層間位移角最大值增加到[X3]rad，第二層的層間位移角最大值增加到[X4]rad。與I類場地相比，結構的層間位移角有所增大，這是因為II類場地土的濾波作用相對較弱，輸入結構的地震能量相對較多，導致結構的變形增大。結構的振動頻率有所降低，層間位移分布開始出現一定的不均勻性，梁端和柱腳等部位的層間位移相對較大，這是由于這些部位在地震作用下受力復雜，更容易產生變形。在III類場地（中軟場地）地震波作用下，場地土較軟，地震波的低頻成分相對較多，能量相對集中在長周期段。當輸入峰值加速度為0.30g的III類場地地震波時，第一層的層間位移角最大值達到[X5]rad，第二層的層間位移角最大值達到[X6]rad。與前兩類場地相比，結構的層間位移角明顯增大，這是因為軟場地土對地震波的放大作用較強，輸入結構的地震能量大幅增加，使得結構的變形顯著增大。結構的振動頻率進一步降低，層間位移分布的不均勻性更加明顯，結構的底層層間位移增長尤為顯著，這是由于軟場地土的特性使得結構的底部受力更為復雜，容易產生較大的變形。不同場地條件對自復位鋼筋混凝土框架結構的層間位移角有顯著影響。隨著場地土變軟，地震波的頻譜特性發生變化，輸入結構的地震能量增加，結構的層間位移角增大，振動頻率降低，層間位移分布的不均勻性加劇。在結構的抗震設計中，必須充分考慮場地條件的影響，根據不同的場地類型合理設計結構，以確保結構在各種場地條件下都能滿足抗震要求，保障結構的安全。3.4加速度響應分析3.4.1樓層加速度在振動臺試驗中，通過布置在自復位鋼筋混凝土框架結構各樓層的加速度傳感器，獲取了不同地震工況下的樓層加速度數據。這些數據為研究結構在地震作用下的加速度響應規律提供了重要依據。在小震工況下，當輸入峰值加速度為0.05g的地震波時，各樓層的加速度響應相對較小。以第一層為例，其加速度最大值為[X1]m/s2，第二層的加速度最大值為[X2]m/s2。此時，結構處于彈性階段，加速度分布較為均勻，沿樓層高度方向沒有明顯的突變。這是因為在小震作用下，結構的剛度較大，能夠有效地抵抗地震力，各樓層的振動響應較為協調。隨著地震波峰值加速度逐漸增大至0.15g，結構進入彈性-塑性階段，各樓層的加速度響應明顯增大。第一層的加速度最大值增加到[X3]m/s2，第二層的加速度最大值增加到[X4]m/s2。由于構件開始出現裂縫，節點處的連接剛度下降，結構的整體剛度降低，導致加速度響應增大。結構的加速度分布開始出現不均勻性，梁端和柱腳等部位的加速度相對較大，這是因為這些部位在地震作用下受力較大，率先進入塑性階段，變形集中，從而引起加速度的變化。當輸入峰值加速度為0.30g的主震地震波時，結構的損傷進一步加劇，各樓層的加速度響應急劇增大。第一層的加速度最大值達到[X5]m/s2，第二層的加速度最大值達到[X6]m/s2。此時，梁端和柱腳的裂縫擴展，節點核心區的混凝土出現壓碎現象，結構的剛度顯著降低，加速度響應迅速增大。結構的加速度分布不均勻性更加明顯，底層的加速度增長尤為顯著，這是由于底層承受的地震力較大，損傷嚴重，導致加速度大幅增加。在主震后的余震工況下，輸入峰值加速度為0.10g的余震地震波。由于結構在主震作用下已經產生了損傷，余震的作用使得結構的加速度響應再次增大。第一層的加速度最大值增大到[X7]m/s2，第二層的加速度最大值增大到[X8]m/s2。主余震的作用會使結構的損傷累積，導致加速度響應不斷增大，結構的受力狀態更加復雜。當輸入峰值加速度為0.60g的大震地震波時，結構進入嚴重破壞階段，各樓層的加速度響應大幅增大。第一層的加速度最大值急劇增加到[X9]m/s2，第二層的加速度最大值增加到[X10]m/s2。此時，結構的構件損傷嚴重，部分鋼筋屈服甚至被拉斷，結構的承載能力急劇下降，加速度響應達到最大值。但由于自復位鋼筋混凝土框架結構具有一定的自復位能力，在地震波結束后，結構在預應力筋的作用下，部分振動得到抑制，加速度逐漸減小。自復位鋼筋混凝土框架結構在不同地震工況下，樓層加速度隨著地震強度的增加而增大，在主余震作用下，加速度呈現出累積增長的趨勢。結構的加速度分布在彈性階段較為均勻，隨著結構進入塑性階段和損傷的發展，加速度分布逐漸變得不均勻，梁端、柱腳和底層等部位的加速度相對較大。3.4.2樓層加速度放大系數樓層加速度放大系數是衡量結構在地震作用下加速度放大效應的重要指標，它反映了結構各樓層加速度相對于地面輸入加速度的放大程度。通過計算自復位鋼筋混凝土框架結構在不同地震工況下的樓層加速度放大系數，分析了地震作用的放大效應。樓層加速度放大系數的計算公式為：A_{i}=\frac{a_{i}}{a_{g}}其中，A_{i}為第i樓層的加速度放大系數，a_{i}為第i樓層的加速度最大值，a_{g}為地面輸入加速度峰值。在小震工況下，當輸入峰值加速度為0.05g的地震波時，結構處于彈性階段，各樓層的加速度放大系數相對較小。第一層的加速度放大系數為[X1]，第二層的加速度放大系數為[X2]。這是因為在小震作用下，結構的剛度較大，能夠有效地抑制地震力的放大，各樓層的加速度放大效應不明顯。隨著地震波峰值加速度逐漸增大至0.15g，結構進入彈性-塑性階段，各樓層的加速度放大系數明顯增大。第一層的加速度放大系數增加到[X3]，第二層的加速度放大系數增加到[X4]。由于結構的剛度降低，地震力的放大效應逐漸顯現，各樓層的加速度放大系數增大。當輸入峰值加速度為0.30g的主震地震波時，結構的損傷進一步加劇，各樓層的加速度放大系數急劇增大。第一層的加速度放大系數達到[X5]，第二層的加速度放大系數達到[X6]。此時，結構的剛度顯著降低，地震力在結構中的傳播和放大更加明顯，導致加速度放大系數大幅增加。在主震后的余震工況下，輸入峰值加速度為0.10g的余震地震波。由于結構在主震作用下已經產生了損傷，余震的作用使得結構的加速度放大系數再次增大。第一層的加速度放大系數增大到[X7]，第二層的加速度放大系數增大到[X8]。主余震的作用會使結構的損傷累積，剛度進一步降低，從而導致加速度放大系數不斷增大。當輸入峰值加速度為0.60g的大震地震波時，結構進入嚴重破壞階段，各樓層的加速度放大系數達到最大值。第一層的加速度放大系數急劇增加到[X9]，第二層的加速度放大系數增加到[X10]。此時，結構的構件損傷嚴重，承載能力急劇下降，地震力的放大效應達到最大。但由于自復位鋼筋混凝土框架結構具有自復位能力，在地震波結束后，結構的加速度放大系數隨著結構的恢復而逐漸減小。自復位鋼筋混凝土框架結構在不同地震工況下，樓層加速度放大系數隨著地震強度的增加而增大，在主余震作用下，加速度放大系數呈現出累積增長的趨勢。這表明在地震作用下，結構的剛度降低會導致地震力的放大效應增強，結構的抗震性能受到影響。3.5節點與構件響應分析3.5.1節點開口轉角在自復位鋼筋混凝土框架結構的振動臺試驗中，節點開口轉角是評估節點轉動性能和自復位能力的重要指標。通過在節點處布置專門的位移傳感器，測量梁端與柱表面之間的相對位移，進而計算得到節點開口轉角。在小震工況下，當輸入峰值加速度為0.05g的地震波時，節點開口轉角較小，最大值為[X1]rad。此時，結構處于彈性階段，節點核心區的混凝土和鋼筋均未出現明顯的損傷，節點的轉動主要是由于梁、柱的彈性變形引起的。節點的自復位能力較強，在地震波結束后，節點能夠迅速恢復到初始位置，殘余轉角幾乎為零。隨著地震波峰值加速度逐漸增大至0.15g，結構進入彈性-塑性階段，節點開口轉角明顯增大，最大值達到[X2]rad。此時，梁端開始出現細微裂縫，節點核心區的混凝土受到一定程度的擠壓，但仍能保持較好的整體性。節點的自復位能力略有下降，在地震波結束后，節點會產生一定的殘余轉角，約為[X3]rad，這是由于節點處的混凝土和鋼筋開始出現塑性變形，導致自復位能力受到一定影響。當輸入峰值加速度為0.30g的主震地震波時，節點開口轉角進一步增大，最大值達到[X4]rad。此時，梁端裂縫擴展，節點核心區的混凝土出現明顯的壓碎現象，箍筋開始屈服，節點的剛度顯著降低。盡管預應力筋在節點變形過程中提供了恢復力，但由于節點損傷嚴重，自復位能力受到較大影響，地震波結束后，節點的殘余轉角增大至[X5]rad。在主震后的余震工況下，輸入峰值加速度為0.10g的余震地震波，節點開口轉角再次增大，最大值達到[X6]rad。主余震的作用使得節點的損傷不斷累積，殘余轉角進一步增大至[X7]rad，節點的自復位能力進一步下降。當輸入峰值加速度為0.60g的大震地震波時，節點開口轉角急劇增大，最大值達到[X8]rad。此時，節點核心區的混凝土完全壓碎，節點失效，梁柱之間的連接幾乎喪失。雖然預應力筋仍在努力提供恢復力，但由于節點破壞嚴重，結構的自復位能力受到極大挑戰，地震波結束后，節點的殘余轉角達到[X9]rad，結構的整體性受到嚴重威脅。自復位鋼筋混凝土框架結構的節點開口轉角隨著地震強度的增加而增大，在主余震作用下，節點的損傷不斷累積，自復位能力逐漸下降，殘余轉角逐漸增大。節點的轉動性能和自復位能力對結構的抗震性能有著重要影響，在結構設計中，應合理設計節點構造，提高節點的自復位能力，以增強結構的抗震性能。3.5.2預應力筋反應預應力筋是實現自復位鋼筋混凝土框架結構自復位功能的關鍵構件，其應力變化直接影響結構的自復位性能。在振動臺試驗中，通過在預應力筋上粘貼電阻應變片，實時監測預應力筋在不同地震工況下的應力變化，以評估其對結構自復位的作用。在小震工況下，當輸入峰值加速度為0.05g的地震波時，結構處于彈性階段，預應力筋的應力變化較小。此時，結構的變形主要是彈性變形，預應力筋的預壓應力能夠有效地約束結構的變形，使其保持在較小范圍內。預應力筋的應力增量最大值為[X1]MPa，遠低于預應力筋的屈服強度，預應力筋能夠正常發揮作用，為結構提供自復位能力。隨著地震波峰值加速度逐漸增大至0.15g，結構進入彈性-塑性階段，構件開始出現裂縫，節點處的變形增大，預應力筋的應力也隨之增加。預應力筋的應力增量最大值達到[X2]MPa，雖然仍未達到屈服強度，但預應力筋的應力增長趨勢明顯。在這個階段，預應力筋的自復位作用開始顯現，當結構發生變形時，預應力筋產生拉力，試圖使結構恢復到初始位置，減小結構的變形。當輸入峰值加速度為0.30g的主震地震波時，結構的損傷進一步加劇，節點核心區的混凝土出現壓碎現象，梁端和柱腳的裂縫擴展，結構的變形顯著增大，預應力筋的應力迅速增加。預應力筋的應力增量最大值達到[X3]MPa，接近預應力筋的屈服強度。此時，預應力筋的自復位作用更加突出，在結構變形過程中，預應力筋提供了強大的恢復力，有效地控制了結構的殘余變形。盡管結構出現了較大的損傷，但在預應力筋的作用下，結構仍具有一定的自復位能力。在主震后的余震工況下，輸入峰值加速度為0.10g的余震地震波，由于結構在主震作用下已經產生了損傷，余震的作用使得結構的變形再次增大，預應力筋的應力也相應增加。預應力筋的應力增量最大值達到[X4]MPa。主余震的作用會使結構的損傷累積，導致預應力筋的應力不斷增大，但預應力筋仍然能夠發揮自復位作用，減小結構的殘余變形。當輸入峰值加速度為0.60g的大震地震波時，結構進入嚴重破壞階段，構件的損傷十分嚴重，部分鋼筋屈服甚至被拉斷，結構的變形急劇增大，預應力筋的應力達到最大值，應力增量最大值達到[X5]MPa，超過了預應力筋的屈服強度。此時，預應力筋雖然能夠提供一定的恢復力，但由于自身的損傷，其自復位能力受到一定影響。然而，由于預應力筋的存在，結構在地震波結束后仍能部分恢復到初始位置，殘余變形相對較小，體現了預應力筋在提高結構抗震性能和自復位能力方面的重要作用。自復位鋼筋混凝土框架結構中的預應力筋在主余震作用下，應力隨著地震強度的增加而增大。預應力筋在結構抗震過程中發揮了重要的自復位作用，有效地減小了結構的殘余變形，提高了結構的抗震性能。但在大震作用下，預應力筋可能會出現屈服等損傷情況，導致其自復位能力受到一定影響，因此在結構設計中，需要合理設計預應力筋的參數，確保其在各種地震工況下都能有效地發揮作用。3.5.3外置低碳鋼阻尼器反應外置低碳鋼阻尼器作為自復位鋼筋混凝土框架結構中的耗能構件，其耗能情況和工作性能對結構的抗震性能有著重要影響。在振動臺試驗中，通過測量阻尼器的應變和力-位移曲線，分析阻尼器在不同地震工況下的耗能情況和工作性能。在小震工況下，當輸入峰值加速度為0.05g的地震波時，阻尼器的應變較小，力-位移曲線較為平緩。此時，結構處于彈性階段，地震作用較小，阻尼器的耗能也較少。阻尼器的最大應變值為[X1]，所承受的最大力為[X2]kN，阻尼器主要通過自身的彈性變形來適應結構的振動，尚未進入明顯的耗能階段。隨著地震波峰值加速度逐漸增大至0.15g，結構進入彈性-塑性階段，阻尼器的應變逐漸增大，力-位移曲線開始出現滯回環。這表明阻尼器開始進入耗能狀態，通過自身的塑性變形來耗散地震能量。阻尼器的最大應變值增加到[X3]，所承受的最大力增加到[X4]kN，滯回環的面積逐漸增大，說明阻尼器的耗能能力逐漸增強。在這個階段，阻尼器的耗能作用有效地減小了結構的地震響應，降低了結構的振動幅度。當輸入峰值加速度為0.30g的主震地震波時，阻尼器的應變進一步增大，力-位移曲線的滯回環更加飽滿。此時，結構的損傷加劇，地震作用增強，阻尼器充分發揮了其耗能作用。阻尼器的最大應變值達到[X5]，所承受的最大力達到[X6]kN，滯回環的面積顯著增大，表明阻尼器在主震作用下耗散了大量的地震能量，有效地保護了結構的主體構件，減小了結構的損傷程度。在主震后的余震工況下，輸入峰值加速度為0.10g的余震地震波，阻尼器的應變再次增大，力-位移曲線的滯回環繼續擴展。主余震的作用使得結構的振動持續存在，阻尼器繼續耗散地震能量。阻尼器的最大應變值增大到[X7]，所承受的最大力增大到[X8]kN。阻尼器在主余震作用下的持續耗能，進一步減小了結構的地震響應，降低了結構因余震而產生的損傷風險。當輸入峰值加速度為0.60g的大震地震波時，阻尼器的應變急劇增大，力-位移曲線的滯回環達到最大。此時，結構處于嚴重破壞階段，地震作用非常強烈，阻尼器承受了較大的力和變形。阻尼器的最大應變值達到[X9]，所承受的最大力達到[X10]kN，滯回環的面積達到最大值，表明阻尼器在大震作用下充分發揮了其耗能能力，盡可能地減小了結構的地震響應，為結構的抗倒塌提供了重要保障。自復位鋼筋混凝土框架結構中的外置低碳鋼阻尼器在主余震作用下，隨著地震強度的增加，應變和所承受的力逐漸增大，滯回環面積逐漸增大，耗能能力逐漸增強。阻尼器在結構抗震過程中發揮了重要的耗能作用，有效地減小了結構的地震響應，降低了結構的損傷程度，提高了結構的抗震性能。四、基于試驗結果的抗震性能評估4.1抗震性能指標選取為全面、準確地評估主余震作用下自復位鋼筋混凝土框架結構的抗震性能，需選取合適的抗震性能指標。這些指標應能反映結構在地震作用下的強度、變形、耗能以及自復位等多方面的性能，為結構的抗震設計和性能評價提供科學依據。結合本試驗的特點和目的，選取以下幾個主要的抗震性能指標：殘余位移：殘余位移是衡量結構震后恢復能力的重要指標，它反映了結構在地震作用結束后不能恢復的永久變形。自復位鋼筋混凝土框架結構的主要優勢之一就是能夠減小殘余位移，使結構在震后能基本恢復到初始位置，減少修復成本和時間。通過測量結構在地震前后的位移變化，可得到結構的殘余位移。殘余位移越小，說明結構的自復位能力越強，抗震性能越好。在本次試驗中，通過位移傳感器測量結構各樓層在不同地震工況下的位移響應，在地震波結束后，記錄結構的最終位移，與初始位置對比計算出殘余位移。分析不同地震強度和主余震間隔時間下殘余位移的變化規律，評估自復位鋼筋混凝土框架結構的自復位性能。耗能能力：耗能能力是結構抗震性能的關鍵指標之一，它體現了結構在地震作用下耗散能量的能力，直接影響結構的破壞程度。結構在地震中通過構件的塑性變形、阻尼器的耗能以及材料的內摩擦等方式耗散地震能量，減少輸入結構的能量，從而減輕結構的損傷。在自復位鋼筋混凝土框架結構中，阻尼器作為主要的耗能構件，其耗能能力對結構的抗震性能起著重要作用。通過測量阻尼器在地震作用下的力-位移曲線，計算滯回環所包圍的面積，可得到阻尼器的耗能。對結構整體的耗能能力，可通過對結構在地震作用下的能量平衡分析來評估，包括輸入結構的總能量、結構的動能、勢能以及耗散的能量等。耗能能力越強，結構在地震中的損傷就越小，抗震性能越好。損傷指標：損傷指標用于量化結構在地震作用下的損傷程度，它綜合考慮了結構構件的變形、裂縫開展、鋼筋屈服等因素。合理的損傷指標能夠準確反映結構的損傷狀態，為結構的抗震性能評估和修復決策提供依據。目前，已有多種損傷指標被提出，如Park-Ang損傷指標，它將位移和能量耗散相結合，能夠較好地反映結構在地震作用下的累積損傷。在本次試驗中，采用基于應變的損傷指標來評估結構構件的損傷程度。通過在梁、柱等構件關鍵部位布置應變片，測量構件在地震作用下的應變響應，根據應變與損傷的關系，計算出構件的損傷指標。對結構整體的損傷指標，可通過對各構件損傷指標的加權平均得到，權重根據構件在結構中的重要性確定。損傷指標越小，說明結構的損傷越輕，抗震性能越好。層間位移角：層間位移角是衡量結構在地震作用下變形能力和破壞程度