悬挂结构作为一种新型的结构体系 ^[1,2,3,4],能够实现建筑室内和底部的大空间,充分利用高强材料的力学性能,达到结构与功能,力与美的协调统一。同时,悬挂结构也是工程师们积极探索的新型抗震结构体系,将结构控制 ^[5,6,7,8]融入结构设计之中。悬挂结构体系 ^[9,10,11]主要由承重主构架、吊件和悬挂楼层这三部分组成。这种结构体系利用悬挂楼层进行主动抗震,具有良好的抗震性能,同时承重主构架和悬挂楼层之间又便于控制设备的安装,是一种具有良好发展前景的建筑结构体系 ^[11]。但目前对这种结构体系的研究主要集中在理论与试验方面,工程应用很少。为充分了解这种结构体系的特性、工作状态,为后续建造高层、超高层悬挂结构积累经验,对设计、建造的一种全碳纤维增强复合材料(Carbon fiber-reinforced polymer,简称CFRP)索悬挂结构进行现场试验,对比分析结构在不同形式荷载作用下、主次结构不同连接方式下的静力性能。

　　 试点工程采用全CFRP索悬挂结构,总建筑面积为96m²,地上2层,层高均为3.3m,底层楼板挑高2.5m布置,建筑高度9.1m,底部悬空空间设计为车库,1层为办公用房,2层为公司产品展览室。该悬挂结构平面布置如图1所示,悬挂结构剖面示意见图2。

　　 悬挂楼面外尺寸为8m×6m,中心部位留有半径为0.95m的洞,洞周围为一圈环梁,楼层四周也设有一圈框架梁,外圈梁与内圈梁之间通过纵、横向主梁和次梁连接。每层悬挂楼面之间仅设置12个CFRP索,其中8个CFRP索直接设在悬挂大梁上,4个CFRP索设在结构的四个角部。每层的12个CFRP索以分别吊挂的方式悬挂于屋面十字形大梁和边梁上,以提高结构的安全性能。悬挂楼面之间除设置了12个CFRP索外,无任何竖向构件。为了增加结构外围的刚度,提高悬挂楼段的抗侧刚度,结构吊装完成后,在靠近结构的四个角部位置各布设了1根截面为200mm×200mm的构造柱。

　　 试验是在实际悬挂结构上进行的,考虑到后续还将使用,在试验过程中所施加的荷载不大。

　　 在构造柱建成前后,各进行了一组试验。在试验中,通过改变核心柱与各悬挂楼层之间的连接来形成自由悬挂结构、悬挂减振结构这两种不同的结构体系。自由悬挂结构,即核心柱与悬挂楼面内圈梁之间无连接,在外荷载作用下,悬挂楼层可以自由晃动; 悬挂减振结构,即在核心柱与悬挂楼面内圈梁之间设置橡胶垫,起到减振的作用。这样就可以将无连接结构与橡胶连接结构进行对比分析。

　　 具体的荷载作用方式有三种:1)均匀荷载,即各加载点施加同样的荷载; 2)倒三角形荷载,即上部荷载大、下部荷载小,呈倒三角形; 3)静风荷载,即根据受荷面积考虑体型系数、楼层高度等确定。

　　 具体试验加载工况如表1所示,三种加载工况所加荷载值如表2所示。

　　 要在结构现场实现上述加载方案,需建立反力墙。考虑到现场条件的限制和结构的特点,在结构的侧面建立反力墙,加载点选择在各楼层对应位置,如图3所示(箭头所指为加载点)。

　　 未建构造柱之前,考虑到此时结构较柔,为不影响后续使用,仅在图3所示加载点的中间一列加载点施加荷载; 构造柱建成后,仍按上述两种结构体系、三种荷载作用形式进行加载,不过此时选择两侧边梁所对应位置的加载点进行加载,即此时所加荷载是未建构造柱前的两倍。

　　 作为试验用的反力墙,在考虑经济性的同时,必须具有一定的刚度。综合各方面的因素,在离悬挂结构50cm的地方,建造了三片与梁齐平的钢筋混凝土墙,其形状和尺寸如图4所示。

　　 图5为各吊点、各核心柱的编号以及位移计的布设位置示意图,DD1～DD12为吊点编号。通过预先粘贴或预埋的应变片、钢筋计、混凝土计,测试悬挂大梁和核心柱中钢筋和混凝土的应变; 通过位移计,测试各悬挂楼层和悬挂大梁所在层的水平位移,悬挂楼层与核心柱之间的相对位移; 通过CFRP筋表面粘贴应变片及吊索底部的压力传感器,测试CFRP筋的应变、索力。

　　 水平荷载作用下,结构会产生侧移。因结构的形式比较特殊,选择了6个关键位置(顶层楼面即屋面、2层悬挂楼面、1层悬挂楼面、核心柱与2层悬挂楼面对应的位置、核心柱与1层悬挂楼面对应的位置以及核心柱的底部,从上至下依次记为位置①～⑥)进行测试,表3给出了各种荷载工况下这6个关键位置的侧移。

　　 由表3可知,布设橡胶垫后,位置②,③处悬挂楼面与核心柱之间相对位移明显减小,其中均匀荷载作用下位置③处,即1层悬挂楼面与核心柱之间的相对位移减小最为显著,从93.01mm减小到5.47mm,减小了94%,说明主次结构之间布设橡胶垫可削弱、减缓施加荷载对结构的作用。可以设想,遇到地震作用时,悬挂楼面的水平位移因为有了橡胶垫的隔振作用会减小,故能起到减震作用; 位置①,④,⑤,⑥为核心柱上的测点(分别对应图6中CD1～CD4),从表3可以看出,各种工况下均有:结构顶部侧移最大,越到底部侧移越小; 各荷载作用形式对核心柱上各位置处侧移几乎无影响,但对各悬挂楼层与核心柱之间的相对位移影响较大,尤其是未布设橡胶垫时; 建构造柱后所施加的荷载是未建构造柱前的两倍,但在核心柱各相应位置处的侧移只稍大于未建构造柱前,且越到结构底部差距越小,而在悬挂楼层处相对位移明显小于未建构造柱之前,说明构造柱的布设加强了各悬挂楼面之间的联系,使各悬挂楼面协同工作。

　　 图7给出了各核心柱(1～4号核心柱,见图5)测点(CD1～CD4,见图6)位置的应力。由图7可知,建构造柱之后,2,4号核心柱的应力较未建构造柱之前有所增大,但荷载形式对其应力的影响不大; 1,3号核心柱受荷载形式影响较大,其中1号核心柱受荷载形式影响尤为明显,分析其原因可能是与各根核心柱的位置有关,Ⓑ轴线上的1,3号核心柱受力较为复杂,其中1号核心柱离荷载作用位置最近,受力最为复杂。对比建构造柱前后各核心柱应力可知,建构造柱后,1～4号核心柱各测点的应力均较未建构造柱之前大,可能是由构造柱的自重引起的。无论构造柱建造与否,对比所测的各核心柱应力可以发现,虽然4根核心柱在顶部有圆形框架梁、十字形大梁连接,在悬挂楼层对应处也有十字形联系梁连接,但其受力却各不相同,作为悬挂结构的关键受力构件,有必要对其进行分析。

　　 悬挂楼层通过CFRP索吊挂于顶部大梁,故CFRP索的受力状态也是本次试验重点关注的内容。表4给出了未建构造柱之前,各种荷载形式作用下CFRP索轴力的变化情况,其中吊点编号见图5。

　　 从表4可知,各种荷载工况下,DD6,DD7轴力变化稍大些,其余各索轴力变化不大,分析其原因可能是:悬挂楼面在水平荷载作用下,产生水平向的位移,而此位移值较小,结构变形也不大,CFRP索仍是以承受悬挂楼面的自重等竖向荷载为主,故在表4所述各种工况下,除DD6,DD7外,其余各索轴力变化很小; 而靠近核心柱处水平向的两个吊点(DD6,DD7),因圆形楼面梁、悬挂大梁对其约束较强,故受力较大些。可以想象布设橡胶垫后CFRP索轴力的变化会比未加橡胶垫之前略小,故未测试加设橡胶垫后的CFRP索索力。

　　 (1)悬挂楼面与核心柱之间布设橡胶垫后,悬挂楼面与核心柱之间相对位移明显减小,其中均匀加载时1层悬挂楼面与核心柱之间的相对位移减小最为显著,从93.01mm减小到5.47mm,减小了94%,说明主次结构之间布设橡胶垫,对施加的荷载可起到缓冲的作用。

　　 (2)各荷载作用形式对核心柱上各位置处侧移几乎无影响,但对各悬挂楼层与核心柱之间的相对位移影响较大,尤其是未布设橡胶垫时。

　　 (3)Ⓑ轴线上的两根柱子受荷载作用形式影响较大,且受力较为复杂,其中1号柱因离荷载作用位置最近,受力最为复杂。

　　 (4)Ⓑ轴线上靠近核心柱处的两个吊索,轴力变化稍大些,其余各索轴力变化不大。说明CFRP索因以承受悬挂楼面的自重等竖向荷载为主,故轴力变化不大。