新型鋼桁架連梁的抗震性能試驗(yàn)研究

鄧志恒，林 倩，胡 強(qiáng)，潘志明，徐冬曉

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

在高層建筑結(jié)構(gòu)體系中，連梁是影響剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵，如果連梁發(fā)生剪切破壞，它將喪失承載能力，同時(shí)喪失對(duì)墻肢的約束，使墻肢成為單片的懸臂墻，導(dǎo)致剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大降低，變形加大，墻肢彎矩加大，并進(jìn)一步增大P－Δ效應(yīng)，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。連梁是聯(lián)肢墻發(fā)生彎曲破壞的第一道防線，它可起到耗散水平地震荷載的作用。

為了改善連梁性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出并研究了多種改進(jìn)鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)形式:菱形配筋鋼筋混凝土連梁、設(shè)置全通縫鋼筋混凝土連梁、帶縫槽鋼筋混凝土連梁［1］，箍筋分三層布置的新配筋連梁［2－3］、鋼纖維高強(qiáng)混凝土連梁［4］、雙連梁短肢剪力墻體系等［5－6］。這些改進(jìn)的鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)體系，具有受力及變形能力好、滯回曲線豐滿、耗能能力強(qiáng)、延性大等優(yōu)點(diǎn)，但是由于配筋復(fù)雜、施工工序過多，推廣應(yīng)用受到限制。近年來國(guó)外研究人員開始轉(zhuǎn)向鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域來尋求連梁解決方案:美國(guó)辛辛那提大學(xué)對(duì)實(shí)腹式型鋼連梁在剪力墻結(jié)構(gòu)中的受力性能進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)研究，并且通過大比例尺的試驗(yàn)構(gòu)件研究了破壞后可拆換的鋼連梁結(jié)構(gòu)［7－10］;加拿大麥吉爾大學(xué)Harries等研究了不同跨高比實(shí)腹式鋼連梁的抗震性能［11］;韓國(guó)忠南大學(xué)Park等對(duì)實(shí)腹式型鋼連梁剪力墻與型鋼連梁連接部位錨固性能、鋼連梁的埋入長(zhǎng)度等進(jìn)行試驗(yàn)研究［12－13］。國(guó)外研究結(jié)果表明，實(shí)腹式鋼結(jié)構(gòu)連梁在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)延性，施工工藝等方面較混凝土結(jié)構(gòu)連梁具有明顯優(yōu)勢(shì);在大震情況下，可以很方便地更換維修，鋼結(jié)構(gòu)連梁是剪力墻連梁結(jié)構(gòu)重要的發(fā)展方向。

在國(guó)外實(shí)腹式鋼連梁研究的基礎(chǔ)上，本文作者提出了鋼桁架連梁結(jié)構(gòu)形式，它由上、下弦桿(采用水平T型鋼)和腹桿組成。鋼桁架連梁結(jié)構(gòu)在連梁剛度取值方面，較實(shí)腹式型鋼連梁具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)整體結(jié)構(gòu)對(duì)剛度大小需要調(diào)整鋼桁架連梁剛度，使結(jié)構(gòu)獲得合理的自振周期，并且還可以設(shè)計(jì)成耗能裝置。本文開展了八個(gè)鋼桁架連梁試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，重點(diǎn)研究鋼桁架連梁體系的耗能機(jī)理，高跨比、剛度變化和腹桿形式對(duì)構(gòu)件性能的影響，以及研究鋼桁架連梁節(jié)點(diǎn)連接方案。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)方法采用目前國(guó)內(nèi)外抗震性能研究中應(yīng)用最廣泛的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)(又稱偽靜力試驗(yàn))。通過該試驗(yàn)方法所得的滯回曲線衡量結(jié)構(gòu)的承載力、耗能能力、延性和剛度退化規(guī)律等重要的參數(shù)，研究和探討結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究鋼桁架連梁的不同工作性能和主要影響因素，本文進(jìn)行了兩批8個(gè)連梁試件的設(shè)計(jì)(SB1～SB8)，考慮了剛度變化、高跨比變化、腹桿形式變化和節(jié)點(diǎn)連接方式變化等因素。

SB1～SB4采用預(yù)埋鋼板的連接方式，SB5～SB8采用弦桿埋入剪力墻的連接方式。SB5和SB6的埋入剪力墻(端塊)的長(zhǎng)度是300mm，SB7和SB8的埋入長(zhǎng)度是450mm。試件尺寸如圖1所示，端頭混凝土厚度均為180mm，試件明細(xì)表見表1。模型鋼材材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖1 試件正立面圖Fig.1 Elevation diagrams of specimens

表1 鋼組合桁架連梁試件的具體參數(shù)表Tab.1 Details of specimens

表2 T型鋼、角鋼和鋼筋材料力學(xué)性能表Tab.2 Mechanical behavior of steel bars and profile steel

混凝土材性試驗(yàn)結(jié)果:試件的混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度平均值為38.21 MPa，彈性模量平均值為3.04×104MPa。

1.2 試驗(yàn)裝置設(shè)備

為了模擬連梁在墻肢中的實(shí)際受力狀態(tài)，采用的試驗(yàn)裝置示意圖如圖2(a)所示，其受力簡(jiǎn)圖如圖2(b)所示，試件上實(shí)際作用的彎矩和剪力圖如圖2(c)所示。試驗(yàn)采用FCS101A建筑結(jié)構(gòu)電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低周反復(fù)雙向循環(huán)加載，在加載的同時(shí)，用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)記錄各級(jí)荷載作用下的鋼材應(yīng)變。

圖2 試件加載簡(jiǎn)圖Fig.2 Test set-up and force diagrams

1.3 加載制度

水平荷載的施加采用荷載、位移雙控制的方法:試件屈服前，采用荷載控制分級(jí)加載，對(duì)應(yīng)于每個(gè)荷載步循環(huán)一次;試件屈服后，采用位移控制，取屈服位移的倍數(shù)為級(jí)差進(jìn)行控制加載，對(duì)應(yīng)于每個(gè)荷載步循環(huán)兩次。加載制度如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載制度Fig.3 Loading criterion

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件SB5在荷載控制加載階段，整個(gè)試件P－Δ曲線基本上處于線彈性關(guān)系，加載過程中交叉腹桿一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，正反向加載腹桿受力情況亦相反。整個(gè)試件達(dá)到屈服荷載時(shí)，弦桿無明顯變形，節(jié)點(diǎn)處的腹桿微有壓屈，連梁表現(xiàn)出較大剛度。構(gòu)件屈服后，以位移控制進(jìn)行加載，當(dāng)Δ=1Δy(Δy為屈服位移)時(shí)，構(gòu)件無明顯變化。Δ=2Δy時(shí)，最大承載力加大，弦桿仍無明顯變化，腹桿屈曲變形增大，受壓腹桿向外凸起，說明腹桿持續(xù)反對(duì)稱反復(fù)拉壓變形，持續(xù)耗能。Δ=3Δy時(shí)，靠近端塊處弦桿腹板由于受拉壓作用開始屈曲變形，支座端塊出現(xiàn)微裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，腹桿持續(xù)交替拉壓變形，荷載開始下降。Δ=6Δy時(shí)，弦桿腹板開裂，腹桿出現(xiàn)裂縫并持續(xù)擴(kuò)大，試件承載力下降較大，已小于極限荷載的85%，此時(shí)認(rèn)為試件破壞。結(jié)構(gòu)具有很好的延性，整個(gè)破壞過程較為緩慢，且混凝土端塊只出現(xiàn)微裂縫。試驗(yàn)最終狀態(tài)結(jié)果如圖4所示。SB1～SB4試驗(yàn)過程與SB5基本相同，不再贅述。

圖4 SB5試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Test photo of SB5

圖5 SB6試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Test photo of SB6

設(shè)無交叉腹桿的試件SB6在達(dá)到屈服荷載時(shí)，弦桿無明顯變形，直腹桿出現(xiàn)微曲。構(gòu)件屈服后，以位移控制進(jìn)行加載，整個(gè)過程直腹桿先屈曲變形。Δ=2Δy時(shí)，弦桿腹板開始屈曲變形，直腹桿出現(xiàn)扭曲，連梁末端靠近中線軸的位置達(dá)到屈服應(yīng)變，整個(gè)構(gòu)件變形加大，承載力開始下降。Δ=4Δy時(shí)，弦桿腹板受拉開裂，試件承載力下降較大，已小于極限荷載的85%，此時(shí)認(rèn)為試件破壞。整個(gè)過程，承載力小，端塊均沒有明顯的裂縫產(chǎn)生。試驗(yàn)最終狀態(tài)結(jié)果如圖5所示。SB8試驗(yàn)現(xiàn)象與SB6類同。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果一覽表

8個(gè)試件的主要試驗(yàn)結(jié)果見表3。

對(duì)比相同模型的試驗(yàn)結(jié)果:它們的屈服荷載、極限荷載、破壞荷載和屈服位移、破壞位移的最大誤差多在10%以內(nèi)，誤差較小，試驗(yàn)結(jié)果可靠。誤差是由于混凝土和鋼材材料的差異所產(chǎn)生的。

從8個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼組合桁架連梁的受力性能有以下特征:

(1)鋼桁架連梁，特別是設(shè)交叉腹桿的連梁(SB1～SB5、SB7)在彈性階段具有較大剛度。在彈塑性階段，鋼桁架連梁剛度退化，斜腹桿進(jìn)入塑性狀態(tài)，并呈現(xiàn)反對(duì)稱反復(fù)拉伸壓縮變形，成為耗能桿件。

(2)無交叉腹桿的試件SB6和SB8破壞過程相似，均是由弦桿腹板邊緣先屈服，繼而弦桿翼緣兩側(cè)屈服，承載力遠(yuǎn)低于設(shè)交叉腹桿的連梁。

(3)試件最終破壞表現(xiàn)為連梁根部或靠近根部弦桿腹板扭曲、拉屈和拉裂。

表3 主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.3 Key results of the experiments

3 試驗(yàn)分析

3.1 加載點(diǎn)荷載－位移(F－Δ)滯回曲線

加載點(diǎn)荷載－位移(F－Δ)滯回曲線如圖6所示。

從圖中可看出，試件在最初的循環(huán)中，荷載－位移滯回曲線基本上為線性，構(gòu)件基本上處于彈性階段;隨著荷載的逐級(jí)加大，進(jìn)入位移控制加載階段后，試件剛度降低，弦桿、腹桿進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，構(gòu)件的變形較荷載的增大快，構(gòu)件的滯回環(huán)隨著變形增大變得愈加豐滿，說明其耗能能力較好。

試件SB1、SB2與試件SB3、SB4相比可見:滯回曲線形狀沒有太大區(qū)別，后者在位控階段的滯回曲線較為陡峭，但極限位移相差不大，明顯表現(xiàn)出后者承載力大于前兩個(gè)試件，這主要是由于SB3、SB4的整體剛度大于SB1、SB2。在彈性階段，跨高比為1.67的試件在相同荷載條件下，相應(yīng)位移低于跨高比為2.0的試件，表明在彈性階段跨高比較小的試件承載能力具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。進(jìn)入位移控制循環(huán)階段時(shí)，試件SB3、SB4比試件SB1、SB2達(dá)到最大承載力后剛度退化明顯，承載力下降快。

對(duì)于試件SB5和SB7整個(gè)破壞過程試件剛度降低比較緩慢，滯回曲線較飽滿，承載力較大，耗能能力強(qiáng)。從SB5和SB7的試驗(yàn)現(xiàn)象可知，兩個(gè)結(jié)構(gòu)形式相同、端部弦桿埋入深度不同的鋼桁架連梁在滿足錨固要求的前提下，滯回曲線形狀一致，耗能能力接近，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全可靠，端塊混凝土相當(dāng)于剛性節(jié)點(diǎn)，埋入長(zhǎng)度對(duì)承載力及滯回曲線影響不大。比較交叉腹桿桁架(SB5、SB7)和無交叉腹桿連梁(SB6、SB8)的滯回曲線可看出，無交叉腹桿連梁比有交叉腹桿桁架連梁荷載降低幅度大，承載力小，無交叉腹桿連梁耗能大小遠(yuǎn)小于有交叉腹桿桁架連梁。在鋼材料用量相同的情況下，有交叉腹桿桁架連梁的耗能能力強(qiáng)于無交叉腹桿連梁。

圖6 各試件加載點(diǎn)荷載－位移滯回曲線Fig.6 Hysteretic curves of specimens

3.2 構(gòu)件的延性

延性系數(shù)反映了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性變形能力和抗震性能的好壞，是結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的一個(gè)重要參數(shù)。各試件試驗(yàn)的位移延性系數(shù)見表4。位移延性系數(shù)，按下式計(jì)算:

式中:Δu為構(gòu)件的承載能力下降到85%極限承載能力時(shí)的位移;Δy為相應(yīng)于屈服荷載的構(gòu)件位移。

從上表可以看到:試件SB1、SB2的延性較試件SB3、SB4的延性要好，主要是由于前者試件跨高比大于后者，而剛度前者比后者小。

交叉腹桿連梁(SB1～SB5、SB7)和無交叉腹桿連梁(SB6、SB8)兩種結(jié)構(gòu)形式的連梁延性系數(shù)均大于4。

表4 構(gòu)件的延性系數(shù)Tab.4 Ductility coefficient

在第二批構(gòu)件(SB5～SB8)中，與無交叉腹桿連梁相比，交叉腹桿連梁在承載力大3倍的情況下，延性系數(shù)又是其1.5倍左右，抗震性能大大改善，說明交叉腹桿提高了連梁的側(cè)向剛度，減小了連梁的屈服位移，從而提高了連梁的延性系數(shù)。

普通配筋的鋼筋混凝土連梁的位移延性系數(shù)一般為 2.0 ～3.0［14］，而本試驗(yàn)鋼組合桁架連梁的延性系數(shù)均達(dá)到4.0以上，表明鋼組合桁架連梁具有較好的延性抗震性能，能夠滿足聯(lián)肢墻洞口連梁大震下的位移延性需求。

3.3 骨架曲線

SB1～4這4個(gè)試件加載點(diǎn)荷載－位移(F－Δ)滯回曲線的骨架曲線如圖7(a)所示:當(dāng)荷載達(dá)到試件試驗(yàn)極限承載力時(shí)，后期承載力下降段既長(zhǎng)又平緩，說明其變形能力較大，構(gòu)件抗震耗能能力均較好;跨高比為1.67的試件SB3、SB4較跨高比為2.0的試件SB1、SB2極限荷載要大，反應(yīng)了小跨高比、高剛度試件在承載力方面的優(yōu)勢(shì)。

圖7 試件骨架曲線Fig.7 Skeleton curves of specimens

從SB5～8這4個(gè)試件的骨架曲線圖7(b)可見，交叉腹桿桁架連梁承載力遠(yuǎn)大于無交叉腹桿連梁，說明交叉腹桿桁架連梁整體剛度好，承載力高，耗能能力強(qiáng)。兩種桁架在荷載達(dá)到極限承載力后，后期承載力下降段較長(zhǎng)且平緩，說明其剛度降低緩慢，變形能力較大，延性性能好。

圖8 等效粘滯阻尼系數(shù)he計(jì)算Fig.8 Calculation of coefficient he

3.4 耗能能力

本文采用等效粘滯阻尼系數(shù)he(圖8)來衡量結(jié)構(gòu)在地震中的耗能能力。曲線面積ABED(=曲線面積ABE+曲線面積EDA)為一滯回曲線一周所耗散的能量;

三角形面積OBC表示假想的彈性結(jié)構(gòu)達(dá)到相同位移(OC)時(shí)所吸收的能量;

曲線面積ABE和三角形面積OBC之比，表示耗散能量與等效彈性體產(chǎn)生相同位移時(shí)輸入的能量之比，he值越大，耗能能力越好。

圖9 等效粘滯阻尼系數(shù)he變化圖Fig.9 Variation of coefficient he

圖9分別是8個(gè)試件的等效粘滯系數(shù)變化圖。從圖9(a)中可以看出:總體上試件等效粘滯阻尼系數(shù)he都隨位移的增大而增大，在接近極限狀態(tài)時(shí)，跨高比大的試件(SB1、SB2)的等效粘滯阻尼系數(shù)的值較大，耗能較好。在2Δy反復(fù)循環(huán)作用下，等效粘滯阻尼系數(shù)超過了0.15，這表明鋼組合桁架連梁具有良好的耗能能力。

從圖9(b)可以看出，SB5～SB8這4個(gè)構(gòu)件在位移不大的情況下，等效粘滯阻尼系數(shù)相差不大，隨著位移的增大，交叉腹桿桁架連梁(SB5、SB7)的等效粘滯阻尼系數(shù)有所降低，且比無交叉腹桿連梁(SB6、SB8)的要小，主要原因是交叉腹桿連梁在腹桿達(dá)到極限強(qiáng)度后，腹桿承載力下降，剛度降低。

3.5 剛度退化

為了反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件在低周反復(fù)荷載作用下剛度退化的特性，本文采用同一位移幅值下第一循環(huán)所對(duì)應(yīng)的環(huán)線剛度來表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件在低周反復(fù)荷載作用下剛度退化的特性，定義環(huán)線剛度為:

式中:Pi為位移延性系數(shù)為i時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值荷載;Δi為位移延性系數(shù)為i時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值位移。

各試件的剛度退化曲線如圖10所示。

圖10(a)給出了試件SB1～4在交替荷載作用下剛度的退化情況。整體上，試件SB1、SB2的剛度低于試件SB3、SB4。即加載的中、后期剛度值較真實(shí)的反映了試件間剛度的對(duì)比。試件屈服后，剛度退化速度較快，加載后期隨著位移的增加，曲線的趨勢(shì)逐漸變得平緩，也說明了構(gòu)件初期剛度的降低較嚴(yán)重。

圖10(b)給出了試件SB5～8在交替荷載作用下各試件剛度的退化情況。從圖可見:在加載前期，交叉腹桿桁架連梁(SB5、SB7)剛度明顯比無交叉腹桿桁架連梁(SB6、SB8)的剛度降低幅度更大，主要是因?yàn)榻徊娓箺U屈服，對(duì)弦桿的約束力降低，使得連梁整體剛度下降;無交叉腹桿連梁由于沒有交叉腹桿約束，側(cè)向剛度小，上、下弦桿相當(dāng)于獨(dú)立的桿件，剛度降低幅度小。整個(gè)過程，交叉腹桿桁架的剛度均大于無交叉腹桿桁架連梁，說明交叉腹桿對(duì)連梁整體剛度有很大的作用。

圖10 剛度退化曲線Fig.10 Stiffness decline curves of specimens

4 結(jié)論

(1)鋼桁架組合連梁在低周反復(fù)荷載作用下具有較高的承載力和良好的延性，荷載－位移滯回曲線比較飽滿、穩(wěn)定，說明其具有良好的耗能能力。

(2)較小跨高比、剛度較大的試件SB3、SB4與試件SB1、SB2相比表現(xiàn)出在承載能力方面具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，而后者表現(xiàn)出了較好的延性性能。

(3)交叉腹桿桁架連梁在總耗能上明顯比無交叉腹桿桁架連梁大，交叉腹桿能提高連梁的整體剛度，提高連梁的延性，可以使連梁更好的發(fā)揮鋼材的性能。

(4)試驗(yàn)采取的弦桿和預(yù)埋鋼板焊接、弦桿直接埋入混凝土兩種連接方式均可行，便于施工維修。

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