冷彎薄壁卷邊槽鋼框架體系抗震性能試驗(yàn)研究

程昆

摘要：目前，對(duì)截面形式為冷彎薄壁C型鋼背靠背的框架體系抗震性能研究較少。本文為了研究這種結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，共設(shè)計(jì)了2組單層單跨的冷彎薄壁型鋼框架，梁柱均采用冷彎薄壁C型鋼組合工字形截面，斜撐采用等邊單角鋼截面。試驗(yàn)主要研究改變斜撐布置形式和軸壓比對(duì)框架抗震性能的影響，得到框架在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線，對(duì)框架的剛度退化、延性、耗能性能和破壞機(jī)理進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：支撐鋼框架;抗震性能;軸壓比;延性

前 言

目前，冷彎薄壁型鋼在建筑中得到廣泛應(yīng)用，根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究成果以及現(xiàn)有文獻(xiàn)，對(duì)冷彎薄壁C型鋼的研究主要集中在節(jié)點(diǎn)上，對(duì)整體框架性能的研究較少。本文采用低周反復(fù)加載制度。

一、冷彎薄壁C型鋼框架抗震性能試驗(yàn)

1.試驗(yàn)?zāi)康?/p>

試驗(yàn)主要研究不同的斜撐布置形式和軸壓比對(duì)框架體系抗震性能的影響，主要目的是對(duì)框架整體、梁、柱及斜撐的破壞模式、滯回性能、承載能力等進(jìn)行分析，明確此類結(jié)構(gòu)形式的抗震性能，為設(shè)計(jì)更優(yōu)的冷彎薄壁C型鋼框架結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，更好的為實(shí)際工程服務(wù)。

2.試驗(yàn)試件

2.1試件制作

本文設(shè)計(jì)了2組冷彎薄壁C型鋼結(jié)構(gòu)的框架模型，梁柱采用冷彎薄壁C型鋼背靠背截面形式，再由高強(qiáng)螺栓與節(jié)點(diǎn)板連接，斜撐與梁柱節(jié)點(diǎn)板間采用高強(qiáng)螺栓連接。試驗(yàn)框架的跨度為1770mm，層高960mm。柱的截面尺寸為C160×50×20×2，梁的截面尺寸為C120×50×20×2，斜撐的截面尺寸為∟40×2。節(jié)點(diǎn)板為8mm厚加腋五邊熱軋鋼板和8mm厚四邊形熱軋鋼板。柱腳底板為20mm厚矩形熱軋鋼板，尺寸為460×200mm。梁柱連接及C型鋼和節(jié)點(diǎn)板的連接均使用8.8級(jí)Φ20高強(qiáng)螺栓連接，螺栓預(yù)拉力為120kN。斜撐與節(jié)點(diǎn)板連接采用8.8級(jí)Φ12高強(qiáng)度螺栓連接，螺栓預(yù)拉力為70kN。

表1 試件明細(xì)表

2.2試件材性試驗(yàn)

本試驗(yàn)所采用的鋼材均為Q235鋼，對(duì)梁、柱、斜撐分別取樣進(jìn)行材性試驗(yàn)[1、2]。

3.加載裝置及加載制度

3.1加載裝置

加載設(shè)備以及試驗(yàn)裝置為：30噸推拉千斤頂，X-Y函數(shù)記錄儀，DH3816靜態(tài)應(yīng)變采集儀，TDS-530數(shù)據(jù)采集儀。為保證兩側(cè)框架柱所受荷載同步施加并大小相等，由一臺(tái)千斤頂放于試件框架頂部正中，下設(shè)壓梁來(lái)傳遞豎向荷載。試件柱底板由四根高強(qiáng)螺栓與地梁連接。水平加載千斤頂為鉸接，一端是試件梁端的加載鉸，一端是反力墻。

3.2加載制度

本試驗(yàn)采用低周反復(fù)靜力加載試驗(yàn)方案，并采用力與位移混合加載法。首先用加載步長(zhǎng)為6kN的力加載，每級(jí)循環(huán)3次，逐級(jí)遞增。等到試件屈服后，采用位移加載，逐級(jí)遞增，每級(jí)循環(huán)3次，加載步長(zhǎng)為屈服位移的0.2倍。當(dāng)記錄儀上的滯回曲線出現(xiàn)下降段，斜率為負(fù)時(shí)或當(dāng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)為位移加載后，荷載值降為極限荷載值的一半時(shí)，試驗(yàn)終止。

3.3測(cè)點(diǎn)及位移計(jì)布置

在框架梁的梁端布置了位移計(jì)，用來(lái)測(cè)量框架的水平位移。因框架梁的位移較大，本試驗(yàn)布置的是200mm大量程位移計(jì)。在基礎(chǔ)梁端安裝位移計(jì)，用來(lái)觀測(cè)在試驗(yàn)過(guò)程中基礎(chǔ)梁是否發(fā)生了位移。因?yàn)榛A(chǔ)梁底部的位移較小，所以安裝在基礎(chǔ)梁端的位移計(jì)采用100mm小量程位移計(jì)。同時(shí)在梁端處兩側(cè)另布置兩個(gè)位移計(jì)，用來(lái)觀測(cè)框架是否平面外受扭。

本試驗(yàn)中為確定框架結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理及試件主要部位的應(yīng)力狀況，在試件的梁端、柱腳、斜撐端部和中部等重要部位都布置了應(yīng)變片。本試驗(yàn)的應(yīng)變片沿截面連續(xù)布置，具體布置形式為：梁和柱的腹板兩側(cè)各布置1枚應(yīng)變片，兩側(cè)的上下翼緣各布置1枚應(yīng)變片，即梁柱同一控制截面布置6枚應(yīng)變片，斜撐的兩邊各布置1枚應(yīng)變片。

二、試件破壞現(xiàn)象及試驗(yàn)結(jié)果

1.試件破壞現(xiàn)象

三個(gè)試件均發(fā)生了整體彎曲失穩(wěn)破壞，同時(shí)在兩側(cè)柱腳腹板位置均出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞，柱腳翼緣先后出現(xiàn)斷裂。單向支撐出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，雙支撐壓屈破壞嚴(yán)重。

2.滯回曲線

據(jù)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出三個(gè)試件的梁端荷載位移曲線。在屈服之前，框架總體變形較小，正反向的加載和卸載所形成的滯回環(huán)面積很小，力和位移基本成線性關(guān)系。在整體屈服后，隨著加載等級(jí)的不斷提高，框架整體的變形進(jìn)一步增大，其變形速度也越來(lái)越快，所形成的滯回環(huán)也愈加豐滿，但框架的承載力仍有提高的空間。在框架達(dá)到整體的極限承載能力之后，其承載能力就逐漸下降，框架的塑形性能逐漸降低，最后發(fā)生破壞。從加載過(guò)程的整體上來(lái)看，框架的滯回曲線飽滿，說(shuō)明框架具有較好的耗能能力。

三、冷彎薄壁C型鋼框架抗震性能研究

延性系數(shù)大多在1.0-3.0之間，與混凝土結(jié)構(gòu)所要求的2.0延性系數(shù)基本持平，說(shuō)明框架具有較大的變形能力。交叉斜撐的布置形式的延性性能較高。隨著軸壓比的增大，構(gòu)件的延性性能降低。

各循環(huán)承載力退化穩(wěn)定，各試件的承載力退化系數(shù)大部分大于0.9。交叉斜撐承載力降低系數(shù)大約高于單向斜撐布置形式17.03%左右，表明交叉斜撐承載能力降低幅度更大。KJ-3的承載能力降低系數(shù)分別比KJ-2高5.41%左右。軸壓比越大，承載能力退化越顯著。

試件的剛度采用割線剛度來(lái)表示。KJ-2的初始剛度比KJ-1高51.43%左右，表明交叉斜撐布置形式的初始剛度比單向斜撐布置形式高。隨著加載等級(jí)的提高，試件的剛度降低。各試件的初始剛度退化均很明顯，試件屈服后，剛度下降的幅度更大。交叉斜撐的布置形式剛度退化幅度大于單向斜撐的布置形式。試件屈服后，隨著加載等級(jí)的提高，試件的能量耗散系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)降低。

四、結(jié)束語(yǔ)

1.本次試驗(yàn)的3個(gè)試件的最終破壞現(xiàn)象基本相同，均為斜撐斷裂、整體彎曲失穩(wěn)并伴隨局部失穩(wěn)。試件的斜撐凈截面被拉斷，梁端、柱腳的鋼材彎曲變形過(guò)大或是發(fā)生斷裂。

2.承載力及延性：承載力退化穩(wěn)定，各試件的承載力退化系數(shù)大部分大于0.9。交叉斜撐承載力降低系數(shù)大約高于單向斜撐布置形式17.03%左右，表明交叉斜撐承載能力降低幅度更大。KJ-3的承載能力降低系數(shù)比KJ-2高5.41%左右。表明軸壓比越大，承載能力退化越顯著。延性系數(shù)大多在1.0-3.0之間，與混凝土結(jié)構(gòu)所要求的2.0延性系數(shù)基本持平，說(shuō)明框架具有較大的變形能力。

3.剛度退化：交叉斜撐布置形式的框架初始剛度較高。隨著加載等級(jí)的提高，試件的剛度降低。各試件的初始剛度退化均很明顯，試件屈服后，剛度下降的幅度變大。交叉斜撐布置形式的框架剛度退化幅度大于單向斜撐的布置形式。

4.隨著加載等級(jí)的提高，試件的能量耗散系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)降低。試件的等效粘滯阻尼系數(shù)同其它輕型鋼結(jié)構(gòu)相比，耗能性能基本持平。

參考文獻(xiàn)

[1]《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》GB/T2975-1998[S].中華人民共和國(guó)建設(shè)部.

[2]《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JBJ101-96）[S].中華人民共和國(guó)建設(shè)部.