竹皮紙偏心支撐框架的水平加載試驗研究＊

劉歡，陳佳，王磊，于錦

（西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川成都610500）

竹皮紙偏心支撐框架的水平加載試驗研究＊

劉歡，陳佳，王磊，于錦

（西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川成都610500）

以竹皮紙為原材料設(shè)計制作了耗能梁段長度分別為2 cm、5 cm、8 cm的單斜桿式偏心支撐框架結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行水平加載試驗，并運(yùn)用全站儀測量加載過程中模型的位移變化。對比3組結(jié)構(gòu)的受力性能和破壞形態(tài)，研究耗能梁段長度對結(jié)構(gòu)性能的影響。試驗結(jié)果表明，耗能梁段長度為5 cm的偏心支撐框架結(jié)構(gòu)可以有效地控制支撐的屈曲，從而改善結(jié)構(gòu)的延性和承載力。耗能梁段長度為8 cm的結(jié)構(gòu)的延性優(yōu)于耗能梁段長度為2 cm的結(jié)構(gòu)，而兩者的承載能力相差不大。耗能梁段長度為2 cm的模型抗側(cè)剛度最好。

偏心支撐；竹皮紙；水平荷載；耗能梁段

框架-支撐體系是一種重要的雙重抗側(cè)力體系，被廣泛運(yùn)用于實際工程當(dāng)中?？蚣?支撐體系中的支撐在設(shè)計中可采用中心支撐、偏心支撐和屈曲約束支撐[1]；中心支撐框架桿件的工作線交匯于一點或多點，桿件主要承受軸心力，依靠斜支撐來抵抗水平力，在高烈度地震作用下中心支撐易發(fā)生屈曲，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)迅速喪失承載力[2]。偏心支撐框架的斜支撐桿至少有一端與梁連接，支撐軸線偏離梁柱的交點，在梁端或跨中形成耗能梁段[3]。與中心支撐鋼框架相比，在大震作用下，偏心支撐框架結(jié)構(gòu)通過耗能梁段變形來耗散地震能量，從而保證斜支撐不發(fā)生屈曲，具有良好的延性和耗能能力。偏心支撐較好地解決了中心支撐所存在的強(qiáng)度、剛度和耗能這3種性能不匹配問題，兼有中心支撐框架強(qiáng)度與剛度好以及純框架耗能大的優(yōu)點[4]。本文對2 cm、5 cm、8 cm不同長度耗能梁段的單斜桿式竹皮紙偏心支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平加載試驗，對比分析模型的受力性能和破壞形態(tài)，研究耗能梁段長度對結(jié)構(gòu)性能的影響。

1 試驗方案

1.1 模型設(shè)計與制作

表1 構(gòu)件截面尺寸

試驗采用如圖1所示的單榀三層偏心支撐框架結(jié)構(gòu)模型，層高23 cm，跨度40 cm，耗能梁段長度分別為2 cm、5 cm、8 cm，支撐為單斜桿形式。所有連接均采用剛接，柱子為箱形截面，梁采用工字形截面，支撐T形截面，截面尺寸見表1.構(gòu)件采用竹皮紙制作，其材料性能如表2所示。構(gòu)件連接采用502膠水黏接，均勻?qū)ΨQ抹面，并進(jìn)行干燥處理，以保證黏接強(qiáng)度，支撐與主體結(jié)構(gòu)通過節(jié)點板連接。為保證“強(qiáng)節(jié)點、弱構(gòu)件”，在節(jié)點連接處均采用502膠水混合竹皮紙碎屑加強(qiáng)連接。

圖1 偏心支撐框架模型示意圖

表2 竹皮紙的性能參數(shù)

1.2 加載方案設(shè)計

1.2.1 試驗裝置

本文設(shè)計了如圖2所示的加載裝置。通過繩子與定滑輪將模型和砝碼相連，利用定滑輪將豎向荷載轉(zhuǎn)換為水平荷載。整體模型黏接在平整的實木板上，柱腳與板連接采用類似靴梁的構(gòu)造，以保證柱腳有足夠的黏接強(qiáng)度，防止因柱腳破壞而導(dǎo)致的整體倒塌。

模型一側(cè)放置一個鋼三腳架，三腳架中心懸掛一個滑輪，另外一側(cè)采用KTS-482Rm型號全站儀測量框架頂部的側(cè)移，一級加載結(jié)束后對應(yīng)一次測距，通過計算2次水平距的變化確定位移量。

1.2.2 荷載施加方式

對結(jié)構(gòu)采用分級加載的方式，每級荷載持續(xù)30 s[5]。當(dāng)結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)破壞時，為了接近結(jié)構(gòu)破壞的極限荷載，將每級別荷載適當(dāng)減小。這種分級加載便于觀察支撐與耗能梁段的變形。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 耗能梁段長為2 cm偏心支撐模型

本組試驗制作了2個模型，試驗結(jié)果見圖3.對于模型1，當(dāng)荷載達(dá)到9.561 kg時，其柱頂水平位移為5 mm，支撐開始變形，并迅速破壞，然后結(jié)構(gòu)馬上整體破壞。對于模型2，當(dāng)荷載達(dá)到10.198 kg時，其柱頂水平位移為5.5 mm，頂層支撐發(fā)生變形并迅速屈曲，這級荷載持續(xù)僅23 s，結(jié)構(gòu)馬上整體破壞。由以上試驗現(xiàn)象分析可知：支撐一旦發(fā)生變形，便迅速破壞，其破壞形式表現(xiàn)為整體屈曲，并立即退出工作，只由框架承受荷載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度迅速降低，立即破壞[6]。此時，耗能梁段并未形成，結(jié)構(gòu)的破壞形式類似于中心支撐框架結(jié)構(gòu)。

圖2 加載裝置示意圖

圖3 耗能梁段長度為2 cm的荷載位移關(guān)系圖

2.2 耗能梁段長為5 cm偏心支撐模型

對于耗能梁段長為5 cm的偏心支撐框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)荷載達(dá)到10.198 kg時，耗能梁段翼緣開始向上變形，但是變形很小，如圖4所示。當(dāng)荷載達(dá)到12.430 kg時，耗能梁段變形明顯增大。當(dāng)荷載加到13.577 kg時，柱頂達(dá)到最大水平位移11.2 mm，耗能梁段變形較大，如圖5所示。荷載增至14.214 kg時，耗能梁段發(fā)生破壞，支撐隨即破壞，結(jié)構(gòu)整體倒塌。從梁段變形開始到破壞，結(jié)構(gòu)堅持了5 min 27 s，這期間變形從4.9 mm增加到11.2 mm。

由以上試驗現(xiàn)象分析可知：框架梁在受荷過程中，首先發(fā)生剪切變形，形成了有效的耗能梁段，避免了支撐發(fā)生屈曲[7]，其變形明顯延緩結(jié)構(gòu)的破壞時間，并進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)的承載力，有效地改善了結(jié)構(gòu)的延性。

圖6為耗能梁段長度為5 cm的荷載位移關(guān)系圖。

2.3 耗能梁段長為8 cm偏心支撐模型

對于模型1，當(dāng)荷載達(dá)到8.287 kg時，其柱頂水平位移為8 mm，頂層支撐開始變形并迅速屈曲，當(dāng)支撐破壞后，結(jié)構(gòu)馬上整體破壞。對于模型2，當(dāng)荷載達(dá)到10.835 kg時，其柱頂水平位移為8.8 mm，耗能梁段有所變形，但支撐同時發(fā)生變形并迅速屈曲，結(jié)構(gòu)隨之整體破壞。

分析以上試驗現(xiàn)象：模型1和模型2承載力的差異較大，可能是因為模型1制作好之后，擱置時間過長，使得模型1材料強(qiáng)度發(fā)生了一定的變化。

圖4 荷載為10.198 kg時的視頻截圖

圖5 荷載為13.577 kg時的視頻截圖

圖6 耗能梁段長度為5 cm的荷載位移關(guān)系圖

圖7 耗能梁段長度為8 cm的荷載位移關(guān)系圖

2組試驗，雖然承載力有所差異，但均表現(xiàn)為耗能梁段變形較小，支撐首先發(fā)生屈曲導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

圖7為耗能梁段長度為8 cm的荷載位移關(guān)系圖。

3 結(jié)論

從整個試驗結(jié)果來看，支撐與框架梁的連接處距離梁端的距離決定了耗能梁段的形成與否，并進(jìn)一步?jīng)Q定了結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，合適的耗能梁段設(shè)計能有效改善結(jié)構(gòu)的延性并提高承載力，具體結(jié)論如下：①耗能梁段長度e為5 cm的模型極限承載力最好，為13～14 kg，其次為2 cm的模型，極限承載力為10～11 kg，而8 cm的模型，其極限承載力為8～10 kg。②耗能梁段長度e為2 cm的模型抗側(cè)剛度最好，極限荷載/極限位移為1 800～1 900.e為5 cm的模型的極限荷載/極限位移為1 212，e為8 cm模型的為1 200～1 300，這2組模型抗側(cè)剛度相差不大。③耗能梁段長度e為5 cm的模型延性最好，試驗延性系數(shù)＝結(jié)構(gòu)破壞的極限位移/支撐或耗能梁段產(chǎn)生變形時的位移。e為5 cm的模型的延性系數(shù)均值為1.52，e為2 cm的模型的延性系數(shù)均值為1.03，e為8 cm的模型為1.47.④不同耗能梁段長度的結(jié)構(gòu)破壞存在較大差異。耗能梁段長e為2 cm和8 cm的模型都是按照耗能梁段屈曲→支撐破壞→結(jié)構(gòu)整體破壞的順序進(jìn)行的，而e為5 cm模型是按照耗能梁段破壞→結(jié)構(gòu)整體破壞順序進(jìn)行的。e為5 cm的模型主要發(fā)生頂層破壞，一層、二層結(jié)構(gòu)完好，e為2 cm與e為8 cm的模型表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)整體破壞。⑤當(dāng)e為2 cm時，未能形成耗能梁段，e為8 cm模型耗能梁段作用不明顯；e為5 cm的結(jié)構(gòu)加載過程中，梁段剪切變形明顯，大大延緩了結(jié)構(gòu)破壞時間，表現(xiàn)為典型的剪切屈服梁段。指導(dǎo)教師：蒲萬麗、馮頗。

［1］王水清.防屈曲耗能支撐鋼管混凝土組合框架抗震性能研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2010.

［2］李峰，許軍，李發(fā)山，等.偏心支撐式鋼板剪力墻的抗震性能研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，45（6）：784-790.

［3］羅亞男.K型偏心支撐鋼框架彈塑性受力性能研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2013.

［4］王櫛楓，何若全.V型中心支撐鋼框架的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)［J］.蘇州科技學(xué)院學(xué)報（工程技術(shù)版），2007，20（2）：1-5.

［5］楊毅夫.竹纖維鋼筋混凝土力學(xué)性能試驗研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2016.

［6］趙作周，劉慶志，康洪震，等.支撐框架結(jié)構(gòu)中支撐形式綜述［J］.工業(yè)建筑，2011，41（8）：79-84.

［7］郭秉山，莊曉勇，閆月梅.耗能梁段的構(gòu)造對K型偏心支撐鋼框架受力性能的影響［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，39（2）：155-160.

〔編輯：劉曉芳〕

TU317+.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.042

2095－6835（2017）19－0042－03

項目］本項目由西南石油大學(xué)開放實驗重點項目基金資助，項目編碼KSZ16152

劉歡（1996—），男，研究方向為土木工程。