蝴蝶形鋼板墻-鋼框架自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系抗震性能試驗(yàn)研究

張 萍, 李啟才， 丁志昌， 孫玉康， 王 偉

(蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215011)

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)遭遇中大震后，由于結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件進(jìn)入彈塑性工作階段[1]，在震后存在較大殘余變形，這無(wú)疑提高結(jié)構(gòu)震后修復(fù)的難度、周期及成本，有些建筑甚至因無(wú)法修復(fù)而失去其使用功能，造成了巨大了經(jīng)濟(jì)損失。為此，保證地震中建筑結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件及薄弱部位不發(fā)生嚴(yán)重塑性損傷以及有效控制震后殘余變形是改善結(jié)構(gòu)抗震性能和降低震后修復(fù)成本的關(guān)鍵措施。自復(fù)位結(jié)構(gòu)[2-4](Self-centering Structure，SC)通過(guò)在主要受力構(gòu)件梁、柱上設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線來(lái)釋放結(jié)構(gòu)中受力復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)連接處約束從而改變節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理，并借助附加耗能元件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后自行復(fù)位、有效控制殘余變形、獲得穩(wěn)定耗能能力以及延緩結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件損傷進(jìn)程，使得結(jié)構(gòu)整體性能更加優(yōu)化，較好滿足結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，這也使其成為當(dāng)下結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域熱點(diǎn)的研究方向。

目前，國(guó)外學(xué)者對(duì)自復(fù)位結(jié)構(gòu)性能理論以及試驗(yàn)研究方面均取得了不菲成果，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究尚在起步階段。Garlock等[2]對(duì)梁頂及梁底設(shè)置角鋼耗能元件的后張拉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周往復(fù)循環(huán)加載試驗(yàn)并著重研究角鋼尺寸、螺栓分布、預(yù)應(yīng)力大小等參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示：新型節(jié)點(diǎn)不僅在滯回加載下能夠提供較好的彈性剛度、強(qiáng)度、延性以及將耗能限制在屈服的角鋼中而且節(jié)點(diǎn)在經(jīng)歷大變形后幾乎無(wú)殘余變形，有效實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能；Rojas等[3]提出了后張拉摩擦阻尼連接節(jié)點(diǎn)(PFDC)，并對(duì)采用該節(jié)點(diǎn)形式的四跨六層鋼框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震下進(jìn)行了非線性數(shù)值分析并與傳統(tǒng)的焊接鋼框架結(jié)構(gòu)對(duì)比，結(jié)果表明使用該節(jié)點(diǎn)的鋼框架結(jié)構(gòu)在耗能、復(fù)位、強(qiáng)度等性能方面均超過(guò)了相應(yīng)的焊接鋼框架；Clayton等[5-9]在對(duì)四邊連接的薄鋼板剪力墻自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系整體性能理論分析及有限元模擬基礎(chǔ)上，進(jìn)行了11榀大比例兩層單跨的自復(fù)位鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)體系中，四邊連接薄鋼板通過(guò)屈曲后形成拉力帶承擔(dān)了大部分水平力，同時(shí)提供一定的耗能能力，所有試件試驗(yàn)結(jié)束后殘余層間位移角均小于安裝偏差0.2%，有效實(shí)現(xiàn)了復(fù)位功能，但試件梁、柱主要構(gòu)件設(shè)計(jì)均很保守。Clayton等[10]對(duì)各自提出僅節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不同的兩榀足尺兩層單跨自復(fù)位鋼板剪力墻進(jìn)行了擬動(dòng)力試驗(yàn)研究，前者節(jié)點(diǎn)在脫開(kāi)時(shí)可繞梁上下翼緣轉(zhuǎn)動(dòng)而后者節(jié)點(diǎn)僅能繞梁上翼緣轉(zhuǎn)動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)：在不同地震水平下，兩試件均能超過(guò)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)，且前者試件在復(fù)位效果方面性能更優(yōu)。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高體系耗能能力及減小耗能元件對(duì)自復(fù)位框架的需求，從以下幾個(gè)方面考慮并做相應(yīng)改善：第一，安裝在梁、柱節(jié)點(diǎn)處的耗能元件由于節(jié)點(diǎn)處空間有限，限制了耗能元件的尺寸，進(jìn)而制約了結(jié)構(gòu)體系的耗能能力，因此本文不再考慮在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置耗能元件；第二，利用薄鋼板屈曲后形成拉力帶進(jìn)行抗側(cè)雖然可以使得自復(fù)位鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)成為雙重抗側(cè)力體系，但錨固在邊框架上的拉力帶會(huì)大大增加對(duì)梁、柱主要構(gòu)件的需求，并且薄鋼板形成的拉力帶在轉(zhuǎn)換過(guò)程其滯回曲線出現(xiàn)極度捏縮行為，這也在一定程度上降低了其耗能能力，此外，拉力帶在轉(zhuǎn)換過(guò)程中還伴隨“轟轟”巨響，即使在小震下也會(huì)加劇公眾恐慌心理。綜合以上兩方面，本文提出了蝴蝶形鋼板墻-鋼框架自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系(Self-centering Steel Frame with Infilled Butterfly-Shaped Steel Plate Wall，SC-BSPW)：通過(guò)對(duì)兩邊連接的鋼板開(kāi)菱形孔削弱其承載力[11-12]，改變受力方式，進(jìn)而達(dá)到提高體系耗能能力的同時(shí)降低對(duì)自復(fù)位框架的需求。在此基礎(chǔ)上課題組對(duì)該新型結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行一系列的試驗(yàn)和有限元模擬研究分析[13-15]，結(jié)果表明只要合理設(shè)計(jì)自復(fù)位主體框架與蝴蝶形鋼板墻剛度匹配，結(jié)構(gòu)體系既能夠達(dá)到在層間位移角2%前，試件殘余層間位移角均可小于0.5%，即滿足中震可修的抗震要求，同時(shí)震后僅需更換塑性破壞的蝴蝶形鋼板墻實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速修復(fù)，并具有較好的延性耗能能力。

1 設(shè)計(jì)思想和理論

1.1 設(shè)計(jì)思想

蝴蝶形鋼板墻-鋼框架自復(fù)位結(jié)構(gòu)是基于結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)之上而提出的新型的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。其荷載-層間位移角關(guān)系及節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線[15]分別如圖1、圖2所示。

(b) 理想彈塑性的蝴蝶板響應(yīng)

(c) 自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系響應(yīng)

根據(jù)圖1和圖2所示新型結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)思想：加載前期，梁、柱節(jié)點(diǎn)在預(yù)應(yīng)力鋼絞線作用下緊緊貼合，在節(jié)點(diǎn)彎矩未達(dá)到脫開(kāi)彎矩Ma或水平剪力小于脫開(kāi)剪力Vb之前，整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度與傳統(tǒng)剛性連接鋼框架大致相等，節(jié)點(diǎn)通過(guò)梁一側(cè)翼緣消壓與另一側(cè)翼緣增壓的模式提供節(jié)點(diǎn)彎矩，卸載后，體系可以完全復(fù)位；節(jié)點(diǎn)彎矩大于脫開(kāi)彎矩Ma且小于蝴蝶板完全進(jìn)入塑性對(duì)應(yīng)的水平剪力Vc時(shí)，梁“消壓”一側(cè)翼緣開(kāi)始脫開(kāi)柱翼緣表面但此時(shí)整體結(jié)構(gòu)耗能能力有限，卸載后，試件可以達(dá)到完全復(fù)位的功效；當(dāng)水平剪力超過(guò)蝴蝶板完全進(jìn)入塑性對(duì)應(yīng)的水平剪力Vc時(shí)，蝴蝶板充分進(jìn)入塑性階段并耗散輸入體系的地震能量，但結(jié)構(gòu)中主要受力構(gòu)件梁、柱及節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)維持彈性工作狀態(tài)，通過(guò)梁、柱接觸一側(cè)梁柱翼緣“增壓”模式提供節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，卸載后，試件基本上可以實(shí)現(xiàn)完全復(fù)位，震后，通過(guò)僅更換塑性破壞的蝴蝶板便可以使得結(jié)構(gòu)快速恢復(fù)，從而有效控制震后殘余變形和降低震后修復(fù)成本。

圖2 蝴蝶形鋼板墻自復(fù)位結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)彎矩M-轉(zhuǎn)角θ2模型

1.2 設(shè)計(jì)理論

為闡明蝴蝶形鋼板墻自復(fù)位結(jié)構(gòu)受力機(jī)理，通過(guò)理論推導(dǎo)得出試驗(yàn)試件初始彈性剛度。圖3給出了試件主體框架在加載下變形和受力平衡示意圖，同時(shí)取結(jié)構(gòu)一半進(jìn)行理論分析，圖4給出了蝴蝶板平面內(nèi)抗側(cè)剛度的串并圖。

(a) 試件變形

(b) 試件受力分析

(a) 蝴蝶板

(b) 簡(jiǎn)化模型

通過(guò)利用位移法及虛功原理求解圖3(b)一次超靜定結(jié)構(gòu)，得出框架初始剛度為[15]：

(1a)

其中：

(1b)

對(duì)于蝴蝶板其抗側(cè)剛度利用剛度串并聯(lián)思想：

(1c)

其中：

(1d)

綜上，試件初始抗側(cè)為：

KL=Kf+Kp

(1e)

式中：Kf為試件框架初始抗側(cè)剛度；h1為試件底梁軸線至銷軸距離；h2為試件層高；α為無(wú)量綱系數(shù)；Ic為框架柱慣性矩；Ib為框架梁慣性矩；l為試件跨度；Kp為蝴蝶板初始抗側(cè)剛度；k1為蝴蝶板中部蝴蝶桿及兩側(cè)矩形桿抗側(cè)剛度；k2為蝴蝶板上下貫通板帶抗側(cè)剛度；n1、n2分別為蝴蝶桿及矩形桿數(shù)目；b,a為蝴蝶桿端部及腰部寬度；L為蝴蝶桿長(zhǎng)度；E,G分別為鋼材的彈性及剪切模量；μ為剪切變形不均勻系數(shù)；KL為試件的總抗側(cè)剛度。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

以實(shí)際一幢六層醫(yī)院住院樓為建筑原型，取層高3 m，跨度5.1 m，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)地震分組為第1組，場(chǎng)地類別為二類場(chǎng)地，地面粗糙度類別為B類；地震烈度為8度，基本地震加速度為0.2 g；設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.35 kN/mm2，基本雪壓為0.4 kN/mm2；樓面恒載取值為4.32 kN/mm2，活載取值為2.0 kN/mm2。

根據(jù)蘇州科技大學(xué)江蘇省結(jié)構(gòu)重點(diǎn)試驗(yàn)室加載設(shè)備及加載能力，并考慮內(nèi)填蝴蝶型鋼板墻厚度對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)位及耗能能力的綜合影響，設(shè)計(jì)一榀足尺部分自復(fù)位鋼框架及4 mm、6 mm厚蝴蝶板。鋼梁及鋼柱均采用Q345焊接工字型截面，截面尺寸分別為：HN350×220×12×16、HW250×2250×12×16，其中，單位：mm?？紤]到試驗(yàn)中邊框架需要重復(fù)使用，為減少梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域在整個(gè)加載期內(nèi)發(fā)生塑性屈服對(duì)后續(xù)試驗(yàn)影響，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)進(jìn)行局部加強(qiáng)。蝴蝶板采用Q235鋼材，尺寸為1 510 mm×2 650 mm，同時(shí)為避免蝴蝶板在水平受力下過(guò)早發(fā)生邊緣失穩(wěn)，在蝴蝶板邊緣利用兩側(cè)雙面開(kāi)長(zhǎng)圓孔槽鋼限制其面外變形，槽鋼尺寸為140 mm×50 mm×3.5 mm，長(zhǎng)度為2 400 mm。采用直徑為15.2的鋼絞線，每三束為一股，沿梁通長(zhǎng)對(duì)稱布置，并利用圓柱形錨具錨固在柱外翼緣加強(qiáng)板處，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6股鋼絞線且每股鋼絞線初始預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值為175 kN。蝴蝶板通過(guò)魚(yú)尾板和M20高強(qiáng)螺栓與梁栓接。試件SC-4板厚4 mm;試件SC-6板厚6 mm。試驗(yàn)所用到的主要鋼材材性試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 試樣材性實(shí)測(cè)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 加載設(shè)備與加載制度

試驗(yàn)中為了便于準(zhǔn)備模擬結(jié)構(gòu)真實(shí)的邊界條件，設(shè)計(jì)了2個(gè)平面鉸支座。試驗(yàn)加載設(shè)備是蘇州科技大學(xué)江蘇省重點(diǎn)試驗(yàn)室液壓伺服系統(tǒng)，通過(guò)加載梁對(duì)試件施加水平位移循環(huán)往復(fù)荷載，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖5。為了保證在整個(gè)加載期間，整體試件不發(fā)生面外失穩(wěn)，在試件頂梁處設(shè)立兩道平面外支撐，見(jiàn)圖6。在各試件正式加載前都需要預(yù)加載，來(lái)觀察試驗(yàn)測(cè)試儀器是否正常；隨后進(jìn)行試驗(yàn)。水平循環(huán)荷載加載制度參考美國(guó)相應(yīng)規(guī)范[16]考慮到實(shí)際地震的特點(diǎn)(小震頻遇，大震罕遇)，見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)加載制度

圖5 試驗(yàn)裝置圖

(a) 試件側(cè)向支撐

(b) 尺寸照片

2.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)測(cè)試儀表布置見(jiàn)圖7。位移計(jì)DT1、DT5、DT9、DT10用于測(cè)量試件整體側(cè)移變形；位移計(jì)DT9、DT10、DT13、DT15用于測(cè)量試件層間變形；位移計(jì)DT3、14、7、16、11、12、4用于測(cè)量四個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角變形；位移計(jì)DT19用于記錄蝴蝶桿面外變形；同時(shí)在梁端翼緣、預(yù)應(yīng)力筋錨固處及蝴蝶桿上粘貼了許多應(yīng)變花用于跟蹤監(jiān)測(cè)這些部位應(yīng)力發(fā)展?fàn)顩r；每束鋼絞線處設(shè)置壓力傳感器用于追蹤整個(gè)加載過(guò)程中預(yù)應(yīng)力變化。

(a) 試件主視圖

(b) 右柱 (c) 左柱

(d) 底梁下翼緣

(e) 底梁上翼緣

(f) 頂梁下翼緣

(g) 頂梁上翼緣

3 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

試件SC-4、SC-6在整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程中所觀察到的現(xiàn)象基本一致：在第一級(jí)0.375%加載時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線將梁柱接觸面緊緊貼合，蝴蝶型鋼板墻面外變形很小，處于平面受力狀態(tài)，且試件所有構(gòu)件均基本處于彈性工作范圍，初始剛度較大，卸載后，可以實(shí)現(xiàn)完全復(fù)位；加載至水平位移角0.5%級(jí)，兩試件蝴蝶桿均出現(xiàn)了明顯面外扭曲變形，同時(shí)伴隨著由蝴蝶桿發(fā)出的持續(xù)振動(dòng)聲，且SC-4試件面外變形幅度較SC-6大，此外梁、柱節(jié)點(diǎn)未脫開(kāi)，卸載后，試件蝴蝶桿面外變形基本恢復(fù)，兩試件均可以完全復(fù)位；繼續(xù)加載至水平位移角1%處，梁“消壓”一側(cè)翼緣完全脫離柱翼緣表面，預(yù)應(yīng)力鋼絞線因節(jié)點(diǎn)脫開(kāi)而伸長(zhǎng)，同時(shí)提高試件的復(fù)位能力，但試件剛度明顯降低，此外蝴蝶桿彎扭變形進(jìn)一步開(kāi)展，卸載后，各試件蝴蝶桿存在一定的殘余面外變形，但均實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能，只是試件層間殘余變形由于蝴蝶板的彈塑性區(qū)域的發(fā)展而使得殘余變形較之前加載級(jí)明顯增加；隨著加載的繼續(xù)(1.5%級(jí))，梁柱節(jié)點(diǎn)脫開(kāi)更加明顯(圖8(a)和(d))，且隨著蝴蝶桿面外扭曲變形的加劇，與蝴蝶桿端部直接相連的通長(zhǎng)板帶局部也出現(xiàn)屈曲變形，邊緣蝴蝶桿與邊緣加勁槽鋼之間也隨之發(fā)生相應(yīng)的擠壓變形，卸載后，試件層間殘余變形較第三級(jí)略微增加，試件達(dá)到復(fù)位效果；加載至水平位移角2%時(shí)，試件SC-4蝴蝶板在邊緣蝴蝶桿端部出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象(圖8(c))，此時(shí)承載力有少許下降但幅度不大，試件SC-6在整個(gè)加載過(guò)程中均未出現(xiàn)蝴蝶桿撕裂破壞，在此加載級(jí)下，雖然蝴蝶板塑性變形積累，但由于蝴蝶板面外變形開(kāi)展引起反向加載抗壓剛度退化以及抗壓強(qiáng)度緩慢增加而使得試件卸載后層間殘余變形較之前加載級(jí)僅略微增加，兩試件卸載后均可復(fù)位，但試件SC-6的殘余變形較試件SC-4增加的多，原因可能是試件邊框架在重復(fù)試驗(yàn)中不可避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)區(qū)局部剪切屈服變形，進(jìn)而影響節(jié)點(diǎn)復(fù)位功能(圖8(i)和(f))；加載至最后一級(jí)水平位移角3%時(shí)，蝴蝶桿面外變形面外扭曲加劇(圖8(b)和(e))，兩試件邊緣防屈曲槽鋼均與蝴蝶板擠壓呈“波紋”狀(圖8(g)和(h))，此外與上一級(jí)加載原因相同兩試件殘余變形增長(zhǎng)均很緩慢，但耗能卻顯著增加，由于試驗(yàn)中各試件承載力一直處在上升段，所以近似取層間位移角3%作為試驗(yàn)終止的標(biāo)志。

(a) 試件SC-4節(jié)點(diǎn)脫開(kāi)

(b) 試件SC-4蝴蝶板面外變形

(c) 試件SC-4蝴蝶板撕裂

(d) 試件SC-6節(jié)點(diǎn)脫開(kāi)

(e) 試件SC-6蝴蝶板面外變形

(f) SC-4柱上節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切屈服

(g) SC-4局部變形

(h) SC-6局部變形

(i) SC-4柱下節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切屈服

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 滯回曲線

為了研究蝴蝶型鋼板剪力墻-鋼框架部分自復(fù)位結(jié)構(gòu)抗震性能，整理試驗(yàn)位移計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到試件水平力與實(shí)測(cè)層間位移角滯回曲線、試件水平力與試件轉(zhuǎn)角滯回曲線并加以分析。

4.1.1 水平力V-層間位移角θ1滯回曲線

(a) 試件SC-4

(b) 試件SC-6

4.1.2 水平力-節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角曲線

(a) 試件SC-4

(b) 試件SC-6

圖11 試件SC-4典型束預(yù)應(yīng)力變化及損失

4.2 試件殘余變形

結(jié)構(gòu)殘余變形的變化規(guī)律在一定程度上可以反映結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)程以及震后自復(fù)位功效，本文分別從整體層面(殘余層間位移角)與局部層面(殘余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角)進(jìn)行考量。

4.2.1 試件殘余變形分布規(guī)律

本文基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理出試件層間殘余位移角、某一典型節(jié)點(diǎn)殘余轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律及其對(duì)比見(jiàn)圖12，用于分析試件結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)程以及復(fù)位功能。

(a) SC-4、SC-6殘余層間位移角對(duì)比

(b) SC-4、SC-6殘余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角對(duì)比

(c) SC-4殘余層間位移角及殘余轉(zhuǎn)角對(duì)比

(d) SC-6殘余層間位移角及殘余轉(zhuǎn)角對(duì)比

由圖12可知：①加載初期(0.375%、0.5%)，兩試件各組成構(gòu)件基本處于彈性受力工作階段，蝴蝶板發(fā)生較小的面外失穩(wěn)變形，卸載后幾乎無(wú)殘余層間位移變形及節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角變形；②加載至中期(1%、1.5%)，梁受拉一側(cè)翼緣脫開(kāi)柱翼緣表面，此時(shí)試件滯回曲線逐步展開(kāi)，說(shuō)明蝴蝶板充分進(jìn)入彈塑性耗能工作階段，因卸載后需要恢復(fù)力克服墻板的塑性變形回至零位，由此產(chǎn)生了一定的殘余層間變形及轉(zhuǎn)角變形；③隨著荷載加載至后期(2%、3%)，墻板的塑性耗能能力進(jìn)一步發(fā)展，相比于加載中期，因蝴蝶桿面外變形增加導(dǎo)致試件后期反向加載剛度退化使得所需克服墻板塑性變形的恢復(fù)力增長(zhǎng)緩慢，因而加載晚期較加載中期殘余層間位移變形與節(jié)點(diǎn)殘余轉(zhuǎn)動(dòng)變形略微增長(zhǎng)，此外隨著板厚增加，在相同加載級(jí)下，試件SC-6因反向加載抗壓強(qiáng)度較SC-4大，故而需要更大恢復(fù)力來(lái)克服墻板永久變形使得試件復(fù)位，因此卸載后較試件SC-4而言會(huì)殘留相對(duì)較大的層間殘余變形和節(jié)點(diǎn)殘余轉(zhuǎn)角變形；⑤試件SC-4在加載層間位移角達(dá)到2%之前，試件層間殘余變形及節(jié)點(diǎn)殘余轉(zhuǎn)角變形接近為零，而當(dāng)加載至大震層間位移3%時(shí)，試件層間及轉(zhuǎn)角殘余變形均不超過(guò)0.3%，層間殘余變形稍稍大于結(jié)構(gòu)建造安裝偏差限制0.2%，即可以實(shí)現(xiàn)完全復(fù)位；⑥試件SC-6在加載層間位移角達(dá)到2%時(shí)，較試件SC-4有所增加，反向卸載層間殘余位移角為0.57%，正向?yàn)?.33%，造成試件SC-6在推拉過(guò)程中復(fù)位效果不一致的原因可能源于多次試驗(yàn)后框架柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)發(fā)生局部剪切屈服損傷，見(jiàn)圖8，這從側(cè)面表明主要構(gòu)件進(jìn)入彈塑性，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的復(fù)位性能，因此，總的來(lái)說(shuō)，試件SC-6實(shí)現(xiàn)了中震可修的性能目標(biāo)，并通過(guò)將塑性變形限制在蝴蝶板上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后快速修復(fù)的功能，當(dāng)加載至層間位移角3%時(shí)，試件反向卸載層間殘余位移角不大于0.6%，正向?yàn)?.37%，較上一級(jí)加載級(jí)僅少量增加，表明試件在罕遇地震下依然可以有效控制殘余變形的發(fā)展。此外，兩試件殘余層間位移角與殘余層間位移角發(fā)展趨勢(shì)一致，且殘余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角變形均小于層間殘余變形。

4.3 試件耗能

結(jié)構(gòu)耗能能力是衡量與評(píng)價(jià)一個(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，通過(guò)滯回曲線中滯回環(huán)包圍的面積進(jìn)行評(píng)定。本試驗(yàn)通過(guò)內(nèi)填蝴蝶板構(gòu)件為結(jié)構(gòu)提供耗能能力，對(duì)試件水荷載V-層間位移Δ滯回曲線面積進(jìn)行計(jì)算，取各加載級(jí)下滯回環(huán)面積均值，結(jié)果見(jiàn)圖13。

由圖13可知：①試件SC-4和試件SC-6各自總耗能加載前期基本相同，這是因?yàn)樵嚰咎幱趶椥允芰Ψ秶?，試件些許耗能可能來(lái)自于系統(tǒng)摩擦等等；②隨著加載的繼續(xù)，試件SC-6耗能增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)較快，原因在于較厚的蝴蝶板構(gòu)件在剛度、承載力及塑性發(fā)展區(qū)域上均比較薄的蝴蝶板構(gòu)件大，因而耗散更多能量；③兩試件中蝴蝶板耗能構(gòu)件在提供一定抗側(cè)力的同時(shí)也能夠提供穩(wěn)定耗能能力，且隨著厚度增加，可以提供更高的抗側(cè)剛度與耗能能力，但受到復(fù)位效果制約，經(jīng)合理設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)耗能能力與復(fù)位能力有機(jī)統(tǒng)一的性能目標(biāo)。

圖13 試件耗能對(duì)比

4.4 試件初始抗側(cè)剛度

根據(jù)前文理論推導(dǎo)結(jié)合試驗(yàn)試件實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。試件實(shí)測(cè)初始剛度采用加載器荷載與位移計(jì)實(shí)測(cè)整體位移(DT1、DT5、DT10、DT13)進(jìn)行整理而得，表給出了理論值與試驗(yàn)值及偏離情況。

表3 試件初始剛度理論與試驗(yàn)值對(duì)比

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)實(shí)測(cè)的試件初始剛度與理論初始剛度偏差較大，其原因如前文所述，試件中存在較多的連接部位存在空隙,如：支座銷軸與軸孔之間制作偏差、蝴蝶板與邊框架、加載梁與頂梁之間螺栓連接以及作動(dòng)器與加載梁之間連接等等，這些間隙在試件推拉過(guò)程中存在壓實(shí)的過(guò)程，因此試驗(yàn)實(shí)測(cè)的初始剛度均較理論值偏低。此外，試件SC-6還存在重復(fù)試驗(yàn)導(dǎo)致梁、柱節(jié)點(diǎn)累計(jì)損傷問(wèn)題，進(jìn)而進(jìn)一步降低其初期抗側(cè)剛度，這與理論與試驗(yàn)初始剛度偏離趨勢(shì)相一致。

4.5 節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理

圖14 節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理

圖15 柱節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切屈服

Fig.15 Shear yielding of panel zone

圖16 柱節(jié)點(diǎn)域加強(qiáng)措施

Fig.16 Strengthening measures of panel zone

5 主要結(jié)論與建議

本文通過(guò)對(duì)2個(gè)不同厚度足尺蝴蝶形鋼板墻-鋼框架自復(fù)位結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗(yàn)研究得出如下結(jié)論：

(1) 蝴蝶形鋼板墻-鋼框架自復(fù)位結(jié)構(gòu)經(jīng)合理設(shè)計(jì)可憑借后張拉梁柱節(jié)點(diǎn)和利用蝴蝶形鋼板墻耗有效實(shí)現(xiàn)復(fù)位能力與耗能能力的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

(2) 隨著蝴蝶形鋼板墻厚度增加，結(jié)構(gòu)初始抗側(cè)剛度、耗能能力、承載力都有明顯提高，但自復(fù)位能力相對(duì)降低，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要統(tǒng)籌兼顧復(fù)位及耗能兩方面性能。

(3) 兩試件層間位移角在達(dá)到2%前，殘余層間位移角隨著蝴蝶板厚度遞增有所增加，除試件SC-6拉向卸載外，其余卸載方向殘余位移角均小于0.5%，考慮到試件SC-6試件主體框架存在因重復(fù)試驗(yàn)導(dǎo)致的累計(jì)塑性損傷，因此兩試件均可實(shí)現(xiàn)了中震可修的性能目標(biāo)，且大大降低震后修復(fù)的難度、成本及周期。而當(dāng)層間位移角達(dá)到3%時(shí)，殘余層間位移角僅略微增加，兩試件承載力處于上升階段，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)在罕遇地震下依然能夠有效控制殘余變形并具備較好的抗倒塌性能。

(4) 試驗(yàn)中因邊框架柱尺寸設(shè)計(jì)偏小，柱過(guò)大的彎曲變形延緩了自復(fù)位節(jié)點(diǎn)性能，且節(jié)點(diǎn)區(qū)柱局部在重復(fù)試驗(yàn)中已經(jīng)存在剪切屈服損傷，影響了試件復(fù)位效果，此外，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)傳力路徑分析的基礎(chǔ)上，提出了柱節(jié)點(diǎn)區(qū)有效局部加強(qiáng)措施，供實(shí)際工程參考。