全螺栓分層裝配式輕鋼框架抗震性能試驗(yàn)研究

王麗軍

（中鐵十六局集團(tuán)電氣化工程有限公司 北京 100018）

1 引言

分層裝配式輕鋼框架較傳統(tǒng)柱連續(xù)形式框架易于吊裝裝配，也有利于實(shí)施高度集成的模塊化裝配，現(xiàn)場(chǎng)裝配施工時(shí)在樓層連接處梁柱間采用螺栓連接，能很好地滿足國(guó)家對(duì)建筑工業(yè)化的需求。雖存在螺栓數(shù)量多等缺點(diǎn)，但現(xiàn)場(chǎng)裝配速度快，且在一定程度上能消除現(xiàn)場(chǎng)焊接所帶來的焊接缺陷。如何保證節(jié)點(diǎn)承載能力及抗震性能，以便將其應(yīng)用于高烈度抗震設(shè)防區(qū)的結(jié)構(gòu)中能取得更好應(yīng)用效果是研究的重點(diǎn)[1－2]。

采用全螺栓連接節(jié)點(diǎn)可提高結(jié)構(gòu)耗能能力和延性，節(jié)點(diǎn)通過在螺栓接觸面上滑移而耗能并降低地震作用下的破壞程度。Liu等[3－4]提出全螺栓連接節(jié)點(diǎn)，并通過研究表明節(jié)點(diǎn)具有良好抗震性能。Ai-Lin等[5]提出了“預(yù)制柱－法蘭梁－柱”螺栓連接節(jié)點(diǎn)，研究表明在合理設(shè)定參數(shù)條件下具有良好抗震性能。Liu等[6]提出新型梁柱螺栓連接方法，并根據(jù)研究提出分層式裝配整體結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法[7]。陳越時(shí)等[8]對(duì)某三層足尺分層裝配支撐－鋼框架進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，表明其具有良好抗震性能與震后可恢復(fù)性。王偉等[9－10]利用ABAQUS軟件分析節(jié)點(diǎn)性能對(duì)分層裝配鋼框架抗震性能的影響，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度大于4EIc／Lc時(shí)，才能滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求。已有文獻(xiàn)中，“強(qiáng)柱弱梁”框架中采用的多為柱貫通形式[11]，有學(xué)者們研究多類柱貫通梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能，包括如何更好地滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[12]，滿足強(qiáng)震發(fā)生時(shí)節(jié)點(diǎn)不失效要求。但針對(duì)梁貫通的框架如何滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，需針對(duì)性開展抗震性能研究。

建筑高度增加會(huì)導(dǎo)致軸壓比增大，結(jié)構(gòu)延性降低，抗震性能變差。故應(yīng)開展此類結(jié)構(gòu)體系隨軸壓比增大結(jié)構(gòu)抗震性能的變化研究。增設(shè)支撐能明顯提高框架抗側(cè)能力，提高結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)的耗能能力，但其工作機(jī)理及破壞模式仍需進(jìn)一步明確。

開展全螺栓分層裝配式輕鋼框架抗震性能試驗(yàn)，探究不同軸壓比、支撐等因素對(duì)框架抗震性能影響。對(duì)框架進(jìn)行低周往復(fù)加載靜力試驗(yàn)，獲得結(jié)構(gòu)抗震性能，針對(duì)性給出加強(qiáng)策略，以期為分層裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

2 試驗(yàn)狀況

（1）試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)制作兩類4個(gè)分層裝配式輕鋼框架試件。其中編號(hào)為QK-1、QK-2、QK-3試件用于重點(diǎn)考察軸壓比變化對(duì)試件抗震性能的影響，以便工程應(yīng)用時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)類型選擇及構(gòu)造加強(qiáng)處理；QKZ-4為設(shè)置斜向方管支撐試件，每端使用4個(gè)M16螺栓固定，設(shè)置連有斜向支撐節(jié)點(diǎn)的加腋板，避免未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，參數(shù)見表1。

表1 試件參數(shù)

結(jié)構(gòu)原型為首層層高3 100 mm、以上各層層高2 900 mm、跨度3 600 mm的框架結(jié)構(gòu)。結(jié)合我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010），依據(jù)現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）及已有研究成果，柱截面尺寸為HW175×175×7.5×11，梁截面尺寸為HW100×100×6×8，設(shè)計(jì)制作1∶2縮尺比例模型?？缍葹? 800 mm，首層層高1 550 mm，二層層高1 450 mm。鋼材均選用Q235B級(jí)結(jié)構(gòu)鋼，梁柱采用H型鋼，梁柱間連接采用8.8級(jí)M18摩擦型高強(qiáng)螺栓。梁端及柱端焊接端板，端板尺寸為175×175×10 mm。柱腳通過M20摩擦型高強(qiáng)螺栓與底梁固定，然后利用高強(qiáng)螺栓將柱端板與第一、第二層框架梁翼緣進(jìn)行連接，形成實(shí)驗(yàn)室加載框架。框架和節(jié)點(diǎn)具體構(gòu)造見圖1、圖2。

圖1 整體試件（單位：mm）

圖2 試件節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造（單位：mm）

試驗(yàn)所用鋼材的力學(xué)性能參照《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB／T 228.1—2010）有關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，所測(cè)得數(shù)據(jù)見表2。

表2 鋼材力學(xué)性能指標(biāo)

（2）加載方案

試驗(yàn)加載裝置見圖3。通過M36地錨螺栓將底梁固定于反力地坪上，再將實(shí)驗(yàn)框架和反力地坪固定，在頂梁上部設(shè)置分配梁，千斤頂固定到分配梁上。分配梁與頂梁通過卡固件固定，千斤頂與分配梁間設(shè)置滾軸，以保證加載過程中豎向荷載與試件始終保持垂直。MTS液壓作動(dòng)器于試件二層頂梁左端處施加水平低周往復(fù)荷載。在試件兩側(cè)布置側(cè)向滑動(dòng)支撐桿，以防止試件加載過程中發(fā)生平面外失穩(wěn)。

圖3 試驗(yàn)裝置示意

首先施加表1所示柱頂軸壓，水平方向采用位移控制方式施加低周往復(fù)荷載，級(jí)差增量為10 mm，且每級(jí)位移循環(huán)3周。當(dāng)試件出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)板件破壞、螺栓拉斷、試件發(fā)生面外失穩(wěn)等現(xiàn)象時(shí)，停止加載。

（3）測(cè)點(diǎn)布置

試件所受軸壓由分配梁頂部的壓力傳感器量測(cè)，框架水平側(cè)移由布置在柱側(cè)位移計(jì)1～3測(cè)量。共粘貼46個(gè)應(yīng)變片，通過讀數(shù)判斷構(gòu)件所處應(yīng)力狀態(tài)，獲得應(yīng)力隨加載進(jìn)行的變化情況。應(yīng)變采用DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。位移計(jì)、應(yīng)變片具體布置見圖4。

圖4 測(cè)試元件布置

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞特征

（1）QK-1加載至40 mm時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)不可恢復(fù)變形，但梁柱未出現(xiàn)明顯變形；隨加載位移增加，框架變形繼續(xù)增大；加載至70 mm時(shí)一層梁柱連接部位螺栓開始出現(xiàn)滑移，對(duì)梁柱的約束減弱，且第一、二層梁端翼緣出現(xiàn)局部屈曲，水平加載后期連接梁柱的螺栓群在拉剪作用下拉力增加快速，受力最大的螺栓在拉剪作用下破壞，對(duì)框架的約束作用降低，導(dǎo)致繼續(xù)加載時(shí)發(fā)生面外失穩(wěn)（見圖5a）。

圖5 各試件破壞特征

（2）QK-2水平位移加載至50 mm時(shí)，加腋板附近梁翼緣出現(xiàn)局部鼓曲變形（見圖5b）；加載至60 mm時(shí)，框架產(chǎn)生較大側(cè)移，梁翼緣鼓曲現(xiàn)象越發(fā)明顯，梁端形成塑性鉸；加載至90 mm時(shí)，柱底處翼緣漆局部脫落，發(fā)生局部屈曲，隨后承載力降低較快。

（3）QK-3位移加載至70 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)處螺栓滑移明顯，伴隨較大的摩擦響聲；加載至80 mm時(shí)頂層梁翼緣扭曲變形增大，梁腹板上出現(xiàn)鼓屈現(xiàn)象；加載至110 mm時(shí)腹板鼓曲嚴(yán)重，柱底端發(fā)生局部屈曲（見圖5c）；加載到120 mm時(shí)，承載力大幅下降。

（4）QKZ-4加載至30 mm時(shí)，二層支撐和框架頂梁翼緣焊縫被撕裂，梁產(chǎn)生塑性鉸，柱無明顯變形；加載至50 mm時(shí)，二層支撐和梁翼緣均出現(xiàn)輕微鼓曲，斜支撐原有撕裂口不斷擴(kuò)大，框架頂梁腹板內(nèi)加肋處焊縫開裂；加載至65 mm時(shí)，支撐端部發(fā)生局部屈曲，隨后加腋板發(fā)生面外輕微變形，承載力大幅降低，梁端翼緣發(fā)生明顯局部屈曲。

QKZ-4在加載過程中，斜支撐先出現(xiàn)局部屈曲，框架側(cè)移比QK-3要小，但屈服荷載、峰值荷載和破壞荷載均高于QK-3，說明斜支撐能有效提高框架的承載能力和抗側(cè)剛度。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4．1 滯回曲線

由圖6可知：（1）由于QK-1缺少柱頂軸壓作用，水平荷載作用下快速發(fā)生傾覆，塑性發(fā)展不充分；（2）其余的三個(gè)試件，隨軸壓比增大，曲線均存在捏縮現(xiàn)象，QK-2和QK-3曲線比QK-1稍飽滿，說明在試驗(yàn)軸壓范圍內(nèi)，施加一定軸壓后，可提高框架耗能能力；（3）QKZ-4曲線加載過程中滯回環(huán)面積先期大幅增加，后在加載負(fù)向出現(xiàn)了兩次明顯分岔，為螺栓滑移導(dǎo)致承載力迅速降低所致。說明加支撐后，對(duì)柱及梁連接部位的螺栓抗拉剪破壞能力要求提高，故對(duì)于QKZ-4應(yīng)增加螺栓群抗破壞能力，進(jìn)而提升框架抗震性能。

圖6 滯回曲線

4．2 骨架曲線

骨架曲線能直觀反映結(jié)構(gòu)承載力及破壞狀態(tài)，由滯回曲線每個(gè)循環(huán)的極值點(diǎn)連接得出（見圖7）。分析可知：（1）QK-1～QK-3骨架曲線在屈服前走勢(shì)基本一致，QK-1先進(jìn)入屈服階段，后依次為QK-2及QK-3；3個(gè)試件均有明顯彈性、彈塑性、強(qiáng)化及破壞4個(gè)階段。（2）在所考察加載范圍內(nèi)，隨軸壓增大，初始剛度及承載力均略有提升，軸壓增大降低了梁柱螺栓群內(nèi)受力最大螺栓拉力快速提高所帶來的拉剪破壞。（3）QKZ-4雖承載力高且剛度也較大，但發(fā)生斜向支撐局部屈曲，內(nèi)力重分配后對(duì)梁柱螺栓的破壞增強(qiáng)，螺栓滑移，承載力降低快，拉剪作用下加速梁柱連接螺栓快速失效。

圖7 骨架曲線

4．3 試件屈服點(diǎn)及破壞荷載確定

依據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ／T 101—2015）[12]規(guī)定來確定試件所承受的荷載特征值，采用能量等值法確定各屈服點(diǎn)。表3中的Py、Δy分別表示屈服荷載和對(duì)應(yīng)位移：Pm、Δm分別表示峰值荷載和對(duì)應(yīng)位移；Pu、Δu分別表示破壞點(diǎn)荷載和對(duì)應(yīng)位移；θ1、θ2分別表示框架首層和二層極限層間位移角；位移延性系數(shù)μ為破壞位移Δu與屈服位移Δy之比。由于試驗(yàn)過程中滯回曲線不完全對(duì)稱，故延性系數(shù)按式（1）計(jì)算：

表3 各試件特征點(diǎn)荷載與位移值

各試件主要試驗(yàn)結(jié)果見表3。分析可知：（1）與QK-1相比，QK-2、QK-3的屈服荷載分別提高92.65%和157.73%，峰值荷載分別提高了79.60%和182.27%，說明軸壓增大在一定程度上可提高框架的承載力。（2）在相同軸壓下，QKZ-4比QK-3屈服荷載提高72.95%，極值荷載提高68.26%，破壞荷載提高75.14%，破壞時(shí)極限位移減小44.17%，曲線斜率較QK-3先出現(xiàn)降低且下降較快。表明設(shè)置支撐可大幅提高框架承載力，但會(huì)降低延性。在抗震設(shè)計(jì)中，建議設(shè)置剛度適宜的支撐來改善結(jié)構(gòu)抗震性能。（3）位移延性系數(shù)QK-3＞QK-1＞QK-2，說明軸壓適當(dāng)增大在試件滿足不發(fā)生整體傾覆的情況下，在一定程度上可提高結(jié)構(gòu)延性。（4）QK-1底層最大層間位移角較小，而頂層明顯大于底層，上、下層剛度不協(xié)調(diào)，出現(xiàn)明顯薄弱層；QKZ-4各層層間位移角較均勻，說明增設(shè)支撐能避免剛度不協(xié)調(diào)帶來薄弱層問題。

5 結(jié)論

通過對(duì)全螺栓裝配式輕鋼框架進(jìn)行低周往復(fù)加載靜力試驗(yàn)，分析軸壓比及有無斜向支撐對(duì)框架抗震性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）試件加載過程中發(fā)生梁柱連接節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓滑移。各試件延性系數(shù)均大于3.0，說明框架具有良好延性性能，易滿足結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)要求。

（2）軸壓比在0.1～0.3范圍較為合適，可提高試件承載能力及塑性變形能力；剛度退化緩慢，剛度損傷值較小，但延性和耗能能力略有降低。

（3）框架增設(shè)斜向支撐后，極限荷載較其他試件提高70%以上，但極限荷載后塑性發(fā)展不充分。節(jié)點(diǎn)連接螺栓失效導(dǎo)致斜支撐失效后，內(nèi)力重分配致使其對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)所承擔(dān)的內(nèi)力增加，破壞作用增強(qiáng)，加速了節(jié)點(diǎn)失效。在工程應(yīng)用中要考慮對(duì)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)，進(jìn)而改善框架抗震性能。