分層裝配式支撐鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能試驗研究

1結(jié)構(gòu)體系的擬靜力加載試驗為了驗證設(shè)計改進后層板結(jié)構(gòu)體系的抗疲勞動性能，本工作完成了層板結(jié)構(gòu)體系的預(yù)測靜負荷試驗2。層4。主要考察結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的抗側(cè)力機制、破壞模式與滯回特性,以及剛度和承載力的變化規(guī)律,進而提出該類體系的抗震設(shè)計建議。2試驗計劃2.1支撐數(shù)量指標與原型結(jié)構(gòu)的區(qū)別試驗設(shè)計時遵循以下原則:1)保證梁、柱、支撐、樓板、屋面的材料及幾何尺寸與原型結(jié)構(gòu)基本一致;2)保證同一層間支撐與柱的配比、不同層間支撐配比等指標與原型結(jié)構(gòu)基本一致,即層1支撐與柱數(shù)量的比值約為2∶5,層1支撐數(shù)量約為層2支撐數(shù)量的2倍;3)保證層1樓面和層2屋面的重力荷載代表值與原型結(jié)構(gòu)基本一致;4)保證層1柱頂與層2柱頂水平側(cè)向荷載的比例與原型結(jié)構(gòu)在地震作用下第1階振型的荷載比例一致(約為1.63∶1)。2.2實驗構(gòu)件和柱側(cè)勁肋的連接試驗設(shè)計了1個采用新型套筒-扁鋼支撐的2層4跨結(jié)構(gòu)體系足尺模型,并采用改進后的梁上設(shè)1道加勁肋的梁貫通式端板螺栓節(jié)點作為柱梁連接形式。體系布置和構(gòu)件尺寸見圖1和表1。平面尺寸為7.2m×3.0m,層高3.0m。試件分軸?和軸?兩個加載面,每一加載面考慮不同的開間布置和支撐設(shè)置方式。柱側(cè)加勁肋設(shè)置時考慮了無加勁、單側(cè)加勁和雙側(cè)加勁3種情況?？v向框架梁與橫向框架梁的連接如圖2所示。柱腳通過端板采用M16高強螺栓與錨固于實驗室地槽的基礎(chǔ)梁連接。層1樓面為120mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板,層2屋面為1.0mm厚HG-240壓型鋼板。2.3載荷加載制度試驗裝置如圖3所示。試驗時首先通過在樓板和屋面堆置沙袋的方式實現(xiàn)實際結(jié)構(gòu)體系豎向荷載的施加。然后采用固定在豎向反力墻上的2個水平作動器對2個加載面同步施加往復(fù)荷載。每個作動器的荷載均通過1根加載梁按照1.63∶1的比例分配至層1和層2梁端。試驗全過程采用2個加載面的同步位移控制加載,加載制度參考了AISC抗震規(guī)范的規(guī)定,具體如圖4所示。為保證試驗安全,還在結(jié)構(gòu)體系下方設(shè)置了與試件完全分離的小型安全支架。試驗中量測的內(nèi)容包括各加載面的層間荷載與層間位移、支撐和鋼柱的應(yīng)力變化情況以及節(jié)點區(qū)的局部變形和應(yīng)力分布等。3試驗結(jié)果與分析3.1試驗結(jié)果及分析當層1層間位移角在1/300以內(nèi)時,所有構(gòu)件(梁、柱和支撐)均處于彈性階段,當層間位移角為1/300時所有受壓支撐面外失穩(wěn)(圖5(a))。當層間位移角為1/100時,層1所有支撐受拉屈服。支撐受壓時面外變形在層間位移角為1/65時可達400mm。當層間位移角為1/30時,層1所有柱腳截面部分屈服,所有梁柱節(jié)點處H型鋼梁上下翼緣均發(fā)生明顯面外變形(圖5(b))。當層間位移角為1/25時,層1的4處柱腳全截面屈服。當層間位移角為1/12時,軸?西側(cè)邊柱和軸?兩側(cè)邊柱柱腳端板連接焊縫開裂。至層間位移角為1/10(加載結(jié)束)時,層1共計9處中柱柱腳全截面屈服后嚴重鼓曲(圖5(c)),形成了塑性鉸。圖5(d)給出了整體結(jié)構(gòu)最后一級加載時的變形。層2結(jié)構(gòu)在試驗全過程僅發(fā)現(xiàn)軸?支撐屈服,柱端一直保持在彈性階段。綜上所述,結(jié)構(gòu)體系在往復(fù)荷載作用下的失效演進過程表現(xiàn)為支撐受壓失穩(wěn)、支撐受拉屈服、柱腳截面部分屈服、節(jié)點處梁翼緣循環(huán)面外變形、柱腳端板連接焊縫開裂和柱腳全截面屈服形成塑性鉸。試驗結(jié)果匯總見表2。表中Py為整體結(jié)構(gòu)開始屈服時的層間水平剪力理論值,Py1和Py2分別表示層1和層2屈服時的層間水平剪力。因支撐是主要抗側(cè)力構(gòu)件,故計算時不考慮框架提供的層間剪力,僅考慮支撐屈服時對應(yīng)的層間剪力作為屈服荷載;Pp為試驗加載過程中總水平剪力達到的峰值,Pu為試驗加載至極限狀態(tài)(達到千斤頂最大行程)時刻水平總剪力值;Δy,Δp和Δu分別為與Py,Pp和Pu對應(yīng)的底層側(cè)移;Δy/H,Δp/H和Δu/H分別表示對應(yīng)的層間位移角,其中H為層高。3.2滯回加載的骨架曲線(1)層間剪力-層間位移角滯回曲線試驗層間剪力-層間位移角滯回曲線見圖6?？v坐標為用Py1和Py2無量綱化的各層層間剪力。滯回曲線中部捏攏,表現(xiàn)出明顯的滑移特性;次滯回加載的循行線與主滯回路徑不同,次滯回的加載沿主滯回的卸載段曲線進行。從滯回曲線來看,該結(jié)構(gòu)體系耗能能力一般。層1層間位移相對層2大很多,即層1相對于層2為薄弱層。另外結(jié)合實測數(shù)據(jù)判斷,層2曲線的滯回耗能主要來自于軸?支撐塑性變形的貢獻,軸?支撐始終未屈服。(2)層間剪力-層間位移角骨架曲線根據(jù)層1層間剪力-層間位移角滯回曲線,提取了滯回加載的骨架曲線(圖7)。參照試驗現(xiàn)象的描述,在對應(yīng)加載點標出了試驗破壞現(xiàn)象。在層1層間位移角達到1/300之前,試件處于彈性階段,層間剪力-層間位移角骨架曲線呈線性。從骨架曲線明顯看出,在層1支撐受拉屈服之后,骨架曲線出現(xiàn)拐點,結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度明顯下降。柱腳的輕微局部屈曲和梁翼緣的拉起對整體水平承載力影響不大。但當柱腳全截面屈服和柱腳焊縫出現(xiàn)開裂之后,抗側(cè)能力出現(xiàn)下降。至加載結(jié)束時(層間位移角達1/10),水平荷載仍保持為峰值荷載的87.7%。3.3抗側(cè)剛度的計算試件的抗側(cè)剛度可用割線剛度來衡量,割線剛度Ki按下式計算:式中:Fi為第i次峰點的荷載值;Xi為第i次峰點的位移值。圖8給出了試件加載過程中割線剛度變化曲線。由分析可知,初期抗側(cè)剛度為9.45kN/mm,層間位移角為1/50時,抗側(cè)剛度約為2.5kN/mm。最后一加載級層間位移角為1/10時,割線剛度退化至0.43kN/mm。加載過程中第4,5級開始剛度退化加快,第4級(層間位移角為1/100)正好是層1全部支撐受拉屈服的一級?？梢?支撐作為該結(jié)構(gòu)體系的主要抗側(cè)力構(gòu)件,其屈服后,結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度將迅速下降。本結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度理論上由框架和支撐兩部分共同提供。假設(shè)柱子兩端為完全剛接,計算框架可提供的側(cè)向剛度理論值為1.07kN/mm;所有支撐可提供的側(cè)向剛度為9.48kN/mm。若采用簡單的疊加,則結(jié)構(gòu)體系的總抗側(cè)剛度為10.55kN/mm?？紤]到實際結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點為半剛性,結(jié)合圖8可以判斷,試件實測初期抗側(cè)剛度(9.45kN/mm)與結(jié)構(gòu)的理論抗側(cè)剛度十分接近,其中框架提供的抗側(cè)剛度僅占總抗側(cè)剛度的10%左右。由此得出,對于本文研制的分層裝配式支撐鋼結(jié)構(gòu)體系,支撐是主要抗側(cè)力構(gòu)件,設(shè)計階段的彈性側(cè)向剛度可近似認為由支撐提供,因此在靜力設(shè)計和彈性小震設(shè)計時可假定梁柱節(jié)點鉸接,即忽略柱子提供的水平抗力,認為結(jié)構(gòu)底部總地震剪力完全由支撐承擔,而在大震彈塑性分析時則仍需考慮梁柱節(jié)點的半剛性。3.4結(jié)構(gòu)體系延性分析定義μ=Δf/Δy為結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù),其中Δy為結(jié)構(gòu)屈服時刻對應(yīng)的位移,Δf可取為當水平抗側(cè)力降低到峰值荷載某一程度(常取85%)時的結(jié)構(gòu)位移。而本文試驗至最后,水平抗側(cè)力僅降低到峰值荷載的90.1%。根據(jù)表2中試驗結(jié)果,得到結(jié)構(gòu)體系的延性系數(shù)大于10.3。一方面,表明該體系延性優(yōu)良;另一方面,也驗證了新型套筒-扁鋼支撐在實際結(jié)構(gòu)中具有良好的延性工作性能,滿足結(jié)構(gòu)體系的抗震需求。3.5部分承擔的水平剪力本體系中,框架和支撐分擔的水平剪力大小隨結(jié)構(gòu)側(cè)移而改變。圖9給出了層1框架部分承擔的水平剪力占總剪力的百分比變化。由圖可以看出:1)結(jié)構(gòu)在彈性階段,框架部分承擔的水平剪力約占總水平剪力的15%;2)結(jié)構(gòu)進入塑性階段直至層間位移角達1/30時,框架部分承擔的水平剪力不斷增加。在層間位移角為1/100時,框架部分承擔的水平剪力已增加到總水平剪力的25%以上。因此,經(jīng)研制改進后的梁上設(shè)置1道加勁肋的梁貫通式節(jié)點可以保證框架部分在塑性大變形階段分擔相當比例的水平地震力,從而可作為該結(jié)構(gòu)體系的第2道防線,滿足我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)基于性能的抗震設(shè)計方針和“大震不倒”的第三水準要求。4梁柱節(jié)點半剛性(1)該結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于低多層建筑時具有優(yōu)良的延性。支撐是該結(jié)構(gòu)體系的主要抗側(cè)力構(gòu)件,結(jié)構(gòu)彈性階段的抗側(cè)剛度幾乎完全由支撐提供。因此,小震彈性設(shè)計時可將梁柱節(jié)點作為鉸接考慮,即忽略柱子的水平抗力,而在大震彈塑性分析時仍需考慮梁柱節(jié)點的半剛性。(2)結(jié)構(gòu)體系在往復(fù)荷載作用下的失效演進過程表現(xiàn)為支撐受壓失穩(wěn)、支撐受拉屈服、柱腳截面部分屈服、節(jié)點處梁翼緣循環(huán)拉壓變形、柱腳端板連接焊縫開裂和柱腳全截面屈服形成塑性鉸。(3)經(jīng)研制改進后的梁上設(shè)置1道