冷彎薄壁卷邊槽鋼框架體系抗震性能試驗研究

程昆

摘要：目前，對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構體系的抗震性能，共設計了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。試驗主要研究改變斜撐布置形式和軸壓比對框架抗震性能的影響，得到框架在低周反復荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線，對框架的剛度退化、延性、耗能性能和破壞機理進行研究。

關鍵詞：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用，根據國內外相關學者的研究成果以及現有文獻，對冷彎薄壁C型鋼的研究主要集中在節點上，對整體框架性能的研究較少。本文采用低周反復加載制度。

一、冷彎薄壁C型鋼框架抗震性能試驗

1.試驗目的

試驗主要研究不同的斜撐布置形式和軸壓比對框架體系抗震性能的影響，主要目的是對框架整體、梁、柱及斜撐的破壞模式、滯回性能、承載能力等進行分析，明確此類結構形式的抗震性能，為設計更優的冷彎薄壁C型鋼框架結構提供依據，更好的為實際工程服務。

2.試驗試件

2.1試件制作

本文設計了2組冷彎薄壁C型鋼結構的框架模型，梁柱采用冷彎薄壁C型鋼背靠背截面形式，再由高強螺栓與節點板連接，斜撐與梁柱節點板間采用高強螺栓連接。試驗框架的跨度為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。節點板為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型鋼和節點板的連接均使用8.8級Φ20高強螺栓連接，螺栓預拉力為120kN。斜撐與節點板連接采用8.8級Φ12高強度螺栓連接，螺栓預拉力為70kN。

表1 試件明細表

2.2試件材性試驗

本試驗所采用的鋼材均為Q235鋼，對梁、柱、斜撐分別取樣進行材性試驗[1、2]。

3.加載裝置及加載制度

3.1加載裝置

加載設備以及試驗裝置為：30噸推拉千斤頂，X-Y函數記錄儀，DH3816靜態應變采集儀，TDS-530數據采集儀。為保證兩側框架柱所受荷載同步施加并大小相等，由一臺千斤頂放于試件框架頂部正中，下設壓梁來傳遞豎向荷載。試件柱底板由四根高強螺栓與地梁連接。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

本試驗采用低周反復靜力加載試驗方案，并采用力與位移混合加載法。首先用加載步長為6kN的力加載，每級循環3次，逐級遞增。等到試件屈服后，采用位移加載，逐級遞增，每級循環3次，加載步長為屈服位移的0.2倍。當記錄儀上的滯回曲線出現下降段，斜率為負時或當試驗轉為位移加載后，荷載值降為極限荷載值的一半時，試驗終止。

3.3測點及位移計布置

在框架梁的梁端布置了位移計，用來測量框架的水平位移。因框架梁的位移較大，本試驗布置的是200mm大量程位移計。在基礎梁端安裝位移計，用來觀測在試驗過程中基礎梁是否發生了位移。因為基礎梁底部的位移較小，所以安裝在基礎梁端的位移計采用100mm小量程位移計。同時在梁端處兩側另布置兩個位移計，用來觀測框架是否平面外受扭。

本試驗中為確定框架結構的受力機理及試件主要部位的應力狀況，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變片。本試驗的應變片沿截面連續布置，具體布置形式為：梁和柱的腹板兩側各布置1枚應變片，兩側的上下翼緣各布置1枚應變片，即梁柱同一控制截面布置6枚應變片，斜撐的兩邊各布置1枚應變片。

二、試件破壞現象及試驗結果

1.試件破壞現象

三個試件均發生了整體彎曲失穩破壞，同時在兩側柱腳腹板位置均出現局部失穩破壞，柱腳翼緣先后出現斷裂。單向支撐出現失穩破壞，雙支撐壓屈破壞嚴重。

2.滯回曲線

據獲得的試驗數據，繪制出三個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面積很小，力和位移基本成線性關系。在整體屈服后，隨著加載等級的不斷提高，框架整體的變形進一步增大，其變形速度也越來越快，所形成的滯回環也愈加豐滿，但框架的承載力仍有提高的空間。在框架達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，最后發生破壞。從加載過程的整體上來看，框架的滯回曲線飽滿，說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

延性系數大多在1.0-3.0之間，與混凝土結構所要求的2.0延性系數基本持平，說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，構件的延性性能降低。

各循環承載力退化穩定，各試件的承載力退化系數大部分大于0.9。交叉斜撐承載力降低系數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，隨著加載等級的提高，試件的能量耗散系數和等效粘滯阻尼系數降低。

四、結束語

1.本次試驗的3個試件的最終破壞現象基本相同，均為斜撐斷裂、整體彎曲失穩并伴隨局部失穩。試件的斜撐凈截面被拉斷，梁端、柱腳的鋼材彎曲變形過大或是發生斷裂。

2.承載力及延性：承載力退化穩定，各試件的承載力退化系數大部分大于0.9。交叉斜撐承載力降低系數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。延性系數大多在1.0-3.0之間，與混凝土結構所要求的2.0延性系數基本持平，說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.隨著加載等級的提高，試件的能量耗散系數和等效粘滯阻尼系數降低。試件的等效粘滯阻尼系數同其它輕型鋼結構相比，耗能性能基本持平。

參考文獻

[1]《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》GB/T2975-1998[S].中華人民共和國建設部.

[2]《建筑抗震試驗方法規程》（JBJ101-96）[S].中華人民共和國建設部.