半刚性框架防屈曲钢板墙结构的抗震性能试验研究Word格式文档下载.docx

半刚性框架防屈曲钢板墙结构的抗震性能试验研究Word格式文档下载.docx

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forcetransfermechanism

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引言

半刚性框架-防屈曲钢板剪力墙体系是一种融合半刚性连接钢框架以及防屈曲钢板剪力墙两种结构优点的新型结构体系［1-3］。

传统加劲钢板剪力墙，加劲肋与墙板焊接连接，焊接不但施工难度大，会引入较大残余应力，而且由于加劲肋与内填钢板完全黏

基金项目:

国家自然科学基金（51178381）和西安建筑科技大学人才基金（ＲC1376）

作者简介:

于金光，博士，讲师收稿日期:

2013-05-02

结，在约束墙板的同时参与抵抗一部分水平力，易出现加劲肋屈曲先于整体破坏的情况，不能持续起到抑制屈曲的功能［4］。

较之非加劲薄钢板或加劲失效的剪力墙［4-6］，该新型结构具有更优的耗能能力，进一步降低了节点区自身的延性和应力要求，半钢性框架和墙板协同工作良好;

防屈曲构件的设置可改善钢板的实际受力，提高墙体的承载力及刚度，有效克服滞回曲线的“捏缩”现象，避免钢板噪音及震颤，减少对框架柱的依赖，同时其也兼具薄钢板剪力墙施工简单等优点。

鉴于目前国内外对该体系的研究尚属起步阶段，本文采用平齐端板连接半刚性框架内填预制混凝土

第47卷第6期于金光等·

半刚性框架-防屈曲钢板墙结构的抗震性能试验研究·

19·

防屈曲钢板墙试件，施加低周往复荷载，考察结构破坏模态，得到循环荷载作用下结构的滞回曲线，以此分析承载能力、抗侧刚度、消能和延性等结构的整体性能;

同时分析节点性能，并以此分析节点刚度与墙体的匹配效果以及墙板和半刚性框架的相互作用效果。

1试验方案

1．1试件设计

试件抽离于实际半刚性框架-钢板剪力墙结构中的任意两层结构。

根据相似理论的设计原则和实验室加载系统的试验能力，几何相似比例约为1∶3。

为模拟完整的两层结构，试件框架采用三层结构，上部两层为试件主体结构（两层剪力墙），下部设置一矮半层框架，矮半层净高300mm，在矮半层框架中设置厚度为5mm的钢板，目的是使底层框架-剪力墙结构具有较大的抗侧刚度，在水平荷载作用下侧向变形很小，可近似看作上部两层结构的嵌固端，以避免柱脚焊缝开裂导致结构最终破坏［4-6］。

试件柱轴线跨度1350mm，总高度3270mm，钢材均采用Q235-B，连接螺栓均采用10．9级摩擦型高强螺栓，材质为20MnTiB。

试件由钢框架、节点域、薄钢板墙及约束构件四部分组成。

框架柱截面选用HW175×

175×

7．5×

11，中间梁截面HN200×

100×

5．5×

8，顶梁截面HN300×

150×

6．5×

9，内填钢板厚度3．3mm，为了保证内填钢板与周边框架的连接，在周边框架内侧设置宽度为70mm、厚度为6mm的连接板。

连接板与周边框架等强焊接，内填钢板与连接板搭接，搭接端部采用单面角焊缝连接，并采用分段焊接方式，施焊段长度为80mm，间隔段长度为40mm。

预制混凝土盖板尺寸为975mm×

850mm×

60mm，混凝土强度等级为C30，厚度60mm，螺栓排布方式5×

4，螺栓选用M12，同时在混凝土表面铺设涂抹二硫化钼油脂的聚四氟乙烯板减少摩擦力。

试件具体尺寸见图1，节点详图见图2。

1．2量测方案及加载方式

试件的量测方案主要由梁柱相对转角、框架柱变形、整体位移三个位移方面的测量和试件的应变测量四部分组成。

具体分别于地梁、中间梁和顶梁处设置一个百分表和三个位移计，量测水平位移;

柱变形部分，沿柱高分别于框架平面内和框架平面外设置位移计监控框架的变形情况，设置于柱高的二分之一处。

梁柱节点处设置生根于柱上的两个斜向位移计，量测框架梁柱节点处的相对转角。

柱子的关键位置（每层

图1试件详图

Fig．1Detailsofspecimen

图2节点详图

Fig．2Detailsofconnections

柱的上、中、下三个截面处）设置应变片和应变花，记录应变分析框架柱在加载过程中的内力变化;

框架梁的关键位置（两端）设置应变片测量梁端截面上的轴力、弯矩及梁端腹板的剪力;

内填钢板的底部水平方向和边部竖直方向分别设置应变花及应变片;

连接节点处设置应变片测量节点的变形、破坏模式、塑性铰的位置、数量以及节点域的剪力。

试验装置见图3。

根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101-96）［7］，试件低周往复加载试验采用荷载变形双控制的方法。

试件屈服前采用荷载控制，屈服后

·

20·

土木工程学报2014年

应采用变形控制。

竖向荷载加载方案:

在柱顶施加竖

37．8MPa，根据《混凝土结构设计规范》GB50017—

向荷载，每柱柱顶施加430kN，加载分为两级，每级加载215kN。

水平荷载加载方案:

在弹性阶段，采用荷载控制的方法，初始加载为100kN，以100kN为基数，接近屈服时减小为50kN，试件整体屈服后改为变形加载，变形加载阶段控制位移分别为屈服位移的1．0、

2010［11］混凝土的弹性模量E

c

2试验过程及性能评定

2．1试验过程

=3．2×

104N/mm2。

1．5、2．0、2．5倍数加载，每级循环三次，实际试验过程中根据具体情况作出相应的调整。

图3试验装置图

Fig．3Testequipment

1．3材性试验

试件钢结构部分，对梁、柱、节点板和两种内填板取样，共7组，每组3个试件。

根据《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T228—2002）［8］、《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》（GB/T2975—1998）［9］的有关规定进行试验，结果见表1。

表1钢材性能

Table1Steelproperties

试件编号

fy（MPa）

fu（MPa）

伸长率（%）

E（105MPa）

柱

285．03

455．35

27．70

2．04

顶梁

323．23

465．3

24．66

中梁

331．80

470．35

21．16

2．05

顶梁端版

262．50

462．50

20．51

中梁端版

276．30

399．90

22．59

2．00

3．3mm钢板

345．27

521．8

19．06

2．10

5mm钢板314．73477．8323．642．00

混凝土试块的制作按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）［10］要求进行。

分别制作了3组标准立方体和3组标准长方体试块用于材性试验，混凝土抗压强度试验的平均值fcu=

试验加载制度规定:

作动器推向为正（东向加载），拉向为负（西向加载），加载的顺序为先正后负。

根据加载历程对试验过程描述如下:

先在两柱顶分别施加430kN竖向荷载，分两级加载，每级215kN，检查各仪表均正常工作之后进入水平加载阶段。

加载至550kN，内填钢板、混凝土约束件、梁柱节点均无明显变化，基本处于弹性工作状态。

推向加载600kN时，根据加载曲线可得试件整体屈服位移δy=15．45mm，对应的屈服荷载为592kN，随后进入位移控制阶段。

1．5δy第一循环，推向加载过程中，东柱柱脚处柱外翼缘屈曲（图4（a）），拉向加载过程中，西柱柱脚处外翼缘屈曲，两处屈曲变形随着荷载加大，变形逐渐发展增大。

2．5δy第一循环，推向加载，试件达到峰值荷载，由于西柱柱脚南侧外翼缘与柱脚靴板焊缝上端开裂（图4（b））出现较大声响，后续开裂几乎无发展，可见底部半层缓解了柱脚处的应力集中问题。

底层梁上下翼缘伴随反S形变形。

一层北侧混凝土板西下角部（混凝土保护层范围内）出现第一道贯穿裂缝;

第二循环，西柱翼缘位于一层侧向支撑上方翼缘局部屈曲（图4（c））;

第三循环，推向加载，一层西侧混凝土板与柱之间钢板有两道鼓起，一层下侧混凝土板与底层梁之间钢板南曲，东柱位于一层侧向支撑上方翼缘局部屈曲。

拉向加载过程中，侧向支撑东侧滚轮与试件脱开，一层东柱面外南凸，底层梁腹板变形加剧，底部半层板变形明显。

一层北侧混凝土板西下角素混凝土部分压碎脱落（图4（d））。

3．0δy第一循环，拉向加载过程中，一层西侧混凝土与框架柱之间的鼓曲加剧，底层梁两端板下部与柱脱离。

柱面外变形增大，以一层侧向支撑为界，柱面外成S形变形（图4（e））。

第二循环，内填板与螺栓连接产生噼啪声。

第三循环，推向加载，一层北侧混凝土板东下角部开裂，加载到峰值时，加载端扭转，完成本轮加载后试验暂停，加固试件。

试验重新开始，3．5δy第一循环，推向加载，中间侧向支撑失效伴随巨响，一层柱面外变形迅速增加，柱翼缘屈曲极为严重，带动钢板将其南侧边部素混凝土（保护层范围内）压碎（图4（f）），试件强度下降

21·

20%以上。

试件面外弯扭失稳严重（图5），最终丧失承载力，试验结束。

图4试件局部破坏图

Fig．4Localfailureofspecimen

图5试件整体破坏图

Fig．5Globalfailureofspecimen

2．2整体性能评判

2．2．1破坏模式评定

从试件性能看，试件的承载力、极限位移和侧向刚度都表现良好。

试件的承载力，推拉基本对称，在900kN左右，极限位移约为高度的1/56。

钢板墙的初始刚度和承载力较高，能很好的满足抗侧力构件的要求。

破坏顺序为内填钢板屈服、边缘构件屈服、屈曲及弯扭失稳。

其破坏模式为:

预制混凝土约束件仅边角部保护层的素混凝土部分出现少量压碎剥离，整体性良好，对主体钢板持续抑制面外变形，内填钢板面内受剪屈服，框架柱底部及柱顶部形成塑性铰，试件面内呈弯剪破坏模式，面外弯扭失稳控制了最终承载力。

试验过程中，梁柱节点没有发生明显转动，刚度退化较小。

2．2．2滞回性能评定试件的整体和各层的滞回曲线见图6。

试件位于

弹性阶段时，力和位移基本呈线性关系。

试件加载至弹塑性阶段，随着加载位移增大，内填钢板受剪屈服，试件进入塑性部分逐渐增大，滞回环逐渐展开，面积增大，随加载次数增多，卸载刚度比弹性刚度有所降低;

卸载至零再反向加载时，加载曲线指向前一次循环的最大变形点，峰值刚度有所退化。

通过图6（a）、6（b）对比，一二层刚度退化速度基本一致，一二层钢板耗能基本一致，一层在弯剪压作用下，层间侧移角较大，能耗稍大。

整个加载过程中，滞回环体未出现捏缩现象，呈较为饱满的梭形，表明该种结构有良好的塑性变形能力。

加载至后期，试件一层环体沿拉向偏移，究其原因为西柱存在加载端，连接约束较强，东柱面外变形严重，过早丧失承载力，两柱后期刚度贡献不等，另外，部分架表位置处局部变形明显，导致附加位移使结果存在偏差，二层滞回环体沿推向偏移，随着整体试件面外变形加大，最终两层钢板耗能量相当。

由滞回曲线的外包络图得到试件的骨架曲线见图7。

由图可知:

试件的骨架曲线均较为平缓，在塑性流动阶段，整体侧移可达53mm，层间侧移角为1/56。

本文采用通用弯矩法确定试件的屈服点、强度点和破坏点，根据JGJ101-96［7］5．5．4节规定的位移延性系数对试件的延性性能进行评价，三个特征点和延性系数列于表2。

整体延性系数为2．8，后期承载力下降较快，主要原因为试验过程中侧向支撑存在脱落现象，柱面外弯扭失稳。

2．3强度指标评定

i

根据JGJ101-96［7］，一般用承载力退化系数λ来表征等幅荷载作用下的强度稳定性。

表3给出了各试件在各级加载位移下的承载力退化系数。

由表3可

22·

图6滞回曲线

Fig．6Hystereticcurves

图7骨架曲线

Fig．7Load-displacementenvelope

表2试验结果

Table2Testresultsofspecimen

加载方向

Δy（mm）

屈服荷载

Py（kN）

Δy/h

Δm（mm）

峰值荷载

Pm（kN）

Δm/h

极限位移

Δu（mm）

Δu/h

延性系数

μ

推（+）

21．91

763．12

1/135

40．21

874．25

1/73

53．00

1/56

2．80

整体

拉（－）

19．90

729．31

1/148

40．69

895．89

1/72

50．54

1/58

2．82

10．63

746．77

1/122

15．30

1/85

21．21

1/61

2．46

二层

9．53

732．30

1/136

17．27

1/75

18．72

1/69

2．49

8．75

679．64

1/143

14．36

1/87

20．00

1/63

2．96

一层

7．30

700．53

1/171

19．47

1/64

29．07

1/43

3．98

知，随着加载位移的增大，承载力退化不明显，说明结构的承载力稳定性很好，不会发生突然的强度破坏。

由屈强荷载可见试件的强度储备在20%～30%之间。

表3试件承载力退化系数

Table3Degenerationcoefficientofload-carryingcapacity

δy

1．5δy

2δy

2．5δy

3δy

3．5δy

始刚度选用第一加载级峰值刚度。

1．01

1．00

1．02

0．99

0．97

—

试件整体初始弹性刚度为62．92kN/m，初始刚度

较高，但试件的刚度退化较为明显。

由图8知，弹性阶

加载位移

λ1

2．4刚度指标评定

刚度退化是钢板屈服发生和发展的充分体现，本文采用JGJ101-96［7］5．5．3节规定的峰值割线刚度对试件的刚度进行评价，试件各层刚度退化曲线见图8，图中纵坐标为加载级刚度与初始刚度的比值，试件初

HPP

λ2

23·

图8刚度退化

Fig．8Degenerationofrigidity

段随着荷载的增加，试件刚度值不断减小，试件在弹性阶段（位移角在0．5%以前），体系的刚度损失约为30%。

一层框架的第一个屈服点出现以后，位移角在

0．5%到1．1%之间，内填板有效性减小，1．1%时刚度损失60%。

位移角达到1．1%后，二层框架柱第一个屈服点出现，框架作为位移的主要抗侧力构件，试件的刚度损失为75%左右，一层结构在弯剪压复合荷载作用下，刚度退化最为严重，最终刚度损失80%以上。

2．5消能指标评定

根据JGJ101-96［7］5．5．6节规定的消能量和能量耗散系数E衡量结构在抗震中的消能能力，试件在各荷载级第一循环的消能值与能量耗散系数E如表4所示。

结构地震输入的总能量，由结构的动能、弹性应变能和结构耗能共同承担，前者为结构的能容，后者为结构的能耗，结构的耗能包括阻尼耗能和滞回耗能，当结构处于弹性阶段时结构的滞回耗能很小，将试件屈服后一二层能量消散量对比如图9所示。

图9消能能力对比

能量增加，而随着加载级的推进，试件能量耗散系数呈现先减小后增大的趋势，过渡点为试件屈服。

表4试件的耗能能力

Table4Energydissipationcapacityofspecimen

加载阶段

能量耗散

E

100kN

128．85

0．84

55．00

1．19

44．95

0．63

200kN

461．34

0．61

199．51

0．75

176．77

0．51

300kN

902．14

0．48

437．21

0．62

317．74

0．39

400kN

1499．88

0．43

738．30

0．56

499．23

0．32

500kN

2377．40

0．41

1255．05

0．57

778．45

0．30

550kN

2953．12

1567．69

923．78

0．29

1．0δy

3411．52

1998．48

0．6