鋼支撐束柱抗震性能試驗研究

陸 燁，劉 青，李國強，劉玉姝

（同濟大學(xué)a.土木工程學(xué)院；b.土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092）

鋼結(jié)構(gòu)束柱體系是一種新型結(jié)構(gòu)體系［1］，其基本思想是將傳統(tǒng)的單柱分成2根柱構(gòu)成束柱以解決鋼框架結(jié)構(gòu)平面布置中梁柱錯位搭接的問題（圖1）。通過在束柱中間設(shè)置傳統(tǒng)的抗側(cè)力構(gòu)件，如鋼支撐等，就形成了新型組合束柱構(gòu)件：鋼支撐束柱。鋼支撐束柱可以在工廠預(yù)制，不但可以承受來自樓面的豎向荷載，更能抵抗風(fēng)、地震等水平荷載，成為結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)力構(gòu)件。而且，由于組合束柱構(gòu)件本身具有較大的承載力和剛度，可以吸收大部分水平荷載，鋼框架其他現(xiàn)場梁柱連接節(jié)點可設(shè)計為鉸接或者半剛接，這樣，鋼結(jié)構(gòu)束柱結(jié)構(gòu)體系具有易于預(yù)制裝配化的特點（圖1）。

圖1 易裝配的鋼結(jié)構(gòu)束柱體系［1］

鋼支撐性能的研究已經(jīng)很成熟，工程設(shè)計中可供選擇的支撐形式也相當(dāng)豐富。首先，支撐的截面形式多種多樣，如 H型鋼、角鋼以及鋼管等。Astaneh－Asl等［2－3］系統(tǒng)地研究了角鋼組成的支撐桿的抗震性能，包括平面內(nèi)屈曲的短肢合并雙角鋼支撐［2］和平面外屈曲的長肢合并的雙角鋼支撐［3］，以及等肢角鋼組成的T形及箱形截面支撐［4］。其次，支撐的布置方式根據(jù)不同的建筑結(jié)構(gòu)或使用要求，有中心支撐和偏心支撐，其中，中心支撐又分為X型、V型、∧型和單斜桿型等。Goel等［5］試驗研究了X型單角鋼和雙角鋼支撐的滯回性能。再次，根據(jù)支撐的抗側(cè)性能不同，還可分為普通支撐和屈曲約束支撐（或稱防屈曲耗能支撐）［6］。對于框架鋼支撐體系的抗震研究也較為深入。Jain等［7］和Ikeda等［8］分別提出了鋼框架支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜滯回性能模型，Tremblay等［9－10］分析了鋼框架支撐結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，Maheri等［11］介紹并研究鋼支撐在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及抗震性能，Kim等［12］給出了屈曲約束支撐框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法，張耀春等［13］則對比了普通鋼支撐框架與防屈曲支撐框架的抗震性能。研究表明鋼支撐束柱構(gòu)件有別于單榀鋼支撐框架結(jié)構(gòu)，主要差別為：單榀支撐框架結(jié)構(gòu)一般柱距較大，故支撐布置形式一般為單斜式、交叉式或人字形（圖2（a）），而鋼支撐束柱的間距較小，孫建運等［14］對比研究了不同布置方式的鋼支撐束柱，認(rèn)為K形鋼支撐束柱相對具有較好的抗側(cè)能力和經(jīng)濟性（圖2（b））。

為確保鋼支撐束柱有較好的抗震性能，其設(shè)計準(zhǔn)則為：束柱中鋼支撐應(yīng)先于束柱中的梁柱屈服而屈曲。通過3組相同尺寸的2層單跨鋼支撐束柱試件，測試試驗?zāi)Ｐ偷氖茌d變形全過程及其整體承載性能，并研究：1）鋼支撐束柱在單調(diào)水平荷載作用下的極限承載力、剛度和穩(wěn)定性；2）鋼支撐束柱在水平往復(fù)荷載作用下的滯回性能；3）鋼支撐對束柱強度、剛度的影響。

圖2 單榀框架支撐結(jié)構(gòu)與鋼支撐束柱的區(qū)別

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

鋼支撐束柱試件為1∶2縮尺比例模型，各組成部件柱、梁和鋼支撐截面形狀及尺寸如表1所示，梁、柱鋼材為Q345B，支撐的鋼材為Q235B。相同的試件有3組，其中，1組試件為單調(diào)加載，另外2組為往復(fù)加載。組成的鋼支撐束柱層高1375mm，跨度為900mm。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［15］的要求，雙角鋼支撐中間等距設(shè)3塊填板。梁柱對接焊、鋼支撐與節(jié)點板角焊縫連接，柱腳與40mm厚底板焊接。

表1 鋼支撐束柱組成部件的截面尺寸 mm

1.2 試驗裝置

鋼支撐束柱柱腳用10.9級M24摩擦型高強螺栓與底座固接，底座通過M65錨栓固定在地槽上，約束其豎向變形，同時設(shè)置2組水平向圓孔，并利用2根M65水平螺桿約束其水平向位移。為保證束柱試件在水平加載過程中不會發(fā)生面外的變形和位移，束柱構(gòu)件的2根柱面外各設(shè)置兩榀約束框架（圖3）。

試驗加載設(shè)備采用數(shù)控液壓作動器，可提供拉力2000kN、壓力2000kN，行程500mm，作動器底端與水平反力架相連，頂端與束柱試件連接，底座的水平拉桿與反力架螺栓固接在一起，保證底座與反力架形成自平衡系統(tǒng)。圖4描述了水平反力架、液壓作動器與束柱試件之間的相互位置關(guān)系。

圖3 側(cè)向約束框架

圖4 水平反力架、液壓作動器與鋼支撐束柱構(gòu)件的相互位置關(guān)系

1.3 加載制度

預(yù)加載采用力控制，±20、±40kN各2次，過程中查看各測點是否正常，確認(rèn)無誤后再開始正式加載。

正式加載時，單調(diào)加載，屈服前力控制；屈服后位移控制。往復(fù)加載，屈服前力控制；屈服后位移控制，往復(fù)加載的具體加載方式如表2所示。

表2 鋼支撐束柱往復(fù)加載制度

1.4 材性試驗

材性試驗從柱、梁、內(nèi)夾鋼板和鋼支撐中選取材性試件，按照中國標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB／T 228－2002）［15］進(jìn)行取樣及加工。材性試驗由國家金屬材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、上海材料研究所檢測中心檢測并出具相關(guān)性能參數(shù)（表3）。

表3 材性試驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果

2.1 單調(diào)加載

試驗得到的鋼支撐束柱頂層和一層的荷載位移曲線見圖5（a）和5（b）。試驗曲線開始非常平穩(wěn)，加載力和位移均勻上升，直至加載到162kN時（層間位移角0.9%），首層受壓支撐局部屈曲（圖6（a）），并很快發(fā)展為整體側(cè)向失穩(wěn)（圖6（b）），束柱承載力突降，但下降至148kN后，束柱承載力又緩慢上升，達(dá)到165kN時（層間位移角2%），頂層受壓支撐局部屈曲，承載力再一次下降至161kN時該支撐整體失穩(wěn)（圖6（c）），束柱承載力急劇降低，但降至149kN后，束柱承載力再一次上升，但此時2層的受壓支撐均已嚴(yán)重破壞（圖6（d）），受拉支撐也已屈服，并進(jìn)入強化段，頂層位移加載至76mm時試驗停止。柱腳始終牢固可靠，無任何破壞跡象。

圖5 鋼支撐束柱荷載位移曲線

圖6 鋼支撐束柱單調(diào)加載試驗現(xiàn)象

結(jié)合加載破壞過程可知，雖然鋼支撐束柱第1次到達(dá)極限承載力后首層支撐屈曲，曲線有一個明顯的下降段，但它并沒有完全退出工作，而且首層受拉支撐仍能夠參與受力，隨后的曲線也有一個平穩(wěn)上升段，直到頂層的支撐屈曲破壞，承載力第2次達(dá)到極限承載力。曲線的2次“波峰”和“波谷”對應(yīng)的承載力相差無幾，支撐屈曲后束柱承載力的喪失僅為8.6%和9.7%，說明即便受壓支撐屈曲，受拉支撐仍可以提供很大的抗側(cè)承載力。

另外，在結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值1／250時，鋼支撐束柱處于完全彈性工作狀態(tài)；而在彈塑性層間位移角限值1／50時，鋼支撐束柱的承載力約為極限承載力的98%，幾乎沒有下降。

鋼支撐受壓破壞除整體失穩(wěn)外（圖6（a）、6（c）），還伴隨支撐桿件的局部屈曲（圖6（d）），支撐肢板寬厚比為12.5，滿足規(guī)范要求。

鋼支撐的長度為，截面參數(shù)：A＝635.4mm2，ix＝15.9mm，iy＝15.5mm，

由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［16］，鋼支撐的穩(wěn)定承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ncr為：

試驗首層支撐屈曲時的應(yīng)變實測值為ε＝1550μ（圖7），此時支撐中的內(nèi)力為：

圖7 首層支撐加載力應(yīng)變曲線

由此可見，Ncr≈，說明鋼支撐屈曲時的承載力為整體穩(wěn)定承載力，鋼支撐的局部屈曲主要是由于板件塑性變形引起的。

2.2 往復(fù)加載

考慮到滯回性能試驗的復(fù)雜性，安排了2組相同鋼支撐束柱試件的滯回性能試驗。

相同2組試驗構(gòu)件在相同的試驗條件下的結(jié)果并不完全相同。圖8～9所示鋼支撐束柱頂層荷載位移曲線及相應(yīng)的骨架曲線對比。圖10表示鋼支撐束柱剛度的退化情況。

圖8 鋼支撐束柱頂層滯回曲線對比

圖9 鋼支撐束柱頂層荷載位移骨架曲線對比

圖10 鋼支撐束柱剛度退化曲線

試驗主要結(jié)果如下：

1）鋼支撐束柱在各部件截面確定后，其彈性承載力和剛度也即確定。本試驗設(shè)計的束柱彈性層間位移（17mm，層間位移角1／162）遠(yuǎn)大于規(guī)范［17］要求限值（11mm，層間位移角1／250）。

2）2次試驗的破壞過程均為：層間位移角1／100時，底部支撐屈曲；層間位移角1／50時，頂層支撐屈曲；最終，層間位移角1／40時所有支撐全部失效。

3）2次試驗在層間位移角1／50前2圈加載時，鋼支撐束柱的承載力幾乎沒有明顯下降，但是由于支撐的屈曲，束柱的剛度損失很多。

3 有限元分析與對比

為進(jìn)一步分析試驗結(jié)果，采用大型通用有限元程序Abaqus／Standard進(jìn)行理論對比驗證。數(shù)值分析的模型尺寸及構(gòu)造與現(xiàn)場試驗一致。

3.1 材料屬性

鋼支撐束柱各部件均采用殼單元S4R。其中，“S”為通用殼單元，“4”為單元節(jié)點數(shù)，“R”為單元為減縮積分沙漏控制模式。這種單元為有限應(yīng)變單元，允許殼在厚度方向尺寸的改變，因此它適合大應(yīng)變分析，也即它允許殼截面泊松比不為0。

材料本構(gòu)關(guān)系設(shè)置為理想彈塑性模型，屈服強度取自各試件材性試驗結(jié)果，其中梁的屈服強度fy＝383MPa，柱的屈服強度f′y＝548MPa，鋼支撐的屈服強度f″y＝378MPa。

3.2 連接接觸與約束

梁與柱、梁柱中的加勁肋、鋼支撐與節(jié)點板以及柱腳與底板的連接，均采用接觸關(guān)系Tie來模擬實際的焊接，主面與從面相交接觸處各節(jié)點的平動及轉(zhuǎn)動自由度均耦合。

底板與基礎(chǔ)的螺栓連接則近似地約束底板上螺栓對應(yīng)的點的全部自由度來模擬。同時，約束頂層梁柱節(jié)點處的面外變形。

3.3 計算結(jié)果與對比分析

建立了該鋼支撐束柱的有限元模型，為分析鋼支撐對束柱承載力和剛度的貢獻(xiàn)，還建立了純束柱框架的模型，單調(diào)加載作用下模型最終破壞形態(tài)如圖11所示。

圖11 鋼支撐束柱與純束柱單調(diào)加載的最終破壞

單調(diào)加載的荷載位移曲線有限元計算結(jié)果跟試驗結(jié)果十分吻合（圖12）。有限元分析采用實際鋼材材性試驗結(jié)果，承載力值非常接近。

圖12 鋼支撐束柱頂層荷載位移對比曲線

從分析過程來看，首先，束柱首層的受壓支撐屈曲造成荷載位移曲線的第1次小幅突降；隨后，頂層的受壓支撐屈曲再一次造成曲線承載力下降。從圖11可見，鋼支撐整體失穩(wěn)的破壞模式與試驗基本一致。

需要說明的是，有限元分析的材料本構(gòu)關(guān)系均采用理想彈塑性模型，其分析結(jié)果具有很高的精確度，完全不必采用其他更復(fù)雜的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。可見，對純鋼的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件作分析時，選用理想彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系是完全可行的。

現(xiàn)場試驗過程中，影響鋼支撐束柱構(gòu)件抗側(cè)剛度的因素有很多，圖13中試驗開始階段剛度變化的不穩(wěn)定與作動器在初始狀態(tài)下輸出力的不穩(wěn)定以及位移計在微小位移下的精確度不高等問題有關(guān)。在頂層的層間位移角達(dá)到0.5%以后，有限元的計算結(jié)果與試驗結(jié)果趨于相同。

圖13 頂層層抗側(cè)剛度與層間位移角對比曲線

從純束柱框架的荷載位移曲線對比可知（圖12），無論是抗側(cè)剛度還是承載力，框架部分所占比例都非常小。其中，鋼支撐束柱達(dá)到極限承載力時，純框架部分只提供14%；而初始抗側(cè)剛度則只占鋼支撐束柱的15%。因此，鋼支撐束柱絕大部分的承載力和剛度的提供都源自于內(nèi)部的支撐系統(tǒng)。

鋼支撐束柱往復(fù)加載時，現(xiàn)場試驗以及有限元計算得到的荷載位移骨架曲線與單調(diào)加載時的荷載位移曲線的對比如圖14所示。可見，有限元計算得到的荷載位移骨架曲線跟單調(diào)加載時的荷載位移曲線吻合較好。相比，反復(fù)加載試驗得到的荷載位移骨架曲線，除了前2級加載3種結(jié)果吻合的很好之外，后面幾級加載的承載力相比其他2種結(jié)果明顯降低。這是由于反復(fù)加載試驗試件存在損傷累積現(xiàn)象，而且支撐在反復(fù)荷載作用下屈曲或斷裂之后將基本退出工作，從而構(gòu)件的承載力逐漸降低；但在有限元分析中，鋼支撐在某一方向力作用下受壓屈曲，但反方向加載時該支撐仍可以參與承受拉力，從而承載力并不會明顯下降。

圖14 鋼支撐束柱頂層荷載位移骨架曲線

4 結(jié)論

通過試驗和有限元的相互驗證，綜合研究了鋼支撐束柱的抗震性能，得到了這種新型抗側(cè)力構(gòu)件的承載力、剛度、滯回性能、破壞模式以及簡化設(shè)計方法。同時，為考察鋼支撐對束柱構(gòu)件承載力及剛度的貢獻(xiàn)，還比較了不帶鋼支撐的純束柱框架的承載力和剛度。結(jié)果表明：

1）鋼支撐束柱試驗達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，即在水平荷載作用下，鋼支撐先屈服或屈曲，而梁、柱沒有屈曲。

2）鋼支撐束柱內(nèi)部的支撐布置為K型中心支撐，在單調(diào)荷載作用下，雖有受壓支撐的屈曲，但鋼支撐束柱的承載力下降并不大（10%以內(nèi)），能滿足抗側(cè)承載力的需要。因此，鋼支撐束柱內(nèi)的K型支撐布置形式是可行的。

3）鋼支撐束柱中，純束柱框架部分提供的承載力和剛度所占比重很小，分別只有約14%和15%，絕大部分水平剪力都被鋼支撐吸收。

4）鋼支撐束柱抗側(cè)剛度的退化與內(nèi)部鋼支撐密切相關(guān)，一旦支撐屈曲，鋼支撐束柱構(gòu)件的剛度便急劇下降；而鋼支撐的整體屈曲源于角鋼外伸肢的局部屈曲，外伸肢的寬厚比不應(yīng)超過規(guī)范塑性設(shè)計的限值。

5）鋼支撐束柱的滯回性能和耗能能力同樣與鋼支撐緊密相關(guān)。在往復(fù)荷載作用下，鋼支撐局部屈曲部位易斷裂，束柱承載力及剛度退化較快。若將普通鋼支撐束柱用作結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)件，則需更嚴(yán)厲地控制鋼支撐的寬厚比及填板的焊縫長度。

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