全螺栓分層裝配式輕鋼框架抗震性能試驗研究

王麗軍

（中鐵十六局集團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柱連續形式框架易于吊裝裝配，也有利于實施高度集成的模塊化裝配，現場裝配施工時在樓層連接處梁柱間采用螺栓連接，能很好地滿足國家對建筑工業化的需求。雖存在螺栓數量多等缺點，但現場裝配速度快，且在一定程度上能消除現場焊接所帶來的焊接缺陷。如何保證節點承載能力及抗震性能，以便將其應用于高烈度抗震設防區的結構中能取得更好應用效果是研究的重點[1－2]。

采用全螺栓連接節點可提高結構耗能能力和延性，節點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]提出全螺栓連接節點，并通過研究表明節點具有良好抗震性能。Ai-Lin等[5]提出了“預制柱－法蘭梁－柱”螺栓連接節點，研究表明在合理設定參數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，并根據研究提出分層式裝配整體結構和節點設計方法[7]。陳越時等[8]對某三層足尺分層裝配支撐－鋼框架進行振動臺試驗，表明其具有良好抗震性能與震后可恢復性。王偉等[9－10]利用ABAQUS軟件分析節點性能對分層裝配鋼框架抗震性能的影響，當節點剛度大于4EIc／Lc時，才能滿足結構抗震性能要求。已有文獻中，“強柱弱梁”框架中采用的多為柱貫通形式[11]，有學者們研究多類柱貫通梁柱節點抗震性能，包括如何更好地滿足“強節點弱桿件”的抗震設計準則[12]，滿足強震發生時節點不失效要求。但針對梁貫通的框架如何滿足“強節點弱構件”抗震設計準則，需針對性開展抗震性能研究。

建筑高度增加會導致軸壓比增大，結構延性降低，抗震性能變差。故應開展此類結構體系隨軸壓比增大結構抗震性能的變化研究。增設支撐能明顯提高框架抗側能力，提高結構在地震發生時的耗能能力，但其工作機理及破壞模式仍需進一步明確。

開展全螺栓分層裝配式輕鋼框架抗震性能試驗，探究不同軸壓比、支撐等因素對框架抗震性能影響。對框架進行低周往復加載靜力試驗，獲得結構抗震性能，針對性給出加強策略，以期為分層裝配式輕鋼結構應用提供數據支持。

2 試驗狀況

（1）試件設計

共設計制作兩類4個分層裝配式輕鋼框架試件。其中編號為QK-1、QK-2、QK-3試件用于重點考察軸壓比變化對試件抗震性能的影響，以便工程應用時進行節點類型選擇及構造加強處理；QKZ-4為設置斜向方管支撐試件，每端使用4個M16螺栓固定，設置連有斜向支撐節點的加腋板，避免未加強節點發生破壞，參數見表1。

表1 試件參數

結構原型為首層層高3 100 mm、以上各層層高2 900 mm、跨度3 600 mm的框架結構。結合我國《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010），依據現行《鋼結構設計標準》（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，設計制作1∶2縮尺比例模型。跨度為1 800 mm，首層層高1 550 mm，二層層高1 450 mm。鋼材均選用Q235B級結構鋼，梁柱采用H型鋼，梁柱間連接采用8.8級M18摩擦型高強螺栓。梁端及柱端焊接端板，端板尺寸為175×175×10 mm。柱腳通過M20摩擦型高強螺栓與底梁固定，然后利用高強螺栓將柱端板與第一、第二層框架梁翼緣進行連接，形成實驗室加載框架。框架和節點具體構造見圖1、圖2。

圖1 整體試件（單位：mm）

圖2 試件節點細部構造（單位：mm）

試驗所用鋼材的力學性能參照《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB／T 228.1—2010）有關規定進行試驗，所測得數據見表2。

表2 鋼材力學性能指標

（2）加載方案

試驗加載裝置見圖3。通過M36地錨螺栓將底梁固定于反力地坪上，再將實驗框架和反力地坪固定，在頂梁上部設置分配梁，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液壓作動器于試件二層頂梁左端處施加水平低周往復荷載。在試件兩側布置側向滑動支撐桿，以防止試件加載過程中發生平面外失穩。

圖3 試驗裝置示意

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荷載，級差增量為10 mm，且每級位移循環3周。當試件出現節點板件破壞、螺栓拉斷、試件發生面外失穩等現象時，停止加載。

（3）測點布置

試件所受軸壓由分配梁頂部的壓力傳感器量測，框架水平側移由布置在柱側位移計1～3測量。共粘貼46個應變片，通過讀數判斷構件所處應力狀態，獲得應力隨加載進行的變化情況。應變采用DH3816數據采集系統采集。位移計、應變片具體布置見圖4。

圖4 測試元件布置

3 試驗現象及破壞特征

（1）QK-1加載至40 mm時，梁柱節點出現不可恢復變形，但梁柱未出現明顯變形；隨加載位移增加，框架變形繼續增大；加載至70 mm時一層梁柱連接部位螺栓開始出現滑移，對梁柱的約束減弱，且第一、二層梁端翼緣出現局部屈曲，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，對框架的約束作用降低，導致繼續加載時發生面外失穩（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，加腋板附近梁翼緣出現局部鼓曲變形（見圖5b）；加載至60 mm時，框架產生較大側移，梁翼緣鼓曲現象越發明顯，梁端形成塑性鉸；加載至90 mm時，柱底處翼緣漆局部脫落，發生局部屈曲，隨后承載力降低較快。

（3）QK-3位移加載至70 mm時，節點處螺栓滑移明顯，伴隨較大的摩擦響聲；加載至80 mm時頂層梁翼緣扭曲變形增大，梁腹板上出現鼓屈現象；加載至110 mm時腹板鼓曲嚴重，柱底端發生局部屈曲（見圖5c）；加載到120 mm時，承載力大幅下降。

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

QKZ-4在加載過程中，斜支撐先出現局部屈曲，框架側移比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剛度。

4 試驗結果及分析

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生傾覆，塑性發展不充分；（2）其余的三個試件，隨軸壓比增大，曲線均存在捏縮現象，QK-2和QK-3曲線比QK-1稍飽滿，說明在試驗軸壓范圍內，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面積先期大幅增加，后在加載負向出現了兩次明顯分岔，為螺栓滑移導致承載力迅速降低所致。說明加支撐后，對柱及梁連接部位的螺栓抗拉剪破壞能力要求提高，故對于QKZ-4應增加螺栓群抗破壞能力，進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構承載力及破壞狀態，由滯回曲線每個循環的極值點連接得出（見圖7）。分析可知：（1）QK-1～QK-3骨架曲線在屈服前走勢基本一致，QK-1先進入屈服階段，后依次為QK-2及QK-3；3個試件均有明顯彈性、彈塑性、強化及破壞4個階段。（2）在所考察加載范圍內，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，但發生斜向支撐局部屈曲，內力重分配后對梁柱螺栓的破壞增強，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 試件屈服點及破壞荷載確定

依據《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ／T 101—2015）[12]規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。表3中的Py、Δy分別表示屈服荷載和對應位移：Pm、Δm分別表示峰值荷載和對應位移；Pu、Δu分別表示破壞點荷載和對應位移；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μ為破壞位移Δu與屈服位移Δy之比。由于試驗過程中滯回曲線不完全對稱，故延性系數按式（1）計算：

表3 各試件特征點荷載與位移值

各試件主要試驗結果見表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%，破壞時極限位移減小44.17%，曲線斜率較QK-3先出現降低且下降較快。表明設置支撐可大幅提高框架承載力，但會降低延性。在抗震設計中，建議設置剛度適宜的支撐來改善結構抗震性能。（3）位移延性系數QK-3＞QK-1＞QK-2，說明軸壓適當增大在試件滿足不發生整體傾覆的情況下，在一定程度上可提高結構延性。（4）QK-1底層最大層間位移角較小，而頂層明顯大于底層，上、下層剛度不協調，出現明顯薄弱層；QKZ-4各層層間位移角較均勻，說明增設支撐能避免剛度不協調帶來薄弱層問題。

5 結論

通過對全螺栓裝配式輕鋼框架進行低周往復加載靜力試驗，分析軸壓比及有無斜向支撐對框架抗震性能的影響，得到如下結論：

（1）試件加載過程中發生梁柱連接節點高強螺栓滑移。各試件延性系數均大于3.0，說明框架具有良好延性性能，易滿足結構延性設計要求。

（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展不充分。節點連接螺栓失效導致斜支撐失效后，內力重分配致使其對梁柱節點所承擔的內力增加，破壞作用增強，加速了節點失效。在工程應用中要考慮對節點加強，進而改善框架抗震性能。