兩層鋼框架結構地震振動試驗研究

王展光，邵建華，劉汶津

（1凱里學院建筑工程學院，貴州凱里 556011；2江蘇科技大學 土木工程與建筑學院，江蘇鎮江 212003；3南京大德減震科技有限公司，江蘇南京 211103）

0 引言

鋼結構在地震作用下不易發生破壞和倒塌，具有良好的抗震性能，在工程中得到了廣泛應用。但近幾十年來，通過對地震后結構破壞進行研究，發現大量鋼結構建筑都發生了不同程度的破壞，這引起了鋼結構研究者的關注。

國內外學者對鋼框架結構抗震性能進行了一系列研究，發現鋼框架在循環荷載作用下性能良好，加強型節點形式能對框架的抗震性能起到保險絲的作用[1-5]。平面不規則鋼框架結構在地震波作用下有著較強的扭轉效應，部分位置的內力較復雜[6-8]。通過設置支撐結構，可以增強鋼框架的抗震性能，偏心支撐結構能更好地耗散地震能量，且耗能穩定[9-14]。

為了研究鋼框架在地震作用下的結構反應，本文設計制作了一個兩層鋼框架結構模型，利用多條地震波進行振動臺試驗，研究鋼框架結構在不同等級地震波作用下的破壞形式、動力特性等力學性能。

1 試驗研究

1.1 試件設計和制作

試驗模型采用單跨兩層的鋼框架結構模型，根據試驗條件，按照與實際結構1:4的比例進行縮尺試驗。試驗模型平面尺寸為1.2m×1.2m，層高0.8m，模型平面及立面圖如圖1所示。框架柱為H型鋼：H100×100×6×8mm；框架梁為I10的工字鋼。框架梁、柱、支撐均采用Q235B鋼材。結構模型的尺寸和相應的構件連接節點如圖2所示。

圖1 兩層鋼框架圖

圖2 鋼框架和節點接連連接圖

鋼框架結構在鋼結構加工廠進行加工制作。結構模型的梁柱節點均采用全焊接連接，以保證梁柱的剛性連接。結構模型的鋼柱腳焊接一塊厚20mm的鋼底板，底板上設置直徑37mm的螺栓孔，孔間距300mm，以便與振動臺臺面進行螺栓連接。

1.2 加載過程

鋼框架結構模型運輸到結構實驗室后，將其整體吊至振動臺。吊裝定位后，支座用螺栓固定在振動臺上。安裝固定后吊裝橡膠隔震支座質量塊，質量塊吊裝就位后用螺栓固定在鋼板上，以保證其在試驗過程中不會出現滑移。最后，將鋼板片質量塊安裝到隔震支座質量塊上，結構模型安裝完成，如圖3所示。安裝完成后，單層鋼構件總重0.13t,單層附加質量總重2t，單層模型總質量為2.13t，兩層共4.26t。

圖3 模型安裝圖

試驗設備是面積為4m×6m的單向水平地震模擬振動臺，具體參數：最大負荷為25t，工作頻率為0.1～50Hz，最大位移±250mm，最大速度±6mm/s，最大加速度±1.5g。

試驗選用三條天然波（El Centro波、Kobe波、Taft波）作為振動臺臺面的輸入波，波形圖如圖4所示。試驗加載采用單向加載方法。為了測試模型在不同等級地震強度下的動力特性，試驗加載時3條地震波的峰值加速度分別設定為0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g、0.8g、0.9g、1.0g十個等級，在試驗前以及每級加載之前都進行白噪聲波掃頻試驗。

圖4 加載波波形圖（以0.3g為例）

1.3 測試內容及試驗加載

模型安裝完成后進行相關測量儀器的安裝、調試，將焊接好的應變片貼到相應的測點位置，如圖5所示。將YHD位移計用磁性表座固定于鋼柱上，以測量層間位移，TST位移計用鋼絲固定于支架上，測量測點處的絕對位移。

圖5 測點布置圖

為較完整地采集數據，一個構件布置4個應變片測點，在柱兩側翼緣的頂端和底端各設置一個應變片，在梁兩端的外側翼緣各設置一個應變片，鋼框架結構模型梁柱共計48個應變片。

2 結果與討論

2.1 試驗現象及分析

加載的地震波峰值加速度0.2g為抗震設計中的多遇地震，這時鋼框架結構的晃動較小，整體保持完好，結構幾乎觀察不到變形。當加載的地震波峰值加速度增加到0.4g時，為抗震設計中的設防地震，這時鋼框架在地震波作用下晃動幅度加大，二層施加的質量塊與樓面出現移動現象，但鋼框架結構仍然保持完好。當加載的地震波峰值加速度增加到0.6g時，鋼框架結構的晃動不斷增大，二層質量塊晃動更加明顯，鋼框架柱腳節點處焊縫的銹斑出現掉落。當加載的地震波峰值加速度增加到0.8g時，為抗震設計中的罕遇地震，這時鋼框架一層施加的質量塊也開始出現晃動，柱腳節點和梁柱節點的銹斑不斷掉落，同時在框架梁柱上出現了微小受拉裂痕。當加載的地震波峰值加速度增加到1.0g時，鋼框架結構晃動很大，一層、二層的質量塊晃動明顯，框架梁柱受拉裂縫不斷發展，出現部分架設好的位移計、應變連接線脫落的現象，但鋼框架節點無明顯破壞現象，結構整體保持良好，沒有出現倒塌。

2.2 結構位移反應

層間位移是目前抗震規范中的一個重要設計指標，保證“大震不倒”抗震設計的目標就是通過結構層間位移來控制，以確保結構不倒塌。由于地震波峰值加速度加載到1.0g時，位移計掉落，故位移計只采集到0.9g時的數據。通過分析布置在模型結構各層的位移傳感器所采集的數據，可得到結構模型各層的最大相對位移及最大層間位移角，見圖6。

從圖6可以看出，在相同加速度地震作用下，鋼框架底層層間位移明顯大于頂層層間位移。同時，隨著地震波加速度的增大，鋼框架的層間位移也不斷增大，在0.5g的Kobe波作用下，底層最大層間位移約為1.76mm，頂層最大層間位移為1.01mm。在0.9g的Kobe波作用下，底層最大層間位移約為3.7mm，頂層最大層間位移為2.87mm。

根據采集的層間位移數據，得到不同加載波形下的最大層間位移角與加載加速度的關系，如圖7所示。從圖7可以看出，鋼框架在不同加載波形情況下，其層間位移角的變化類似，底層的層間位移角都大于頂層，表明底層受地震影響更大；層間位移角隨著加載加速度的增加而增大，在地震波峰值加速度小于0.7g時，層間位移與加速度關系幾乎為線性，而當加速度大于0.7g時，層間位移角迅速增大，兩者呈非線性關系。

以El Centro波為例，在0.2g加速度下，底層位移角為 1/1032，頂層位移角為1/2285，遠低于抗震規范中要求的彈性層間位移限值1/250，說明這個時候鋼框架處于彈性階段。在0.8g加速度下，底層位移角為1/252，頂層位移角為1/402，小于抗震規范中的彈塑性層間位移限值1/50，滿足“大震不倒”的要求。

圖7 鋼框架層間位移角

2.3 結構應變和應力反應

鋼框架結構模型在不同加載加速度下的應變圖見圖8。從圖8可以看出，鋼框架結構應變與加載波形相似，隨著加速度增大，應變增大。

圖8 Taft波作用下鋼框架柱頂應變

通過分析布置在鋼框架結構模型各層的應變片數據，可計算得到結構模型各層的最大拉應力和最大壓應力（圖9）。從圖9可以看出，鋼框架各構件應力隨著加載加速度的增大而增大，拉應力和壓應力呈近似對稱關系。以El Centro波為例，在1.0g加載速度下，柱頂的拉應力為55.78MPa，柱中拉應力為61.07MPa，柱底拉應力為98.60MPa；二層梁的上翼緣拉應力為67.03MPa，下翼緣拉應力為57.65MPa；一層梁的上翼緣拉應力為100.71MPa，下翼緣拉應力為105.60MPa。試驗期間測得的應力都小于鋼材Q235的強度設計值，說明在1.0g加速度地震作用下，鋼框架整體性能依然良好。角隨著地震波加載加速度的增加而增大，底層的層間位移角都大于頂層，表明底層受地震影響更大；層間位移角隨著加載加速度的增加而增大，在地震波峰值加速度小于0.7g時，層間位移與加速度關系幾乎為線性，而當加速度大于0.7g時，層間位移角迅速增大，兩者呈非線性關系。鋼框架各構件應力隨著加載加速度的增大而增大，拉應力和壓應力呈近似對稱關系。

圖9 El Centro波鋼框架應力

3 結論

通過對鋼框架結構進行振動臺試驗研究，可以發現，鋼框架在地震波作用情況下，整體性能保持良好。當地震波加速度達到1.0g時，節點焊接處會出現明顯裂縫。鋼框架層間位移和層間位移