冷弯薄壁卷边槽钢框架体系抗震性能试验研究

程昆

摘要：目前，对截面形式为冷弯薄壁C型钢背靠背的框架体系抗震性能研究较少。本文为了研究这种结构体系的抗震性能，共设计了2组单层单跨的冷弯薄壁型钢框架，梁柱均采用冷弯薄壁C型钢组合工字形截面，斜撑采用等边单角钢截面。试验主要研究改变斜撑布置形式和轴压比对框架抗震性能的影响，得到框架在低周反复荷载作用下的滞回曲线和骨架曲线，对框架的刚度退化、延性、耗能性能和破坏机理进行研究。

关键词：支撑钢框架;抗震性能;轴压比;延性

前 言

目前，冷弯薄壁型钢在建筑中得到广泛应用，根据国内外相关学者的研究成果以及现有文献，对冷弯薄壁C型钢的研究主要集中在节点上，对整体框架性能的研究较少。本文采用低周反复加载制度。

一、冷弯薄壁C型钢框架抗震性能试验

1.试验目的

试验主要研究不同的斜撑布置形式和轴压比对框架体系抗震性能的影响，主要目的是对框架整体、梁、柱及斜撑的破坏模式、滞回性能、承载能力等进行分析，明确此类结构形式的抗震性能，为设计更优的冷弯薄壁C型钢框架结构提供依据，更好的为实际工程服务。

2.试验试件

2.1试件制作

本文设计了2组冷弯薄壁C型钢结构的框架模型，梁柱采用冷弯薄壁C型钢背靠背截面形式，再由高强螺栓与节点板连接，斜撑与梁柱节点板间采用高强螺栓连接。试验框架的跨度为1770mm，层高960mm。柱的截面尺寸为C160×50×20×2，梁的截面尺寸为C120×50×20×2，斜撑的截面尺寸为∟40×2。节点板为8mm厚加腋五边热轧钢板和8mm厚四边形热轧钢板。柱脚底板为20mm厚矩形热轧钢板，尺寸为460×200mm。梁柱连接及C型钢和节点板的连接均使用8.8级Φ20高强螺栓连接，螺栓预拉力为120kN。斜撑与节点板连接采用8.8级Φ12高强度螺栓连接，螺栓预拉力为70kN。

表1 试件明细表

2.2试件材性试验

本试验所采用的钢材均为Q235钢，对梁、柱、斜撑分别取样进行材性试验[1、2]。

3.加载装置及加载制度

3.1加载装置

加载设备以及试验装置为：30吨推拉千斤顶，X-Y函数记录仪，DH3816静态应变采集仪，TDS-530数据采集仪。为保证两侧框架柱所受荷载同步施加并大小相等，由一台千斤顶放于试件框架顶部正中，下设压梁来传递竖向荷载。试件柱底板由四根高强螺栓与地梁连接。水平加载千斤顶为铰接，一端是试件梁端的加载铰，一端是反力墙。

3.2加载制度

本试验采用低周反复静力加载试验方案，并采用力与位移混合加载法。首先用加载步长为6kN的力加载，每级循环3次，逐级递增。等到试件屈服后，采用位移加载，逐级递增，每级循环3次，加载步长为屈服位移的0.2倍。当记录仪上的滞回曲线出现下降段，斜率为负时或当试验转为位移加载后，荷载值降为极限荷载值的一半时，试验终止。

3.3测点及位移计布置

在框架梁的梁端布置了位移计，用来测量框架的水平位移。因框架梁的位移较大，本试验布置的是200mm大量程位移计。在基础梁端安装位移计，用来观测在试验过程中基础梁是否发生了位移。因为基础梁底部的位移较小，所以安装在基础梁端的位移计采用100mm小量程位移计。同时在梁端处两侧另布置两个位移计，用来观测框架是否平面外受扭。

本试验中为确定框架结构的受力机理及试件主要部位的应力状况，在试件的梁端、柱脚、斜撑端部和中部等重要部位都布置了应变片。本试验的应变片沿截面连续布置，具体布置形式为：梁和柱的腹板两侧各布置1枚应变片，两侧的上下翼缘各布置1枚应变片，即梁柱同一控制截面布置6枚应变片，斜撑的两边各布置1枚应变片。

二、试件破坏现象及试验结果

1.试件破坏现象

三个试件均发生了整体弯曲失稳破坏，同时在两侧柱脚腹板位置均出现局部失稳破坏，柱脚翼缘先后出现断裂。单向支撑出现失稳破坏，双支撑压屈破坏严重。

2.滞回曲线

据获得的试验数据，绘制出三个试件的梁端荷载位移曲线。在屈服之前，框架总体变形较小，正反向的加载和卸载所形成的滞回环面积很小，力和位移基本成线性关系。在整体屈服后，随着加载等级的不断提高，框架整体的变形进一步增大，其变形速度也越来越快，所形成的滞回环也愈加丰满，但框架的承载力仍有提高的空間。在框架达到整体的极限承载能力之后，其承载能力就逐渐下降，框架的塑形性能逐渐降低，最后发生破坏。从加载过程的整体上来看，框架的滞回曲线饱满，说明框架具有较好的耗能能力。

三、冷弯薄壁C型钢框架抗震性能研究

延性系数大多在1.0-3.0之间，与混凝土结构所要求的2.0延性系数基本持平，说明框架具有较大的变形能力。交叉斜撑的布置形式的延性性能较高。随着轴压比的增大，构件的延性性能降低。

各循环承载力退化稳定，各试件的承载力退化系数大部分大于0.9。交叉斜撑承载力降低系数大约高于单向斜撑布置形式17.03%左右，表明交叉斜撑承载能力降低幅度更大。KJ-3的承载能力降低系数分别比KJ-2高5.41%左右。轴压比越大，承载能力退化越显著。

试件的刚度采用割线刚度来表示。KJ-2的初始刚度比KJ-1高51.43%左右，表明交叉斜撑布置形式的初始刚度比单向斜撑布置形式高。随着加载等级的提高，试件的刚度降低。各试件的初始刚度退化均很明显，试件屈服后，刚度下降的幅度更大。交叉斜撑的布置形式刚度退化幅度大于单向斜撑的布置形式。试件屈服后，随着加载等级的提高，试件的能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数降低。

四、结束语

1.本次试验的3个试件的最终破坏现象基本相同，均为斜撑断裂、整体弯曲失稳并伴随局部失稳。试件的斜撑净截面被拉断，梁端、柱脚的钢材弯曲变形过大或是发生断裂。

2.承载力及延性：承载力退化稳定，各试件的承载力退化系数大部分大于0.9。交叉斜撑承载力降低系数大约高于单向斜撑布置形式17.03%左右，表明交叉斜撑承载能力降低幅度更大。KJ-3的承载能力降低系数比KJ-2高5.41%左右。表明轴压比越大，承载能力退化越显著。延性系数大多在1.0-3.0之间，与混凝土结构所要求的2.0延性系数基本持平，说明框架具有较大的变形能力。

3.刚度退化：交叉斜撑布置形式的框架初始刚度较高。随着加载等级的提高，试件的刚度降低。各试件的初始刚度退化均很明显，试件屈服后，刚度下降的幅度变大。交叉斜撑布置形式的框架刚度退化幅度大于单向斜撑的布置形式。

4.随着加载等级的提高，试件的能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数降低。试件的等效粘滞阻尼系数同其它轻型钢结构相比，耗能性能基本持平。

参考文献

[1]《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》GB/T2975-1998[S].中华人民共和国建设部.

[2]《建筑抗震试验方法规程》（JBJ101-96）[S].中华人民共和国建设部.