组合热轧角钢防屈曲支撑的抗震试验研究

陈永强 马 宏 底素卫 侯满哲

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075024)

组合热轧角钢防屈曲支撑的抗震试验研究

陈永强 马 宏 底素卫 侯满哲

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075024)

设计了一种新型的组合热轧角钢防屈曲支撑，并对其进行了理论设计和抗震试验，研究结果表明这种支撑可以有效的提高结构的抗震性能，降低地震的危害，从而证明了这种结构的可行性.

热轧角钢；屈曲支撑；抗震性能；屈服强度；优化设计

0 引 言

传统的抗震设计通常是提高建筑自身的强度和刚度的，利用结构的延迟性消耗地震的能量，从而提高结构的抗震性能，但这种设计会引起材料的浪费，并且这种结构在地震中一旦遭到破坏，非常难以修复.

本文设计了一种新型的组合热轧角钢防屈曲支撑结构并根据材料力学的基本理论构建了数学模型，进行了理论分析，最后制造了三种不同的构件，进行试验研究.通过给施加随时间变化的周期荷载，得出了剪力—位移滞回曲线和骨架曲线，论证了设计的可行性.

1 组合热轧角钢防屈曲支撑结构的简介

钢管混凝土组合结构式一种常见的结构形式，由于混凝土可以给钢材提供侧向支撑而钢管可以给内部混凝土提供三个方向的约束，因此钢管和混凝土组合结构可以有效利用材料的弹塑性，增强结构的抗压和抗剪能力.本文设计了一种新型的BRB组合热轧角钢防屈曲支撑结构，该结构采用等边热轧角钢作芯，外包钢管，然后再用混凝土填充，设计示意图如图1所示，为了使构建获得最佳的抗震性能，需选择合适的钢材和尺寸外，还需对等边角钢外涂抗氧化剂，如图1所示.

图1 组合热轧角钢防屈曲支撑示意图 图2 框架示意图

2 组合热轧角钢防屈曲支撑结构设计

建立单跨双层框架作为热轧角钢防屈曲支撑结构的约束结构，如图2所示.框架跨度1.8 m，每层高度1.2 m.梁柱采用Q235钢，柱截面采用箱形400 mm×400 mm×16 mm，梁截面为HW500×250 mm×16 mm×12 mm.固定在钢筋混凝土的基础上，混凝土设计强度为C30.组合热扎防屈曲支撑构件采用连接板固定在框架上，如图3所示.

为了避免约束结构对热轧角钢防屈曲支撑的抗屈曲性能的影响，在框架柱柱底设置了加劲肋.如图4所示.一共8块加劲肋，每块高300 mm，厚8 mm.加劲肋有效地提高了约束结构的抗剪能力.

图3 热轧角钢的端部节点示意 图4 约束结构的加劲肋

由于屈曲支撑构件端部固接在框架上，因此采用线性原则进行材料计算.根据文献(5)中所提出的钢管混凝土设计准则可得公式：

(1)

公式(1)中Ff是构件的屈服强度，E是弹性模量，I是截面惯性矩，X是构件的计算长度，F0是容许强度.

经过推导变形，可以得到构件不破坏的条件是：

(2)

公式(2)中F1是外包钢管的临界应力，Fx是屈服应力，f0是构件的变形，X是计算长度，h是截面的高度.

又根据构件稳定公式

(3)

进而热轧角钢组合构件的屈曲应力可以表示为

(4)

抗扭临界应力为

(5)

公式(4)(5)中，Eb是材料的抗扭模量，Ia和Ib分别是钢管内外惯性矩，Aa是截面面积，α是弹性系数.

3 组合热轧角钢防屈曲支撑结构设计试验研究

根据上文的理论分析，设计合适的构件进行试验，为便于比较另作两种构件.

其中第一种为只有热轧角钢作芯的构件，第二种为无芯的钢管混凝土构件.第三种即为前文所设计的构件.首先要对热轧等边角钢涂刷抗氧化剂.如图5所示.然后把图5所示的角钢放入钢管中，浇筑混凝土，形成钢管混凝土，如图6所示.

图5 涂刷抗氧化剂后的构件 图6 浇灌混凝土后的构件

经过合适的必要的养护，在钢管混凝土构件达到试验要求以后将构件采用焊接连接到防屈曲支撑结构，随后加载进行试验.节点连接如图7所示.

图7 节点连接 图8 拉伸试验机以及应变片的粘贴位置

构件编号荷载方向屈服强度极限强度1+302435--308-4252+324456--329-4673+353489--358-481

首先对构件进行静载试验.图8为试验用拉伸试验机，在试验过程中由事先敷好的应变片将结构的变形情况传入电脑，并进行记录.拉伸试验得到的结果如表1所示.

从表1中可以看出由热轧角钢组合防屈曲支撑构件组成的结构，其承载能力优于一般支撑的杆件构成的结构，其屈服强度达到了353 Mpa，极限强度达到了489 Mpa.

然后，对图中所示结构模型进行抗震试验，竖向荷载由油压千斤顶竖向施加，整个过程保持不变，水平反复周期荷载由伺服作动器配合，特制刚拉杆施加，伺服作动器反力由反力墙提供，试验采用静力低周反复加载方法，水平力施加采用荷载——变形混合控制的加载方法.测点的数据由DH3815静态应变数据采集反自动采集.给结构施加图9所示的水平荷载，该荷载为周期荷载，其峰值随时间推移逐渐增大，由图中可以看出结构的极限荷载为15 KN，根据记录的数据可得荷载—位移的滞回关系曲线如图10所示，曲线基本对称，饱满，说明构件具有良好的耗能特性.

骨架曲线是每级循环所有荷载—位移关系曲线达到最大峰值点的轨迹，如图11所示，由图11可知，三种结构表现出不同的抗震性能，在正向荷载的作用下，第一种和第二种结构的最大位移分别是这种新型组合结构的3.35倍，和1.28倍，在负向荷载的作用下，第一种和第二种结构的最大位移分别是这种组合结构的4.39倍和1.25倍，从而证明了这种组合结构的可行性.

图9 周期荷载 图10 荷载—顶点位移滞回曲线

图11 不同构件的抗震能力对比图

4 结 论

本文对一种新型的组合热轧角钢防屈曲支撑结构进行了深入的研究，首先根据力学的原理，和数学的模型进行了理论分析，然后设计了三种不同类型的构件进行试验，经过试验发现这种新型的组合热轧角钢的极限屈服应为481 Mpa，而单纯热轧角钢为芯的构件以及单纯外包方钢的构件的极限屈服应力分别为435 Mpa和456 Mpa，从而证明这种组合结构的力学性能优于普通的机构，抗震试验表明利用这种构件作为支撑的结构，其抗震性能大大优于用普通构件做的支撑结构.

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Experiment on Anti-seismic Performance of Buckling Supporting Combined Hot-Rolled Angle Steel

CHENYong-qiang，MAHong，DISu-wei，HOUMan-zhe

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000)

In this paper,a way is first proposed to enhance the anti-seismic fortification function of building structure using the structure of hot-rolled angle steel buckling supporting.Then,the materials design principles and mathematical model combined with the theory of mechanics of materials knowledge are given,focusing on seismic performance tests of combined hot-rolled angle steel buckling supporting.It was proved that the design of anti-seismic structures,which are reliable,can improve the ability of anti-seismic fortification.

Hot-Rolled Angle Steel;buckling supporting;anti-seismic performance;yield strength;optimization design

2016-08-12

张家口市科学技术研究与发展指导计划项目《CFRP加固腹板开孔的轴压冷弯C型钢构件极限承载力的研究》，项目批准编号：0921032B

陈永强(1978-)，男，讲师，研究方向：钢结构.

TU 3

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