竹皮纸偏心支撑框架的水平加载试验研究＊

刘欢，陈佳，王磊，于锦

（西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都610500）

竹皮纸偏心支撑框架的水平加载试验研究＊

刘欢，陈佳，王磊，于锦

（西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都610500）

以竹皮纸为原材料设计制作了耗能梁段长度分别为2 cm、5 cm、8 cm的单斜杆式偏心支撑框架结构，对其进行水平加载试验，并运用全站仪测量加载过程中模型的位移变化。对比3组结构的受力性能和破坏形态，研究耗能梁段长度对结构性能的影响。试验结果表明，耗能梁段长度为5 cm的偏心支撑框架结构可以有效地控制支撑的屈曲，从而改善结构的延性和承载力。耗能梁段长度为8 cm的结构的延性优于耗能梁段长度为2 cm的结构，而两者的承载能力相差不大。耗能梁段长度为2 cm的模型抗侧刚度最好。

偏心支撑；竹皮纸；水平荷载；耗能梁段

框架-支撑体系是一种重要的双重抗侧力体系，被广泛运用于实际工程当中。框架-支撑体系中的支撑在设计中可采用中心支撑、偏心支撑和屈曲约束支撑[1]；中心支撑框架杆件的工作线交汇于一点或多点，杆件主要承受轴心力，依靠斜支撑来抵抗水平力，在高烈度地震作用下中心支撑易发生屈曲，并导致结构迅速丧失承载力[2]。偏心支撑框架的斜支撑杆至少有一端与梁连接，支撑轴线偏离梁柱的交点，在梁端或跨中形成耗能梁段[3]。与中心支撑钢框架相比，在大震作用下，偏心支撑框架结构通过耗能梁段变形来耗散地震能量，从而保证斜支撑不发生屈曲，具有良好的延性和耗能能力。偏心支撑较好地解决了中心支撑所存在的强度、刚度和耗能这3种性能不匹配问题，兼有中心支撑框架强度与刚度好以及纯框架耗能大的优点[4]。本文对2 cm、5 cm、8 cm不同长度耗能梁段的单斜杆式竹皮纸偏心支撑框架结构进行水平加载试验，对比分析模型的受力性能和破坏形态，研究耗能梁段长度对结构性能的影响。

1 试验方案

1.1 模型设计与制作

表1 构件截面尺寸

试验采用如图1所示的单榀三层偏心支撑框架结构模型，层高23 cm，跨度40 cm，耗能梁段长度分别为2 cm、5 cm、8 cm，支撑为单斜杆形式。所有连接均采用刚接，柱子为箱形截面，梁采用工字形截面，支撑T形截面，截面尺寸见表1.构件采用竹皮纸制作，其材料性能如表2所示。构件连接采用502胶水黏接，均匀对称抹面，并进行干燥处理，以保证黏接强度，支撑与主体结构通过节点板连接。为保证“强节点、弱构件”，在节点连接处均采用502胶水混合竹皮纸碎屑加强连接。

图1 偏心支撑框架模型示意图

表2 竹皮纸的性能参数

1.2 加载方案设计

1.2.1 试验装置

本文设计了如图2所示的加载装置。通过绳子与定滑轮将模型和砝码相连，利用定滑轮将竖向荷载转换为水平荷载。整体模型黏接在平整的实木板上，柱脚与板连接采用类似靴梁的构造，以保证柱脚有足够的黏接强度，防止因柱脚破坏而导致的整体倒塌。

模型一侧放置一个钢三脚架，三脚架中心悬挂一个滑轮，另外一侧采用KTS-482Rm型号全站仪测量框架顶部的侧移，一级加载结束后对应一次测距，通过计算2次水平距的变化确定位移量。

1.2.2 荷载施加方式

对结构采用分级加载的方式，每级荷载持续30 s[5]。当结构开始出现破坏时，为了接近结构破坏的极限荷载，将每级别荷载适当减小。这种分级加载便于观察支撑与耗能梁段的变形。

2 试验结果及分析

2.1 耗能梁段长为2 cm偏心支撑模型

本组试验制作了2个模型，试验结果见图3.对于模型1，当荷载达到9.561 kg时，其柱顶水平位移为5 mm，支撑开始变形，并迅速破坏，然后结构马上整体破坏。对于模型2，当荷载达到10.198 kg时，其柱顶水平位移为5.5 mm，顶层支撑发生变形并迅速屈曲，这级荷载持续仅23 s，结构马上整体破坏。由以上试验现象分析可知：支撑一旦发生变形，便迅速破坏，其破坏形式表现为整体屈曲，并立即退出工作，只由框架承受荷载，导致结构的整体抗侧刚度迅速降低，立即破坏[6]。此时，耗能梁段并未形成，结构的破坏形式类似于中心支撑框架结构。

图2 加载装置示意图

图3 耗能梁段长度为2 cm的荷载位移关系图

2.2 耗能梁段长为5 cm偏心支撑模型

对于耗能梁段长为5 cm的偏心支撑框架结构，当荷载达到10.198 kg时，耗能梁段翼缘开始向上变形，但是变形很小，如图4所示。当荷载达到12.430 kg时，耗能梁段变形明显增大。当荷载加到13.577 kg时，柱顶达到最大水平位移11.2 mm，耗能梁段变形较大，如图5所示。荷载增至14.214 kg时，耗能梁段发生破坏，支撑随即破坏，结构整体倒塌。从梁段变形开始到破坏，结构坚持了5 min 27 s，这期间变形从4.9 mm增加到11.2 mm。

由以上试验现象分析可知：框架梁在受荷过程中，首先发生剪切变形，形成了有效的耗能梁段，避免了支撑发生屈曲[7]，其变形明显延缓结构的破坏时间，并进一步提高了结构的承载力，有效地改善了结构的延性。

图6为耗能梁段长度为5 cm的荷载位移关系图。

2.3 耗能梁段长为8 cm偏心支撑模型

对于模型1，当荷载达到8.287 kg时，其柱顶水平位移为8 mm，顶层支撑开始变形并迅速屈曲，当支撑破坏后，结构马上整体破坏。对于模型2，当荷载达到10.835 kg时，其柱顶水平位移为8.8 mm，耗能梁段有所变形，但支撑同时发生变形并迅速屈曲，结构随之整体破坏。

分析以上试验现象：模型1和模型2承载力的差异较大，可能是因为模型1制作好之后，搁置时间过长，使得模型1材料强度发生了一定的变化。

图4 荷载为10.198 kg时的视频截图

图5 荷载为13.577 kg时的视频截图

图6 耗能梁段长度为5 cm的荷载位移关系图

图7 耗能梁段长度为8 cm的荷载位移关系图

2组试验，虽然承载力有所差异，但均表现为耗能梁段变形较小，支撑首先发生屈曲导致结构发生破坏。

图7为耗能梁段长度为8 cm的荷载位移关系图。

3 结论

从整个试验结果来看，支撑与框架梁的连接处距离梁端的距离决定了耗能梁段的形成与否，并进一步决定了结构的破坏机制，合适的耗能梁段设计能有效改善结构的延性并提高承载力，具体结论如下：①耗能梁段长度e为5 cm的模型极限承载力最好，为13～14 kg，其次为2 cm的模型，极限承载力为10～11 kg，而8 cm的模型，其极限承载力为8～10 kg。②耗能梁段长度e为2 cm的模型抗侧刚度最好，极限荷载/极限位移为1 800～1 900.e为5 cm的模型的极限荷载/极限位移为1 212，e为8 cm模型的为1 200～1 300，这2组模型抗侧刚度相差不大。③耗能梁段长度e为5 cm的模型延性最好，试验延性系数＝结构破坏的极限位移/支撑或耗能梁段产生变形时的位移。e为5 cm的模型的延性系数均值为1.52，e为2 cm的模型的延性系数均值为1.03，e为8 cm的模型为1.47.④不同耗能梁段长度的结构破坏存在较大差异。耗能梁段长e为2 cm和8 cm的模型都是按照耗能梁段屈曲→支撑破坏→结构整体破坏的顺序进行的，而e为5 cm模型是按照耗能梁段破坏→结构整体破坏顺序进行的。e为5 cm的模型主要发生顶层破坏，一层、二层结构完好，e为2 cm与e为8 cm的模型表现为结构整体破坏。⑤当e为2 cm时，未能形成耗能梁段，e为8 cm模型耗能梁段作用不明显；e为5 cm的结构加载过程中，梁段剪切变形明显，大大延缓了结构破坏时间，表现为典型的剪切屈服梁段。指导教师：蒲万丽、冯颇。

［1］王水清.防屈曲耗能支撑钢管混凝土组合框架抗震性能研究［D］.长沙：湖南大学，2010.

［2］李峰，许军，李发山，等.偏心支撑式钢板剪力墙的抗震性能研究［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2013，45（6）：784-790.

［3］罗亚男.K型偏心支撑钢框架弹塑性受力性能研究［D］.西安：西安科技大学，2013.

［4］王栉枫，何若全.V型中心支撑钢框架的结构影响系数［J］.苏州科技学院学报（工程技术版），2007，20（2）：1-5.

［5］杨毅夫.竹纤维钢筋混凝土力学性能试验研究［D］.成都：成都理工大学，2016.

［6］赵作周，刘庆志，康洪震，等.支撑框架结构中支撑形式综述［J］.工业建筑，2011，41（8）：79-84.

［7］郭秉山，庄晓勇，闫月梅.耗能梁段的构造对K型偏心支撑钢框架受力性能的影响［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2007，39（2）：155-160.

〔编辑：刘晓芳〕

TU317+.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.042

2095－6835（2017）19－0042－03

项目］本项目由西南石油大学开放实验重点项目基金资助，项目编码KSZ16152

刘欢（1996—），男，研究方向为土木工程。