异形柱组合框架-屈曲约束钢板剪力墙抗震性能试验研究*

张海宾, 郭 军, 陈 庆, 王宇航, 王 康, 谭继可, 桂德勇 , 张 杰

(1 山东高速莱钢绿建发展有限公司，青岛 266101；2 中国船舶重工集团海装风电股份有限公司， 重庆 401122；3 重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

0 引言

传统框架结构中,凸出的矩形柱角不利于室内面积的利用,而异形柱能够避免该缺点,有效提高建筑空间的使用率,同时异形柱还具有抗侧刚度大、承载力高等优点。近年来,异形柱被越来越多地应用到住宅、办公等建筑中,也有非常多的学者对异形柱进行了深入的研究。

Yang等[1]对3组9个钢管混凝土异形柱试件进行了轴向荷载试验,结果表明钢管混凝土异形柱相比于传统混凝土柱拥有更好的刚度与承载力。武海鹏等[2]分析了6个异形截面多腔钢管混凝土柱的承载力,提出了适用于异形钢管混凝土柱的承载力计算公式。还有许多学者对异形柱的承载力进行了研究[3-4]。

对于异形柱框架方面,Zhou等[5]对3组L形异形柱单跨两层框架进行了抗震性能试验研究,研究发现异形柱框架有适宜的延性与承载力。陈志华等[6]对实际工程中的矩形钢管混凝土组合异形柱框架-剪力墙体系进行有限元分析,结果表明该结构体系破坏机制合理,具有良好的抗震性能。

热轧H型钢组合混凝土异形柱是一种新型的拼合截面形式构件,具有承载力高、焊缝数量少、避免室内露柱、施工效率高、施工措施成本低的优点[7-8]。同时,冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙也已被证明是非常有效的钢板剪力墙屈曲约束形式[9-12]。

结合上述两种结构形式的优点,本文提出了一种新型的异形柱组合框架-帽形冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙(简称异形柱组合框架-屈曲约束钢板剪力墙)结构体系,进行了2个缩尺试件的拟静力试验,旨在探讨该结构形式在承载能力、耗能能力、破坏机理、刚度退化等方面的性能和特点。

1 试验概况

1.1 试件设计

参照实际工程应用,设计制作2个缩尺比为1∶1.5单跨单层异形柱组合框架-剪力墙试件,其中带有帽形冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙的试件编号为H-SPSW-2,未设置加劲钢板剪力墙的试件编号为H-SPSW-1。试件设计示意见图1。试件总高为3430mm,宽为2900mm。其中框架柱为L形H型钢混凝土组合异形柱,是由截面□150×150×8×7.68的方钢管与截面H150×150×7×10的H型钢通过截面尺寸为100×8×8.65的钢板进行搭接而组成。框架梁为截面H450×150×11.5×18工字钢,试件H-SPSW-2的屈曲约束钢板剪力墙由内嵌钢板与7对帽形冷弯薄壁屈曲约束件组成,钢板剪力墙尺寸为2 080×2 080×4(墙板高度H×墙板宽度L×墙板厚度t),内嵌钢板四边通过每边25个10.9级M24摩擦型高强螺栓与边缘框架连接,冷弯件通过12.9级M12高强螺栓与内嵌钢板连接。

图1 试件设计示意图

混凝土立方体抗压强度实测值为33N/mm2,钢材[13]材性试件实测结果如表1所示。

表1 钢材材性试件实测结果

1.2 加载装置

构件加载装置如图2所示。竖向荷载通过2个200t油压千斤顶施加,试验共施加1 500kN竖向荷载。水平荷载采用3个150t MTS电液伺服程控加载作动器联动控制。

图2 加载装置示意图

1.3 量测方案

试验中位移计以及应变片布置如图3所示。框架柱两侧沿垂直方向共布置14个LVDT位移计,以便测量框架柱侧向位移及扭转变形。柱脚处共布置38个应变花,钢板半幅位置布置7个应变花,框架梁共布置6个应变花,以测量试件所在部位的应变。

图3 位移计及应变片布置示意图

1.4 加载制度

试验为拟静力试验[14],采用荷载-位移混合控制的加载制度。水平加载首先采用荷载加载方式,当现场荷载-位移曲线有明显的刚度变化时,改为位移控制加载,此后以屈服位移Δy作为每级加载位移,每级循环3次,荷载先推后拉,加载至承载力达到峰值承载力的85%为止。加载制度如图4所示。

图4 加载制度

2 试验现象与破坏模式

2.1 试验现象

(1)试件H-SPSW-1

加载至Δy时,试件H-SPSW-1位移角为1/194,荷载为0.72Pm(Pm为试件峰值承载力),钢板已经出现明显的斜向拉力带;加载至2Δy时,荷载为0.86Pm,框架柱柱脚出现第一处焊缝撕裂;加载至5Δy时,位移角为1/39,荷载为Pm,钢板出现第一处穿孔撕裂,出现位置为斜向拉力带下侧三分之一的位置,右侧框架柱方钢管角部出现横向裂口;加载至7Δy时,荷载为0.92Pm,左侧框架柱柱脚方钢管角部横向裂缝继续扩展,在整个截面范围内通长延伸;加载至8Δy时,位移角为1/25,荷载为0.83Pm,钢板穿孔裂缝较多,梁柱节点焊缝撕裂,框架柱柱脚破坏严重,承载力已下降至峰值承载力的85%,试验停止。

竖井掘进机的偏斜控制系统工作原理如图3所示，包括测斜系统和纠偏系统。测斜系统由位移测量系统和姿态测量系统组成。位移测量系统包含井筒上部的激光发射器和掘进机上部的PSD光电位移传感器平板，可以从光电传感器平板读取竖井掘进机轴线与井筒设计轴线的偏斜量；姿态测量系统包含2个高精度角度传感器，可实时监测竖井掘进机主轴倾角。

(2)试件H-SPSW-2

加载至Δy时,试件H-SPSW-2位移角为1/200,荷载为0.79Pm,钢板轻微鼓曲变形,部分加劲肋在钢板变形作用下出现端部卷边弯曲现象;加载至3Δy时,荷载为0.96Pm,第3根加劲肋中部出现鼓曲,帽形冷弯薄壁型钢内凹,腹板外凸,刚度下降,钢板的屈曲约束效应降低,此外,底梁左侧背面下翼缘与H型钢连接焊缝处出现焊缝撕裂现象,右侧框架柱对称位置同样出现了焊缝撕裂现象;加载至4Δy时,位移角为1/50,荷载为Pm,底梁左端下翼缘与悬臂段焊缝撕裂已经横向贯通,上一级加载变形较大的加劲肋在该级加载出现了撕裂现象;加载至5Δy时,荷载为0.99Pm,左侧框架柱柱脚方钢管角部出现横向撕裂,钢板左侧第一区格和中间区格顶底部均出现穿孔裂缝;加载至7Δy时,荷载为0.92Pm,钢板的面外位移不断增大,帽形冷弯薄壁型钢出现裂缝后刚度迅速下降,退出工作,斜向拉力带上加劲肋均出现过大的塑性变形甚至断裂。斜向拉力带覆盖的加劲肋均失效后,该区域的工作模式也就退回到非加劲状态,即可以观测到通长的斜向拉力带屈曲变形;加载至8Δy时,位移角为1/25,荷载为0.82Pm,钢板穿孔裂缝较多,梁柱节点焊缝撕裂,框架柱柱脚破坏严重,承载力已下降至峰值承载力的85%,试验停止。

2.2 破坏模式

两个试件整体均以内嵌钢板的破坏为主,如图5所示。试件H-SPSW-1卸掉外力后,可以明显看到钢板仍残留着2道斜向的正反主拉力带鼓曲变形,此外钢板裂缝主要集中在中心区域,一处位于拉力带交叉区域,裂缝开展均沿拉力带方向扩展,且有发展为一道通长裂缝的趋势;另一处位于正向拉力带与焊缝交叉区域,两道裂缝均呈十字形扩展。除此之外其余区域的裂缝较小且零星散布。

试件H-SPSW-2卸掉外力之后,钢板没有被加劲肋覆盖的区域存在许多斜向鼓曲,斜向还有一道较长的鼓曲变形。钢板的撕裂破坏主要出现在钢板的上下端部边缘位置,该处缺少屈曲约束的限制作用,钢板的正负向荷载面外变形转换较为频繁,钢板塑性变形积累较多,裂缝出现较多。同时,这些裂缝也在荷载作用下最终扩展为十字形裂缝,且部分裂缝发展延伸至附近加劲肋螺栓孔处。将加劲肋拆下后,可以看到帽形冷弯薄壁型钢覆盖的区域下也有部分区域出现了钢板的穿孔撕裂现象。例如,第3根加劲肋断裂处,可以看到该处钢板的塑性变形非常严重。除此之外,梁柱连接节点也出现了不同程度的破坏。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

两个试件荷载-位移(F-Δ)滞回曲线对比见图6,从图可看出,两条滞回曲线基本特征较为一致。在前期荷载控制阶段,由于H型钢异形柱的侧向刚度较大,位移与荷载呈线性发展关系,滞回曲线包络面积较小,此时整体试件还处于弹性阶段。随着位移的增加,钢板部分区域出现面外屈曲变形,此时试件整体刚度下降,进入弹塑性阶段,内嵌钢板出现斜向拉杆效应,这一阶段承载力缓慢上升。反向加载时,拉杆立即卸力,承载力下降明显,滞回曲线出现捏缩现象。随着位移的继续增加,钢板在水平往复荷载作用下反复弯折,逐渐出现撕裂裂缝,此时承载力开始下降。继续加载,钢板裂缝向四周扩展,直到承载力下降至峰值承载力的85%,试验结束。

图6 滞回曲线

可以观察到设置了屈曲约束的试件H-SPSW-2的卸载段荷载相比于试件H-SPSW-1较高,这是因为反向加载时拉杆卸力,而被屈曲约束覆盖区域钢板呈近似平面受力状态,依旧承担着部分承载力。由于存在屈曲约束,试件的内嵌钢板斜向拉力带被截断,钢板面外屈曲变形减小,平面内受力状态区域增多,钢板的力学性能能够得到充分发挥。由此可以看出屈曲约束对内嵌钢板的抗震性能提升效果是非常明显的。

3.2 骨架曲线

将试验所得的滞回曲线各加载级第一循环的峰值荷载点连接得到试件的骨架曲线。试件的骨架曲线如图7所示。对比两个试件的骨架曲线可以发现,设置屈曲约束能够比较明显地提高试件的承载能力。

图7 骨架曲线

从图7可以看出,试件处于弹性阶段时,荷载与位移呈线性变化;达到屈服点后,试件进入弹塑性阶段,随荷载继续增加,试件弹塑性刚度明显降低;达到峰值点后,试件的承载力迅速降低,当荷载降至峰值承载力的85%时停止加载,得到试件的极限点。取极限位移Δu与屈服位移Δy的比值作为试件的延性系数μ,用来评定试件的延性,延性系数μ计算如式(1)所示:

本文采用等效能量法[15]确定骨架曲线的屈服点,如图8所示。试件的特征点荷载及延性系数汇总如表 2所示。

图8 等效能量法示意图

未设置屈曲约束的试件H-SPSW-1推拉方向平均屈服荷载为1681.1kN,设置了帽形冷弯薄壁型钢屈曲约束的试件H-SPSW-2推拉方向平均屈服承载为1901.7kN,提升约为13.13%。试件H-SPSW-1推拉方向平均峰值承载力为2010.8kN,试件H-SPSW-2推拉方向平均峰值承载力为2287.3kN,提升约为13.75%。相比于试件H-SPSW-1,设置了屈曲约束的试件H-SPSW-2的延性系数有显著提高,表现出良好的塑性变形能力,延性系数提高约24.97%。从上述对比可以看出,设置屈曲约束能够有效地限制钢板的面外屈曲,对提高异形柱组合框架-屈曲约束钢板剪力墙的屈服承载力、峰值承载力以及延性系数非常有利。

表2 试件特征点荷载、位移及延性系数

《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[16]中要求,结构体系应具有必要的抗震承载力以及良好的变形能力和耗能能力,规定结构在罕遇地震作用下非弹性变形应小于允许变形限值,其中钢结构的弹塑性层间位移角限值为1/50。说明该异形柱组合框架-屈曲约束钢板剪力墙结构体系具有较好的抗震性能,满足规范的要求,是一种新型的适用的抗侧力结构体系。

3.3 耗能能力

结构的耗能能力通常用等效黏滞阻尼系数he来反映[16],等效黏滞阻尼系数越高,结构耗能能力越好。

试件第一圈等效黏滞阻尼系数he与位移Δ的关系如图9所示。从图中可以看出,两个试件等效等效黏滞阻尼系数曲线典型特征一致。在加载前期,曲线首先有一小段下降段,随着水平荷载的增加,钢板进入屈服阶段出现鼓曲时,曲线进入快速上升阶段,此后试件H-SPSW-1的等效黏滞阻尼系数稳定在0.18左右,而试件H-SPSW-2的等效黏滞阻尼系数增长至整体结构达到峰值承载力后开始缓慢下降,从0.28下降至0.23。

图9 试件he-Δ曲线

结构的滞回环所包围的面积是结构吸收能量转化为非弹性变形的能量,滞回环面积越大,结构耗散的能量越多,总耗能等于各循环的滞回环包围面积之和,是结构整个过程中所耗散的能量。与试件H-SPSW-1相比,试件H-SPSW2的总耗能提高幅度较大,从2252.21kN·m增长至3827.33kN·m,提高了69.94%。这表明对于钢板剪力墙而言,设置帽形冷弯薄壁型钢屈曲约束能够非常明显地提高结构的总耗能以及等效黏滞阻尼系数。

3.4 刚度退化

循环荷载下,结构在同一荷载水平下对应的位移逐渐增大,表现出刚度退化。试件的割线刚度Ki与位移Δ的关系如图10所示。从图中可以看到刚度退化曲线的退化特征主要分为两个阶段,第一阶段为试件屈服前,第二阶段为试件屈服后。在试件屈服前,试件H-SPSW-2的初始刚度相对于试件H-SPSW-1较大,以第一循环刚度为例,试件H-SPSW-1初始刚度为202.03kN/mm,而试件H-SPSW-2的初始刚度为295.23kN/mm,具有较高的初始刚度;随着荷载的增加,钢板剪力墙逐渐屈服,此时刚度退化曲线下降较为明显。当试件进入加载中后期,此时钢板已基本全面进入屈曲阶段,框架柱与钢板共同承担水平荷载,塑性变形逐渐稳定,试件的刚度退化曲线相对平缓。

图10 试件Ki-Δ曲线

3.5 承载力退化

在水平循环荷载作用下,结构往往会由于损伤破坏而出现不同程度的承载力退化现象,采用循环承载力退化系数λi来评价,即结构在某级恒定加载位移下,峰值承载力随循环次数的增加而降低的比例,λi计算公式如下:

式中:λi为任一级循环加载位移下第i次循环承载力退化系数;F1和Fi分别为该级循环加载位移下第1次和第i次循环曲线上的峰值承载力。

两个试件的第一、第二循环承载力退化系数-位移曲线如图11所示。从图中可以看出,达到试件峰值承载力以前,结构循环承载力退化比较缓慢,第一循环承载力退化系数λ1均在0.95以上,第二循环承载力退化系数λ2均在0.925以上,试件承载力十分稳定。带有屈曲约束的试件H-SPSW-2承载力退化系数相比于试件H-SPSW-1高,说明布置屈曲约束对于结构循环承载力稳定性的提升有重要作用。总的来说,异形柱组合框架-屈曲约束钢板剪力墙结构体系具有较好的承载力稳定性。

图11 循环承载力退化系数-位移变化曲线

3.6 应变分析

试件的内嵌钢板对角线上测点布置示意见图12,其位移-应变关系见图13。从图13可以看出,试件设置了屈曲约束对于钢板的约束效果非常明显,且正负加载时应力变化呈对称趋势,表明设置帽形冷弯薄壁型钢屈曲约束对于内嵌钢板的面外位移约束效果较好,有利于提高钢板应力均匀性,有利于充分发挥钢材材料的性能。

图12 内嵌钢板测点布置示意图

图13 试件内嵌钢板测点位移-应变对比

4 结论

(1)两个试件滞回曲线均较为饱满,且延性均较高,在达到1/25的位移角后承载力才下降到峰值承载力的85%。说明异形柱组合框架-屈曲约束钢板剪力墙体系在抗震性能中的表现较为突出,是一种有效的抗侧力体系。

(2)对比两个试件结果可知,设置帽形冷弯薄壁型钢屈曲约束钢板剪力墙的试件屈服承载力提高约13.13%,峰值承载力提升约13.75%,延性系数提升约24.97%,耗能能力提升约69.94%。同时承载力退化以及破坏模式方面也有不同程度的改善,表明帽形冷弯薄壁型钢屈曲约束是一种可靠的钢板剪力墙屈曲约束形式。