蜂窝钢柱抗震性能试验研究

苏益声，张 雯，孟二从，但 宇

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁530004;2.广西防灾减灾与工程安全重点试验室，广西 南宁530004;3.南宁学院 土木与建筑工程学院，广西 南宁530000)

蜂窝钢构件自重轻、承载力高、抗弯刚度大、截面形式合理美观并且经济效益显著，在工程实践中的应用已越来越广泛［1-2］。目前，国内外对蜂窝钢梁的研究已较为深入［3-8］，但针对蜂窝钢压弯构件或蜂窝钢柱的相关课题则刚处于起步阶段［9-12］。现有的蜂窝轻钢门式刚架柱的研究成果表明［13-17］，构件的局部屈曲是引起的整体结构失稳破坏的主要原因，蜂窝钢柱的空腹形式使其腹板成为受力薄弱部位，破坏时腹板易鼓曲。为进一步提高蜂窝钢柱的承载力，改善其受力性能，本课题组提出在蜂窝孔墩处设置横向加劲肋的补强方案。本文以蜂窝孔形、加劲肋的设置与否及设置部位作为变化参数，通过对蜂窝钢柱及原型钢实腹柱进行低周反复荷载下的抗震性能试验研究，为蜂窝钢柱在工程中的推广应用提供参考。

1 试件设计及加载方法

1.1 试件设计及制作

本试验设计制作了一根原型钢实腹柱、一根普通蜂窝钢柱及三根设加劲肋补强的蜂窝钢柱，编号分别为SFZ、FWZ、FWZB-1、FWZB-2、FWZB-3，原型钢实腹柱及蜂窝钢柱由HW125 mm×125 mm×6.5 mm×9 mm 的H 型钢以扩张比1.4 加工而成，腹板开孔形式为六边形孔及圆形孔两种。设计柱高为1.428 m 并在柱顶焊接钢板作为竖向荷载的加载端。柱脚采用4 个高强螺栓与基础连接。图1 为横向加劲肋的尺寸图，表1 为试件的相关设计参数。

图1 加劲肋形式Fig.1 Shape of stiffener

表1 设计参数Tab.1 Design parameters

1.2 试验材料

本试验钢柱采用Q235H 型钢HW125 mm×125 mm×6.5 mm×9 mm 制作，表2 为钢材的实测力学性能，其中d 表示板件的厚度，其单位为mm，fy、fu、Es分别表示钢材的屈服强度、极限强度与弹性模量，其单位为MPa，μ 表示泊松比。

表2 钢材力学性能Tab.2 Mechanical properties of steel

1.3 加载装置及加载制度

本次试验对试件施加竖向静力荷载以及水平低周反复荷载，以模拟地震作用下钢柱的实际受力情况。蜂窝钢构件多用在轻钢框架之中，因此本试验中柱顶竖向荷载取40 kN，由工程中轻钢屋面的常用设计荷载换算而成。竖向荷载由千斤顶一次性施加于柱顶，并且试验过程中保持稳定。水平低周反复荷载通过量程为25 t 的电液伺服作动器施加，采用力—位移混合加载制度，首先进行荷载控制加载，以预估极限荷载的10%为增量，每级荷载循环一次直至构件出现屈服，而后以屈服位移Δy为增量进行位移控制加载，每级位移循环3 次直至试件破坏，试验的加载装置如图2 所示。

为研究柱横截面及孔周应力分布情况，在量测位置粘贴电阻应变花及应变片，其中圆形孔周边粘贴8 个应变花，六边形孔周边粘贴6 个应变花，应变数据由DH3815 静态采集系统自动采集。电阻应变片的布置情况如图3 所示(以FWZB-1 为例)。

图2 加载装置布置图Fig.2 Loading device figure

图3 FWZB－1 应变片布置图Fig.3 Strain gage layout of FWZB－1

2 试验现象

蜂窝钢构件开孔区域常被划分为桥、桥趾、墩三部分，为方便描述孔周试验现象，本文规定以柱轴线BC 为中截面，并用夹角θ 表示孔周点位(如图4 所示)。

在荷载控制阶段，各试件最大荷载在20 kN 左右，柱顶位移不超过30 mm，变形不明显且处于弹性工作阶段，卸载后无残余变形。在位移控制阶段，作动器对试件施加较大位移，试件开始出现塑性变形，应变测点逐渐屈服。补强蜂窝柱孔周边的屈服点均首先出现于柱顶第一孔，普通蜂窝柱出现在第二孔，且分布在与中截面BC 成30°～60°角的范围内，随着柱顶位移逐渐增加，达到屈服应力的测点不断增多。位控加载至4Δy～5Δy时，试件由于钢材受压而发出“嘎吱嘎吱”的声响，并且柱底板出现塑性翘曲变形。当FWZB-1 加载至4Δy第一循环正向时，试件由于柱脚靴梁焊缝断裂而发出“嘭”的声响;FWZB-3 加载至4Δy第三循环时，柱顶第一道横向加劲肋焊缝撕裂，卸载后柱端第一孔稍有变形。在加载后期，试件倾斜严重，当强度下降至最大承载力的85%时，可认为试件破坏，即终止试验。

图4 θ 及区域划分示意图Fig.4 The sketch of θ and area division

观察试验全过程可知，补强蜂窝钢柱设置了横向加劲肋，构件应力分布与FWZ 不一致，当柱顶第一孔屈服时其余孔周应力仍较小，随着荷载的增加，这部分孔周也逐渐达到屈服。卸载后试件未见明显局部变形，补强柱破坏形式为整体失稳。

3 试验结果分析

3.1 孔口应力分布分析

本试验构件的孔周主应力由粘贴于孔周的应变花获得，蜂窝钢柱的屈服荷载Fy(定义为孔周首次屈服时的水平荷载)列于表3 之中，典型孔口的应力分布图(单位:MPa，编号以柱顶孔口为I 号依次向柱底增大)如图5 ～图8 所示，经分析对比，可以得出以下几点结论:①大部分孔口应力可以划分为4 个区域，在这些区域内，拉应力与压应力交替分布，并且同号应力相对;②普通蜂窝钢柱FWZ 第Ⅰ、Ⅱ孔口最大应力相近，最大拉、压应力分别出现在与正截面BC 成30°～60°与-30°～-60°的区间范围之内;③构件FWZB-1 ～FWZB-3 当第I 孔口屈服时，其余孔口应力仍较小，随着柱顶位移逐步增大，各孔口的应力也趋向均匀;④当孔口应力首次屈服时，FWZ 的水平荷载大幅度高于其余试件，FWZB-1 ～FWZB-3 的水平荷载值虽相对接近却也有所区别，说明孔周应变分布以及水平屈服荷载可通过调整横向加劲肋的布置实现。

表3 蜂窝钢柱屈服荷载FyTab.3 Yield load Fy of castellated columns

图5 FWZ 孔周应力分布图Fig.5 Stress distributions around the holes of FWZ

图6 FWZB－1 孔周应力分布图Fig.6 Stress distributions around the holes of FWZB－1

图7 FWZB－2 孔周应力分布图Fig.7 Stress distributions around the holes of FWZB－2

图8 FWZB－3 孔周应力分布图Fig.8 Stress distributions around the holes of FWZB－3

3.2 荷载—位移滞回曲线

在循环荷载作用下，荷载—位移滞回曲线是评价结构或构件抗震性能的综合指标。本试验中，通过滞回曲线可以获得各构件的抗震承载力、延性、耗能以及刚度等力学性能，各构件的滞回曲线如图9所示。

图9 滞回曲线Fig.9 Loading－displacement hysteretic loops

从各试件的滞回曲线中可以看出，由于柱底采用了半刚性连接，螺栓与栓孔间存在空隙导致构件在循环荷载作用下出现一定程度的滑移，并由于腹板上的蜂窝孔洞削弱了钢柱的截面积，各试件滞回曲线存在不同程度的捏拢现象，整体上呈现出弓形。FWZ 捏拢程度较其他构件严重，耗能性能较弱;FWZB-1滞回环饱满程度有所提升，耗能能力增加;圆形孔补强试件FWZB-2、FWZB-3 的弓形滞回曲线比较饱满，与实腹构件类似。反映出圆形孔试件受力性能比六边形孔试件好，设置横向加劲肋的补强蜂窝钢柱塑性变形能力比较强，能较好的吸收地震能量，抗震性能良好。

3.3 骨架曲线

骨架曲线为滞回曲线上每一循环荷载极值点依次相连而获得的包络线，它可以反映构件各个不同阶段力与变形的关系以及刚度、延性、耗能等特性。对比图10 中各构件的荷载—位移骨架曲线，可以看出各蜂窝钢柱构件的骨架曲线发展形态比较相似，加载初期，构件基本处于弹性状态，达到屈服荷载后，位移增加速率逐渐大于荷载的提高程度，曲线呈现出非线性形态;在超过最大荷载之后，曲线下降平缓，且整条曲线没有突变点，说明蜂窝钢柱构件塑性性能良好且破坏时表现出延性破坏的特征。FWZB-2 在加载前期性能接近于未补强的蜂窝钢柱FWZ，但后期强度降低速度较慢，延性也更好，说明采用圆形孔并布置横向加劲肋能在整体上改善蜂窝钢柱的受力性能。FWZB-3 设置了三道加劲肋，其初始刚度最高，但由于该试件腹板开孔数最多，腹板有效面积小，因而剪力的承受能力弱，在加载超过最大荷载之后，强度降低速度最快，后期承载能力较差。

图10 试件骨架曲线Fig.10 Skeleton curves

3.4 延性系数

延性是指构件到达屈服点以后破坏之前的塑性变形能力，是抗震设计中的一项重要指标，通常用延性系数μ 来表示。延性系数定义为构件极限位移Δu与屈服位移Δy的比值，表达示为μ=Δu/Δy，其中屈服位移Δy由通用屈服弯矩法(几何作图法)在骨架曲线上确定。各试件的极限位移、屈服位移以及延性系数列于表4。

表4 中的数据显示，延性系数在2.92 ～4.03 范围之间，因而可认为各试件的塑性性能良好，说明在地震作用下蜂窝钢柱可以承受较大的塑性变形而不致倒塌破坏。圆形孔蜂窝钢柱试件的延性系数略大于六边形孔试件，可见圆孔蜂窝钢柱延性性能更为良好。

表4 各试件延性系数Tab.4 Ductility factor of castellated columns

3.5 承载力分析

本试验中实测构件极限承载力、最大位移以及从骨架曲线中由通用屈服弯矩法得到的屈服荷载、屈服位移列于表5 之中，并以普通蜂窝钢柱的各项指标为一个单位，以便于对比分析。

由表5 对比分析可知，普通蜂窝钢柱的承载力比原型钢实腹柱提高了60.61%，有了明显的大幅度提升，经加劲肋补强后的蜂窝钢柱承载力又有进一步提高，设置横向加劲肋可提高构件承载力10%左右，且加劲肋的数目越多，构件承载力提高程度越大，同时提高了构件刚度，而圆孔试件与六边形试件的承载力则相差不大，两者的相差幅度为1.60%。

表5 试件承载力Tab.5 Bearing capacity of specimens

3.6 强度衰减分析

在循环荷载作用下，当保持同一加载位移时，结构或构件的承载力随着循环次数的增多而逐渐降低的现象叫做强度衰减。强度衰减率越大，表明构件在加载过程中累积的损伤越多，抵抗后续荷载的能力越弱。构件的强度衰减程度通常用承载力降低系数λ 衡量，λ 按公式计算［其中，λij为第i 位移加载级，第j(j=2，3)次循环的承载力降低系数;为第i 位移加载级，第j 次循环的最大荷载;为第i 位移加载级，第j-1 次循环的最大荷载］。图11 为各试件的强度衰减变化情况，各构件同一循环正负向的承载力平均降低系数列于表6。

图11 试件的强度衰减Fig.11 Strength degradation of specimens

表6 试件的承载力降低系数Tab.6 Bearing capacity reduction factor of castellated columns

由图11 及表6 可以看出，在位移控制加载前期承载力衰减较少，构件保持较好的承载能力。蜂窝钢柱由于腹板开孔形成受力薄弱区域，构件容易形成累积损伤，从第4 倍加载位移开始，承载力开始加速衰减，且同一孔型开孔数越多衰减越快，六边形孔衰减比圆形孔严重，而原型钢实腹柱构件的承载力衰减幅度则相对较小。

3.7 刚度退化分析

刚度退化是结构抗震性能的一项重要指标，是指结构或构件的刚度随着加载位移的增加而逐渐减小的现象，它反映了结构或构件在加载过程中的累积损伤。结构或构件的刚度退化常借助割线刚度来描述，其计算式为(式中:Kij为第i 加载级的第j 次循环的割线刚度;+Qij、-Qij分别为第i 加载级的第j 次循环的正负峰值荷载;+Δij、-Δij分别为与+Qij、-Qij对应的变形值)。图12 为试件在各奇数级的割线刚度变化情况，选取本试验各构件奇数加载级的割线刚度列于表7。

图12 试件的刚度退化Fig.12 Stiffness degradation of specimens

表7 蜂窝钢柱各阶段割线刚度Tab.7 Each stage's secant stiffness of specimens

由图12 及表7 可知，蜂窝钢柱加载初期刚度大于原型钢实腹柱，在加载过程中二者刚度逐渐接近，加载末期则相差不大。同一孔型蜂窝钢柱开孔数及加劲肋越多的构件初期刚度较大，但在加载过程中刚度退化较明显，加载末期同一循环之中开孔数少的构件刚度更大。圆形孔构件FWZB-2 加劲肋配置数目与六边形孔FWZB-1 相同，且腹板开孔率较小，但刚度却较低，说明FWZB-2 将横向加劲肋集中设置在柱的中下部不如上下对称布置合理。

综合以上分析可知:将实腹型钢柱扩张后形成蜂窝型钢柱可以有效地提升其抗震承载能力，并且具有良好的变形性能，但是由于蜂窝型钢在腹板孔洞位置处存在截面削弱现象，因而其强度和刚度退化要略大于原实腹型钢，但是通过合理地设置横向加劲肋，可以弥补这一缺陷，这一结论与相关研究［13-17］结论相吻合。由此可知，通过设置合理的构造措施，蜂窝型钢柱可以推广应用于实际工程之中。

4 结 论

通过对5 根钢柱进行低周反复荷载试验，将补强后蜂窝钢柱与普通蜂窝钢柱及原型钢实腹柱进行对比，得出以下结论:

①扩张后的蜂窝钢柱的承载力比原型钢实腹柱提高了60.61%，其承载力有了明显的提升，但由于腹板处存在截面削弱，对其耗能能力有一定影响。

②蜂窝钢柱破坏时的延性在2.92 ～4.03 之间，表现出了良好的变形性能，说明试件在水平低周反复荷载作用下具有良好的塑性性能，且破坏时表现出延性破坏的特征。

③通过合理设置横向加劲肋，可以有效地提高蜂窝钢柱的承载力、刚度及耗能能力，并防止柱腹板的局部屈曲。

⑤蜂窝钢柱试件由于在腹板上开孔形成受力薄弱区域，容易造成累积损伤，强度和刚度退化的幅度略比原型钢实腹柱大。

［1］ 罗烈，罗晓霖.蜂窝梁设计规范的比较研究［J］.建筑钢结构进展，2005，7(2):43-47.

［2］ 苏益声，余兴国，刘峰，等.两种孔型蜂窝钢柱承载力研究分析［J］.广西大学学报:自然科学版，2009，34(3):277-282.

［3］ ELLOBODY E.Interaction of buckling modes in castellated steel beams［J］.Journal of Constructional Steel Research，2011，67(5):814-825.

［4］ SOLTANI M R，BOUCHAIER A，Mimoune M.Nonlinear FE analysis of the ultimate behavior of steel castellated beams［J］.Journal of Construction Steel Research，2012，70(3):101-114.

［5］ 苏益声，肖祖霖，孟二从，等.钢-混凝土蜂窝组合梁承载力试验研究［J］.广西大学学报:自然科学版，2014，39(1):1-6.

［6］ 曹宇翔，马宁，冯树国，等.考虑侧向支撑刚度影响的蜂窝钢梁临界弯矩计算研究［J］.建筑钢结构进展，2013，15(4):24-27，46.

［7］ 苏益声，邹锦华，张喜德.圆形孔蜂窝钢梁试验研究［J］.建筑结构，2006，36(8):28-30.

［8］ 王旭东，王培军.蜂窝钢梁孔间腹板屈曲性能研究进展［J］.建筑钢结构进展，2014，16(6):1-13.

［9］ EL-SAWY K，SWEEDAN A，MARTINI M.Major-axis elastic buckling of axially loaded castellated steel columns［J］.Thin-Walled Structures，2009，47(11):1295-1304.

［10］刘芬，袁晓文.六边形孔压弯蜂窝钢柱承载力研究［J］.河北工业科技，2012，29(6):385-387，397.

［11］贾连光，耿琳，尹晓东，等.蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内稳定承载力计算的试验验证［J］.沈阳建筑大学学报:自然科学版，2009，25(1):61-65.

［12］贾连光，孙晓程，李源君.轴心受压蜂窝构件腹板局部稳定设计方法［J］.沈阳建筑大学学报:自然科学版，2012，28(4):640-644.

［13］杨应华，王燕.轴心受压蜂窝钢柱的稳定性能分析［J］.结构工程师，2013，29(5):52-58.

［14］苏益声，凌湘，伍依禄，等.蜂窝轻钢门式刚架受力性能研究［J］.广西大学学报:自然科学版，2011，36(1):21-25.

［15］张雯，苏益声，皮云东，等.蜂窝轻钢门式刚架静力性能试验研究［J］.广西大学学报:自然科学版，2013，38(4):801-809.

［16］苏益声，郑述芳，李启良，等.蜂窝轻钢门式刚架抗震性能试验研究［J］.建筑结构，2014，44(12):74-79.

［17］郑述芳，苏益声，张雯，等.蜂窝轻钢门式刚架节点抗震性能试验研究［J］.建筑结构，2014，44(12):80-84.