全螺栓装配式钢框架抗震性能试验

甘 璐 姚 勇

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)

为保护环境、节约能源、提高工程质量，国家大力提倡装配式建筑。分层装配式钢结构工业化住宅体系是一种在参考日本先进住宅结构体系基础上结合国情研发的新型低层工业化住宅产品[1]，通过设置密柱、采用贯通梁、柱间支撑承担水平力等特点对底层建筑进行模数化集成设计、标准化生产以及装配式施工安装，具有建筑质量轻、施工快捷、工业化程度高、节能节地、绿色环保等优点。

对于现目前的分层装配式钢结构，节点之间的连接大多采用焊接或栓焊连接。由于焊缝的设置不当或施工质量较差等问题，焊接处的钢材性能受到损坏，节点位置成为结构的薄弱区[2]。同时，现场施焊也可能导致油漆的处理不当，引起钢材的腐蚀。在装配式钢结构的节点处采用全螺栓连接能够有效避免上述情况的发生，具有安装速度快、施工质量易控制的优点，同时可以做到油漆全部由工厂涂装，大大提高了钢结构的防腐蚀性能。

由于在装配式钢框架中全螺栓连接的使用大多集中在单层框架领域，而在分层装配式钢框架的节点处应用较少。对于节点处采用螺栓连接的分层装配式钢框架，国内外对其抗震性能方面的研究还不够成熟。基于此，本文对全螺栓分层装配式钢框架结构进行低周往复试验，对其抗震性能进行初步探讨。

1 试验概况

1.1 试件设计

根据全螺栓分层装配式钢框架在工业化住宅中的应用特征，本文选取一榀单跨两层、缩尺比例为1∶2的结构模型，底层层高为1 550 mm，二层层高为1 450 mm，跨度为1 800 mm，顶梁和底梁的截面尺寸为HN100×100×6×8 (mm)，框架柱截面尺寸为HN175×175×7.5×11 (mm)，模型采用Q235B钢。为避免在梁柱节点处过早产生塑性铰，设置斜向加劲肋对节点加以支撑。梁柱节点处采用M16摩擦型高强螺栓对强轴进行连接，试件框架柱底部采用M20摩擦型高强螺栓与底梁进行连接，试件的尺寸与构造如图1所示。本试验根据轴压比的不同设计3个试件，分别为KJ-1(轴压比为0)，KJ-2(轴压比为0.2)，KJ-3(轴压比为0.4)。

图1 试件的尺寸与构造详图Fig.1 Dimensions and construction details of the test specimen

1.2 试验布置与加载

试验采用MTS电液伺服加载系统对钢框架进行低周往复加载，用以模拟装配式钢框架在地震中的受力情况。试件顶部设置分配梁，作动器与千斤顶均通过分配梁对试件施加竖向荷载。水平加载通过MTS操纵器进行控制，竖直加载通过千斤顶与分配梁之间的力传感器进行控制，并在分配梁顶部设置滚轴，以减少试件侧移过程中分配梁与力传感器之间的摩擦。试件顶部位移通过MTS加载系统进行采集，试件中部以及下部位移通过设置的位移计进行采集。试件的布置如图2所示。

图2 试件的加载装置Fig.2 The loading device of specimens

试验开始前需对试件进行预先加载，用以观察试件安装是否稳定、螺栓是否松动等现象。预加载试验仅对试件进行水平预加载，采用位移控制，以10 mm为位移控制值对试件进行两次循环加载。调整预加载过程中出现的非试验因素后开始对钢框架进行正式加载。试验严格按照《规程》[3]中拟静力试验的加载步骤进行，对受到竖向作用力的试件，首先对其施加竖向荷载，采用两段式加载，加载至荷载设定值的1/2后稳定10 s，再继续加载至最终值。因钢构件的延性较大，承载力较低，水平加载全程采用位移控制。以10 mm为位移增量，每级加载采用3个循环，加载制度如图3所示。当荷载降低至极限强度的85%，钢构件局部出现过大屈曲或螺栓发生剪断时，此时判定为试件破坏，终止加载。

图3 低周反复试验加载制度Fig.3 Low-cycle trial loading system

2 试验结果与分析

2.1 试验现象与破坏过程

3组试件在加载初期的试验现象很相似。因位移控制值较小，各组试件处于弹性阶段，试件在每一循环终止后均能回到最初位置。随着加载的继续增加，KJ-1最早达到屈服荷载，荷载位移曲线斜率较上一阶段明显下降，构件中部节点处发生屈服，位移角增大。最终，试件KJ-1发生平面外失稳破坏，如图4所示。KJ-2与KJ-3的破坏过程基本相同。试件接近破坏时伴有刺耳声，底部螺栓发生松动，试件的最终破坏是由于底部节点处发生屈服，部分螺栓被拔出，如图4所示。

图4 破坏现象Fig.4 The damage phenomenon

2.2 滞回曲线

各试件顶部的荷载与位移通过MTS采集系统进行采集并绘制成滞回曲线，如图5所示。滞回曲线表示了试件在不同加载循环阶段下荷载与位移的关系，反映了结构的整体抗震性能[4]。从图5可以看出：在相同位移下，曲线斜率随着加载次数的增加而减小，表明在循环荷载作用下试件的刚度逐渐减小，尤其在试件KJ-1中表现得极为明显。根据3组试验曲线显示，滞回曲线均具有从梭形向弓形转变的过程。循环往复的次数越多，滞回环捏拢现象越明显，且在低位移作用下，试件的承载力提高不明显，表明试件的残余变形在累积。在相同的加载循环下，尤其试件进入塑性阶段后，试件KJ-1滞回环逐渐变为反“S”形，曲线包围面积较小；而试件KJ-2和KJ-3的曲线更为饱满，塑性阶段后仍基本保持梭形，且曲线的斜率下降较慢，说明在一定的轴压比作用下，全螺栓分层式装配式刚框架的整体性能较好，钢框架的强度得到充分发挥，结构的抗震耗能能力得到提高。

2.3 骨架曲线

将滞回曲线中每一滞回环的峰值点进行连接，形成的曲线称为骨架曲线，骨架曲线反映了试件在低周反复荷载下的承载力-变形关系[5]。各试件根据滞回曲线所得出的骨架曲线如图6所示。对于无明显屈服点的结构，采用能量等效面积法确定出各试件的屈服值，所确定的骨架曲线特征值见表1。

从图6看出，KJ-1曲线斜率过早地降低，表明试件进入屈服阶段较早，而KJ-2和KJ-3试件在屈服前曲线的走势基本一致，从而可知，钢框架在双向作用力作用下，某一方向上的压力能够提高结构在另一方向上的强度。从曲线也可以看出，各曲线的斜率变化点、峰值点以及破坏点均不相同。在不同的轴压比作用下，轴压比越高，试件的屈服能力就越高，因此，适当增加轴压比有利于提高框架的抗屈服能力。结合表1的曲线特征值，可以看出竖向作用力能够明显地提高试件的极限承载力和位移，与试件KJ-1相比，KJ-2的极限承载力提高了86.6%，破坏时的位移提高了25.1%；KJ-3的极限承载力提高了193.2%，破坏时的位移提高了56.6%。但是，试件的延性却随着竖向作用力的增大而减小，表明试件KJ-2，KJ-3在达到极限承载能力后水平段较少，试件的持荷能力降低。

图6 骨架曲线Fig.6 The skeleton curve

试件编号 屈服点 极限点 破坏点 Δy/mmPy/kNΔmax/mmPmax/kNΔu/mmPu/kN延性μKJ-131.811.859.422.079.919.21.35KJ-246.828.680.041.099.933.21.25KJ-354.235.3110.164.5125.152.31.14

2.4 刚度退化曲线

试件刚度随着加载循环周数增加而不断减小的现象称之为刚度退化[6]，是试件发生塑性变形的充分体现，各试件的刚度退化曲线如图7所示。从图7可以看出，各试件在正反两个方向的曲线基本呈“几”字形，每一加载循环中刚度退化均匀。试件的刚度随着竖向作用力的增加而增加，在整个试验过程中，KJ-3试件的刚度始终大于KJ-1和KJ-2，但是KJ-3的刚度退化更为迅速，破坏时的刚度仅为初始值的42.3%。由此得出，在适当增加轴向压力的情况下，有利于提高框架的整体刚度，但刚度的退化相对于未施加轴向压力的框架而言，下降得更加迅速。

图7 等效刚度曲线Fig.7 The equivalent stiffness curve

2.5 耗能能力

结构的耗能能力指在地震作用下墙体吸收的能量，通常可由能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数he来反应[7]。能量耗散系数E通过每阶段荷载-变形滞回曲线所包络的面积来衡量，等效黏滞阻尼系数he越大，表明试件产生的变形越大，抗震性能越好。3组试件的E以及he见表2。由表2可知，随着加载位移的增加，KJ-2以及KJ-3的耗能能力不断提高，从极限阶段到破坏阶段，试件的耗能能力能够保持不变。因未施加竖向作用力，且最终发生平面外的失稳破坏，试件KJ-1的耗能能力在不断降低，明显低于KJ-2以及KJ-3试件。

表2 试件耗能指标Table 2 The energy dissipation index of specimens

3 结论

全螺栓装配式钢框架在低周往复荷载作用下的破坏特征具体表现为节点屈服、螺钉被拔出，属于延性破坏。在竖向压力作用下，框架的滞回曲线饱满，结构的整体性好，在极限承载力、延性和耗能等方面均优于无竖向压力作用的试件，满足抗震设计的要求，可在烈度设防区的低层建筑中使用。