全螺栓分层装配式轻钢框架抗震性能试验研究

2021-07-12王丽军

铁道建筑技术 2021年6期

王丽军

（中铁十六局集团电气化工程有限公司北京 100018）

1 引言

分层装配式轻钢框架较传统柱连续形式框架易于吊装装配，也有利于实施高度集成的模块化装配，现场装配施工时在楼层连接处梁柱间采用螺栓连接，能很好地满足国家对建筑工业化的需求。虽存在螺栓数量多等缺点，但现场装配速度快，且在一定程度上能消除现场焊接所带来的焊接缺陷。如何保证节点承载能力及抗震性能，以便将其应用于高烈度抗震设防区的结构中能取得更好应用效果是研究的重点[1－2]。

采用全螺栓连接节点可提高结构耗能能力和延性，节点通过在螺栓接触面上滑移而耗能并降低地震作用下的破坏程度。Liu等[3－4]提出全螺栓连接节点，并通过研究表明节点具有良好抗震性能。Ai-Lin等[5]提出了“预制柱－法兰梁－柱”螺栓连接节点，研究表明在合理设定参数条件下具有良好抗震性能。Liu等[6]提出新型梁柱螺栓连接方法，并根据研究提出分层式装配整体结构和节点设计方法[7]。陈越时等[8]对某三层足尺分层装配支撑－钢框架进行振动台试验，表明其具有良好抗震性能与震后可恢复性。王伟等[9－10]利用ABAQUS软件分析节点性能对分层装配钢框架抗震性能的影响，当节点刚度大于4EIc／Lc时，才能满足结构抗震性能要求。已有文献中，“强柱弱梁”框架中采用的多为柱贯通形式[11]，有学者们研究多类柱贯通梁柱节点抗震性能，包括如何更好地满足“强节点弱杆件”的抗震设计准则[12]，满足强震发生时节点不失效要求。但针对梁贯通的框架如何满足“强节点弱构件”抗震设计准则，需针对性开展抗震性能研究。

建筑高度增加会导致轴压比增大，结构延性降低，抗震性能变差。故应开展此类结构体系随轴压比增大结构抗震性能的变化研究。增设支撑能明显提高框架抗侧能力，提高结构在地震发生时的耗能能力，但其工作机理及破坏模式仍需进一步明确。

开展全螺栓分层装配式轻钢框架抗震性能试验，探究不同轴压比、支撑等因素对框架抗震性能影响。对框架进行低周往复加载静力试验，获得结构抗震性能，针对性给出加强策略，以期为分层装配式轻钢结构应用提供数据支持。

2 试验状况

（1）试件设计

共设计制作两类4个分层装配式轻钢框架试件。其中编号为QK-1、QK-2、QK-3试件用于重点考察轴压比变化对试件抗震性能的影响，以便工程应用时进行节点类型选择及构造加强处理；QKZ-4为设置斜向方管支撑试件，每端使用4个M16螺栓固定，设置连有斜向支撑节点的加腋板，避免未加强节点发生破坏，参数见表1。

表1 试件参数

结构原型为首层层高3 100 mm、以上各层层高2 900 mm、跨度3 600 mm的框架结构。结合我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010），依据现行《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）及已有研究成果，柱截面尺寸为HW175×175×7.5×11，梁截面尺寸为HW100×100×6×8，设计制作1∶2缩尺比例模型。跨度为1 800 mm，首层层高1 550 mm，二层层高1 450 mm。钢材均选用Q235B级结构钢，梁柱采用H型钢，梁柱间连接采用8.8级M18摩擦型高强螺栓。梁端及柱端焊接端板，端板尺寸为175×175×10 mm。柱脚通过M20摩擦型高强螺栓与底梁固定，然后利用高强螺栓将柱端板与第一、第二层框架梁翼缘进行连接，形成实验室加载框架。框架和节点具体构造见图1、图2。

图1 整体试件（单位：mm）

图2 试件节点细部构造（单位：mm）

试验所用钢材的力学性能参照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB／T 228.1—2010）有关规定进行试验，所测得数据见表2。

表2 钢材力学性能指标

（2）加载方案

试验加载装置见图3。通过M36地锚螺栓将底梁固定于反力地坪上，再将实验框架和反力地坪固定，在顶梁上部设置分配梁，千斤顶固定到分配梁上。分配梁与顶梁通过卡固件固定，千斤顶与分配梁间设置滚轴，以保证加载过程中竖向荷载与试件始终保持垂直。MTS液压作动器于试件二层顶梁左端处施加水平低周往复荷载。在试件两侧布置侧向滑动支撑杆，以防止试件加载过程中发生平面外失稳。

图3 试验装置示意

首先施加表1所示柱顶轴压，水平方向采用位移控制方式施加低周往复荷载，级差增量为10 mm，且每级位移循环3周。当试件出现节点板件破坏、螺栓拉断、试件发生面外失稳等现象时，停止加载。

（3）测点布置

试件所受轴压由分配梁顶部的压力传感器量测，框架水平侧移由布置在柱侧位移计1～3测量。共粘贴46个应变片，通过读数判断构件所处应力状态，获得应力随加载进行的变化情况。应变采用DH3816数据采集系统采集。位移计、应变片具体布置见图4。

图4 测试元件布置

3 试验现象及破坏特征

（1）QK-1加载至40 mm时，梁柱节点出现不可恢复变形，但梁柱未出现明显变形；随加载位移增加，框架变形继续增大；加载至70 mm时一层梁柱连接部位螺栓开始出现滑移，对梁柱的约束减弱，且第一、二层梁端翼缘出现局部屈曲，水平加载后期连接梁柱的螺栓群在拉剪作用下拉力增加快速，受力最大的螺栓在拉剪作用下破坏，对框架的约束作用降低，导致继续加载时发生面外失稳（见图5a）。

图5 各试件破坏特征

（2）QK-2水平位移加载至50 mm时，加腋板附近梁翼缘出现局部鼓曲变形（见图5b）；加载至60 mm时，框架产生较大侧移，梁翼缘鼓曲现象越发明显，梁端形成塑性铰；加载至90 mm时，柱底处翼缘漆局部脱落，发生局部屈曲，随后承载力降低较快。

（3）QK-3位移加载至70 mm时，节点处螺栓滑移明显，伴随较大的摩擦响声；加载至80 mm时顶层梁翼缘扭曲变形增大，梁腹板上出现鼓屈现象；加载至110 mm时腹板鼓曲严重，柱底端发生局部屈曲（见图5c）；加载到120 mm时，承载力大幅下降。

（4）QKZ-4加载至30 mm时，二层支撑和框架顶梁翼缘焊缝被撕裂，梁产生塑性铰，柱无明显变形；加载至50 mm时，二层支撑和梁翼缘均出现轻微鼓曲，斜支撑原有撕裂口不断扩大，框架顶梁腹板内加肋处焊缝开裂；加载至65 mm时，支撑端部发生局部屈曲，随后加腋板发生面外轻微变形，承载力大幅降低，梁端翼缘发生明显局部屈曲。

QKZ-4在加载过程中，斜支撑先出现局部屈曲，框架侧移比QK-3要小，但屈服荷载、峰值荷载和破坏荷载均高于QK-3，说明斜支撑能有效提高框架的承载能力和抗侧刚度。

4 试验结果及分析

4．1 滞回曲线

由图6可知：（1）由于QK-1缺少柱顶轴压作用，水平荷载作用下快速发生倾覆，塑性发展不充分；（2）其余的三个试件，随轴压比增大，曲线均存在捏缩现象，QK-2和QK-3曲线比QK-1稍饱满，说明在试验轴压范围内，施加一定轴压后，可提高框架耗能能力；（3）QKZ-4曲线加载过程中滞回环面积先期大幅增加，后在加载负向出现了两次明显分岔，为螺栓滑移导致承载力迅速降低所致。说明加支撑后，对柱及梁连接部位的螺栓抗拉剪破坏能力要求提高，故对于QKZ-4应增加螺栓群抗破坏能力，进而提升框架抗震性能。

图6 滞回曲线

4．2 骨架曲线

骨架曲线能直观反映结构承载力及破坏状态，由滞回曲线每个循环的极值点连接得出（见图7）。分析可知：（1）QK-1～QK-3骨架曲线在屈服前走势基本一致，QK-1先进入屈服阶段，后依次为QK-2及QK-3；3个试件均有明显弹性、弹塑性、强化及破坏4个阶段。（2）在所考察加载范围内，随轴压增大，初始刚度及承载力均略有提升，轴压增大降低了梁柱螺栓群内受力最大螺栓拉力快速提高所带来的拉剪破坏。（3）QKZ-4虽承载力高且刚度也较大，但发生斜向支撑局部屈曲，内力重分配后对梁柱螺栓的破坏增强，螺栓滑移，承载力降低快，拉剪作用下加速梁柱连接螺栓快速失效。

图7 骨架曲线

4．3 试件屈服点及破坏荷载确定

依据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ／T 101—2015）[12]规定来确定试件所承受的荷载特征值，采用能量等值法确定各屈服点。表3中的Py、Δy分别表示屈服荷载和对应位移：Pm、Δm分别表示峰值荷载和对应位移；Pu、Δu分别表示破坏点荷载和对应位移；θ1、θ2分别表示框架首层和二层极限层间位移角；位移延性系数μ为破坏位移Δu与屈服位移Δy之比。由于试验过程中滞回曲线不完全对称，故延性系数按式（1）计算：

表3 各试件特征点荷载与位移值

各试件主要试验结果见表3。分析可知：（1）与QK-1相比，QK-2、QK-3的屈服荷载分别提高92.65%和157.73%，峰值荷载分别提高了79.60%和182.27%，说明轴压增大在一定程度上可提高框架的承载力。（2）在相同轴压下，QKZ-4比QK-3屈服荷载提高72.95%，极值荷载提高68.26%，破坏荷载提高75.14%，破坏时极限位移减小44.17%，曲线斜率较QK-3先出现降低且下降较快。表明设置支撑可大幅提高框架承载力，但会降低延性。在抗震设计中，建议设置刚度适宜的支撑来改善结构抗震性能。（3）位移延性系数QK-3＞QK-1＞QK-2，说明轴压适当增大在试件满足不发生整体倾覆的情况下，在一定程度上可提高结构延性。（4）QK-1底层最大层间位移角较小，而顶层明显大于底层，上、下层刚度不协调，出现明显薄弱层；QKZ-4各层层间位移角较均匀，说明增设支撑能避免刚度不协调带来薄弱层问题。