两层钢框架结构地震振动试验研究

2021-12-28王展光邵建华刘汶津

重庆建筑 2021年12期

王展光，邵建华，刘汶津

（1凯里学院建筑工程学院，贵州凯里 556011；2江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江 212003；3南京大德减震科技有限公司，江苏南京 211103）

0 引言

钢结构在地震作用下不易发生破坏和倒塌，具有良好的抗震性能，在工程中得到了广泛应用。但近几十年来，通过对地震后结构破坏进行研究，发现大量钢结构建筑都发生了不同程度的破坏，这引起了钢结构研究者的关注。

国内外学者对钢框架结构抗震性能进行了一系列研究，发现钢框架在循环荷载作用下性能良好，加强型节点形式能对框架的抗震性能起到保险丝的作用[1-5]。平面不规则钢框架结构在地震波作用下有着较强的扭转效应，部分位置的内力较复杂[6-8]。通过设置支撑结构，可以增强钢框架的抗震性能，偏心支撑结构能更好地耗散地震能量，且耗能稳定[9-14]。

为了研究钢框架在地震作用下的结构反应，本文设计制作了一个两层钢框架结构模型，利用多条地震波进行振动台试验，研究钢框架结构在不同等级地震波作用下的破坏形式、动力特性等力学性能。

1 试验研究

1.1 试件设计和制作

试验模型采用单跨两层的钢框架结构模型，根据试验条件，按照与实际结构1:4的比例进行缩尺试验。试验模型平面尺寸为1.2m×1.2m，层高0.8m，模型平面及立面图如图1所示。框架柱为H型钢：H100×100×6×8mm；框架梁为I10的工字钢。框架梁、柱、支撑均采用Q235B钢材。结构模型的尺寸和相应的构件连接节点如图2所示。

图1 两层钢框架图

图2 钢框架和节点接连连接图

钢框架结构在钢结构加工厂进行加工制作。结构模型的梁柱节点均采用全焊接连接，以保证梁柱的刚性连接。结构模型的钢柱脚焊接一块厚20mm的钢底板，底板上设置直径37mm的螺栓孔，孔间距300mm，以便与振动台台面进行螺栓连接。

1.2 加载过程

钢框架结构模型运输到结构实验室后，将其整体吊至振动台。吊装定位后，支座用螺栓固定在振动台上。安装固定后吊装橡胶隔震支座质量块，质量块吊装就位后用螺栓固定在钢板上，以保证其在试验过程中不会出现滑移。最后，将钢板片质量块安装到隔震支座质量块上，结构模型安装完成，如图3所示。安装完成后，单层钢构件总重0.13t,单层附加质量总重2t，单层模型总质量为2.13t，两层共4.26t。

图3 模型安装图

试验设备是面积为4m×6m的单向水平地震模拟振动台，具体参数：最大负荷为25t，工作频率为0.1～50Hz，最大位移±250mm，最大速度±6mm/s，最大加速度±1.5g。

试验选用三条天然波（El Centro波、Kobe波、Taft波）作为振动台台面的输入波，波形图如图4所示。试验加载采用单向加载方法。为了测试模型在不同等级地震强度下的动力特性，试验加载时3条地震波的峰值加速度分别设定为0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g、0.8g、0.9g、1.0g十个等级，在试验前以及每级加载之前都进行白噪声波扫频试验。

图4 加载波波形图（以0.3g为例）

1.3 测试内容及试验加载

模型安装完成后进行相关测量仪器的安装、调试，将焊接好的应变片贴到相应的测点位置，如图5所示。将YHD位移计用磁性表座固定于钢柱上，以测量层间位移，TST位移计用钢丝固定于支架上，测量测点处的绝对位移。

图5 测点布置图

为较完整地采集数据，一个构件布置4个应变片测点，在柱两侧翼缘的顶端和底端各设置一个应变片，在梁两端的外侧翼缘各设置一个应变片，钢框架结构模型梁柱共计48个应变片。

2 结果与讨论

2.1 试验现象及分析

加载的地震波峰值加速度0.2g为抗震设计中的多遇地震，这时钢框架结构的晃动较小，整体保持完好，结构几乎观察不到变形。当加载的地震波峰值加速度增加到0.4g时，为抗震设计中的设防地震，这时钢框架在地震波作用下晃动幅度加大，二层施加的质量块与楼面出现移动现象，但钢框架结构仍然保持完好。当加载的地震波峰值加速度增加到0.6g时，钢框架结构的晃动不断增大，二层质量块晃动更加明显，钢框架柱脚节点处焊缝的锈斑出现掉落。当加载的地震波峰值加速度增加到0.8g时，为抗震设计中的罕遇地震，这时钢框架一层施加的质量块也开始出现晃动，柱脚节点和梁柱节点的锈斑不断掉落，同时在框架梁柱上出现了微小受拉裂痕。当加载的地震波峰值加速度增加到1.0g时，钢框架结构晃动很大，一层、二层的质量块晃动明显，框架梁柱受拉裂缝不断发展，出现部分架设好的位移计、应变连接线脱落的现象，但钢框架节点无明显破坏现象，结构整体保持良好，没有出现倒塌。

2.2 结构位移反应

层间位移是目前抗震规范中的一个重要设计指标，保证“大震不倒”抗震设计的目标就是通过结构层间位移来控制，以确保结构不倒塌。由于地震波峰值加速度加载到1.0g时，位移计掉落，故位移计只采集到0.9g时的数据。通过分析布置在模型结构各层的位移传感器所采集的数据，可得到结构模型各层的最大相对位移及最大层间位移角，见图6。

从图6可以看出，在相同加速度地震作用下，钢框架底层层间位移明显大于顶层层间位移。同时，随着地震波加速度的增大，钢框架的层间位移也不断增大，在0.5g的Kobe波作用下，底层最大层间位移约为1.76mm，顶层最大层间位移为1.01mm。在0.9g的Kobe波作用下，底层最大层间位移约为3.7mm，顶层最大层间位移为2.87mm。

根据采集的层间位移数据，得到不同加载波形下的最大层间位移角与加载加速度的关系，如图7所示。从图7可以看出，钢框架在不同加载波形情况下，其层间位移角的变化类似，底层的层间位移角都大于顶层，表明底层受地震影响更大；层间位移角随着加载加速度的增加而增大，在地震波峰值加速度小于0.7g时，层间位移与加速度关系几乎为线性，而当加速度大于0.7g时，层间位移角迅速增大，两者呈非线性关系。

以El Centro波为例，在0.2g加速度下，底层位移角为 1/1032，顶层位移角为1/2285，远低于抗震规范中要求的弹性层间位移限值1/250，说明这个时候钢框架处于弹性阶段。在0.8g加速度下，底层位移角为1/252，顶层位移角为1/402，小于抗震规范中的弹塑性层间位移限值1/50，满足“大震不倒”的要求。

图7 钢框架层间位移角

2.3 结构应变和应力反应

钢框架结构模型在不同加载加速度下的应变图见图8。从图8可以看出，钢框架结构应变与加载波形相似，随着加速度增大，应变增大。

图8 Taft波作用下钢框架柱顶应变

通过分析布置在钢框架结构模型各层的应变片数据，可计算得到结构模型各层的最大拉应力和最大压应力（图9）。从图9可以看出，钢框架各构件应力随着加载加速度的增大而增大，拉应力和压应力呈近似对称关系。以El Centro波为例，在1.0g加载速度下，柱顶的拉应力为55.78MPa，柱中拉应力为61.07MPa，柱底拉应力为98.60MPa；二层梁的上翼缘拉应力为67.03MPa，下翼缘拉应力为57.65MPa；一层梁的上翼缘拉应力为100.71MPa，下翼缘拉应力为105.60MPa。试验期间测得的应力都小于钢材Q235的强度设计值，说明在1.0g加速度地震作用下，钢框架整体性能依然良好。角随着地震波加载加速度的增加而增大，底层的层间位移角都大于顶层，表明底层受地震影响更大；层间位移角随着加载加速度的增加而增大，在地震波峰值加速度小于0.7g时，层间位移与加速度关系几乎为线性，而当加速度大于0.7g时，层间位移角迅速增大，两者呈非线性关系。钢框架各构件应力随着加载加速度的增大而增大，拉应力和压应力呈近似对称关系。