于金光，郝際平，李 波，鄭春明

（ 1. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2. 香港科技大學(xué)納米及先進(jìn)材料研發(fā)院，香港 九龍）

目前，部分國(guó)外規(guī)范已經(jīng)納入半剛性連接，將框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接劃分為剛性節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)和鉸接三類[1-2]．我國(guó)正在修訂的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017[3]中也引入了半剛性節(jié)點(diǎn)的分類．在設(shè)置半剛性節(jié)點(diǎn)的多高層結(jié)構(gòu)體系中，需要根據(jù)半剛性節(jié)點(diǎn)的布置、數(shù)量，適當(dāng)設(shè)置抗側(cè)力構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)獲得較大的抗側(cè)剛度，減小層間的相對(duì)位移，控制結(jié)構(gòu)側(cè)移限值．基于上述思路，文獻(xiàn)[4]將半剛性節(jié)點(diǎn)框架與鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成了半剛性節(jié)點(diǎn)框架—鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系．

為了進(jìn)一步研究半剛性節(jié)點(diǎn)框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文在前期研究基礎(chǔ)上，完成了一榀單跨 3層半剛性節(jié)點(diǎn)框架-鋼板剪力墻試件的擬靜力試驗(yàn)，分析了結(jié)構(gòu)的破壞模態(tài)、滯回曲線、承載能力、抗側(cè)剛度、耗能及延性等，同時(shí)研究了節(jié)點(diǎn)性能對(duì)結(jié)構(gòu)體系的影響，觀察了內(nèi)嵌板、框架和節(jié)點(diǎn)的破壞順序和破壞模式，獲得了半剛性節(jié)點(diǎn)框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件框架采用3層結(jié)構(gòu)作為模型，其中上部2層為試件主體結(jié)構(gòu)，下部設(shè)置1矮層框架，其凈高300 mm．在矮層框架中設(shè)置厚度為5 mm的鋼板，使得底部框架－剪力墻結(jié)構(gòu)具有較大的抗側(cè)剛度，近似作為上部?jī)蓪咏Y(jié)構(gòu)的嵌固端，避免柱腳焊縫開(kāi)裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最終破壞[5]．框架柱截面HW175×175×7.5×11(mm)，中間梁截面HN200×100×5.5×8 (mm)，頂梁截面HN300×150×6.5×9 (mm)，內(nèi)嵌鋼板厚度3.3 mm，試件柱軸線跨度1 350 mm，總高度3 270 mm，鋼材均采用Q235B，連接螺栓均采用10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓．試件幾何尺寸及構(gòu)造見(jiàn)圖1，連接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖2．

圖1 試件幾何尺寸及構(gòu)造Fig.1 Dimensions and details of specimen

圖2 節(jié)點(diǎn)詳圖Fig.2 Layout of specimen connection

1.2 材性試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB /T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[6]、GB /T 2975-1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》[7]對(duì)組成結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行材性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1．

表1 鋼材性能Tab.1 Steel properties

1.3 試驗(yàn)加載及量測(cè)方案

試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖 3，豎向荷載由兩個(gè) 2 000 kN同步油壓千斤頂提供．構(gòu)件在頂梁側(cè)端設(shè)置與作動(dòng)器尺寸匹配的加載端，利用一臺(tái)1 000 kN的水平作動(dòng)器施加水平反復(fù)荷載（或位移），保持兩層結(jié)構(gòu)剪力相同．

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test setup

按照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》JGJ101-1996[8]，試件屈服前采用荷載控制，屈服后采用位移控制．試件屈服的判定原則為觀察監(jiān)測(cè)應(yīng)變是否超過(guò)屈服應(yīng)變或滯回曲線是否產(chǎn)生較大非線性來(lái)綜合判定．豎向荷載加載方案：在柱頂施加豎向荷載，每柱柱頂施加 430 kN，加載分為兩級(jí)，每級(jí)加載215 kN．水平荷載加載方案：在彈性階段，采用荷載控制的方法，初始加載為100 kN，以100 kN為基數(shù)，接近屈服時(shí)減小為50 kN，試件整體屈服后改為位移加載，控制位移分別為屈服位移的 1.0、1.5、2.0、2.5…倍數(shù)加載，每級(jí)循環(huán)3次，要求荷載下降到最大承載力的85%以下時(shí)停止加載，加載制度見(jiàn)圖4．

圖4 加載制度示意圖Fig.4 Loading system

為測(cè)量整體位移和框架變形，在地梁處設(shè)置 1個(gè)百分表，在1層梁處東西各設(shè)置1個(gè)位移計(jì)，在底層梁和頂梁東側(cè)設(shè)置1個(gè)位移計(jì)，量測(cè)水平位移；在柱高的二分之一處設(shè)置位移計(jì)，監(jiān)控框架柱平面內(nèi)的變形情況．為測(cè)量梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)角，在梁柱節(jié)點(diǎn)處設(shè)置位于柱上的2個(gè)斜向位移計(jì)，測(cè)量框架梁柱節(jié)點(diǎn)處的相對(duì)轉(zhuǎn)角，具體布置見(jiàn)圖5．

圖5 位移計(jì)布置Fig.5 The arrangement of measuring points

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

2.1 主要試驗(yàn)現(xiàn)象

作動(dòng)器推向?yàn)檎?，拉向?yàn)樨?fù)，加載順序?yàn)橄日筘?fù)．豎向加載結(jié)束，檢查各儀表均正常工作后進(jìn)入水平加載．350 kN加載階段，1層板偏下部在主拉應(yīng)力作用下，形成沿 45°方向的拉力帶；墻板中部在主壓應(yīng)力作用下形成了一道波曲，其兩側(cè)較大范圍內(nèi)向相反方向鼓曲，形成較為明顯的3波形(見(jiàn)圖6a)．卸載至零點(diǎn)附近，1層板屈曲波形突然反向，伴隨巨大響聲，1層鋼板出現(xiàn)了“呼吸效應(yīng)”，2層板發(fā)出輕微響聲，卸載后變形均恢復(fù)．根據(jù)加載曲線可得試件屈服位移δy=14.36 mm，屈服荷載為500 kN，加載進(jìn)入位移控制階段．1.5δy加載階段，較大的殘余變形有類似于對(duì)角加勁肋的撐桿作用，使得1層板主壓應(yīng)力方向的殘余變形變化不大，主拉應(yīng)力方向逐漸被展平，留下清晰的沿對(duì)角方向的漆皮脫落跡線，反向加載過(guò)程中，1層板殘余變形見(jiàn)圖6b．2.5δy加載階段，推方向達(dá)到峰值荷載，1層柱翼緣屈曲，1層梁節(jié)點(diǎn)端板發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，1層板右上角部斜向撕裂；2層板沿對(duì)角方向單向殘余變形明顯．加載過(guò)程發(fā)現(xiàn)1層兩柱均明顯內(nèi)凹．3.0δy加載階段，1層板多處撕裂并發(fā)展，2層板殘余變形明顯(見(jiàn)圖 6c)，拉方向達(dá)到峰值荷載．4.5δy加載階段，3層側(cè)向支撐均有一側(cè)脫開(kāi)，3層框架梁翼緣均出現(xiàn)不同程度的屈曲．5δy加載階段，試件框架柱翼緣基本全部屈曲，整個(gè)結(jié)構(gòu)扭曲呈 S形，兩層板面外殘余變形均達(dá)30 mm以上，承載力下降超過(guò) 15%，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)并伴有殘余變形，試驗(yàn)結(jié)束．試件最終破壞見(jiàn)圖7．

2.2 破壞模式

試件破壞順序?yàn)閮?nèi)嵌鋼板屈曲、屈服，邊緣構(gòu)件屈服，內(nèi)嵌鋼板撕裂，邊緣構(gòu)件屈曲，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，邊緣構(gòu)件彎扭失穩(wěn)，節(jié)點(diǎn)塑性破壞．試件最終破壞圖見(jiàn)圖7，其破壞模式為：內(nèi)嵌板拉力帶發(fā)育充分，多處開(kāi)裂發(fā)生局部破壞，框架柱底部及柱頂部形成塑性鉸，框架柱全段屈服，試件面內(nèi)呈彎剪破壞模式，面外彎扭失穩(wěn)控制了最終承載力．1、2層鋼板在反復(fù)荷載作用下局部撕裂，鋼板面外殘余變形達(dá)30mm．

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 滯回性能

3.1.1 滯回曲線

試件的整體和各層的水平荷載-側(cè)移曲線見(jiàn)圖8．由圖可知，試件滯回曲線有以下特征：

1）試件在彈性階段，力和位移基本呈線性關(guān)系，試件的卸載剛度與屈服前的剛度基本相同．

2）試件屈服后，隨加載次數(shù)增多，卸載剛度比彈性剛度略有降低；卸載至零再反向加載時(shí)，加載曲線指向前一次循環(huán)的最大變形點(diǎn)，環(huán)體呈現(xiàn)較為明顯的反S形，有一定的捏縮，滯回曲線在卸載至零點(diǎn)位移時(shí)，鋼板面外突然反向變形時(shí)，出現(xiàn)負(fù)剛度，曲線出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)．通過(guò)圖8a與8b對(duì)比，1層剛度退化速度明顯快于2層；此時(shí)，2層鋼板面外變形較小，進(jìn)入塑性部分少，滯回環(huán)面積略?。珒?nèi)嵌板具有較高的冗余度，多處開(kāi)裂并沒(méi)有使結(jié)構(gòu)的承載力急劇下降．

3）加載至下降段，試件剛度退化較快，2層墻體環(huán)體展開(kāi)，2層參與耗能，在彎剪壓共同作用下結(jié)構(gòu)1層失去承載力，試驗(yàn)結(jié)束，導(dǎo)致2層較1層能耗有所減?。?/p>

圖6 內(nèi)嵌板變形圖Fig.6 Deformation of infill plate

圖7 試件破壞Fig.7 General damage of specimen

圖8 滯回曲線Fig.8 Hysteretic curves

圖9 骨架曲線Fig.9 Load-displacement envelope

表2 主要階段試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of specimen

3.1.2 骨架曲線

試件的骨架曲線見(jiàn)圖 9．由圖可知：試件的骨架曲線達(dá)到峰值荷載后下降較為平緩，在塑性階段，整體側(cè)移可達(dá)71.46 mm（推拉均值），層間側(cè)移角為1/41．采用通用彎矩法確定試件的屈服點(diǎn)、強(qiáng)度點(diǎn)和破壞點(diǎn)，特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)力學(xué)性能參數(shù)值見(jiàn)表2，試件的屈服荷載為575.1 kN，峰值荷載為708.2 kN，結(jié)構(gòu)的整體安全儲(chǔ)備為23.2%．采用位移延性系數(shù)對(duì)試件的延性進(jìn)行評(píng)價(jià)，延性系數(shù)列于表 2，整體延性系數(shù)達(dá)到3.78．試驗(yàn)延性系數(shù)計(jì)算量值偏小，主要原因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中側(cè)向支撐脫落，柱面外彎扭失穩(wěn)，后期承載力下降較快，導(dǎo)致試件承載力未能充分發(fā)揮．

3.2 性能退化

根據(jù) JGJ101-1996[8]，采用承載力退化系數(shù)λi來(lái)表征等幅荷載作用下的承載力穩(wěn)定性．表3給出了試件在各級(jí)加載位移下的承載力退化系數(shù)．由表3可知，隨著加載位移的增大，承載力退化不明顯，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的承載力穩(wěn)定性很好，不會(huì)發(fā)生突然破壞．按照我國(guó)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ99-1998[9]進(jìn)行試件設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)嵌板抗剪承載力為86.80 kN，在該設(shè)計(jì)荷載作用下試件保持完好，試件處于彈性階段，頂點(diǎn)位移約為1.58 mm，為試件總高度的 1/1 870．按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CB50011-2010[10]的規(guī)定，高層鋼結(jié)構(gòu)側(cè)移角控制在1/250，對(duì)應(yīng)荷載為433.66 kN，其為按照屈曲界定內(nèi)嵌板抗剪承載力的5.0倍．

表3 試件承載力退化系數(shù)Tab.3 Capacity degeneration coefficient

采用JGJ101-1996[8]中規(guī)定的峰值割線剛度對(duì)試件的剛度進(jìn)行評(píng)價(jià)，試件各層剛度退化見(jiàn)圖10(縱坐標(biāo)為加載級(jí)剛度與初始剛度的比值,試件初始剛度選用第一加載級(jí)對(duì)應(yīng)的峰值剛度)．試件整體彈性剛度為59.31 kN/m，初始剛度較高，但試件的剛度退化較為明顯．由圖10知，彈性階段隨著荷載的增加，試件剛度值不斷減小，試件在彈性階段剛度下降較為平緩，剛度降幅約為40%．1層框架柱底部出現(xiàn)屈服后，內(nèi)嵌鋼板有效性減小，從δ=2.0δy開(kāi)始1層結(jié)構(gòu)剛度小于2層剛度，δ=2.5δy時(shí)剛度損失70%．2層框架柱底部出現(xiàn)屈服以后，框架作為位移的主要抗側(cè)力構(gòu)件，試件的剛度降幅約90%，1層結(jié)構(gòu)在彎-剪-壓復(fù)合用下，剛度退化最為嚴(yán)重．

圖10 剛度退化Fig.10 Degeneration law of rigidity

3.3 耗能性能

將試件各層耗能量與整體耗能量的比值定義為耗能比，試件屈服后1、2層耗能比如圖11所示．由圖可知，彈性階段和彈塑性階段初期1、2層耗能量相當(dāng)；在試件進(jìn)入彈塑性階段后期，1層鋼板在彎-剪共同作用下，內(nèi)嵌板充分屈服，塑性變形面積明顯優(yōu)于2層鋼板．結(jié)構(gòu)整體耗能均勻，底部矮層結(jié)構(gòu)耗能量約占總能力的5%左右．

圖11 耗能比Fig11 Energy dissipation ratio

阻尼比是表征試件耗能能力的一個(gè)指標(biāo)，彈性階段取試件整體屈服加載級(jí)，粘滯阻尼系數(shù)為0.023；彈塑性階段取峰值荷載加載級(jí)，粘滯阻尼系數(shù)為0.085．目前，GB50011-2010[10]的8.2.2款規(guī)定，對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)，阻尼比彈性階段取0.02，彈塑性階段取0.05，可見(jiàn)其值滿足規(guī)定．

4 結(jié)論

(1) 結(jié)構(gòu)具有較高的承載力，CB50011-2010規(guī)定高層鋼結(jié)構(gòu)側(cè)移角 1/250時(shí)，對(duì)應(yīng)屈服荷載為433.66 kN，其為按照屈曲界定內(nèi)嵌板的抗剪承載力的5.0倍．試件的屈服荷載為575.09 kN，峰值荷載為708.20 kN，結(jié)構(gòu)的整體安全儲(chǔ)備約為23%．

(2) 試件整體側(cè)移角可達(dá)1/42；結(jié)構(gòu)整體的延性系數(shù)約為3.8，表明該種結(jié)構(gòu)具有良好的塑性變形能力；試件具有較好的初始抗側(cè)剛度，但剛度退化較為嚴(yán)重，彈性階段損失約40%，破壞時(shí)損失約80%～90%．

(3) 試件破壞順序?yàn)閮?nèi)嵌鋼板屈曲、屈服，邊緣構(gòu)件屈服，內(nèi)嵌鋼板撕裂，邊緣構(gòu)件屈曲，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，邊緣構(gòu)件彎扭失穩(wěn)，節(jié)點(diǎn)塑性破壞．節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力影響很小，同時(shí)避免了剛性節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)震下的脆性破壞，采用半剛性節(jié)點(diǎn)合理．

(4) 半剛性節(jié)點(diǎn)框架-鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的阻尼比在彈性階段為0.023，彈塑性極限狀態(tài)為0.085，高于CB 50011-2010對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的要求．

References

[1] EN1993 Eurocode3 Design of Steel Structures Part 1-8:Design of joints[S]. Bruxelles: European Convention for Constructional Steelwork, 1993.

[2] ANSI/AISC 360-05 Specification for structural steel buildings[S]. Chicago: American institute of Steel Construction, INC, 2005.

[3] GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2010.GB50017-2003 Code for design of steel structures[S].Beijing: China Planning Press, 2010.

[4] 解琦, 郝際平, 于金光. 半剛性框架-鋼板剪力墻體系性能研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2010, 31(S1), 12-17.XIE Qi, HAO Jiping, YU Jinguang. Behavior of semi-rigid frame with steel plate shear wall[J]. Journal of Building Structures, 2010, 31(S1), 12-17.

[5] 于金光, 郝際平. 腹板雙角鋼連接框架-非加勁薄鋼板剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 地震工程與工程振動(dòng),2011, 31(1): 84-90.YU Jinguang, HAO Jiping. Experimental study on seismic behavior of double web-angle connected steel frame-unstiffened steel plate shear wall structure[J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration 2011,31(1), 84-90.

[6] GB/T228.1-2010 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010.GB/T228.1-2010 Metallic materials Tensile testing at ambient temperature[S]. Beijing: China Standard Press, 2010.

[7] GB/T2975-1998 鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1998.GB/T2975-1998 Steel and Steel Products-Location and Preparation of Test Pieces for Mechanical Testing[S].Beijing: China Standard Press, 1998.

[8] JGJ101-1996 建筑試驗(yàn)抗震方法規(guī)程[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1997.JGJ101-1996 Specification of Testing Methods for Earthquake Resistant Building[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 1997.

[9] JGJ99-2012 高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2012.JGJ99-2012 Technical Specification for Steel Structure of Tall Building[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012.

[10] GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2010.GB50011-2010 Code for seismic design of buildings[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2010.