甘 璐 姚 勇

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

為保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、提高工程質(zhì)量，國(guó)家大力提倡裝配式建筑。分層裝配式鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化住宅體系是一種在參考日本先進(jìn)住宅結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)情研發(fā)的新型低層工業(yè)化住宅產(chǎn)品[1]，通過(guò)設(shè)置密柱、采用貫通梁、柱間支撐承擔(dān)水平力等特點(diǎn)對(duì)底層建筑進(jìn)行模數(shù)化集成設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)以及裝配式施工安裝，具有建筑質(zhì)量輕、施工快捷、工業(yè)化程度高、節(jié)能節(jié)地、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于現(xiàn)目前的分層裝配式鋼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)之間的連接大多采用焊接或栓焊連接。由于焊縫的設(shè)置不當(dāng)或施工質(zhì)量較差等問(wèn)題，焊接處的鋼材性能受到損壞，節(jié)點(diǎn)位置成為結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)[2]。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施焊也可能導(dǎo)致油漆的處理不當(dāng)，引起鋼材的腐蝕。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)處采用全螺栓連接能夠有效避免上述情況的發(fā)生，具有安裝速度快、施工質(zhì)量易控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以做到油漆全部由工廠涂裝，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕性能。

由于在裝配式鋼框架中全螺栓連接的使用大多集中在單層框架領(lǐng)域，而在分層裝配式鋼框架的節(jié)點(diǎn)處應(yīng)用較少。對(duì)于節(jié)點(diǎn)處采用螺栓連接的分層裝配式鋼框架，國(guó)內(nèi)外對(duì)其抗震性能方面的研究還不夠成熟?；诖?，本文對(duì)全螺栓分層裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周往復(fù)試驗(yàn)，對(duì)其抗震性能進(jìn)行初步探討。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)全螺栓分層裝配式鋼框架在工業(yè)化住宅中的應(yīng)用特征，本文選取一榀單跨兩層、縮尺比例為1∶2的結(jié)構(gòu)模型，底層層高為1 550 mm，二層層高為1 450 mm，跨度為1 800 mm，頂梁和底梁的截面尺寸為HN100×100×6×8 (mm)，框架柱截面尺寸為HN175×175×7.5×11 (mm)，模型采用Q235B鋼。為避免在梁柱節(jié)點(diǎn)處過(guò)早產(chǎn)生塑性鉸，設(shè)置斜向加勁肋對(duì)節(jié)點(diǎn)加以支撐。梁柱節(jié)點(diǎn)處采用M16摩擦型高強(qiáng)螺栓對(duì)強(qiáng)軸進(jìn)行連接，試件框架柱底部采用M20摩擦型高強(qiáng)螺栓與底梁進(jìn)行連接，試件的尺寸與構(gòu)造如圖1所示。本試驗(yàn)根據(jù)軸壓比的不同設(shè)計(jì)3個(gè)試件，分別為KJ-1(軸壓比為0)，KJ-2(軸壓比為0.2)，KJ-3(軸壓比為0.4)。

圖1 試件的尺寸與構(gòu)造詳圖Fig.1 Dimensions and construction details of the test specimen

1.2 試驗(yàn)布置與加載

試驗(yàn)采用MTS電液伺服加載系統(tǒng)對(duì)鋼框架進(jìn)行低周往復(fù)加載，用以模擬裝配式鋼框架在地震中的受力情況。試件頂部設(shè)置分配梁，作動(dòng)器與千斤頂均通過(guò)分配梁對(duì)試件施加豎向荷載。水平加載通過(guò)MTS操縱器進(jìn)行控制，豎直加載通過(guò)千斤頂與分配梁之間的力傳感器進(jìn)行控制，并在分配梁頂部設(shè)置滾軸，以減少試件側(cè)移過(guò)程中分配梁與力傳感器之間的摩擦。試件頂部位移通過(guò)MTS加載系統(tǒng)進(jìn)行采集，試件中部以及下部位移通過(guò)設(shè)置的位移計(jì)進(jìn)行采集。試件的布置如圖2所示。

圖2 試件的加載裝置Fig.2 The loading device of specimens

試驗(yàn)開(kāi)始前需對(duì)試件進(jìn)行預(yù)先加載，用以觀察試件安裝是否穩(wěn)定、螺栓是否松動(dòng)等現(xiàn)象。預(yù)加載試驗(yàn)僅對(duì)試件進(jìn)行水平預(yù)加載，采用位移控制，以10 mm為位移控制值對(duì)試件進(jìn)行兩次循環(huán)加載。調(diào)整預(yù)加載過(guò)程中出現(xiàn)的非試驗(yàn)因素后開(kāi)始對(duì)鋼框架進(jìn)行正式加載。試驗(yàn)嚴(yán)格按照《規(guī)程》[3]中擬靜力試驗(yàn)的加載步驟進(jìn)行，對(duì)受到豎向作用力的試件，首先對(duì)其施加豎向荷載，采用兩段式加載，加載至荷載設(shè)定值的1/2后穩(wěn)定10 s，再繼續(xù)加載至最終值。因鋼構(gòu)件的延性較大，承載力較低，水平加載全程采用位移控制。以10 mm為位移增量，每級(jí)加載采用3個(gè)循環(huán)，加載制度如圖3所示。當(dāng)荷載降低至極限強(qiáng)度的85%，鋼構(gòu)件局部出現(xiàn)過(guò)大屈曲或螺栓發(fā)生剪斷時(shí)，此時(shí)判定為試件破壞，終止加載。

圖3 低周反復(fù)試驗(yàn)加載制度Fig.3 Low-cycle trial loading system

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞過(guò)程

3組試件在加載初期的試驗(yàn)現(xiàn)象很相似。因位移控制值較小，各組試件處于彈性階段，試件在每一循環(huán)終止后均能回到最初位置。隨著加載的繼續(xù)增加，KJ-1最早達(dá)到屈服荷載，荷載位移曲線斜率較上一階段明顯下降，構(gòu)件中部節(jié)點(diǎn)處發(fā)生屈服，位移角增大。最終，試件KJ-1發(fā)生平面外失穩(wěn)破壞，如圖4所示。KJ-2與KJ-3的破壞過(guò)程基本相同。試件接近破壞時(shí)伴有刺耳聲，底部螺栓發(fā)生松動(dòng)，試件的最終破壞是由于底部節(jié)點(diǎn)處發(fā)生屈服，部分螺栓被拔出，如圖4所示。

圖4 破壞現(xiàn)象Fig.4 The damage phenomenon

2.2 滯回曲線

各試件頂部的荷載與位移通過(guò)MTS采集系統(tǒng)進(jìn)行采集并繪制成滯回曲線，如圖5所示。滯回曲線表示了試件在不同加載循環(huán)階段下荷載與位移的關(guān)系，反映了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能[4]。從圖5可以看出：在相同位移下，曲線斜率隨著加載次數(shù)的增加而減小，表明在循環(huán)荷載作用下試件的剛度逐漸減小，尤其在試件KJ-1中表現(xiàn)得極為明顯。根據(jù)3組試驗(yàn)曲線顯示，滯回曲線均具有從梭形向弓形轉(zhuǎn)變的過(guò)程。循環(huán)往復(fù)的次數(shù)越多，滯回環(huán)捏攏現(xiàn)象越明顯，且在低位移作用下，試件的承載力提高不明顯，表明試件的殘余變形在累積。在相同的加載循環(huán)下，尤其試件進(jìn)入塑性階段后，試件KJ-1滯回環(huán)逐漸變?yōu)榉础癝”形，曲線包圍面積較小；而試件KJ-2和KJ-3的曲線更為飽滿，塑性階段后仍基本保持梭形，且曲線的斜率下降較慢，說(shuō)明在一定的軸壓比作用下，全螺栓分層式裝配式剛框架的整體性能較好，鋼框架的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，結(jié)構(gòu)的抗震耗能能力得到提高。

2.3 骨架曲線

將滯回曲線中每一滯回環(huán)的峰值點(diǎn)進(jìn)行連接，形成的曲線稱為骨架曲線，骨架曲線反映了試件在低周反復(fù)荷載下的承載力-變形關(guān)系[5]。各試件根據(jù)滯回曲線所得出的骨架曲線如圖6所示。對(duì)于無(wú)明顯屈服點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，采用能量等效面積法確定出各試件的屈服值，所確定的骨架曲線特征值見(jiàn)表1。

從圖6看出，KJ-1曲線斜率過(guò)早地降低，表明試件進(jìn)入屈服階段較早，而KJ-2和KJ-3試件在屈服前曲線的走勢(shì)基本一致，從而可知，鋼框架在雙向作用力作用下，某一方向上的壓力能夠提高結(jié)構(gòu)在另一方向上的強(qiáng)度。從曲線也可以看出，各曲線的斜率變化點(diǎn)、峰值點(diǎn)以及破壞點(diǎn)均不相同。在不同的軸壓比作用下，軸壓比越高，試件的屈服能力就越高，因此，適當(dāng)增加軸壓比有利于提高框架的抗屈服能力。結(jié)合表1的曲線特征值，可以看出豎向作用力能夠明顯地提高試件的極限承載力和位移，與試件KJ-1相比，KJ-2的極限承載力提高了86.6%，破壞時(shí)的位移提高了25.1%；KJ-3的極限承載力提高了193.2%，破壞時(shí)的位移提高了56.6%。但是，試件的延性卻隨著豎向作用力的增大而減小，表明試件KJ-2，KJ-3在達(dá)到極限承載能力后水平段較少，試件的持荷能力降低。

圖6 骨架曲線Fig.6 The skeleton curve

試件編號(hào) 屈服點(diǎn) 極限點(diǎn) 破壞點(diǎn) 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 剛度退化曲線

試件剛度隨著加載循環(huán)周數(shù)增加而不斷減小的現(xiàn)象稱之為剛度退化[6]，是試件發(fā)生塑性變形的充分體現(xiàn)，各試件的剛度退化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，各試件在正反兩個(gè)方向的曲線基本呈“幾”字形，每一加載循環(huán)中剛度退化均勻。試件的剛度隨著豎向作用力的增加而增加，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，KJ-3試件的剛度始終大于KJ-1和KJ-2，但是KJ-3的剛度退化更為迅速，破壞時(shí)的剛度僅為初始值的42.3%。由此得出，在適當(dāng)增加軸向壓力的情況下，有利于提高框架的整體剛度，但剛度的退化相對(duì)于未施加軸向壓力的框架而言，下降得更加迅速。

圖7 等效剛度曲線Fig.7 The equivalent stiffness curve

2.5 耗能能力

結(jié)構(gòu)的耗能能力指在地震作用下墻體吸收的能量，通?？捎赡芰亢纳⑾禂?shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he來(lái)反應(yīng)[7]。能量耗散系數(shù)E通過(guò)每階段荷載-變形滯回曲線所包絡(luò)的面積來(lái)衡量，等效黏滯阻尼系數(shù)he越大，表明試件產(chǎn)生的變形越大，抗震性能越好。3組試件的E以及he見(jiàn)表2。由表2可知，隨著加載位移的增加，KJ-2以及KJ-3的耗能能力不斷提高，從極限階段到破壞階段，試件的耗能能力能夠保持不變。因未施加豎向作用力，且最終發(fā)生平面外的失穩(wěn)破壞，試件KJ-1的耗能能力在不斷降低，明顯低于KJ-2以及KJ-3試件。

表2 試件耗能指標(biāo)Table 2 The energy dissipation index of specimens

3 結(jié)論

全螺栓裝配式鋼框架在低周往復(fù)荷載作用下的破壞特征具體表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)屈服、螺釘被拔出，屬于延性破壞。在豎向壓力作用下，框架的滯回曲線飽滿，結(jié)構(gòu)的整體性好，在極限承載力、延性和耗能等方面均優(yōu)于無(wú)豎向壓力作用的試件，滿足抗震設(shè)計(jì)的要求，可在烈度設(shè)防區(qū)的低層建筑中使用。