孫玉康，李啟才，丁志昌，張 萍，王 偉

（蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，江蘇 蘇州 215011）

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)一般采用構(gòu)件塑性發(fā)展來耗能，例如在梁端形成塑性鉸，雖然結(jié)構(gòu)在震后不會因倒塌而威脅生命安全，但主體構(gòu)件往往存在較大的殘余變形而增加其維修成本及難度，甚至需要拆除整個建筑。為了降低主體結(jié)構(gòu)的破壞程度，減小結(jié)構(gòu)的殘余變形，減輕地震荷載響應(yīng)，方便震后維修，新型的自復(fù)位鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系應(yīng)運而生。

近十幾年來，國內(nèi)外學(xué)者在自復(fù)位結(jié)構(gòu)理論分析和試驗研究方面取得了豐碩成果。2001年，Ricles[1-2]首次提出了一種具有自復(fù)位功能的后張拉鋼框架梁柱節(jié)點，隨后進(jìn)行了 9 個節(jié)點試件的試驗，并用有限元軟件模擬了試驗節(jié)點。試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合，后張拉梁柱節(jié)點基本處于彈性狀態(tài)，通過角鋼耗散能量，基本實現(xiàn)自復(fù)位功能。2002年，Garlock 等[3-6]設(shè)計了一系列自復(fù)位鋼框架節(jié)點試件并對其進(jìn)行擬靜力往復(fù)加載試驗，著重研究了角鋼厚度、預(yù)應(yīng)力鋼絞線數(shù)量和初始預(yù)應(yīng)力大小等對節(jié)點復(fù)位性能的影響。該研究表明：當(dāng)參數(shù)設(shè)計合理時，主體結(jié)構(gòu)的梁、柱依然保持彈性狀態(tài)，能量則由角鋼進(jìn)入塑性來耗散，震后，節(jié)點在預(yù)應(yīng)力鋼絞線作用下可以回復(fù)到其初始位置。2010年，Clayton[7-8]首先提出了新型的自復(fù)位鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)（SC-SPSW）體系。這種新型的自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系是初始剛度和耗能能力均較好的薄鋼板剪力墻和后張拉梁柱節(jié)點相結(jié)合而成的，為了達(dá)到自復(fù)位目的，要求該結(jié)構(gòu)的鋼框架在整個受力過程中始終保持彈性狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)體系的復(fù)位功能是通過后張拉節(jié)點實現(xiàn)的，但其耗能并不是依靠鋼框架節(jié)點處安裝耗能器（如角鋼）來耗能，而是利用與框架梁柱四邊連接的內(nèi)嵌薄鋼板來耗能。2013年，Clayton 等[9-10]對兩邊連接（內(nèi)填鋼板只與框架梁連接）的自復(fù)位鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，并對一個三層縮尺試件進(jìn)行了擬靜力試驗。研究結(jié)果表明，與四邊連接（內(nèi)填鋼板與框架梁、柱均連接）的鋼板剪力墻-自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系相比，主要有以下優(yōu)點：消除內(nèi)嵌鋼板對框架柱產(chǎn)生的附加彎矩和減輕對框架梁產(chǎn)生的附加軸力；減小框架柱的截面尺寸，從而也減小了用鋼量，減輕對內(nèi)嵌鋼板墻的損傷。

2013年起，田偉、經(jīng)聰、張萍等[11-13]對蝴蝶形鋼板剪力墻自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了一系列有限元模擬分析和少量試驗研究，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)填開菱形孔薄鋼板由拉力場受力模式轉(zhuǎn)化為蝴蝶桿彎剪型受力模式，消除了薄鋼板呼吸作用產(chǎn)生的巨大響聲，提高了體系耗能能力，并且進(jìn)一步減輕了內(nèi)填板對主體框架的需求。為了更加有效地減輕內(nèi)填板鋼板的面外變形和增加耗能，本文對一個單層單跨足尺的雙向蝴蝶形鋼板墻自復(fù)位結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了擬靜力低周往復(fù)加載試驗，為該結(jié)構(gòu)系的進(jìn)一步研究提供相關(guān)資料。

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計

為了保證試驗自復(fù)位框架的可重復(fù)性而僅需更換蝴蝶板構(gòu)件，框架梁柱應(yīng)在整個受力過程中保持彈性受力狀態(tài)以減少損傷，因此較實際工程而言保守設(shè)計了一個足尺的自復(fù)位鋼框架?？蚣芰汉涂蚣苤褂煤附?H 型鋼，柱截面尺寸 H250 mm×250 mm×12 mm×16 mm，梁截面尺寸 H350 mm×220 mm×12 mm×16 mm，鋼材強(qiáng)度等級為Q345B。柱軸線間距L=5 100 mm，層高H=3 000 mm。柱腳采用銷軸形式的鉸接連接。

框架梁柱連接均采用預(yù)應(yīng)力自復(fù)位節(jié)點，即沿梁腹板兩側(cè)對稱布置6 組通長預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每組由三根直徑為15.2 mm 的鋼絞線組成，每組鋼絞線設(shè)計的初始預(yù)應(yīng)力為165 kN。通過圓柱型錨具預(yù)應(yīng)力鋼絞線固定在框架柱外翼緣加強(qiáng)板處，且在一側(cè)（西側(cè)）錨具處安裝壓力傳感器來監(jiān)控預(yù)應(yīng)力施加和試驗過程中預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律。

內(nèi)填雙向蝴蝶板采用Q235B 鋼，強(qiáng)度低于框架梁柱的Q345B 鋼，以增加其延性和耗能并減小墻板對框架的作用，厚度為10 mm。為了防止墻板過早發(fā)生面外失穩(wěn)，在其兩側(cè)和中間分別通過高強(qiáng)螺栓連接了兩根槽鋼（140 mm×55 mm×4 mm，長度為 2 400 mm）。內(nèi)填鋼板通過上下各兩根角鋼（L110 mm×110 mm×10 mm，長度為2 100 mm）與框架梁用10.9 級高強(qiáng)度螺栓連接。雙向蝴蝶板詳圖如圖1 所示，試件詳圖如圖2 所示。

圖1 雙向蝴蝶板詳圖

圖2 試件詳圖

2.2 材性試驗

材性試驗為單向拉伸試驗，按照《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》（GB/T 2975-2018）[14]和《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》（GB /T228.1-2010）[15]的規(guī)定方法進(jìn)行了材性試驗。依據(jù)所用鋼材厚度（10、12、16 mm）的不同，分為 3 組，分別命名為 S-10、S-12 和 S-16，每組均制作 3 個試件。結(jié)果如表1 所列。

表1 鋼材材料性能

2.3 試驗加載裝置和加載制度

本次試驗采用最大軸向力為1 000 kN 的作動器對自復(fù)位鋼框架進(jìn)行加載。作動器的一端與反力墻鉸接，另一端則和加載梁鉸接連接，加載梁與頂梁通過高強(qiáng)度螺栓連接。加載過程中，為避免試件發(fā)生面外失穩(wěn)，在加載梁處設(shè)置了兩道平面外側(cè)向支撐。試驗加載裝置示意如圖3 所示。

圖3 試件加載裝置圖

該試驗全程采用位移控制，通過參考美國SAC（1997）[16]規(guī)范進(jìn)行加載。首先進(jìn)行預(yù)加載，待確定數(shù)據(jù)讀取正常后，再開始正式加載。加載級共有六級，試件整體位移角分別為0.375%、0.5%、1%、1.5%、2%和3%，對應(yīng)的位移分別為 14 mm、19 mm、34 mm、54 mm、75 mm 和 113 mm，每級加載循環(huán)次數(shù)分別為 6 圈、6 圈、4圈、2 圈、2 圈和 2 圈。

2.4 測點布置

試件位移計、應(yīng)變花和壓力傳感器布置見圖4。為了得到框架的的整體位移角，布置位移計DT2、DT11、DT6 和DT12；為了得到試件層間位移角，布置位移計DT10、DT11、DT12 和DT13；為了得到梁柱節(jié)點的轉(zhuǎn)角變形，布置位移計DT3、DT4、DT7 和DT8；為了得到地梁的滑移量，布置位移計DT1。因為加載梁的存在，無法在頂層梁上翼緣處布置位移計。在梁柱節(jié)點區(qū)、內(nèi)填蝴蝶板和預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固處布置應(yīng)變花來監(jiān)控這些部位應(yīng)力發(fā)展?fàn)顩r。為了獲得試件在整個加載過程中每組鋼絞線預(yù)應(yīng)力的變化情況，在其左側(cè)（西側(cè)）錨固處分別布置一組壓力傳感器（LC1～LC12），共計12 個。

圖4 位移計和應(yīng)變花布置圖

3 試驗現(xiàn)象

根據(jù)不同加載級，對試驗現(xiàn)象進(jìn)行描述。

在第一加載級（位移角為0.375%）和第二加載級（位移角為0.5%）時，梁柱節(jié)點處的壓力傳感器和位移計數(shù)值基本沒有變化，且鋼框架無明顯現(xiàn)象，表明節(jié)點沒有打開，從后面的滯回曲線也可以看出，內(nèi)填雙向蝴蝶板幾乎沒有發(fā)生面外變形，此時試件基本處于彈性受力狀態(tài)。卸載后，試件可實現(xiàn)完全復(fù)位。

在第三加載級（位移角為1%）加載時，梁柱節(jié)點開始打開，節(jié)點處位移計顯示數(shù)數(shù)開始有變化，鋼絞線預(yù)應(yīng)力值增加明顯，蝴蝶桿的面外變形有微小的彎曲變形。試件開始出現(xiàn)間斷的響聲，觀察發(fā)現(xiàn)是內(nèi)填板與框架梁連接處出現(xiàn)拉拔現(xiàn)象，螺栓發(fā)生滑移產(chǎn)生的，如圖5 所示。

在第四加載級（位移角為1.5%）和第五加載級（位移角為2%），梁柱節(jié)點打開更加明顯（見圖6），節(jié)點處上下兩組鋼絞線預(yù)應(yīng)力值不斷增大且變化一致，說明梁柱節(jié)點脫開具有一致性。內(nèi)填雙向蝴蝶板中豎向蝴蝶桿在槽鋼的限制下幾乎沒有發(fā)生面外變形，而橫向蝴蝶桿彎曲變形較為明顯（見圖7）。

加載到第六加載級（位移角為3%位移角）時，蝴蝶桿沒有發(fā)生撕裂破壞，槽鋼沒有變形，內(nèi)填板與框架梁的拉拔現(xiàn)象加劇，試件的承載力一直在增加。試驗前墻板和試驗后墻板分別如圖8 和圖9 所示。

圖5 墻板及螺栓滑移

圖6 蝴蝶桿彎曲變形

圖7 節(jié)點打開

圖8 試驗前墻板

圖9 試驗后墻板

4 試驗結(jié)果分析

4.1 試件滯回曲線

為了研究雙向蝴蝶形鋼板墻-鋼框架自復(fù)位結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過整理試驗位移計數(shù)據(jù)，得到該試件的層間滯回曲線和和一個節(jié)點轉(zhuǎn)角滯回曲線，分別如圖10 和圖11 所示。

通過對層間和節(jié)點滯回曲線進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論：（1）當(dāng)試件在前兩個加載級（即0.375%和0.5%）時，水平荷載較小，節(jié)點的轉(zhuǎn)動變形主要是來自于梁柱的彈性變形，此時的內(nèi)嵌蝴蝶板基本處于彈性狀態(tài)，只有很小一部分進(jìn)入塑性耗能。卸載后，幾乎沒有殘余位移角，結(jié)構(gòu)基本實現(xiàn)了完全復(fù)位。（2）當(dāng)試件再進(jìn)行逐級加載時，隨著水平荷載的增加，滯回環(huán)展開并且包含的面積不斷增加。卸載時，殘余位移角也不斷增大。（3）直到最大層間位移角3%時，試件的承載力一直在增加，未出現(xiàn)承載力退化。正向承載力最大值為448.06kN，負(fù)向承載力最大值為479.43 kN，正負(fù)向承載力的細(xì)微差別可能是系統(tǒng)摩擦和正負(fù)向推拉時內(nèi)嵌蝴蝶板的塑性變形、面外屈曲等原因產(chǎn)生的。（4）試件的層間位移角大于相應(yīng)的節(jié)點轉(zhuǎn)角，這是因為試件的層間變形主要來自于節(jié)點的轉(zhuǎn)角變形和鋼框架整體的剪切變形。

圖10 層間滯回曲線

圖11 節(jié)點滯回曲線

4.2 試件耗能

結(jié)構(gòu)耗能能力是評價其抗震性能的一個重要指標(biāo)，在荷載-位移曲線上，滯回環(huán)所包圍的面積代表結(jié)構(gòu)的耗能，面積越大，表示能量耗散越多。它實質(zhì)上表示結(jié)構(gòu)吸收地震能量后轉(zhuǎn)化為其他非彈性變形能量的部分。該試件的耗能主要是由內(nèi)填雙向蝴蝶形鋼板構(gòu)件提供的。本次試驗結(jié)構(gòu)的耗能能力是通過耗能量和能量耗散系數(shù)來描述的，分別如圖12 和圖13 所示。

通過對耗能量和能量耗散系數(shù)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：（1）在前兩個加載級，試件耗能非常小，基本處于彈性受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的微小耗能可能來自于系統(tǒng)的摩擦等。（2）隨著內(nèi)填鋼板進(jìn)入塑性的程度愈來愈大，耗能能力也不斷提高。（3）試件的耗能量隨著位移角的增大而增加，而能量耗散系數(shù)在位移角為1.5%時達(dá)到最大值，隨后略有降低。原因是在位移角1.5%之前，內(nèi)填蝴蝶板主要是平面內(nèi)塑性發(fā)展越來越充分，使能量耗散系數(shù)愈來愈大；位移角1.5%之后，橫向蝴蝶桿平面外的彎扭變形不斷發(fā)展，使得試件的耗能能力下降。

4.3 試件殘余變形

結(jié)構(gòu)殘余變形的變化規(guī)律，不僅可以反映結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)程，而且是評定自復(fù)位結(jié)構(gòu)復(fù)位功能的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)鋼框架在震后具有較大的殘余變形，這主要是主體構(gòu)件梁柱發(fā)生的塑性損傷造成的，而內(nèi)嵌蝴蝶形鋼板的自復(fù)位鋼框架的殘余變形，是蝴蝶板（作為耗能器）在發(fā)生塑性變形產(chǎn)生的永久變形。本試驗從殘余層間位移角和殘余節(jié)點轉(zhuǎn)角兩個方面考察結(jié)構(gòu)的殘余變形，分別如圖14 和圖15 所示。

通過對殘余層間位移角和殘余節(jié)點轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論：（1）當(dāng)結(jié)構(gòu)處于前兩個加載級（即位移角為0.375%和位移角為0.5%）時，由于基本處于彈性階段，層間殘余位移角和殘余節(jié)點轉(zhuǎn)角均幾乎為零。（2）隨著位移角的增加，墻板進(jìn)入塑性耗能階段，殘余變形變化趨勢一致，且正向和負(fù)向殘余變形基本對稱。（3）在整個加載過程中，試件的殘余變形隨著位移角的增加而不斷增加。在位移角為3%時，正向加載的最大殘余層間位移角為1.09%，最大殘余節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.57%，負(fù)向加載的最大殘余層間位移角為0.94%，最大殘余節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.54%。復(fù)位效果并不理想，這主要是由于鋼框架柱尺寸設(shè)計偏小，導(dǎo)致框架柱出現(xiàn)彎曲變形，內(nèi)填鋼板板較厚，反向加載時存在較大的殘余壓力，且經(jīng)多次試驗后在梁柱節(jié)點區(qū)發(fā)生局部剪切屈服損傷造成的，這也表明當(dāng)梁柱節(jié)點進(jìn)入彈塑性階段，對結(jié)構(gòu)的復(fù)位性能影響很大。

圖12 耗能量

圖13 能量耗散系數(shù)

圖14 殘余層間位移角

圖15 殘余節(jié)點轉(zhuǎn)角

4.4 梁柱Mises應(yīng)力

分析應(yīng)變片得到的幾個典型測點的Mises 應(yīng)力如圖16 所示，通過分析圖16 可以得出：所列測點Mises應(yīng)力均小于相應(yīng)的鋼材的屈服強(qiáng)度，表明框架梁柱在測點處處于彈性受力狀態(tài)；Mises 應(yīng)力隨水平荷載呈現(xiàn)規(guī)律變化，有些呈現(xiàn)明顯的對稱性，但大部分測點正負(fù)向并不對稱。

圖16 測點Mises 應(yīng)力

4.5 內(nèi)嵌蝴蝶板應(yīng)變分析

試件的內(nèi)填雙向蝴蝶板2 個測點的整體剪應(yīng)變和前期（前兩個加載級）剪應(yīng)變隨水平荷載變化曲線如圖17 所示，sg53 為內(nèi)填板橫向蝴蝶桿腰部測點，sg48 為內(nèi)填板豎向向蝴蝶桿端部測點。通過分析圖17 可以得出：（1）在加載前期橫向蝴蝶桿腰部呈現(xiàn)為平面內(nèi)剪切變形，且剪應(yīng)變對稱變化，但隨著加載的繼續(xù)，面外變形程度加大，受力性質(zhì)發(fā)生了改變，其剪應(yīng)變變化失去規(guī)律。（2）豎向蝴蝶桿端部由于貫通板帶的約束，其變形受到制約。在加載前期，其剪應(yīng)變呈現(xiàn)一定程度的對稱變化，但隨著加載的繼續(xù)，端部的面外變形越來越大，其剪應(yīng)變變化也失去規(guī)律。

圖17 蝴蝶桿剪應(yīng)變

4.6 預(yù)應(yīng)力曲線

預(yù)應(yīng)力-位移角曲線中每層梁的預(yù)應(yīng)力值取其6 股鋼絞線預(yù)應(yīng)力的平均值。試件的預(yù)應(yīng)力曲線如圖18 所示，從中可知：（1）當(dāng)位移角小于0.5%時，預(yù)應(yīng)力值幾乎無變化，這也驗證了在前兩個加載級，試件基本處于彈性狀態(tài)，梁柱節(jié)點沒有打開。（2）隨著加載的進(jìn)行，節(jié)點打開，鋼絞線被拉長，預(yù)應(yīng)力隨著位移角的增大而基本呈線性增加。（3）每層梁鋼絞線的預(yù)應(yīng)力損失很小并且始終處于彈性狀態(tài)。（4）預(yù)應(yīng)力-位移角曲線正向和負(fù)向并不對稱，底梁的正向預(yù)應(yīng)力值大于負(fù)向預(yù)應(yīng)力值，而頂梁的正向預(yù)應(yīng)力值小于負(fù)向預(yù)應(yīng)力值。

圖18 預(yù)應(yīng)力-位移曲線

5 結(jié)論及建議

本文通過對一榀足尺雙向蝴蝶形鋼板墻-鋼框架自復(fù)位結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗研究得出如下結(jié)論：

（1）雙向蝴蝶形鋼板墻-鋼框架自復(fù)位結(jié)構(gòu)具有較好的承載力、變形能力和耗能能力。

（2）試件由于自復(fù)位框架柱抗彎剛度偏小及梁柱節(jié)點在局壓作用下發(fā)生了彈塑性損傷，影響了體系的復(fù)位功效，但依然有效控制殘余變形的發(fā)展。試驗可為實際工程提供參考，即梁柱節(jié)點區(qū)應(yīng)局部增強(qiáng)以提高其抗局壓能力，如梁柱節(jié)點區(qū)焊接鋼板形成封閉截面且相應(yīng)增加框架柱截面，使得框架與蝴蝶板具有一致的初始剛度，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)耗能與復(fù)位的有機(jī)統(tǒng)一。

（3） 連接雙向蝴蝶形鋼板墻與框架梁的高強(qiáng)螺栓在水平荷載較大時會出現(xiàn)了一定滑移，影響了試件性能的發(fā)揮，需要采取應(yīng)對措施來避免或延緩螺栓的滑移。