王麗軍
(中鐵十六局集團電氣化工程有限公司 北京 100018)
分層裝配式輕鋼框架較傳統(tǒng)柱連續(xù)形式框架易于吊裝裝配,也有利于實施高度集成的模塊化裝配,現(xiàn)場裝配施工時在樓層連接處梁柱間采用螺栓連接,能很好地滿足國家對建筑工業(yè)化的需求。雖存在螺栓數(shù)量多等缺點,但現(xiàn)場裝配速度快,且在一定程度上能消除現(xiàn)場焊接所帶來的焊接缺陷。如何保證節(jié)點承載能力及抗震性能,以便將其應用于高烈度抗震設防區(qū)的結(jié)構(gòu)中能取得更好應用效果是研究的重點[1-2]。
采用全螺栓連接節(jié)點可提高結(jié)構(gòu)耗能能力和延性,節(jié)點通過在螺栓接觸面上滑移而耗能并降低地震作用下的破壞程度。Liu等[3-4]提出全螺栓連接節(jié)點,并通過研究表明節(jié)點具有良好抗震性能。Ai-Lin等[5]提出了“預制柱-法蘭梁-柱”螺栓連接節(jié)點,研究表明在合理設定參數(shù)條件下具有良好抗震性能。Liu等[6]提出新型梁柱螺栓連接方法,并根據(jù)研究提出分層式裝配整體結(jié)構(gòu)和節(jié)點設計方法[7]。陳越時等[8]對某三層足尺分層裝配支撐-鋼框架進行振動臺試驗,表明其具有良好抗震性能與震后可恢復性。王偉等[9-10]利用ABAQUS軟件分析節(jié)點性能對分層裝配鋼框架抗震性能的影響,當節(jié)點剛度大于4EIc/Lc時,才能滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求。已有文獻中,“強柱弱梁”框架中采用的多為柱貫通形式[11],有學者們研究多類柱貫通梁柱節(jié)點抗震性能,包括如何更好地滿足“強節(jié)點弱桿件”的抗震設計準則[12],滿足強震發(fā)生時節(jié)點不失效要求。但針對梁貫通的框架如何滿足“強節(jié)點弱構(gòu)件”抗震設計準則,需針對性開展抗震性能研究。
建筑高度增加會導致軸壓比增大,結(jié)構(gòu)延性降低,抗震性能變差。故應開展此類結(jié)構(gòu)體系隨軸壓比增大結(jié)構(gòu)抗震性能的變化研究。增設支撐能明顯提高框架抗側(cè)能力,提高結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時的耗能能力,但其工作機理及破壞模式仍需進一步明確。
開展全螺栓分層裝配式輕鋼框架抗震性能試驗,探究不同軸壓比、支撐等因素對框架抗震性能影響。對框架進行低周往復加載靜力試驗,獲得結(jié)構(gòu)抗震性能,針對性給出加強策略,以期為分層裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)應用提供數(shù)據(jù)支持。
共設計制作兩類4個分層裝配式輕鋼框架試件。其中編號為QK-1、QK-2、QK-3試件用于重點考察軸壓比變化對試件抗震性能的影響,以便工程應用時進行節(jié)點類型選擇及構(gòu)造加強處理;QKZ-4為設置斜向方管支撐試件,每端使用4個M16螺栓固定,設置連有斜向支撐節(jié)點的加腋板,避免未加強節(jié)點發(fā)生破壞,參數(shù)見表1。
表1 試件參數(shù)
結(jié)構(gòu)原型為首層層高3 100 mm、以上各層層高2 900 mm、跨度3 600 mm的框架結(jié)構(gòu)。結(jié)合我國《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010),依據(jù)現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》(GB 50017—2017)及已有研究成果,柱截面尺寸為HW175×175×7.5×11,梁截面尺寸為HW100×100×6×8,設計制作1∶2縮尺比例模型。跨度為1 800 mm,首層層高1 550 mm,二層層高1 450 mm。鋼材均選用Q235B級結(jié)構(gòu)鋼,梁柱采用H型鋼,梁柱間連接采用8.8級M18摩擦型高強螺栓。梁端及柱端焊接端板,端板尺寸為175×175×10 mm。柱腳通過M20摩擦型高強螺栓與底梁固定,然后利用高強螺栓將柱端板與第一、第二層框架梁翼緣進行連接,形成實驗室加載框架。框架和節(jié)點具體構(gòu)造見圖1、圖2。
圖1 整體試件(單位:mm)
圖2 試件節(jié)點細部構(gòu)造(單位:mm)
試驗所用鋼材的力學性能參照《金屬材料拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)有關規(guī)定進行試驗,所測得數(shù)據(jù)見表2。
表2 鋼材力學性能指標
試驗加載裝置見圖3。通過M36地錨螺栓將底梁固定于反力地坪上,再將實驗框架和反力地坪固定,在頂梁上部設置分配梁,千斤頂固定到分配梁上。分配梁與頂梁通過卡固件固定,千斤頂與分配梁間設置滾軸,以保證加載過程中豎向荷載與試件始終保持垂直。MTS液壓作動器于試件二層頂梁左端處施加水平低周往復荷載。在試件兩側(cè)布置側(cè)向滑動支撐桿,以防止試件加載過程中發(fā)生平面外失穩(wěn)。
圖3 試驗裝置示意
首先施加表1所示柱頂軸壓,水平方向采用位移控制方式施加低周往復荷載,級差增量為10 mm,且每級位移循環(huán)3周。當試件出現(xiàn)節(jié)點板件破壞、螺栓拉斷、試件發(fā)生面外失穩(wěn)等現(xiàn)象時,停止加載。
試件所受軸壓由分配梁頂部的壓力傳感器量測,框架水平側(cè)移由布置在柱側(cè)位移計1~3測量。共粘貼46個應變片,通過讀數(shù)判斷構(gòu)件所處應力狀態(tài),獲得應力隨加載進行的變化情況。應變采用DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。位移計、應變片具體布置見圖4。
圖4 測試元件布置
(1)QK-1加載至40 mm時,梁柱節(jié)點出現(xiàn)不可恢復變形,但梁柱未出現(xiàn)明顯變形;隨加載位移增加,框架變形繼續(xù)增大;加載至70 mm時一層梁柱連接部位螺栓開始出現(xiàn)滑移,對梁柱的約束減弱,且第一、二層梁端翼緣出現(xiàn)局部屈曲,水平加載后期連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壞,對框架的約束作用降低,導致繼續(xù)加載時發(fā)生面外失穩(wěn)(見圖5a)。
圖5 各試件破壞特征
(2)QK-2水平位移加載至50 mm時,加腋板附近梁翼緣出現(xiàn)局部鼓曲變形(見圖5b);加載至60 mm時,框架產(chǎn)生較大側(cè)移,梁翼緣鼓曲現(xiàn)象越發(fā)明顯,梁端形成塑性鉸;加載至90 mm時,柱底處翼緣漆局部脫落,發(fā)生局部屈曲,隨后承載力降低較快。
(3)QK-3位移加載至70 mm時,節(jié)點處螺栓滑移明顯,伴隨較大的摩擦響聲;加載至80 mm時頂層梁翼緣扭曲變形增大,梁腹板上出現(xiàn)鼓屈現(xiàn)象;加載至110 mm時腹板鼓曲嚴重,柱底端發(fā)生局部屈曲(見圖5c);加載到120 mm時,承載力大幅下降。
(4)QKZ-4加載至30 mm時,二層支撐和框架頂梁翼緣焊縫被撕裂,梁產(chǎn)生塑性鉸,柱無明顯變形;加載至50 mm時,二層支撐和梁翼緣均出現(xiàn)輕微鼓曲,斜支撐原有撕裂口不斷擴大,框架頂梁腹板內(nèi)加肋處焊縫開裂;加載至65 mm時,支撐端部發(fā)生局部屈曲,隨后加腋板發(fā)生面外輕微變形,承載力大幅降低,梁端翼緣發(fā)生明顯局部屈曲。
QKZ-4在加載過程中,斜支撐先出現(xiàn)局部屈曲,框架側(cè)移比QK-3要小,但屈服荷載、峰值荷載和破壞荷載均高于QK-3,說明斜支撐能有效提高框架的承載能力和抗側(cè)剛度。
由圖6可知:(1)由于QK-1缺少柱頂軸壓作用,水平荷載作用下快速發(fā)生傾覆,塑性發(fā)展不充分;(2)其余的三個試件,隨軸壓比增大,曲線均存在捏縮現(xiàn)象,QK-2和QK-3曲線比QK-1稍飽滿,說明在試驗軸壓范圍內(nèi),施加一定軸壓后,可提高框架耗能能力;(3)QKZ-4曲線加載過程中滯回環(huán)面積先期大幅增加,后在加載負向出現(xiàn)了兩次明顯分岔,為螺栓滑移導致承載力迅速降低所致。說明加支撐后,對柱及梁連接部位的螺栓抗拉剪破壞能力要求提高,故對于QKZ-4應增加螺栓群抗破壞能力,進而提升框架抗震性能。
圖6 滯回曲線
骨架曲線能直觀反映結(jié)構(gòu)承載力及破壞狀態(tài),由滯回曲線每個循環(huán)的極值點連接得出(見圖7)。分析可知:(1)QK-1~QK-3骨架曲線在屈服前走勢基本一致,QK-1先進入屈服階段,后依次為QK-2及QK-3;3個試件均有明顯彈性、彈塑性、強化及破壞4個階段。(2)在所考察加載范圍內(nèi),隨軸壓增大,初始剛度及承載力均略有提升,軸壓增大降低了梁柱螺栓群內(nèi)受力最大螺栓拉力快速提高所帶來的拉剪破壞。(3)QKZ-4雖承載力高且剛度也較大,但發(fā)生斜向支撐局部屈曲,內(nèi)力重分配后對梁柱螺栓的破壞增強,螺栓滑移,承載力降低快,拉剪作用下加速梁柱連接螺栓快速失效。
圖7 骨架曲線
依據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[12]規(guī)定來確定試件所承受的荷載特征值,采用能量等值法確定各屈服點。表3中的Py、Δy分別表示屈服荷載和對應位移:Pm、Δm分別表示峰值荷載和對應位移;Pu、Δu分別表示破壞點荷載和對應位移;θ1、θ2分別表示框架首層和二層極限層間位移角;位移延性系數(shù)μ為破壞位移Δu與屈服位移Δy之比。由于試驗過程中滯回曲線不完全對稱,故延性系數(shù)按式(1)計算:
表3 各試件特征點荷載與位移值
各試件主要試驗結(jié)果見表3。分析可知:(1)與QK-1相比,QK-2、QK-3的屈服荷載分別提高92.65%和157.73%,峰值荷載分別提高了79.60%和182.27%,說明軸壓增大在一定程度上可提高框架的承載力。(2)在相同軸壓下,QKZ-4比QK-3屈服荷載提高72.95%,極值荷載提高68.26%,破壞荷載提高75.14%,破壞時極限位移減小44.17%,曲線斜率較QK-3先出現(xiàn)降低且下降較快。表明設置支撐可大幅提高框架承載力,但會降低延性。在抗震設計中,建議設置剛度適宜的支撐來改善結(jié)構(gòu)抗震性能。(3)位移延性系數(shù)QK-3>QK-1>QK-2,說明軸壓適當增大在試件滿足不發(fā)生整體傾覆的情況下,在一定程度上可提高結(jié)構(gòu)延性。(4)QK-1底層最大層間位移角較小,而頂層明顯大于底層,上、下層剛度不協(xié)調(diào),出現(xiàn)明顯薄弱層;QKZ-4各層層間位移角較均勻,說明增設支撐能避免剛度不協(xié)調(diào)帶來薄弱層問題。
通過對全螺栓裝配式輕鋼框架進行低周往復加載靜力試驗,分析軸壓比及有無斜向支撐對框架抗震性能的影響,得到如下結(jié)論:
(1)試件加載過程中發(fā)生梁柱連接節(jié)點高強螺栓滑移。各試件延性系數(shù)均大于3.0,說明框架具有良好延性性能,易滿足結(jié)構(gòu)延性設計要求。
(2)軸壓比在0.1~0.3范圍較為合適,可提高試件承載能力及塑性變形能力;剛度退化緩慢,剛度損傷值較小,但延性和耗能能力略有降低。
(3)框架增設斜向支撐后,極限荷載較其他試件提高70%以上,但極限荷載后塑性發(fā)展不充分。節(jié)點連接螺栓失效導致斜支撐失效后,內(nèi)力重分配致使其對梁柱節(jié)點所承擔的內(nèi)力增加,破壞作用增強,加速了節(jié)點失效。在工程應用中要考慮對節(jié)點加強,進而改善框架抗震性能。