鄭 宏,胡立黎,趙 冉,蔣曉燕

（1.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院,西安 710061;2.浙江杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司,杭州 311232）

抗震設(shè)計(jì)中,水平抗側(cè)力構(gòu)件是設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容。鋼框架側(cè)向剛度小,易引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞[1],可采用剪力墻提高鋼框架結(jié)構(gòu)的剛度。但剪力墻[2-3]剛度大且震后不易修復(fù)。為采用合適剛度,Kahn和Hanson[4]提出將鋼筋混凝土板內(nèi)填于鋼筋混凝土框架;Kesner[5-6]將纖維混凝土板應(yīng)用于鋼框架。但混凝土構(gòu)件與鋼框架的連接節(jié)點(diǎn)難于處理。目前,未見采用鋼板和混凝土組合的深梁作為抗側(cè)力構(gòu)件。為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度可在兩個(gè)極值之間變化,實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)剛度漸變調(diào)幅[7-12],可把深梁作為一種抗側(cè)力構(gòu)件[13-15]內(nèi)填于鋼框架中。組合深梁采用高強(qiáng)度螺栓與框架連接,連接可靠且拆裝方便。該文以擬靜力低周反復(fù)荷載試驗(yàn),研究組合深梁填充鋼框架的破壞過程和抗震性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

1.1.1 試件命名和框架的制作 試件分為2大類：純鋼框架和2個(gè)深梁填充鋼框架結(jié)構(gòu),試件編號如表1所示。

3個(gè)試件的鋼框架尺寸和構(gòu)造均相同。框架柱、梁均為HW 200×200×8×12型鋼,柱軸線距離為1 800 mm。梁柱節(jié)點(diǎn)處設(shè)置加勁肋,剛性連接,節(jié)點(diǎn)的加勁肋連接為全熔透的對接焊縫（圖1）。柱腳為剛性連接,設(shè)置 4個(gè) 150×250×12加勁肋,采用6個(gè)M 24高強(qiáng)度摩擦型螺栓與基座梁連接（圖2）。鋼材均為Q235B,材性試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表1 試件編號

表2 試件的材性MPa

1.1.2 組合深梁的制作 組合深梁是在鋼板與混凝土板上分別預(yù)留孔洞,再用M 20的摩擦型高強(qiáng)度螺栓將兩者連接而成?；炷涟澹ê?0mm）與鋼板（厚4mm）詳細(xì)構(gòu)造如圖3。與框架的連接方法為在鋼板上下端、鋼框架梁下翼緣和基座梁上翼絳留有螺栓孔,用角鋼的一肢將鋼板夾緊并用螺栓固定;角鋼的另一肢分別與框架梁下翼緣和基座梁上翼絳通過螺栓固定（圖4）。連接螺栓采用摩擦型高強(qiáng)螺栓M 20,CDBF-A共18個(gè),CDBF-B共36個(gè),連接角鋼為不等邊角鋼∠100×80×8。

1.2 試驗(yàn)加載和測試方案

試驗(yàn)加載裝置有作動器和基座梁等組成,如圖4所示。水平加載設(shè)備為從美國進(jìn)口的M TS電液伺服程控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)。最大行程為±250 mm,最大水平推力為1 460 kN。豎向加載設(shè)備采用采用帶有低摩擦球鉸的2個(gè)100 kN的同步油壓千斤頂,通過荷載穩(wěn)壓裝置可轉(zhuǎn)化為更大的豎向荷載。加載時(shí),首先在兩柱頂施加壓力300 kN。試驗(yàn)過程中保持不變;然后施加水平往復(fù)荷載,采用位移控制加載方式。屈服前,每級位移循環(huán)加載1次;屈服后,每級位移循環(huán)加載3次。加載到以下情況停止試驗(yàn)：1）水平荷載下降至最大荷載的85%;2）結(jié)構(gòu)無法再繼續(xù)承受荷載;3）加載荷載超過試驗(yàn)機(jī)的量程。

為了兩側(cè)試件受力和變形情況,在框架梁、框架柱上都布置百分表和應(yīng)變片;在鋼板和鋼筋上布置應(yīng)變花和單向應(yīng)變片。使用360通道7D-602數(shù)據(jù)采集儀器自動采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 組合深梁的構(gòu)造

圖4 組合深梁的連接

2 試驗(yàn)過程

2.1 PF的破壞過程

圖5 加載裝置示意圖

荷載較小時(shí),結(jié)構(gòu)無明顯變化。當(dāng)水平位移加載至25 mm（MTS）時(shí),框架柱腳開始出現(xiàn)屈服,柱表面油漆開始剝落。隨著荷載的增大,柱腳屈服越明顯,柱翼緣局部屈曲。37mm時(shí),框架右側(cè)節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)油漆開始剝落,且上蓋板焊縫開始出現(xiàn)裂縫。41mm時(shí),右側(cè)梁柱節(jié)點(diǎn)上蓋板焊縫完全斷開,且節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板裂縫開展貫通,框架破壞,試驗(yàn)結(jié)束?？蚣芰涸谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中無明顯變化,框架的最后破壞形態(tài)見圖6。

2.2 CDBF系列的加載過程

圖6 框架的破壞模式

在加載初期,組合深梁的鋼板與混凝土板接觸的上下邊緣處形成微小縫隙,當(dāng)水平荷載由最大卸載至零時(shí),縫隙基本消失。當(dāng)荷載接近屈服點(diǎn)時(shí),組合深梁開始向有混凝土板的一側(cè)屈曲,鋼板開始有殘余變形;在深梁的4個(gè)角部部位,鋼板和混凝土板開始出現(xiàn)分離,深梁下部分離的距離最大,上部的分離距離也較大（如圖7、8）;隨著水平荷載方向的變化,鋼板和混凝土板呈現(xiàn)規(guī)律性的“開”與“合”。隨著整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞階段,組合深梁屈曲的距離逐漸增大,最大達(dá)71 mm。除因與連接角鋼擠壓損壞角部外,混凝土板自始至終都沒有出現(xiàn)裂縫或其他部位破壞。整個(gè)過程中框架的破壞形態(tài)與純框架結(jié)構(gòu)破壞相同。

圖7 CDBF-A深梁破壞模式

圖8 CDBF-B深梁破壞模式

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載-位移滯回曲線

荷載作用下,各試件的荷載-位移滯回曲線,如圖9。加載初期,滯回曲線基本為直線,剛度保持不變;卸載時(shí)沒有殘余變形。說明結(jié)構(gòu)處于彈性階段,結(jié)構(gòu)沒有發(fā)揮耗能能力。隨著荷載的增大,滯回曲線呈現(xiàn)梭形,試件的剛度不斷退化,卸載時(shí)存在殘余變形。說明結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段,耗能能力良好。但進(jìn)入塑性階段后期,PF試件滯回環(huán)不出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象,但CDBF試件滯回曲線出現(xiàn)有“捏攏”現(xiàn)象,并逐漸向反“S”形發(fā)展,CDBF-B表現(xiàn)尤為明顯。

圖9 試件荷載-位移滯回曲線

3.2 承載能力和延性分析

從圖10的骨架曲線中看出：初始剛度CDBF-B＞CDBF-A＞PF;CDBF試件骨架曲線均高于純框架。從表3和表4中可得,填充深梁試件的位移延性系數(shù)顯著增大,但最大位移值并沒有明顯變化,導(dǎo)致屈服位移顯著減小,說明結(jié)構(gòu)受力后期主要由框架控制最大位移,深梁提高了試件初始剛度,減小了屈服位移;CDBF-A在屈服前對框架承載能力提高有限,但屈服后最大承載能力比鋼框架增加了12.6%,說明內(nèi)填的鋼板在屈服后產(chǎn)生的屈曲后強(qiáng)度也能提高結(jié)構(gòu)的承載能力。當(dāng)組合深梁逐漸散失彈性承載能力后可以利用其屈曲后強(qiáng)度,對結(jié)構(gòu)第二階段抗震設(shè)計(jì)是有利的。

因此,內(nèi)填組合深梁可提高鋼框架初始剛度,屈服荷載、極限承載力和延性等性能;改變深梁跨高比可使結(jié)構(gòu)得到合適的承載性能和延性性能。

表3 試驗(yàn)試件屈服荷載（F y）、最大荷載（F u）

表4 試驗(yàn)試件屈服位移（Δy）、最大位移（Δmax）和延性系數(shù)（μ）

圖10 CDBF與PF骨架曲線對比

3.3 耗能能力和承載能力退化分析

加載過程中P-Δ圍成的面積即為結(jié)構(gòu)耗散的能量。從圖11可以看出：在彈性階段,結(jié)構(gòu)的耗能能力為零;進(jìn)入彈塑性階段后,PF、CDBF-A和CDBF-B耗散系數(shù)隨著加載位移的增大均呈增大趨勢;對于相同的加載位移,耗能系數(shù)為CDBF-A＞CDBF-B＞PF。因此,通過改變深梁跨高比可使結(jié)構(gòu)得到合適的耗能能力。

承載力退化系數(shù)反映同一級加載各次循環(huán)承載力降低的程度。從表5中可得：各級載位移,CDBFA和CDBF-B的承載力退化系數(shù)均接近1,說明隨著組合深梁的逐漸破壞,并沒有導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的承載能力急速退化。因此,在同級循環(huán)荷載作用下組合深梁填充鋼框架承載力穩(wěn)定性能良好。

CDBF-A和CDBF-B試件破壞時(shí)的層間位移角分別為1/25和1/22,說明試件在確保承載能力不顯著降低情況下,結(jié)構(gòu)仍有較強(qiáng)的變形能力,保證結(jié)構(gòu)不倒塌。

圖11 試件能量耗散系數(shù)曲線

表5 CDBF-A和CDBF-B承載力退化系數(shù)

3.4 應(yīng)力分析

從試件屈服點(diǎn)的分布（圖12）可看出：

圖12 試件屈服點(diǎn)的分布

1）彈性階段,CDBF-B-S的應(yīng)力較大;屈服后,CDBF-B-S先于CDBF-B-F的應(yīng)力增大到屈服;表明：屈服前,CDBF-B-S是抵抗外力的主要因素之一。同時(shí),試驗(yàn)現(xiàn)象顯示深梁結(jié)構(gòu)先于框架發(fā)生破壞。因此,選擇適當(dāng)?shù)目绺弑瓤梢允股盍鹤鳛榈谝坏揽拐鸱谰€。

2）組合深梁的最大變形處也是最大應(yīng)力處,說明混凝土板有效限制了鋼板中部的變形,使鋼板的變形向上下邊緣處轉(zhuǎn)移;鋼板主要在上下端部形成塑性鉸,產(chǎn)生耗能能力。因此,以鋼板上部和下部作為最不利截面。

3）純框架的屈服過程與CDBF-B-F和CDBFA-F一致,說明填充組合深梁后并沒有改變鋼框架的破壞順序。

4）混凝土板的鋼筋應(yīng)力較小,說明混凝土板在限制鋼板平面外變形過程中鋼筋受力很小。

4 結(jié)論

1）填充深梁鋼框架的承載能力、延性和耗能能力均優(yōu)于鋼框架結(jié)構(gòu),且承載能力穩(wěn)定。通過改變組合深梁的尺寸可調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,使結(jié)構(gòu)剛度能在一定范圍內(nèi)調(diào)幅。

2）組合深梁的最大變形處也是最大應(yīng)力處;主要在鋼板上下端部形成塑性鉸,產(chǎn)生耗能能力。因此,以鋼板上部和下部作為最不利截面?；炷涟逶谙拗其摪迤矫嫱庾冃芜^程中鋼筋受力很小。組合深梁不會改變鋼框架的破壞順序,可作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的第一道防線。

3）內(nèi)填組合深梁鋼框架結(jié)構(gòu)的荷載-位移滯回曲線呈現(xiàn)紡錘形,耗能系數(shù)呈增大趨勢,說明內(nèi)填組合深梁鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能良好。

4）組合深梁作為一種抗震加固構(gòu)件,采用高強(qiáng)螺栓與框架連接,安裝或拆卸方便,也可工廠預(yù)制,因此可應(yīng)用于新建的鋼框架結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)改造、加固與修復(fù)。

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（編輯王秀玲）