陳永強 馬 宏 底素衛(wèi) 侯滿哲

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075024)

組合熱軋角鋼防屈曲支撐的抗震試驗研究

陳永強 馬 宏 底素衛(wèi) 侯滿哲

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075024)

設(shè)計了一種新型的組合熱軋角鋼防屈曲支撐，并對其進行了理論設(shè)計和抗震試驗，研究結(jié)果表明這種支撐可以有效的提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低地震的危害，從而證明了這種結(jié)構(gòu)的可行性.

熱軋角鋼；屈曲支撐；抗震性能；屈服強度；優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計通常是提高建筑自身的強度和剛度的，利用結(jié)構(gòu)的延遲性消耗地震的能量，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，但這種設(shè)計會引起材料的浪費，并且這種結(jié)構(gòu)在地震中一旦遭到破壞，非常難以修復(fù).

本文設(shè)計了一種新型的組合熱軋角鋼防屈曲支撐結(jié)構(gòu)并根據(jù)材料力學的基本理論構(gòu)建了數(shù)學模型，進行了理論分析，最后制造了三種不同的構(gòu)件，進行試驗研究.通過給施加隨時間變化的周期荷載，得出了剪力—位移滯回曲線和骨架曲線，論證了設(shè)計的可行性.

1 組合熱軋角鋼防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的簡介

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)式一種常見的結(jié)構(gòu)形式，由于混凝土可以給鋼材提供側(cè)向支撐而鋼管可以給內(nèi)部混凝土提供三個方向的約束，因此鋼管和混凝土組合結(jié)構(gòu)可以有效利用材料的彈塑性，增強結(jié)構(gòu)的抗壓和抗剪能力.本文設(shè)計了一種新型的BRB組合熱軋角鋼防屈曲支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用等邊熱軋角鋼作芯，外包鋼管，然后再用混凝土填充，設(shè)計示意圖如圖1所示，為了使構(gòu)建獲得最佳的抗震性能，需選擇合適的鋼材和尺寸外，還需對等邊角鋼外涂抗氧化劑，如圖1所示.

圖1 組合熱軋角鋼防屈曲支撐示意圖 圖2 框架示意圖

2 組合熱軋角鋼防屈曲支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

建立單跨雙層框架作為熱軋角鋼防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的約束結(jié)構(gòu)，如圖2所示.框架跨度1.8 m，每層高度1.2 m.梁柱采用Q235鋼，柱截面采用箱形400 mm×400 mm×16 mm，梁截面為HW500×250 mm×16 mm×12 mm.固定在鋼筋混凝土的基礎(chǔ)上，混凝土設(shè)計強度為C30.組合熱扎防屈曲支撐構(gòu)件采用連接板固定在框架上，如圖3所示.

為了避免約束結(jié)構(gòu)對熱軋角鋼防屈曲支撐的抗屈曲性能的影響，在框架柱柱底設(shè)置了加勁肋.如圖4所示.一共8塊加勁肋，每塊高300 mm，厚8 mm.加勁肋有效地提高了約束結(jié)構(gòu)的抗剪能力.

圖3 熱軋角鋼的端部節(jié)點示意 圖4 約束結(jié)構(gòu)的加勁肋

由于屈曲支撐構(gòu)件端部固接在框架上，因此采用線性原則進行材料計算.根據(jù)文獻(5)中所提出的鋼管混凝土設(shè)計準則可得公式：

(1)

公式(1)中Ff是構(gòu)件的屈服強度，E是彈性模量，I是截面慣性矩，X是構(gòu)件的計算長度，F(xiàn)0是容許強度.

經(jīng)過推導(dǎo)變形，可以得到構(gòu)件不破壞的條件是：

(2)

公式(2)中F1是外包鋼管的臨界應(yīng)力，F(xiàn)x是屈服應(yīng)力，f0是構(gòu)件的變形，X是計算長度，h是截面的高度.

又根據(jù)構(gòu)件穩(wěn)定公式

(3)

進而熱軋角鋼組合構(gòu)件的屈曲應(yīng)力可以表示為

(4)

抗扭臨界應(yīng)力為

(5)

公式(4)(5)中，Eb是材料的抗扭模量，Ia和Ib分別是鋼管內(nèi)外慣性矩，Aa是截面面積，α是彈性系數(shù).

3 組合熱軋角鋼防屈曲支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計試驗研究

根據(jù)上文的理論分析，設(shè)計合適的構(gòu)件進行試驗，為便于比較另作兩種構(gòu)件.

其中第一種為只有熱軋角鋼作芯的構(gòu)件，第二種為無芯的鋼管混凝土構(gòu)件.第三種即為前文所設(shè)計的構(gòu)件.首先要對熱軋等邊角鋼涂刷抗氧化劑.如圖5所示.然后把圖5所示的角鋼放入鋼管中，澆筑混凝土，形成鋼管混凝土，如圖6所示.

圖5 涂刷抗氧化劑后的構(gòu)件 圖6 澆灌混凝土后的構(gòu)件

經(jīng)過合適的必要的養(yǎng)護，在鋼管混凝土構(gòu)件達到試驗要求以后將構(gòu)件采用焊接連接到防屈曲支撐結(jié)構(gòu)，隨后加載進行試驗.節(jié)點連接如圖7所示.

圖7 節(jié)點連接 圖8 拉伸試驗機以及應(yīng)變片的粘貼位置

構(gòu)件編號荷載方向屈服強度極限強度1+302435--308-4252+324456--329-4673+353489--358-481

首先對構(gòu)件進行靜載試驗.圖8為試驗用拉伸試驗機，在試驗過程中由事先敷好的應(yīng)變片將結(jié)構(gòu)的變形情況傳入電腦，并進行記錄.拉伸試驗得到的結(jié)果如表1所示.

從表1中可以看出由熱軋角鋼組合防屈曲支撐構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)，其承載能力優(yōu)于一般支撐的桿件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，其屈服強度達到了353 Mpa，極限強度達到了489 Mpa.

然后，對圖中所示結(jié)構(gòu)模型進行抗震試驗，豎向荷載由油壓千斤頂豎向施加，整個過程保持不變，水平反復(fù)周期荷載由伺服作動器配合，特制剛拉桿施加，伺服作動器反力由反力墻提供，試驗采用靜力低周反復(fù)加載方法，水平力施加采用荷載——變形混合控制的加載方法.測點的數(shù)據(jù)由DH3815靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集反自動采集.給結(jié)構(gòu)施加圖9所示的水平荷載，該荷載為周期荷載，其峰值隨時間推移逐漸增大，由圖中可以看出結(jié)構(gòu)的極限荷載為15 KN，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)可得荷載—位移的滯回關(guān)系曲線如圖10所示，曲線基本對稱，飽滿，說明構(gòu)件具有良好的耗能特性.

骨架曲線是每級循環(huán)所有荷載—位移關(guān)系曲線達到最大峰值點的軌跡，如圖11所示，由圖11可知，三種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的抗震性能，在正向荷載的作用下，第一種和第二種結(jié)構(gòu)的最大位移分別是這種新型組合結(jié)構(gòu)的3.35倍，和1.28倍，在負向荷載的作用下，第一種和第二種結(jié)構(gòu)的最大位移分別是這種組合結(jié)構(gòu)的4.39倍和1.25倍，從而證明了這種組合結(jié)構(gòu)的可行性.

圖9 周期荷載 圖10 荷載—頂點位移滯回曲線

圖11 不同構(gòu)件的抗震能力對比圖

4 結(jié) 論

本文對一種新型的組合熱軋角鋼防屈曲支撐結(jié)構(gòu)進行了深入的研究，首先根據(jù)力學的原理，和數(shù)學的模型進行了理論分析，然后設(shè)計了三種不同類型的構(gòu)件進行試驗，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)這種新型的組合熱軋角鋼的極限屈服應(yīng)為481 Mpa，而單純熱軋角鋼為芯的構(gòu)件以及單純外包方鋼的構(gòu)件的極限屈服應(yīng)力分別為435 Mpa和456 Mpa，從而證明這種組合結(jié)構(gòu)的力學性能優(yōu)于普通的機構(gòu)，抗震試驗表明利用這種構(gòu)件作為支撐的結(jié)構(gòu)，其抗震性能大大優(yōu)于用普通構(gòu)件做的支撐結(jié)構(gòu).

[1]郭彥林，劉建彬，蔡益燕，等.結(jié)構(gòu)的耗能減震與防屈曲支撐[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(8)：18～23

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[3]李國強，宮海，張揚，等.TJ型屈曲約束支撐在加固工程中關(guān)鍵技術(shù)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(1)：135～138

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[6]Li Ruqiang,Chen Jin,Wu Xing,“Study of rotating machinery fault diagnosis based on the theory of singular value decomposition,fuzzy clustering and rough set”,Journal of vibration and shock,vol.24,no.4,pp.46～49,2010

Experiment on Anti-seismic Performance of Buckling Supporting Combined Hot-Rolled Angle Steel

CHENYong-qiang，MAHong，DISu-wei，HOUMan-zhe

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000)

In this paper,a way is first proposed to enhance the anti-seismic fortification function of building structure using the structure of hot-rolled angle steel buckling supporting.Then,the materials design principles and mathematical model combined with the theory of mechanics of materials knowledge are given,focusing on seismic performance tests of combined hot-rolled angle steel buckling supporting.It was proved that the design of anti-seismic structures,which are reliable,can improve the ability of anti-seismic fortification.

Hot-Rolled Angle Steel;buckling supporting;anti-seismic performance;yield strength;optimization design

2016-08-12

張家口市科學技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計劃項目《CFRP加固腹板開孔的軸壓冷彎C型鋼構(gòu)件極限承載力的研究》，項目批準編號：0921032B

陳永強(1978-)，男，講師，研究方向：鋼結(jié)構(gòu).

TU 3

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