組合鋼管混凝土式防屈曲支撐＊

梅 洋,吳 斌,趙俊賢,郝貴強,杜永山

(1.哈爾濱工業大學,黑龍江哈爾濱 150090;2.河北大地建設科技有限公司,河北石家莊 050011)

0 引言

防屈曲支撐由內芯以及阻止內芯受壓時整體屈曲的約束構件組成。防屈曲支撐不僅具有普通支撐對于框架結構附加剛度的功能,而且在地震作用下因側向約束的作用可以阻止內芯構件的整體失穩,有效地解決了普通支撐在反復受壓屈服后剛度和承載力大大下降的問題[1]。防屈曲支撐無論是在試驗研究還是在理論分析中,都表現出了優越的性能和穩定的滯回曲線,因而逐漸得到了廣泛的應用。

全鋼形式的防屈曲支撐無需考慮無粘結材料的問題,因而只需在內芯和約束構件之間留出適當的間隙即可,而且間隙比較容易控制,所以加工難度較小,同時也具有較好的滯回性能和耗能能力,因此應用較為廣泛。目前典型的全鋼型防屈曲支撐有方鋼管包一字型內芯[2]、十字型內芯[3]以及工字鋼[4]的形式。還有圓鋼管包工字鋼[5]或雙圓鋼管[6]的形式。這些形式的防屈曲支撐其約束構件截面尺寸受內芯截面限制,不能過大,因而在需要應用較長支撐的情況下,構件難以保證整體穩定。2001年臺灣陳正誠研究的四根鋼管夾十字內芯的形式[7]有效的解決了這一問題,但是在我國并沒有十字形截面的型鋼,所以十字內芯只能靠焊接來完成,而較大長度的焊接會引起較大的殘余變形,給構件組裝帶來困難[8],而且會對支撐的穩定性及疲勞性能產生不利影響[9]。

非全鋼形式的防屈曲支撐典型的形式是約束構件為填充砂漿或細石混凝土的鋼管或鋼筋混凝土。1976年Kimura第一個用鋼管內填砂漿做約束構件的一字內芯的防屈曲支撐,表現出良好的滯回性能[10],Fujimoto等人又對于這種形式的支撐做了詳細的理論與試驗研究[11]。Nagao等人研究了一種以鋼筋混凝土作為約束構件,工字鋼或方鋼管作為內芯形式的防屈曲支撐[12],而Horie選擇了使用鋼纖維混凝土作為約束構件的形式[13]。為減小節點尺寸并便于安裝蔡克銓開發了一種雙套筒雙內核形式的防屈曲支撐[14],每個套筒內各插入一個一字形或T字形內芯,能很方便地使支撐連接到節點板上。2005年 Iwata等人開發出一種兩塊預制的填上砂漿的構件夾上內芯的形式[15],大大簡化了制作過程。這些使用砂漿或混凝土來加強對內芯約束的防屈曲支撐比全鋼型的防屈曲支撐表現出更優越的性能,但是非全鋼形式的防屈曲支撐內芯與砂漿或混凝土存在粘結問題,而且在內芯受壓時內芯會因泊松效應而膨脹,因而必須在接觸面上涂上無粘結材料或留出合適的間隙。由于存在混凝土自重或無粘結材料的涂抹方法等原因會造成間隙的不均勻等問題,大大增加了這種形式防屈曲支撐的加工難度。

本文是以河北省圖書館改造工程為依托,研制適用于該實際工程的防屈曲支撐。支撐的軸向長度要求6 950 mm,設計屈服承載力為87 t。應用傳統型的全鋼防屈曲支撐約束構件難以對內芯提供足夠的約束。如果應用傳統型式的鋼管混凝土約束的防屈曲支撐,制作工藝復雜、生產周期過長、而且產品施工質量難以有效控制。充分考慮了成本與性能之間的關系后,我們開發出了一種新型組合鋼管混凝土式防屈曲支撐。

新型組合鋼管混凝土式防屈曲支撐,內芯為一字型鋼板,鋼板兩側的約束構件采用灌注了混凝土的矩形鋼管,能達到傳統形式鋼管混凝土約束的防屈曲支撐所能提供的側向約束程度,可以有效防止構件的整體失穩破壞和內芯的局部屈曲破壞。內芯與鋼管的接觸是與全鋼形式的防屈曲支撐相同的,這就解決了內芯與約束構件的間隙問題,可以有效控制防屈曲支撐的加工質量。內芯與兩根鋼管混凝土可以同時加工,有效地縮短了生產周期。現已完成足尺截面的短試件以及足尺試件的滯回性能試驗,本文主要介紹這種新型支撐的構造及試驗結果。

1 足尺截面短試件構造及試驗

我們首先設計了一套足尺截面的短試件,以驗證其基本構造設計的合理性。利用哈爾濱工業大學抗震與結構試驗中心的2 500 kNMTS TestStarⅡ型電液伺服試驗機,可以很方便的對試件進行滯回試驗。為充分利用試驗機行程,并使其能滿足試驗的加載要求,短試件長度設計為2 m。

1.1 試件尺寸及構造

本文防屈曲支撐主要構造為兩根鋼管混凝土和一字內芯。試件構造及尺寸如圖1所示,其中部截面圖及端部截面圖如圖2與圖3所示。圖示尺寸均為名義尺寸。

圖1 新型組合鋼管混凝土式防屈曲支撐短試件的尺寸及構造

圖2 試件中部截面

圖3 試件端部截面圖

內芯采用Q235鋼,截面尺寸為鋼管截面為200 mm×100 mm×6 mm。試件外截面尺寸為200 mm×229 mm,在強軸方向和弱軸方向內芯與鋼管之間間隙均為2 mm。

1.2 材料性能

試驗中對于構成支撐的內芯、鋼管以及填充于鋼管內的混凝土進行了材料力學性能試驗。

灌注鋼管的混凝土目標強度為30 MPa,配制時使用的是強度為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥與最大粒徑為16 mm的碎石。對鋼管填充的混凝土7天強度測試結果是28.3 MPa。鋼管與內芯鋼材的材料力學性能試驗結果見表1。

表1 短試件構件材料力學性能試驗結果

1.3 試驗加載

試驗是由位移控制,在內芯的強軸方向兩邊各布置了一個拉線位移計,精度可以達到0.2 mm。正式加載前以25 kN/s的加載速度對試件進行了預加載。在±350 kN的荷載下拉壓循環了4圈,以檢查測量儀器是否工作正常。試驗裝置如圖4所示,加載制度見表2。

圖4 短試件試驗裝置

表2 短試件加載制度

1.4 試驗結果

試驗得到的滯回曲線如圖5所示。試驗曲線穩定飽滿,顯示出了很優秀的耗能能力。但是在達到了2.6%的應變時觀察到了較大的強化現象。試驗得到的試驗結果如圖6所示,具體試驗數據見表3。表中Acor為內芯的截面面積,β為受壓強度提高系數,δ為最大延性,μc為累積塑性變形。

圖5 試驗曲線

圖6 破壞形態

表3 短試件試驗數據總結

美國《建筑鋼結構抗震設計規程》[16]規定受壓強度提高系數不能超過1.3,累積塑性變形要達到200以上。由試驗數據可見,受壓強度提高系數與累積塑性變形顯然滿足該要求。其中受壓強度提高系數是指試件破壞之前各圈滯回環中受壓軸力峰值與同一滯回環中受拉軸力峰值的比值中的最大值。累積塑性變形按下式計算:

式中:δtmaxi、δcmaxi分別為第個滯回環正、負位移幅值的絕對值。

試件在3%的應變下拉壞,經過檢查發現是內芯與端板之間的對接焊縫開裂,破壞形態見圖6。經檢查發現這是由焊接操作失誤所致,加工時內芯的兩端坡口只達到了30°,沒有滿足45°以上的設計要求。試驗過程中沒有觀察到整體失穩現象。試驗剖開試件后可以發現內芯距活動端的2/3處強軸方向有一個正弦半波。弱軸方向有靠近內芯活動端處有明顯的微幅高階屈曲。鋼管沒有任何的局部變形,說明灌注了混凝土后鋼管能有效地約束內芯的局部屈曲。

2 足尺試件試驗

足尺截面短試件組合鋼管混凝土式防屈曲支撐在試驗中表現的良好性能為足尺試件的設計和試驗提供了理論和經驗支持,在此基礎上設計了足尺試件。針對短試件在大應變下的較大強化現象,足尺試件設計上進行了微小改進,在強軸方向內芯與鋼條之間間隙設置為1 mm,試件兩端為了方便應用在實際結構中,使用的是螺栓連接。試件的其他截面構造與短試件相同。

2.1 試件尺寸與構造

足尺試件總長為6 920 mm,試件外形截面尺寸為200 mm×229 mm,鋼管截面為200 mm×100 mm×8 mm,強軸方向內芯與鋼條之間間隙為1 mm,弱軸方向內芯與鋼管之間間隙是2 mm。內芯下端與鋼管焊接在一起,上端自由。為了避開端板與內芯板對接焊縫的薄弱點,把對接焊縫設計在了加勁肋的變截面處,這樣既方便了內芯板件和端板的加工又有效地避開了焊縫的薄弱。構造如圖7與圖8所示。其截面構造與短試件相同,見圖2與圖3。

圖7 足尺試件尺寸及構造

圖8 足尺試件內芯構造

足尺試件的加工與短試件的加工過程基本一致,但是由于試件的長度加大,增加了難度。圖9所示為支撐組裝過程中鋼管上放入內芯后圖。

圖9 鋼管上放入支撐內芯后圖

2.2 材料性能

鋼管內填混凝土目標強度為40 MPa,所使用水泥與碎石與短試件相同。對鋼管內填混凝土7天強度測試結果為:36.5 MPa。鋼管與內芯鋼板材料力學性能試驗結果分別見表4。

表4 足尺試件材料力學性能試驗結果

2.3 試驗加載

該試驗是在哈爾濱工業大學結構與抗震試驗中心完成的。加載是通過兩個250 t液壓穿心千斤頂和兩個300 t的力傳感器實現的,如圖10-圖12所示。試驗室現有試驗條件難以滿足該足尺試件的試驗要求,原有加載架高度為8.4 m僅能完成6 m以下試件的加載。為充分利用現有條件對加載架進行了改造,為此對加載架加高到10 m,加高以后加載架如圖10所示。下端設計加工了一套加載裝置,如圖12所示,可以完成試件的滯回加載。

圖10 改造后的加載架

圖11 加載裝置示意圖

圖12 下部加載裝置

正式加載前進行在550 kN的荷載下循環兩圈的預加載,以檢查加載裝置和測量儀器是否都工作正常。試驗對試件內芯屈服段軸向位移10 mm下循環3圈,30 mm下循環2圈,40 mm(相當于層間側移角1/122)下循環10圈,50 mm(相當于層間側移角1/98)下循環14圈,60 mm(相當于層間側移角1/81)下循環1圈,70 mm(相當于層間側移角1/70)下循環2圈。試驗中由于千斤頂的油泵控制的限制,加載速度控制在1 kN/s比較穩定,循環一圈大約為30～40 min。

2.4 試驗結果

這里給出了幾個比較典型的滯回曲線。圖13為軸向變形幅值為40 mm;圖14為軸向變形幅值為50 mm;所有幅值的試驗曲線如圖15所示。

圖13 層間側移角1/122

圖14 層間側移角1/98

圖15 試驗得到的最終試驗曲線

圖16 下部加載裝置開裂圖

試驗過程由于下部加載裝置中底板開裂而中止,如圖16所示。但此時試件并沒有破壞,因而所測數據也并非最終值,由已有的試驗結果可以得到初步的數據,由圖18～圖20可見,其滯回曲線飽滿穩定,相同位移幅值的加載下的循環曲線基本重合,主要試驗結果見表5所示。

表5 試驗數據總結

由表5數據可見,累積塑性變形超過美國《建筑鋼結構抗震設計規程》[16]規定的最小限值要求(η≥200),受壓強度提高系數也低于其規定的不超過1.3的要求。另外,根據時程分析結果,河北省圖書館的加固工程大震下的層間側移為1/140,可見足尺試件完全滿足工程要求。

3 結論

本文提出了新型組合鋼管混凝土式防屈曲支撐,并進行了兩個足尺試件的試驗,得到以下結論:

(1)組合鋼管混凝土式防屈曲支撐施工簡單,加工質量容易控制。另外,約束構件和內芯的加工制作可以同時進行,大大縮短了施工周期。

(2)組合鋼管混凝土式防屈曲支撐構造合理,具有較好的局部穩定性和整體穩定性,試驗滯回曲線均飽滿穩定,各項指標滿足實際工程需要。

致謝:感謝哈爾濱工業大學結構與抗震試驗中心的田玉濱博士在試驗方案上給予的大量建議。感謝宋子文、郝偉、陳曉光、馬亞文、林琦、王文韜等同學在試驗過程中給予的大量幫助。

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