深梁填充鋼框架抗震性能研究進展

摘 要：為實現鋼框架剛度在一定范圍內的漸變調幅，三種新型的抗側力構件—鋼筋混凝土深梁、鋼板深梁、組合深梁被提出。本文介紹了深梁填充鋼框架抗震性能研究的進展，對三種類型的深梁填充鋼框架的抗震性能進行了對比分析，提出了對今后深梁的研究和應用的建議。

關鍵詞：鋼框架； 深梁； 抗震性能； 研究進展

1 引言

在中國城市建設中，超高層和大型復雜建筑越來越多，采用的結構形式也越來越多。鋼框架結構的結構延性和抗震性能良好，但鋼框架結構的側向剛度小導致側向位移大，易引起非結構構件的破壞，在高地震烈度區的使用受到限制。為實現剛度在一定范圍里漸變調幅，可將深梁作為一種新型的抗側力結構形式。

Kahn等1979年最早提出框架內填鋼筋混凝土深梁結構形式，Kesner等將纖維混凝土深梁用于鋼框架抗震加固，鄭宏于2007年獲得鋼板-混凝土組合深梁國家專利，將深梁作為承受水平地震力的耗能構件來研究。在此，作者對深梁填充鋼框架的抗震性能的試驗研究進行歸納總結，以方便不同形式的深梁在具體工程中的選用，并為今后的研究提供參考。

2 深梁填充鋼框架結構體系

2.1 鋼筋混凝土深梁填充鋼框架

純框架抗側剛度小，在水平地震作用下易產生較大的側向變形從而導致非結構構件的破壞。鋼筋混凝土深梁填充鋼框架可以有效提高結構的抗側剛度。鄭宏、胡立黎等進行了鋼筋混凝土深梁填充鋼框架試驗，得出了鋼框架內填鋼筋混凝土深梁結構在水平低周反復荷載作用下的抗震性能。

鋼筋混凝土深梁在鋼框架中的位置與剪力墻相同，通過角鋼用高強螺栓與鋼框架相連。試驗表明：內填鋼筋混凝土深梁鋼框架結構在低周反復荷載作用下的荷載-位移滯回曲線飽滿，其承載能力、延性和耗能能力均優于鋼框架結構，抗震性能良好。胡立黎等通過試驗得到了鋼筋混凝土的破壞機理，提出了計算鋼筋混凝土深梁與鋼框架協同分析模型。

2.2 鋼-混凝土組合深梁填充鋼框架

鋼-混凝土組合深梁由鋼板和外側預制鋼筋混凝土板螺栓連接而成。鋼-混凝土組合深梁通過角鋼與鋼框架相連。鋼框架內填鋼-混凝土組合深梁的結構中混凝土板主要起約束鋼板，限制鋼板的屈曲變形以發揮鋼材的材料性能。

鄭宏等對鋼框架組合深梁抗震性能進行了試驗研究，得出了結構在低周反復荷載作用下的抗震性能，分析了結構的耗能機理。 鋼框架內填組合深梁之后， 明顯提高了整體結構的初始剛度、極限承載力， 解決了純框架結構抗側剛度不足的問題。內填組合深梁首先消耗地震能量， 起到第一道防線的作用， 保護了框架體系， 避免整體結構發生嚴重破壞， 提高了框架結構的耗能能力。胡立黎等在試驗的基礎上建立了組合深梁填充鋼框架三折線型恢復力模型。考慮了剛度退化， 能較好地反映組合深梁填充鋼框架的恢復力特性， 適合在彈塑性反應分析中采用。

2.3 鋼板深梁填充鋼框架

鋼板深梁分為不加勁鋼板深梁和加勁鋼板深梁兩種。加勁鋼板深梁一般采用十字加勁肋、交叉加勁肋等，加勁肋材料為角鋼，可以通過螺栓與鋼板固定，也可以采用焊接的形式。鋼板深梁通過角鋼利用高強螺栓與鋼框架相連，達到可拆卸的目的。

研究表明鋼板深梁填充鋼框架在水平荷載作用下的破壞始于鋼板的屈服。對于加勁鋼板深梁，由于加勁肋對鋼板的約束作用，限制了鋼板的屈曲變形，更利于鋼板發揮其材料性能。所以加勁鋼板深梁的耗能能力優于不加勁鋼板深梁。鋼板深梁不僅在提高鋼框架初始剛度、屈服荷載和承載力方面均有顯著效果，解決

了純鋼框架初始剛度不足的缺陷，而且有效約束了框架結構的水平位移，改善了框架受力和變形，可作為高層結構的加固體系，成為抗震設防的第一道防線。

3 深梁填充鋼框架試驗對比分析

對三種深梁填充鋼框架在循環往復荷載作用下的抗震性能進行了一系列實驗，實驗中混凝土均采用C30，鋼構件均采用Q235B鋼材加工制作。RDBF-A及RDBF-B中鋼筋混凝土深梁厚60mm，鋼筋采用 。CDBF-A及CDBF-B中鋼筋混凝土板尺寸為450×720和900×720，板厚60mm，鋼筋采用 ，鋼板厚度為4mm。SDBF-A和SDBF-B鋼板厚度為6mm。實驗采用MTS作動器，以位移控制加載。得出三種深梁在循環往復荷載作用下的骨架曲線如下圖所示。

4.1 RDBF與PF骨架曲線對比 4.2 CDBF與PF骨架曲線對比 4.3 SDBF與PF骨架曲線對比

圖 深梁填充鋼框架與純鋼框架骨架曲線對比圖

鋼筋混凝土深梁填充鋼框架的初始剛度、屈服荷載和極限承載力均比純鋼框架大。這是由于鋼筋混凝土深梁作為抗側力構件增加了結構的初始剛度，直至鋼筋混凝土深梁中混凝土被壓碎，深梁退出工作，剛度才有所降低。同時作為耗能構件，鋼筋混凝土深梁的破壞，消耗吸收地震能量，使得鋼筋混凝土深梁先于鋼框架破壞。由于，RDBF-B的跨高比RDBF-A大，使得RDBF-B的屈服荷載、初始剛度及極限荷載增幅遠遠大于RDBF-A，這說明鋼筋混凝土深梁的跨高比是影響深梁填充鋼框架抗震性能的重要因素。

鋼-混凝土組合深梁使得鋼框架的初始剛度和極限承載力明顯提高。 鋼-混凝土組合深梁作為抗側力構件參與受力，并作為抗震設防的第一道防線消耗和吸收地震能量。比較CDBF-A和CDBF-B，后者的深梁寬度大于前者，使得CDBF-B在屈服荷載、初始剛度、極限荷載等方面與CDBF-A相比有很大的提高。該實驗研究表明隨著深梁跨高比的增大，初始剛度、屈服荷載、極限荷載都會有大幅提高。

鋼板深梁填充鋼框架較純鋼框架在初始剛度上有顯著提高，這是由于鋼板深梁與鋼框架連接后作為整體承擔水平力，提高了結構的抗側剛度。在水平荷載的作用下，沒有設置加勁肋的鋼板深梁SDBF-A由于屈服過早的退出工作，所以在屈服荷載和極限荷載上與純框架相比無顯著差異。在SDBF-B中，加勁肋約束了鋼板深梁的面外變形，防止其過早的進入屈曲狀態，鋼板深梁能參與受力，使其在屈服荷載和極限荷載方面較純框架PF有顯著提高。比較圖中SDBF-A及SDBF-B相關數據，可知，在鋼板深梁填充鋼框架中對鋼板深梁設置加勁肋可以顯著提高機構抗震性能。

4 結論及展望

（1）三種深梁均能不同程度增強框架結構的抗側剛度，提高屈服荷載和極限荷載，提高結構的耗能力。

（2）對于鋼筋混凝土深梁，在今后的研究中可以圍繞不同的高跨比、截面厚度、配筋率下鋼筋混凝土深梁填充鋼框架的抗震性能來進行；對于鋼-混凝土組合深梁，可以研究在混凝土板雙側布置鋼板或者在鋼板兩側布置混凝土板的組合形式；對于鋼板混凝土深梁，建議今后的研究可以從增強抵抗彎矩和剪力作用的角度多考慮幾種加勁形式，如十字加勁、交叉加勁、全加勁等形式。

（3）今后的科研工作中應積極開展相關的試驗及理論分析，研究性能可靠、經濟實用的深梁形式，用于建造抗倒塌能力強的框架結構或加固既有框架結構，提高其抗地震倒塌能力，從而保護人民的生命與財產安全。

參考文獻：

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