鋼支撐束柱抗震性能試驗研究

摘要：通過試驗和有限元理論對比研究了鋼支撐束柱的抗震性能和破壞特性。試驗模型采用2層鋼支撐束柱構件，其中鋼支撐為長肢相并的雙角鋼支撐。試驗共分為3組，1組為單調加載試驗，另外2組為滯回性能試驗。另對鋼支撐束柱的抗震性能進行了有限元理論分析，經試驗結果驗證，得到了鋼支撐束柱試件的抗側承載力、剛度及滯回性能。研究表明，鋼支撐束柱的承載力、剛度主要來自鋼支撐，而束柱外框架部分的貢獻很小。鋼支撐束柱的破壞只發生在鋼支撐中，外框架部分沒有任何損壞。

關鍵詞：鋼支撐束柱；抗震性能；模型試驗；有限元理論

中圖分類號：TU391

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01001006

鋼結構束柱體系是一種新型結構體系[1]，其基本思想是將傳統的單柱分成2根柱構成束柱以解決鋼框架結構平面布置中梁柱錯位搭接的問題（圖1）。通過在束柱中間設置傳統的抗側力構件，如鋼支撐等，就形成了新型組合束柱構件：鋼支撐束柱。鋼支撐束柱可以在工廠預制，不但可以承受來自樓面的豎向荷載，更能抵抗風、地震等水平荷載，成為結構的水平抗側力構件。而且，由于組合束柱構件本身具有較大的承載力和剛度，可以吸收大部分水平荷載，鋼框架其他現場梁柱連接節點可設計為鉸接或者半剛接，這樣，鋼結構束柱結構體系具有易于預制裝配化的特點（圖1）。

圖1易裝配的鋼結構束柱體系[1]

鋼支撐性能的研究已經很成熟，工程設計中可供選擇的支撐形式也相當豐富。首先，支撐的截面形式多種多樣，如H型鋼、角鋼以及鋼管等。AstanehAsl等[23]系統地研究了角鋼組成的支撐桿的抗震性能，包括平面內屈曲的短肢合并雙角鋼支撐[2]和平面外屈曲的長肢合并的雙角鋼支撐[3]，以及等肢角鋼組成的T形及箱形截面支撐[4]。其次，支撐的布置方式根據不同的建筑結構或使用要求，有中心支撐和偏心支撐，其中，中心支撐又分為X型、V型、∧型和單斜桿型等。Goel等[5]試驗研究了X型單角鋼和雙角鋼支撐的滯回性能。再次，根據支撐的抗側性能不同，還可分為普通支撐和屈曲約束支撐（或稱防屈曲耗能支撐）[6]。對于框架鋼支撐體系的抗震研究也較為深入。Jain等[7]和Ikeda等[8] 分別提出了鋼框架支撐結構的復雜滯回性能模型，Tremblay等[910]分析了鋼框架支撐結構的地震響應，Maheri等[11]介紹并研究鋼支撐在混凝土結構中的應用及抗震性能，Kim等[12]給出了屈曲約束支撐框架結構的抗震設計方法，張耀春等[13]則對比了普通鋼支撐框架與防屈曲支撐框架的抗震性能。研究表明鋼支撐束柱構件有別于單榀鋼支撐框架結構，主要差別為：單榀支撐框架結構一般柱距較大，故支撐布置形式一般為單斜式、交叉式或人字形（圖2（a）），而鋼支撐束柱的間距較小，孫建運等[14]對比研究了不同布置方式的鋼支撐束柱，認為K形鋼支撐束柱相對具有較好的抗側能力和經濟性（圖2（b））。

圖2單榀框架支撐結構與鋼支撐束柱的區別

為確保鋼支撐束柱有較好的抗震性能，其設計準則為：束柱中鋼支撐應先于束柱中的梁柱屈服而屈曲。通過3組相同尺寸的2層單跨鋼支撐束柱試件，測試試驗模型的受載變形全過程及其整體承載性能，并研究：1）鋼支撐束柱在單調水平荷載作用下的極限承載力、剛度和穩定性；2）鋼支撐束柱在水平往復荷載作用下的滯回性能；3）鋼支撐對束柱強度、剛度的影響。

陸燁，等：鋼支撐束柱抗震性能試驗研究

1試驗概況

1.1試件設計

鋼支撐束柱試件為1∶2縮尺比例模型，各組成部件柱、梁和鋼支撐截面形狀及尺寸如表1所示，梁、柱鋼材為Q345B，支撐的鋼材為Q235B。相同的試件有3組，其中，1組試件為單調加載，另外2組為往復加載。組成的鋼支撐束柱層高1 375 mm，跨度為900 mm。根據鋼結構設計規范[15]的要求，雙角鋼支撐中間等距設3塊填板。梁柱對接焊、鋼支撐與節點板角焊縫連接，柱腳與40 mm厚底板焊接。

1.2試驗裝置

鋼支撐束柱柱腳用10.9級M24摩擦型高強螺栓與底座固接，底座通過M65錨栓固定在地槽上，約束其豎向變形，同時設置2組水平向圓孔，并利用2根M65水平螺桿約束其水平向位移。為保證束柱試件在水平加載過程中不會發生面外的變形和位移，束柱構件的2根柱面外各設置兩榀約束框架（圖3）。

試驗加載設備采用數控液壓作動器，可提供拉力2 000 kN、壓力2 000 kN，行程500 mm，作動器底端與水平反力架相連，頂端與束柱試件連接，底座的水平拉桿與反力架螺栓固接在一起，保證底座與反力架形成自平衡系統。圖4描述了水平反力架、液壓作動器與束柱試件之間的相互位置關系。

1.3加載制度

預加載采用力控制，±20、±40 kN各2次，過程中查看各測點是否正常，確認無誤后再開始正式加載。

正式加載時，單調加載，屈服前力控制；屈服后位移控制。往復加載，屈服前力控制；屈服后位移控制，往復加載的具體加載方式如表2所示。

1.4材性試驗

材性試驗從柱、梁、內夾鋼板和鋼支撐中選取材性試件，按照中國標準《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB/T 228-2002）[15]進行取樣及加工。材性試驗由國家金屬材料質量監督檢驗中心、上海材料研究所檢測中心檢測并出具相關性能參數（表3）。

2試驗結果

2.1單調加載

試驗得到的鋼支撐束柱頂層和一層的荷載位移曲線見圖5（a）和5（b）。試驗曲線開始非常平穩，加載力和位移均勻上升，直至加載到162 kN時（層間位移角0.9%），首層受壓支撐局部屈曲（圖6（a）），并很快發展為整體側向失穩（圖6（b）），束柱承載力突降，但下降至148 kN后，束柱承載力又緩慢上升，達到165 kN時（層間位移角2%），頂層受壓支撐局部屈曲，承載力再一次下降至161 kN時該支撐整體失穩（圖6（c）），束柱承載力急劇降低，但降至149 kN后，束柱承載力再一次上升，但此時2層的受壓支撐均已嚴重破壞（圖6（d）），受拉支撐也已屈服，并進入強化段，頂層位移加載至76 mm時試驗停止。柱腳始終牢固可靠，無任何破壞跡象。