竹皮紙偏心支撐框架的水平加載試驗研究＊

劉歡，陳佳，王磊，于錦

（西南石油大學土木工程與建筑學院，四川成都610500）

竹皮紙偏心支撐框架的水平加載試驗研究＊

劉歡，陳佳，王磊，于錦

（西南石油大學土木工程與建筑學院，四川成都610500）

以竹皮紙為原材料設計制作了耗能梁段長度分別為2 cm、5 cm、8 cm的單斜桿式偏心支撐框架結構，對其進行水平加載試驗，并運用全站儀測量加載過程中模型的位移變化。對比3組結構的受力性能和破壞形態，研究耗能梁段長度對結構性能的影響。試驗結果表明，耗能梁段長度為5 cm的偏心支撐框架結構可以有效地控制支撐的屈曲，從而改善結構的延性和承載力。耗能梁段長度為8 cm的結構的延性優于耗能梁段長度為2 cm的結構，而兩者的承載能力相差不大。耗能梁段長度為2 cm的模型抗側剛度最好。

偏心支撐；竹皮紙；水平荷載；耗能梁段

框架-支撐體系是一種重要的雙重抗側力體系，被廣泛運用于實際工程當中。框架-支撐體系中的支撐在設計中可采用中心支撐、偏心支撐和屈曲約束支撐[1]；中心支撐框架桿件的工作線交匯于一點或多點，桿件主要承受軸心力，依靠斜支撐來抵抗水平力，在高烈度地震作用下中心支撐易發生屈曲，并導致結構迅速喪失承載力[2]。偏心支撐框架的斜支撐桿至少有一端與梁連接，支撐軸線偏離梁柱的交點，在梁端或跨中形成耗能梁段[3]。與中心支撐鋼框架相比，在大震作用下，偏心支撐框架結構通過耗能梁段變形來耗散地震能量，從而保證斜支撐不發生屈曲，具有良好的延性和耗能能力。偏心支撐較好地解決了中心支撐所存在的強度、剛度和耗能這3種性能不匹配問題，兼有中心支撐框架強度與剛度好以及純框架耗能大的優點[4]。本文對2 cm、5 cm、8 cm不同長度耗能梁段的單斜桿式竹皮紙偏心支撐框架結構進行水平加載試驗，對比分析模型的受力性能和破壞形態，研究耗能梁段長度對結構性能的影響。

1 試驗方案

1.1 模型設計與制作

表1 構件截面尺寸

試驗采用如圖1所示的單榀三層偏心支撐框架結構模型，層高23 cm，跨度40 cm，耗能梁段長度分別為2 cm、5 cm、8 cm，支撐為單斜桿形式。所有連接均采用剛接，柱子為箱形截面，梁采用工字形截面，支撐T形截面，截面尺寸見表1.構件采用竹皮紙制作，其材料性能如表2所示。構件連接采用502膠水黏接，均勻對稱抹面，并進行干燥處理，以保證黏接強度，支撐與主體結構通過節點板連接。為保證“強節點、弱構件”，在節點連接處均采用502膠水混合竹皮紙碎屑加強連接。

圖1 偏心支撐框架模型示意圖

表2 竹皮紙的性能參數

1.2 加載方案設計

1.2.1 試驗裝置

本文設計了如圖2所示的加載裝置。通過繩子與定滑輪將模型和砝碼相連，利用定滑輪將豎向荷載轉換為水平荷載。整體模型黏接在平整的實木板上，柱腳與板連接采用類似靴梁的構造，以保證柱腳有足夠的黏接強度，防止因柱腳破壞而導致的整體倒塌。

模型一側放置一個鋼三腳架，三腳架中心懸掛一個滑輪，另外一側采用KTS-482Rm型號全站儀測量框架頂部的側移，一級加載結束后對應一次測距，通過計算2次水平距的變化確定位移量。

1.2.2 荷載施加方式

對結構采用分級加載的方式，每級荷載持續30 s[5]。當結構開始出現破壞時，為了接近結構破壞的極限荷載，將每級別荷載適當減小。這種分級加載便于觀察支撐與耗能梁段的變形。

2 試驗結果及分析

2.1 耗能梁段長為2 cm偏心支撐模型

本組試驗制作了2個模型，試驗結果見圖3.對于模型1，當荷載達到9.561 kg時，其柱頂水平位移為5 mm，支撐開始變形，并迅速破壞，然后結構馬上整體破壞。對于模型2，當荷載達到10.198 kg時，其柱頂水平位移為5.5 mm，頂層支撐發生變形并迅速屈曲，這級荷載持續僅23 s，結構馬上整體破壞。由以上試驗現象分析可知：支撐一旦發生變形，便迅速破壞，其破壞形式表現為整體屈曲，并立即退出工作，只由框架承受荷載，導致結構的整體抗側剛度迅速降低，立即破壞[6]。此時，耗能梁段并未形成，結構的破壞形式類似于中心支撐框架結構。

圖2 加載裝置示意圖

圖3 耗能梁段長度為2 cm的荷載位移關系圖

2.2 耗能梁段長為5 cm偏心支撐模型

對于耗能梁段長為5 cm的偏心支撐框架結構，當荷載達到10.198 kg時，耗能梁段翼緣開始向上變形，但是變形很小，如圖4所示。當荷載達到12.430 kg時，耗能梁段變形明顯增大。當荷載加到13.577 kg時，柱頂達到最大水平位移11.2 mm，耗能梁段變形較大，如圖5所示。荷載增至14.214 kg時，耗能梁段發生破壞，支撐隨即破壞，結構整體倒塌。從梁段變形開始到破壞，結構堅持了5 min 27 s，這期間變形從4.9 mm增加到11.2 mm。

由以上試驗現象分析可知：框架梁在受荷過程中，首先發生剪切變形，形成了有效的耗能梁段，避免了支撐發生屈曲[7]，其變形明顯延緩結構的破壞時間，并進一步提高了結構的承載力，有效地改善了結構的延性。

圖6為耗能梁段長度為5 cm的荷載位移關系圖。

2.3 耗能梁段長為8 cm偏心支撐模型

對于模型1，當荷載達到8.287 kg時，其柱頂水平位移為8 mm，頂層支撐開始變形并迅速屈曲，當支撐破壞后，結構馬上整體破壞。對于模型2，當荷載達到10.835 kg時，其柱頂水平位移為8.8 mm，耗能梁段有所變形，但支撐同時發生變形并迅速屈曲，結構隨之整體破壞。

分析以上試驗現象：模型1和模型2承載力的差異較大，可能是因為模型1制作好之后，擱置時間過長，使得模型1材料強度發生了一定的變化。

圖4 荷載為10.198 kg時的視頻截圖

圖5 荷載為13.577 kg時的視頻截圖

圖6 耗能梁段長度為5 cm的荷載位移關系圖

圖7 耗能梁段長度為8 cm的荷載位移關系圖

2組試驗，雖然承載力有所差異，但均表現為耗能梁段變形較小，支撐首先發生屈曲導致結構發生破壞。

圖7為耗能梁段長度為8 cm的荷載位移關系圖。

3 結論

從整個試驗結果來看，支撐與框架梁的連接處距離梁端的距離決定了耗能梁段的形成與否，并進一步決定了結構的破壞機制，合適的耗能梁段設計能有效改善結構的延性并提高承載力，具體結論如下：①耗能梁段長度e為5 cm的模型極限承載力最好，為13～14 kg，其次為2 cm的模型，極限承載力為10～11 kg，而8 cm的模型，其極限承載力為8～10 kg。②耗能梁段長度e為2 cm的模型抗側剛度最好，極限荷載/極限位移為1 800～1 900.e為5 cm的模型的極限荷載/極限位移為1 212，e為8 cm模型的為1 200～1 300，這2組模型抗側剛度相差不大。③耗能梁段長度e為5 cm的模型延性最好，試驗延性系數＝結構破壞的極限位移/支撐或耗能梁段產生變形時的位移。e為5 cm的模型的延性系數均值為1.52，e為2 cm的模型的延性系數均值為1.03，e為8 cm的模型為1.47.④不同耗能梁段長度的結構破壞存在較大差異。耗能梁段長e為2 cm和8 cm的模型都是按照耗能梁段屈曲→支撐破壞→結構整體破壞的順序進行的，而e為5 cm模型是按照耗能梁段破壞→結構整體破壞順序進行的。e為5 cm的模型主要發生頂層破壞，一層、二層結構完好，e為2 cm與e為8 cm的模型表現為結構整體破壞。⑤當e為2 cm時，未能形成耗能梁段，e為8 cm模型耗能梁段作用不明顯；e為5 cm的結構加載過程中，梁段剪切變形明顯，大大延緩了結構破壞時間，表現為典型的剪切屈服梁段。指導教師：蒲萬麗、馮頗。

［1］王水清.防屈曲耗能支撐鋼管混凝土組合框架抗震性能研究［D］.長沙：湖南大學，2010.

［2］李峰，許軍，李發山，等.偏心支撐式鋼板剪力墻的抗震性能研究［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2013，45（6）：784-790.

［3］羅亞男.K型偏心支撐鋼框架彈塑性受力性能研究［D］.西安：西安科技大學，2013.

［4］王櫛楓，何若全.V型中心支撐鋼框架的結構影響系數［J］.蘇州科技學院學報（工程技術版），2007，20（2）：1-5.

［5］楊毅夫.竹纖維鋼筋混凝土力學性能試驗研究［D］.成都：成都理工大學，2016.

［6］趙作周，劉慶志，康洪震，等.支撐框架結構中支撐形式綜述［J］.工業建筑，2011，41（8）：79-84.

［7］郭秉山，莊曉勇，閆月梅.耗能梁段的構造對K型偏心支撐鋼框架受力性能的影響［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2007，39（2）：155-160.

〔編輯：劉曉芳〕

TU317+.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.042

2095－6835（2017）19－0042－03

項目］本項目由西南石油大學開放實驗重點項目基金資助，項目編碼KSZ16152

劉歡（1996—），男，研究方向為土木工程。