钢支撑束柱抗震性能试验研究

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摘要：通过试验和有限元理论对比研究了钢支撑束柱的抗震性能和破坏特性。试验模型采用2层钢支撑束柱构件，其中钢支撑为长肢相并的双角钢支撑。试验共分为3组，1组为单调加载试验，另外2组为滞回性能试验。另对钢支撑束柱的抗震性能进行了有限元理论分析，经试验结果验证，得到了钢支撑束柱试件的抗侧承载力、刚度及滞回性能。研究表明，钢支撑束柱的承载力、刚度主要来自钢支撑，而束柱外框架部分的贡献很小。钢支撑束柱的破坏只发生在钢支撑中，外框架部分没有任何损坏。

关键词：钢支撑束柱；抗震性能；模型试验；有限元理论

中图分类号：TU391

文献标志码：A

文章编号：16744764（2014）01001006

钢结构束柱体系是一种新型结构体系[1]，其基本思想是将传统的单柱分成2根柱构成束柱以解决钢框架结构平面布置中梁柱错位搭接的问题（图1）。通过在束柱中间设置传统的抗侧力构件，如钢支撑等，就形成了新型组合束柱构件：钢支撑束柱。钢支撑束柱可以在工厂预制，不但可以承受来自楼面的竖向荷载，更能抵抗风、地震等水平荷载，成为结构的水平抗侧力构件。而且，由于组合束柱构件本身具有较大的承载力和刚度，可以吸收大部分水平荷载，钢框架其他现场梁柱连接节点可设计为铰接或者半刚接，这样，钢结构束柱结构体系具有易于预制装配化的特点（图1）。

图1易装配的钢结构束柱体系[1]

钢支撑性能的研究已经很成熟，工程设计中可供选择的支撑形式也相当丰富。首先，支撑的截面形式多种多样，如H型钢、角钢以及钢管等。AstanehAsl等[23]系统地研究了角钢组成的支撑杆的抗震性能，包括平面内屈曲的短肢合并双角钢支撑[2]和平面外屈曲的长肢合并的双角钢支撑[3]，以及等肢角钢组成的T形及箱形截面支撑[4]。其次，支撑的布置方式根据不同的建筑结构或使用要求，有中心支撑和偏心支撑，其中，中心支撑又分为X型、V型、∧型和单斜杆型等。Goel等[5]试验研究了X型单角钢和双角钢支撑的滞回性能。再次，根据支撑的抗侧性能不同，还可分为普通支撑和屈曲约束支撑（或称防屈曲耗能支撑）[6]。对于框架钢支撑体系的抗震研究也较为深入。Jain等[7]和Ikeda等[8] 分别提出了钢框架支撑结构的复杂滞回性能模型，Tremblay等[910]分析了钢框架支撑结构的地震响应，Maheri等[11]介绍并研究钢支撑在混凝土结构中的应用及抗震性能，Kim等[12]给出了屈曲约束支撑框架结构的抗震设计方法，张耀春等[13]则对比了普通钢支撑框架与防屈曲支撑框架的抗震性能。研究表明钢支撑束柱构件有别于单榀钢支撑框架结构，主要差别为：单榀支撑框架结构一般柱距较大，故支撑布置形式一般为单斜式、交叉式或人字形（图2（a）），而钢支撑束柱的间距较小，孙建运等[14]对比研究了不同布置方式的钢支撑束柱，认为K形钢支撑束柱相对具有较好的抗侧能力和经济性（图2（b））。

图2单榀框架支撑结构与钢支撑束柱的区别

为确保钢支撑束柱有较好的抗震性能，其设计准则为：束柱中钢支撑应先于束柱中的梁柱屈服而屈曲。通过3组相同尺寸的2层单跨钢支撑束柱试件，测试试验模型的受载变形全过程及其整体承载性能，并研究：1）钢支撑束柱在单调水平荷载作用下的极限承载力、刚度和稳定性；2）钢支撑束柱在水平往复荷载作用下的滞回性能；3）钢支撑对束柱强度、刚度的影响。

陆烨，等：钢支撑束柱抗震性能试验研究

1试验概况

1.1试件设计

钢支撑束柱试件为1∶2缩尺比例模型，各组成部件柱、梁和钢支撑截面形状及尺寸如表1所示，梁、柱钢材为Q345B，支撑的钢材为Q235B。相同的试件有3组，其中，1组试件为单调加载，另外2组为往复加载。组成的钢支撑束柱层高1 375 mm，跨度为900 mm。根据钢结构设计规范[15]的要求，双角钢支撑中间等距设3块填板。梁柱对接焊、钢支撑与节点板角焊缝连接，柱脚与40 mm厚底板焊接。

1.2试验装置

钢支撑束柱柱脚用10.9级M24摩擦型高强螺栓与底座固接，底座通过M65锚栓固定在地槽上，约束其竖向变形，同时设置2组水平向圆孔，并利用2根M65水平螺杆约束其水平向位移。为保证束柱试件在水平加载过程中不会发生面外的变形和位移，束柱构件的2根柱面外各设置两榀约束框架（图3）。

试验加载设备采用数控液压作动器，可提供拉力2 000 kN、压力2 000 kN，行程500 mm，作动器底端与水力架相连，顶端与束柱试件连接，底座的水平拉杆与反力架螺栓固接在一起，保证底座与反力架形成自平衡系统。图4描述了水力架、液压作动器与束柱试件之间的相互位置关系。

1.3加载制度

预加载采用力控制，±20、±40 kN各2次，过程中查看各测点是否正常，确认无误后再开始正式加载。

正式加载时，单调加载，屈服前力控制；屈服后位移控制。往复加载，屈服前力控制；屈服后位移控制，往复加载的具体加载方式如表2所示。

1.4材性试验

材性试验从柱、梁、内夹钢板和钢支撑中选取材性试件，按照中国标准《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T 228-2002）[15]进行取样及加工。材性试验由国家金属材料质量监督检验中心、上海材料研究所检测中心检测并出具相关性能参数（表3）。

2试验结果

2.1单调加载

试验得到的钢支撑束柱顶层和一层的荷载位移曲线见图5（a）和5（b）。试验曲线开始非常平稳，加载力和位移均匀上升，直至加载到162 kN时（层间位移角0.9%），首层受压支撑局部屈曲（图6（a）），并很快发展为整体侧向失稳（图6（b）），束柱承载力突降，但下降至148 kN后，束柱承载力又缓慢上升，达到165 kN时（层间位移角2%），顶层受压支撑局部屈曲，承载力再一次下降至161 kN时该支撑整体失稳（图6（c）），束柱承载力急剧降低，但降至149 kN后，束柱承载力再一次上升，但此时2层的受压支撑均已严重破坏（图6（d）），受拉支撑也已屈服，并进入强化段，顶层位移加载至76 mm时试验停止。柱脚始终牢固可靠，无任何破坏迹象。