震后可替换耗能梁偏心支撑钢框架拟静力试验研究_周鑫.pdf
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1、122Industrial Construction Vol.53,No.2,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期震后可替换耗能梁偏心支撑钢框架拟静力试验研究周鑫1王新武2余永强1李通3(1河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;2河南省新型土木工程结构 国际联合实验室,洛阳理工学院,河南洛阳471023;3河南科技大学土木工程学院,河南洛阳471023)摘要:近年来,抗震设防目标逐渐从保护生命安全转向震后快速修复,可替换耗能梁段半刚性连接偏心支撑钢框架体系在震后通过替换新耗能梁,能够快速恢复其使用功能,因而得到了广泛关注。为了研究震后修复的偏心支撑钢框架的抗震性能及论证
2、震后替换耗能梁段方法的可行性,首先对 1 个 1 2缩尺偏心支撑钢框架进行低周往复加载试验,然后更换新的耗能梁,再次对其进行低周往复加载试验。试验结果表明:修复替换后的试件与原试件相比,其滞回性能、承载力、延性系数、抗侧刚度和耗能性能虽不及原试件,但仍保留一定的承载力和良好的耗能性能;通过对层间位移角和耗能梁转角的分析,表明修复后的模型的整体变形能力以及其耗能梁转动能力依旧很好;对框架的失效模式和关键部位应变的分析,验证了更换耗能梁修复方法的可行性。关键词:偏心支撑;可替换构件;抗震性能;拟静力试验;震后修复DOI:10.13204/jgyjzG20101907*国家自然科学基金项目(5167
3、8284);河南省科技创新杰出人才基金项目(184200510016);中原科技创新领军人才(214200510002)。第一作者:周鑫,男,1992 年出生,硕士研究生。通信作者:王新武,男,1971 年出生,教授,博士,lywxw518163com。收稿日期:20201019QuasiStatic Test Study on Eccentrically Braced Steel Frameswith eplaceable Links After EarthquakeZHOU Xin1WANG Xinwu2YU Yongqiang1LI Tong3(1School of Civil Engi
4、neering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2Henan International JointLaboratory of New Civil Engineering Structure,Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023,China;3School of Civil Engineering,Henan University of Science Technology,Luoyang 471023,China)Abstract:In rece
5、nt years,the goal of seismic fortification has gradually shifted from protecting life safety to quicklyreturning to normal after an earthquake The semi-rigid connection eccentrically braced steel frame system withreplaceable links can be quickly restored to use by replacing the new link after an ear
6、thquakeIn order to study theseismic performance of the eccentrically braced steel frame repaired after earthquake and demonstrate the feasibility ofreplacing links after earthquake,a 12 scaled eccentrically braced steel frame was first subjected to quasi-static load,then it was repaired with a new l
7、inks after the earthquake,and perform quasi-static loading tests again The testresults showed that compared with the original specimen,the hysteresis performance,bearing capacity,ductilitycoefficient,lateral stiffness and energy dissipation performance of the repaired and specimen with replaceable l
8、inkwere not as good as the original specimen,but still retained a certain bearing capacity and generally good energy-dissipating capacity Through the analysis of inter-storey displacement angle and the rotation angle of the link,it wasshown that the overall deformation capacity of the repaired model
9、 and the rotation capacity of the link were still verygoodThe failure mode and strain of key parts of the frame were analyzed to verify the feasibility of replacing the linkrepair methodKeywords:eccentrically braced frame;replaceable member;seismic performance;quasi-static test;seismic retrofit0引言传统
10、的抗震设防目标是“小震不坏,中震可修,大震不倒”,近年来其目标逐渐从保护生命安全转向震后快速恢复使用功能,即可恢复功能结构的设计理念1。偏心支撑钢框架体系结合了中心支撑震后可替换耗能梁偏心支撑钢框架拟静力试验研究 周鑫,等123结构和抗弯框架结构的优点,具有较好的延性、较大的抗侧刚度和良好的耗能能力27,适用多高层建筑,且震后易于修复,是一种典型的可恢复功能结构。国内外学者对偏心支撑钢框架的抗震性能进行了较多的研究,但对半刚性螺栓连接偏心支撑钢框架震后修复的可行性研究相对较少。Mansour8 对比了偏心支撑钢框架的两种连接方式(端板螺栓连接和腹板螺栓连接),分析得出了端板螺栓连接框架的耗能性
11、能比腹板螺栓连接框架好。Dubina9 通过试验研究得出当偏心支撑框架的主体结构采用高强钢时,耗能梁段采用普通钢材,结构塑性变形大部分发生在耗能梁上,有利于更换耗能梁进行震后修复。段留省等1011 对 4 个单层单跨的高强钢组合K 型偏心支撑钢框架进行单调加载和循环加载试验研究,结果表明:高强钢组合 K 形偏心支撑钢框架的承载力高、延性较好、耗能能力强,剪切屈服型试件的耗能能力好于弯曲屈服型;并对修复后的模型再次进行循环加载试验,研究表明:修复后的框架的承载力、延性及层间位移与原结构差别不大。时强等12 为了研究耗能梁长度对偏心支撑钢框架抗震性能的影响,进行了 4 个偏心支撑钢框架的拟静力试验
12、,结果表明:框架的破坏模式为耗能梁段端板焊缝或腹板断裂,其余主体构件均未出现明显屈曲变形和裂纹,易于震后修复;随耗能梁长度的增大,试件的极限承载力及累计耗能均呈下降趋势。综上所述,大部分学者仅通过试验现象就提出偏心支撑结构易于震后修复的结论,并没有进行下一步深入研究。虽有学者11 对偏心支撑结构进行震后修复研究,但其所研究的框架是焊接连接,其弊端:修复时,需要切割已破坏的耗能梁,然后再焊接新的耗能梁,工序复杂,花费代价较高,另外此种修复工序会产生较大焊接残余应力,不利于结构的受力性能。此外,国内外有关偏心支撑钢框架结构设计方法与规范1315 都将耗能梁和框架的其他构件设计成为一个整体,即各部件
13、通过焊接连接形成一个整体。为了确保在罕遇地震作用下耗能梁能够充分进入弹塑性状态,非耗能构件须考虑由应变硬化和材料超强引起的内力增大效应,造成非耗能构件的设计截面增大,限制了偏心支撑钢框架结构的应用。因此,本文提出新型全螺栓连接偏心支撑框架结构(图 1),在框架梁的端部焊接一个短悬臂梁,然后将斜撑与短悬臂梁拼接,此种形式的连接可以避免框架梁耗能梁斜撑连接节点交汇于一点,减小框架梁端部节点域的受力复杂程度,有效保护框架梁端部,从而实现试验预期的破坏模式。同时,此模型适用基于性能设计的理念,便于对框架各个构件进行独立设计,确保对构件进行设计时不受钢材等级和截面尺寸的限制。本文对修复前和震后修复后的全
14、螺栓连接偏心支撑模型进行 2 次拟静力试验研究,形成对照组。通过深入分析 2 个模型的破坏模式、滞回性能、承载能力、变形能力、延性、刚度退化、耗能性能等,对耗能梁段震后替换的可行性进行验证,为工程应用提供依据。图 1试件模型Fig1Specimen model1试验概况1.1试件设计本文以一栋传统的 9 层 K 型偏心支撑钢框架底层中的一榀框架作为研究对象,结构层高 3.6 m,跨度 6.0 m,试验试件按 12缩尺比例设计,则取层高1.8 m,跨度 3.0 m。抗震设防条件如下:抗震设防烈度8 度,地震基本加速度 0.3 g,设计地震分组第一组,场地类别类。荷载选取如下:楼面恒荷载为4.5
15、kN/m2,活荷载为 2.5 kN/m2,风荷载为 0.9 kN/m2,雪荷载为0.7 kN/m2。2 个模型构件按照 GB 500112010建筑抗震设计规范13 和 GB 500172017钢结构设计标准16 设计,并对其进行了强度、刚度、稳定性等验算。2 个试件耗能梁段长度为400 mm,端板厚度为 20 mm,各构件之间均采用10.9 级 M20 高强螺栓连接,2 个耗能梁的材质和规格相同。试件模型如图 1 所示,试件几何尺寸如图2 所示。为了保证耗能梁早于非耗能构件屈服,耗能梁采用屈服点较低的 Q235B 钢材,其余构件采用Q345B 钢材,各构件截面尺寸和材料如表 1 所示。图 2
16、试件尺寸mmFig2Specimen sizes124工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期根据美国规范 AISC 3411614 的相关规定,按耗能梁长度比 大小将耗能梁段分为剪切型和弯曲型,当 1.6时为剪切屈服型,1.6 时为弯曲屈服型。耗能梁长度比 按下式计算:Mp=WpFy(1a)Vp=0.58Fy(hl 2tf)tw(1b)=eVp/Mp(1c)式中:tw为耗能梁腹板厚度;tf为耗能梁翼缘厚度;hl为耗能梁截面高度;Wp为耗能梁塑性截面模量;Fy为耗能梁腹板屈服强度;e 为耗能梁长度;为耗能梁长度比;Vp为耗能梁塑性剪切承载力;Mp耗能梁塑性抗弯承载力。通过计算可知,本模型的耗
17、能梁属于剪切屈服型。表 1各构件截面和材料Table 1Section sizes and materials of members构件截面尺寸/mm材料框架梁H25012569Q345B框架柱H200200812Q345B支撑H1251256.59Q345B耗能梁段H25012569Q235B1.2材性参数在同一批次的钢材中进行取样,试验所需的样胚严格按照 GB/T 29751998钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备17 要求制作,根据 GB228.12010 金属材料 拉伸试验 第 1 部分:室温试验方法18 的要求进行单向拉伸试验,材性试验结果如表 2 所示。表 2材性试验结果Ta
18、ble 2Material test results取样名称E/GPafy/MPay/%fu/MPa/%柱腹板2243790.2154329.8柱翼缘2233370.17952633.8梁腹板2013690.1853632.2梁翼缘2273560.1853029.3支撑腹板2033610.17853231.5支撑翼缘2273560.1853029.3耗能梁腹板2362710.16344737.0耗能梁翼缘2412600.15746030.71.3加载装置试验加载装置如图 3 所示,框架柱底通过地锚螺栓 固 定 在 刚 性 地 面 上,柱 顶 采 用 两 个 竖 向2 000 kN液压伺服作动器
19、对其施加轴压,采用一个水平方向 1 000 kN 液压伺服作动器施加水平荷载。在框架梁处设置侧向限位,防止钢框架发生平面外失稳。在两柱顶支座和侧向限位处都设置了定向滚动滚排,以减小水平方向的摩擦力。1反力墙;2反力架;32 000 kN 作动器;41 000 kN 作动器;5柱顶支座;6加载端;7滚排;8试件;9侧向限位反力架;10侧向限位。图 3试验装置模型Fig3Test set-up model1.4测量方案在框架楼层标高处布置水平位移计,用于测量框架在水平荷载作用下的侧移。在耗能梁段两端布置竖向位移计,监测其上下转动变形。在耗能梁翼缘和腹板处布置大量应变片;在框架梁、框架柱、斜撑和梁柱
20、节点等关键部位布置应变片;对螺帽铣孔以便引出信号线,对螺杆进行表面处理以便粘贴应变片,然后涂抹环氧树脂保护应变片。具体应变片及位移计的布置情况见图 4。图 4应变片和位移计布置Fig4Arrangements of strain gauges and displacement meters1.5加载方案此次试验在洛阳理工学院土木工程学院结构实验室进行,首先通过竖向作动器对两柱顶分别施加400 kN 的竖向荷载,待施加的竖向荷载和框架稳定后,再施加水平荷载(40 kN),并循环 2 圈来检查各仪器是否能够正常运行。正式试验时,根据 JGJ/T1012015 建筑抗震试验规程19 的要求,试验加载
21、采用力位移混合控制加载制度,如图 5 所示,规定以推为正向荷载,以拉为负向荷载。先以力控制加载,直到框架核心区(耗能梁)应变片达到屈服应变,此时对应的位移记为 y,然后由力控制切换为位移控制,每级位移荷载以 y的整数倍递增,每级位移荷载循环 3 次,直到承载力下降到最大值的震后可替换耗能梁偏心支撑钢框架拟静力试验研究 周鑫,等125图 5循环加载制度Fig5Cyclic loading protocols85%(或者试件破坏)时结束试验。2试验现象和破坏模式2.1试验现象试件共 2 个,试件 KBF-0 的耗能梁破坏后,重新替换新耗能梁的试件为 KBF-1。两试件的破坏现象见图 6,加载过程现
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