空腹桁架结构在低周反复荷载作用下的试验研究

2022-09-11

空腹桁架钢框架结构是在钢框架的基础上, 取消框架中间的柱子, 并在框架隔层增设腹板柱形成空腹桁架与钢框架组合的结构体系。它可以广泛应用于多、高层建筑结构体系中, 因此对其进行抗震性能研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

本文设计了一个1∶4的缩尺空腹桁架试件模型, 研究它在恒定竖向荷载和低周反复水平荷载共同作用下的破坏机理和抗震性能, 包括破坏模式、承载力和滞回性能、刚度的变化情况、结构的延性、耗能能力等, 并与一个混合桁架试件进行对比。

1 试验模型

此次实验模型为4层, 按1∶4比例设计, 跨度为3.0m, 层高0.675m, 总高为3.10m (含0.20m的地梁) 。试验模型试件有2榀, 一榀为空腹式桁架试件, 另一榀为混合式 (与空腹式对比) , 构件的截面形式与尺寸:柱H150×150×6.0×8.0、弦梁H100×100×6.0×8.0、竖腹杆□80×60×4.0、斜腹杆□60×60×3.5。试件每个柱脚的地梁通过两个M80螺栓与试验室刚性地板连接, 以保证柱脚刚接。在空腹式试件中除了斜撑与柱铰接外, 其余的杆件连接均为刚接;在混合式试件中除了柱和弦梁、地梁刚接外, 其余的杆件连接均为铰接。

2 试验方法

2.1 加载装置

试验在山东建筑大学结构试验室进行, 采用拟静力加载方式。竖向荷载在实验开始时一次施加, 通过在弦梁上加配重铁块来模拟地震作用下的楼面重力荷载代表值;水平低周反复荷载加载设备为液压伺服作动器, 通过分配梁施加于一侧柱上, 即在二层和四层分别施加集中荷载, 荷载分配比例为1∶2, 以模拟框架在地震中的真实受力情况。

2.2 加载制度

水平荷载的加载方式为位移加载, 试件屈服前:空腹桁架试件按照4mm为步长逐级加载, 混合桁架试件按照3mm为步长逐级加载, 直至试件屈服, 每级荷载循环2周;试件屈服后:位移步长为屈服位移, 每级循环3周, 直至试件破坏。每个试件在试验前都进行预加反复荷载两次。

2.3 量测内容

根据试验的要求, 在试验过程中需观测以下项目:结构每层的位移, 结构柱顶的反力, 结构构件的应变发展情况。

(1) 荷载。设定好加载的方式, 液压伺服试验系统可以自动采集每一荷载步荷载的大小。

(2) 位移观测。位移观测采用位移传感器观测结构位移, 布置于结构每层柱顶, 沿作动器方向布置, 共计4个位移传感器, 数据采集系统自动采集。

(3) 应变观测。在试验中, 应变观测主要监控最先出现塑性铰的位置。空腹桁架试件主要是在竖腹杆的上、下端部位, 其次是在弦梁的左、右端部位, 共采用应变片50片, 应变花8个;混合桁架主要是在空腹节间的竖腹杆的上、下端部位, 斜腹杆的上下端部位, 其次是在弦梁的左、右端部位, 共采用应变片62片, 应变花4个, 液压伺服试验系统可以自动采集应变。

3 试验结果及分析

3.1 试件模型的破坏过程及形态

空腹桁架试件在竖向恒定荷载和水平低周反复荷载的作用下, 从加载到试件破坏历时6个小时, 共经历了11个反复循环。在加载到第6个循环时, 已临近屈服状态, 当水平荷载加到24mm时, 试件发出金属的清脆响声。在第7个循环时, 水平荷载加到28mm, 试件开始屈服。在第8个循环 (2△y (±56mm) 为峰值) 时, 在循环3圈后, 二层中间腹杆上端出现屈曲。在第9个循环 (3△y (±84mm) 为峰值) 时, 在循环第一圈时, 二层中间腹杆上端出现屈曲加大, 其它层腹杆上端也出现屈曲;循环3圈后, 二层中间腹杆上端出现裂纹, 第一桁架层上的其它腹杆的上、下端也出现了屈曲。在第10个循环 (4△y (±112mm) 为峰值) 时, 循环结束后第一桁架层上的腹杆的上下端均出现了裂纹。在第11个循环 (5△y (±140mm) 为峰值) 时, 当循环一圈后, 二层弦梁与柱连接处出现裂纹, 结构承载力己经严重下降 (己下降至最大荷载的85%) , 认为此时的结构水平位移过大, 已经破坏, 试验停止。整个试验结束后, 钢柱和部分腹杆出现了不可恢复的明显的弯曲变形。

混合桁架试件从加载到试件破坏历时7个小时, 共经历了11个反复循环。在加载到第8个循环, 水平荷载加到23mm时, 试件开始屈服。在第9个循环 (2△y) 为峰值) 时当循环进行到第3圈, 二层竖腹杆下端出现屈曲。在第10个循环 (3△y为峰值) 时, 在循环的第一圈时, 二层中间竖腹杆下端屈曲加大, 与该竖腹杆连接的斜腹杆下端在与连接板连接的地方出现屈曲;在循环3圈后, 出现屈曲的竖腹杆和斜腹杆的下端出现裂纹, 柱子也开始出现屈曲。在第11个循环 (4△y) 为峰值) 时, 当第一个循环结束后斜腹杆的裂纹加大;当进入第二圈循环时柱子的屈曲加大, 结构承载力己经严重下降, 结构水平位移过大, 试验停止。

3.2 滞回曲线

图1为空腹桁架试件的P—Δ滞回曲线, 其中P为基底水平总剪力, Δ为试件顶层侧向位移。从图中可以看出, 弹性阶段初期滞回曲线基本为直线, 而后逐渐发展为对称的梭形, 曲线具有很好的饱满度, 反映出空腹桁架结构具有良好的塑性变形能力和滞回耗能能力。接下来试件进入最大荷载阶段, 荷载还在上升, 但上升速率减慢, 随着位移加大, 滞回环的面积扩大很快, 滞回曲线的斜率降低较快, 表明试件耗能加大, 刚度退化较快。试件的荷载在达到最大荷载后开始下降, 当第二层柱与弦梁连接节点破坏时, 荷载迅速下降, 低于0.85倍最大荷载时认为试件破坏。图2为混合桁架试件的P—Δ滞回曲线。可以看出两个滞回曲线形状相似, 而空腹式试件的更为饱满些。

3.3 结构塑性铰的发展及破坏情况

由材性试验可知, 本试件所用钢材出现塑性铰时的应变约为士1783, 当应变片应变第一次出现≥1783或≤-1783时, 认为该应变片所在位置就出现了塑性铰。经过对试验记录中应变片数据的整理发现:空腹桁架与混合桁架现塑性铰出现的顺序相同, 都是先在腹杆出现, 然后是弦梁, 最后是柱脚。

从试验破坏现象可以知道:空腹桁架试件在破坏时, 试件的第一桁架层腹杆的端部, 都已经断裂, 二层梁柱节点处上下弦梁的翼缘、腹板产生了较大塑性变形, 翼缘甚至断裂, 柱脚也形成塑性铰;混合桁架试件在破坏时, 第一桁架层斜腹杆的端部有的已经断裂, 其它的已经屈服, 柱脚也形成塑性铰。

3.4 空腹桁架试件与混合桁架试件的试验结果对比

通过对空腹桁架试件和混合桁架试件的实验结果对比分析可知:空腹式的极限承载力小于混合式的, 但是空腹式的滞回曲线相对更饱满;并且它的Δy为28.02mm大于混合式的 (22.93mm) , 而它的Δu (13682mm) 是远远大于混合式的 (95.62mm) 。在构件破坏前, 空腹桁架的等效粘滞阻尼系数为0.398, 延性系数为5.037, 混合式的分别为0.301和4.601, 可见空腹式的耗能能力和延性性能都要优于混合式的。通过对两者的割线刚度进行对比, 可知空腹式的退化的幅度也要小于混合式的。