干货推荐 | 传统风格建筑钢框架抗震性能试验研究

摘要

为研究传统风格建筑钢框架抗震性能，按1∶2 缩尺比例设计制作了试验模型，并对其进行了拟动力和拟静力试验。介绍了试验模型的设计过程和加载装置及加载制度，给出并对比了不同加载工况下传统风格建筑钢框架的试验现象、位移反应及滞回耗能特性。结果表明：在不同峰值加速度工况作用下传统风格建筑钢框架的位移反应不同，结构滞回曲线饱满，结构具有良好的抗震性能。同时建议类似工程设计中应加强斗拱节点设计，以便延迟框架梁端过早开裂、屈曲，从而提高结构整体抗震性能。

概述

传统风格建筑既继承了古建筑的特点又与现代科学技术相结合，使结构的抗灾害能力和耐久性得到增强。鉴于钢材性能和钢结构施工的便捷，钢结构应用于传统风格建筑在实践中得到了一定的应用。到目前为止，国内外学者对钢框架结构的研究仅局限于常规结构，对传统风格建筑的钢结构框架研究鲜见报道。为了真实模拟地震对结构的作用以及地震作用下结构的反应，课题组按1∶2缩尺比例设计制作了试验模型，并对其进行了拟动力和拟静力试验，主要研究钢框架结构在弹性和弹塑性阶段的地震反应、滞回耗能特性等，为后续理论分析和结构设计提供试验依据。

试验概况

2.1 试件设计

模型原型为某景区偏殿建筑(图1)，是一座单层两跨的传统风格建筑，结构体系采用了钢框架结构。

考虑到试验场地的条件以及结构实际情况，确定模型的线长度相似系数为1/2，其他相似系数通过量纲分析法和动力试验模型在任意配重条件下弹性与弹塑性阶段的动力相似关系确定，结构缩尺比取为 1∶2。模型中构件节点连接采用全焊连接，其中梁与柱的连接采用坡口全熔透焊缝，加劲肋采用双面角焊缝连接。试验模型钢材材质为Q235B，焊接材料为 E43型焊条。模型构件先在工厂加工，然后在试验室现场拼装，其模型如图2所示，钢材材性及构件参数分别见表1、表2。

2.2 加载装置及加载制度

试验在西安建筑科技大学结构工程与抗震实验室进行，模型的固定台座采用 7 500 mm×500 mm×600 mm(长×宽×高)的钢筋混凝土梁刚性底座，并通过钢压梁以地脚锚栓固定在地槽内，设置 2 道侧向支撑，限制试件平面外变形。水平荷载由支撑于反力墙上的500 kN电液伺服作动器施加，作动器量程为250 mm，整个试验过程采用MTS973电液伺服程控结构试验机系统控制，试验数据由100通道TDS602数据采集仪采集。

模型的竖向荷载在考虑模型的相似比后由原型竖向荷载及自重求得，并采用混凝土配重块在钢框架两侧用钢索悬吊施加。模型加载示意及布置如图3、图4所示。

拟动力加载制度：施加竖向荷载后，再施加水平荷载，通过对模型结构进行弹性静力加载，得到初始刚度矩阵；然后进行拟动力加载试验，加载方式为逐级加载。拟动力试验中所采用的地震波加速度幅值按相似关系进行调整，使其分别相当于8度多遇地震(加速度峰值取70 cm/s2)、8度设防地震(加速度峰值取200 cm/s2)、8度罕遇地震(加速度峰值取400 cm/s2)作用。

综合考虑原型钢框架的所在场地、现有地震波记录的持时、频谱特性和峰值等因素，采用了El Centro波、Taft波、兰州波、汶川波(具体加载工况见表3)，其中El Centro波、Taft波和兰州波的时间间隔Δt根据相似比压缩为 0.014 s，从原地震波中取1 000个点作为输入波，则压缩后输入波持续时间为14 s；汶川波的时间间隔Δt根据相似比压缩为0.0 035 s，从原地震波中取4 000个点作为输入波，则压缩后输入波持续时间为14 s。

拟静力加载制度：采用MTS电液伺服加载系统对模型结构施加水平低周反复荷载，采用混合加载的加载程序。模型结构屈服前，即水平荷载-位移曲线发生明显转折前，采用水平力控制的加载方式，每20 kN为一级，每级荷载循环1次；模型结构屈服后，改用水平位移控制的加载方式，采用屈服位移作为步长进行加载，每级循环3次。

试验结果及分析

3.1 拟动力试验结果和分析

拟动力试验加载全程中，试件仅在个别斗拱部位出现板件开裂现象(图5)。从开裂现象和位置分析可知，由于构件尺度小，焊缝施焊困难，且个别位置为点焊间断焊，加之斗拱构件板材较薄。焊接缺陷和板材较薄易导致焊缝过早开裂扩展。

各加载工况下，结构整体侧移不大，根据模型各测点应变数据分析可知，整个加载过程结构处于弹性阶段，整体刚度基本保持不变。钢框架结构试件MTS作用点在各个工况下的位移反应如图6所示。

从图6可知：1)在不同的加载工况下，随着加速度峰值增加，钢框架的位移反应加大，但结构整体始终处于弹性状态；2)在不同的加载工况下，传统风格钢结构框架具有承载力高、初始刚度大、耗能及延性性能好；3)传统风格建筑钢框架结构的位移反应与所输入的地震波的频谱特性具有一定关系，表现为地震波对传统风格建筑钢框架结构位移响应的影响从大到小依次为：El Centro波、兰州波、Taft波、汶川波。

3.2 拟静力试验结果和分析

拟静力试验作为本次拟动力试验的补充，以便获得试件模型极限状态下的破坏机制、承载力、刚度、变形和耗能等信息，为钢框架结构抗震设计提供试验数据。拟静力试验加载过程中试验现象如下：

1)试验加载前期，水平荷载加载采用力控制加载方式，当作动器荷载小于±140 kN时，前期斗拱开裂处开裂呈扩大趋势，同时有个别斗拱焊缝部位出现新增细小裂纹(图7)。根据钢框架结构荷载-位移滞回曲线以及应变变化情况，可知结构处于弹性和弹塑性阶段，结构整体刚度较大，刚度退化缓慢，结构延性较好。

2)随后试验加载由水平荷载加载控制改为位移控制。在循环加载过程中，当位移至±55 mm，此时结构弹塑性层间位移角值已大于1/50，试件G2上部开裂，G3上部内凹变形(图8a)，下部焊缝开裂。当位移至±65 mm时，G1上部开裂，下部底面与Z1斗连接处焊缝开裂；G4上部开裂，下部北侧鼓曲(图8b)；Z1作动器夹板区域南北侧中部出现水平裂缝。当位移至±75 mm时，L1右端上表面距Z2约5 cm处鼓曲，下部开裂(图8c)；L2右端开裂。当位移至±85 mm时，G2上部完全断开；G3上部完全断开。当位移至±95 mm时，L2右端裂缝延伸，Z3靠近L2连接处母材开裂。当位移至±105 mm时，L1上表面靠近Z2西侧鼓曲；Z1作动器夹板区域水平裂缝延伸至东西两侧。当位移至±115 mm时，G1底面与Z1斗连接处完全开裂；L1右端几乎断开；L2左端完全断开；Z2顶部斗座发生屈曲(图8d)；Z3柱脚发生屈曲。当位移至±125 mm时，Z1，Z2柱脚发生屈曲。此时，结构变形过大，加载终止。