BRS板部分自復(fù)位連接新型卷邊PEC柱-鋼梁組合框架邊節(jié)點(diǎn)抗震機(jī)理試驗(yàn)

方有珍,趙帥領(lǐng),徐 飛,金 晶,汪逸萍

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215011)

BRS板部分自復(fù)位連接新型卷邊PEC柱-鋼梁組合框架邊節(jié)點(diǎn)抗震機(jī)理試驗(yàn)

方有珍,趙帥領(lǐng),徐 飛,金 晶,汪逸萍

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215011)

為了研究BRS板部分自復(fù)位連接新型卷邊PEC柱-鋼梁組合框架邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能,對考慮PEC柱布置方式和柱頂豎向力的3個(gè)縮尺試件進(jìn)行水平低周往復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)研究?；谠囼?yàn)結(jié)果,從試件的承載力、剛度衰減規(guī)律、自復(fù)位功效、耗能能力和節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理等方面分析試件的抗震機(jī)理。研究結(jié)果顯示:(a)BRS板部分自復(fù)位連接可通過BRS板屈服耗散地震能和預(yù)拉桿實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功效,且整個(gè)加載過程中結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件處在彈性狀態(tài)。(b)PEC柱頂豎向力明顯提高了其初始抗彎剛度,且其二階效應(yīng)加快了連接的耗能發(fā)展進(jìn)程,而PEC柱的布置對初始抗彎剛度、剛度退化和耗能發(fā)展進(jìn)程影響較小。(c)試件SYJ1加載至中震層間側(cè)移限值1/50時(shí)其殘余相對側(cè)移角小于0.005 rad,而加載至大震層間側(cè)移限值1/30時(shí)其殘余相對側(cè)移角仍小于0.01 rad,表明該試件具有極佳的自復(fù)位功效;試件SYJ3的自復(fù)位功效稍劣于試件SYJ1,前者在加載至中震層間側(cè)移限值1/50之前時(shí)自復(fù)位功效尚好,但加載后期其自復(fù)位功效退化明顯。

建筑結(jié)構(gòu);卷邊PEC柱-鋼梁組合框架;部分自復(fù)位連接;BRS板耗能;自復(fù)位功效;水平低周往復(fù)荷載試驗(yàn);抗震機(jī)理

常規(guī)建筑物在經(jīng)歷地震后,一旦出現(xiàn)明顯的殘余變形或主要受力構(gòu)件遭受嚴(yán)重破壞,將加大震后修復(fù)難度和大幅度提高修復(fù)成本,甚至導(dǎo)致其使用功能不滿足而失去修復(fù)繼續(xù)使用的價(jià)值,因而控制建筑結(jié)構(gòu)震后殘余變形和保證結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件不出現(xiàn)嚴(yán)重破壞是提高其抗震性能和降低震后修復(fù)成本的關(guān)鍵,由此促使了自復(fù)位結(jié)構(gòu)(self-centering structure)這種新型結(jié)構(gòu)形式的誕生。自復(fù)位結(jié)構(gòu)主要通過合理設(shè)置預(yù)拉桿以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后自行復(fù)位、減小殘余變形、延緩主要受力構(gòu)件損傷進(jìn)程,同時(shí)增設(shè)輔助耗能元件來保證結(jié)構(gòu)耗散地震能能力,為此成為目前結(jié)構(gòu)工程抗震領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

迄今為止,國外學(xué)者對自復(fù)位結(jié)構(gòu)性能研究系統(tǒng)、成果豐富,而國內(nèi)相關(guān)研究還處在初步階段,成果相應(yīng)匱乏。Ricles等[1-2]于2002年和2007年鋼管混凝土柱-鋼梁(寬翼緣)采用上、下雙角鋼為耗能元件的自復(fù)位連接進(jìn)行試驗(yàn)研究和有限元分析,結(jié)果顯示:該連接在循環(huán)荷載作用下具有較大的彈性剛度、較高的極限承載能力和良好的耗能能力;主體構(gòu)件梁柱未出現(xiàn)損傷;側(cè)移達(dá)到4%時(shí)連接仍未出現(xiàn)殘余變形,具備良好自復(fù)位能力;試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范估算結(jié)果基本吻合。Chou等[3]于2006年對采用鋼梁上、下翼緣加強(qiáng)板作為耗能元件的鋼梁-鋼管混凝土柱自復(fù)位連接結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果證實(shí):在層間側(cè)移達(dá)到4%時(shí)結(jié)構(gòu)仍未出現(xiàn)極限承載力衰減和自復(fù)位功能的失效。Ikenaga等[4]于2006年提出了通過設(shè)置耗能元件耗能的柱腳自復(fù)位連接形式,并進(jìn)行了擬靜力抗震性能試驗(yàn)研究,對軸壓比、鋼絞線直徑和初始預(yù)拉力大小等設(shè)計(jì)參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析,結(jié)果表明:相對轉(zhuǎn)角小于0.02 rad時(shí),柱腳表現(xiàn)出良好的自復(fù)位功效;當(dāng)相對轉(zhuǎn)角大于0.02 rad時(shí),鋼絞線的預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)一定程度的損失,柱腳自動(dòng)復(fù)位功能降低。Chi[5]于2009年提出采用防屈曲鋼板(BRS)自復(fù)位的柱腳連接形式,地震作用下,柱腳與基礎(chǔ)接觸面分離,BRS板屈服耗散地震能量,避免了框架柱腳形成塑性鉸,研究結(jié)果進(jìn)一步顯示:在水平相對側(cè)移達(dá)到5%時(shí)BRS板仍具備耗能能力,且震后預(yù)拉桿也能實(shí)現(xiàn)連接有效復(fù)位,連接性能保持良好。

近年來,方有珍等[6-7]、夏騰云等[8]在常規(guī)PEC柱研究基礎(chǔ)上提出了新型卷邊鋼板組合截面PEC柱并對其受力性能進(jìn)行了系列研究,結(jié)果顯示:新型卷邊鋼板組合截面PEC柱不僅維持了原有PEC柱的受力性能優(yōu)勢(增大構(gòu)件的抗壓承載力和水平抗側(cè)剛度、較大幅度改善構(gòu)件的抗震延性),且消除了常規(guī)PEC柱雙向剛度差異明顯和拉結(jié)筋設(shè)置造成施工不便的缺陷。此外,PEC柱還能較好地滿足SC結(jié)構(gòu)對豎向傳力構(gòu)件抗側(cè)剛度與承載能力要求,且為預(yù)拉鋼絞線的錨固提供了可靠保障。2014年楊永龍等[9]、方有珍等[10]又提出了設(shè)置有限長度預(yù)拉桿的部分自復(fù)位連接形式,并對采用BRS板部分自復(fù)位連接的新型PEC 柱-鋼梁中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,結(jié)果表明:試件通過BRS板可有效實(shí)現(xiàn)其耗能能力;連接轉(zhuǎn)角達(dá)到中震層間側(cè)移角限值0.02 rad,其殘余轉(zhuǎn)角小于0.005 rad,即使連接轉(zhuǎn)角超過大震層間側(cè)移角限值0.035 rad,其殘余轉(zhuǎn)角仍不超過0.01 rad,即連接實(shí)現(xiàn)了自復(fù)位功效、耗能能力與安全冗余度三者的有機(jī)協(xié)調(diào)。

筆者基于課題組提出的部分自復(fù)位連接的設(shè)計(jì)思想,為了系統(tǒng)研究部分自復(fù)位連接的抗震性能,取新型卷邊PEC柱-鋼梁組合框架中層邊節(jié)點(diǎn)作為研究對象,考慮PEC柱布置方式、PEC柱豎向力2個(gè)參數(shù),設(shè)計(jì)制作3個(gè)BRS耗能板部分自復(fù)位連接的新型卷邊PEC柱-鋼梁組合框架邊節(jié)點(diǎn)試件并進(jìn)行水平低周往復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)研究,以揭示其抗震機(jī)理。

1 試 驗(yàn) 概 況

1.1 試件設(shè)計(jì)

取層高3.6 m的新型PEC柱-鋼梁組合框架中層邊節(jié)點(diǎn)作為研究對象,截取與節(jié)點(diǎn)相連的上下柱與梁反彎點(diǎn)間(中層柱反彎點(diǎn)取柱中間截面處,梁反彎點(diǎn)取距端部1/4～1/3跨相應(yīng)截面處)子結(jié)構(gòu)為試件原型。

以PEC柱布置方式和柱頂豎向力作為設(shè)計(jì)參數(shù),并考慮試驗(yàn)室加載設(shè)備的加載能力,按1∶1.6縮尺比例設(shè)計(jì)制作3個(gè)試件。卷邊PEC柱鋼構(gòu)架采用Q235B鋼板(翼緣為310 mm×5 mm的鋼板且端部卷邊30 mm,腹板為240 mm×5 mm的鋼板)焊接組合截面,填充混凝土為C25;鋼梁選用Q345工字鋼I25 a;BRS板采用Q235B鋼板加工焊接;加強(qiáng)蓋板利用Q345工字鋼I25a剖分而成;BRS板與PEC柱采用10.9級(jí)M20對穿螺栓連接,而與梁翼緣和加強(qiáng)蓋板采用10.9級(jí)M18螺栓連接(預(yù)緊力設(shè)計(jì)值取10 kN);自復(fù)位預(yù)拉桿采用10.9級(jí)M20長螺桿,其預(yù)緊力設(shè)計(jì)值為100 kN;SYJ1和SYJ2為PEC柱強(qiáng)軸與鋼梁連接,SYJ3為PEC柱弱軸與鋼梁連接,實(shí)體試件見圖1。PEC柱鋼構(gòu)架組合截面和梁翼緣/腹板各取3個(gè)材性試樣,材性實(shí)測值見表1;每批混凝土預(yù)留3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊(150 mm×150 mm×150 mm),實(shí)測立方體強(qiáng)度平均值fcu,m=28.12 MPa。

圖1 試驗(yàn)試件Fig.1 Test specimens

表1 試件材性實(shí)測指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 測試設(shè)備布置

圖2 測試儀表布置Fig.2 Arrangement of measuring instruments

為了獲取用于研究采用BRS板部分自復(fù)位連接的PEC柱-鋼梁組合框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能的關(guān)鍵數(shù)據(jù),試驗(yàn)測試儀表布置見圖2(位移計(jì)DT1和DT2的量程為300 mm,位移計(jì)DT3～DT7的量程皆為100 mm)。位移計(jì)DT1、DT2與DT7測量PEC柱頂和底的側(cè)移量;梁翼緣布置位移計(jì)測量節(jié)點(diǎn)連接轉(zhuǎn)動(dòng)角,其中位移計(jì)3和4測量節(jié)點(diǎn)連接轉(zhuǎn)動(dòng)變形,位移計(jì)5和6測試連接轉(zhuǎn)動(dòng)變形;應(yīng)變花(位于節(jié)點(diǎn)區(qū)中心:豎向應(yīng)變片1、45°應(yīng)變片2和水平應(yīng)變片3)測量節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切變形,應(yīng)變花(位于BRS板前排螺栓間梁腹板中部:豎向應(yīng)變片4、45°應(yīng)變片5和水平應(yīng)變片6)測量梁端剪切變形,而BRS板前排螺栓端部梁截面應(yīng)變片7(梁上翼緣內(nèi)側(cè))、8(梁腹板中部)和9(梁下翼緣內(nèi)側(cè))用于判別梁截面受力狀態(tài)。

1.2.2 加載方案與加載制度

表2 試驗(yàn)加載制度

注：相對側(cè)移δ′=Δ/H,Δ為柱頂作動(dòng)器位移,H為PEC柱上下鉸支座中心轉(zhuǎn)軸間距離。

為了實(shí)現(xiàn)試件理想邊界條件,課題組專門設(shè)計(jì)了3個(gè)平面鉸支座以達(dá)到反彎點(diǎn)鉸接的效果,試驗(yàn)在蘇州科技大學(xué)江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四連桿加載架上采用液壓伺服系統(tǒng)對PEC柱頂進(jìn)行水平位移加載,所有試件正式加載之前均需實(shí)施預(yù)加載,以檢查測試儀表是否工作正常,隨后除試件SYJ2先在PEC柱頂施加至恒定豎向力(N=1 000 kN)后再進(jìn)行水平加載外,其余試件均直接進(jìn)行水平加載,水平加載制度參照國外相關(guān)文獻(xiàn)[11],考慮到實(shí)際地震的特點(diǎn)(小震頻遇、大震罕遇),見表2(注:9級(jí)之后的每級(jí)按照相對側(cè)移0.5%遞增)。

2 試 驗(yàn) 現(xiàn) 象

所有試件在加載過程中受力發(fā)展進(jìn)程基本一致:加載初期(至相對側(cè)移1.0%級(jí)之前),對穿螺栓與預(yù)拉桿的預(yù)應(yīng)力使PEC柱與BRS板和BRS板與梁和蓋板對應(yīng)接觸面處在消壓狀態(tài),接觸面緊密接觸,且試件組成元件均處在彈性狀態(tài),見圖3(a);繼續(xù)加載至相對側(cè)移1.0%級(jí),BRS板與梁和蓋板對應(yīng)接觸面完成消壓,梁端受拉部位與BRS板接觸面脫開,見圖3(b);隨后加載往后推進(jìn),梁端受拉部位BRS板開始發(fā)揮屈服并不斷發(fā)展,相應(yīng)梁端受拉部位與BRS板脫開現(xiàn)象不斷加劇,且BRS板與鋼梁接觸面間出現(xiàn)明顯相對滑移,而卸載至零時(shí),各試件連接出現(xiàn)不同程度的殘余變形,見圖3(c)與3(d);加載至超過大震層間相對側(cè)移限值1/30～1/20要求的相對側(cè)移5.5%級(jí),試驗(yàn)宣告結(jié)束。

圖3 試驗(yàn)觀測Fig.3 Observation of tests

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試件滯回曲線

為了研究BRS板耗能部分自復(fù)位連接的新型卷邊PEC柱-鋼梁邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能,基于試驗(yàn)測試數(shù)據(jù),得出試件梁端彎矩與實(shí)測相對側(cè)移角和節(jié)點(diǎn)連接轉(zhuǎn)角滯回曲線并加以分析。

3.1.1 梁端彎矩-實(shí)測相對側(cè)移角滯回曲線

根據(jù)梁柱節(jié)點(diǎn)處彎矩平衡條件,則梁端彎矩M=PH+N總Δ1,實(shí)測相對側(cè)移角θ=Δ1/h,其中P為PEC柱頂水平荷載,N總為PEC柱頂加載梁自重G(70 kN)+豎向力N,Δ1為位移計(jì)實(shí)測位移,H為試件PEC柱上下支座轉(zhuǎn)軸間距離,h為柱下部鉸支座轉(zhuǎn)軸到柱頂端板間距離(見圖2)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的M-θ滯回曲線見圖4。

圖4 M-θ滯回曲線Fig.4 Hysteretic loops of M-θ

圖4中顯示:試件SYJ1位移加載至相對側(cè)移5.5%級(jí)的第1個(gè)循環(huán)時(shí),推、拉方向最大實(shí)測相對側(cè)移角分別為0.051 9 rad和-0.048 6 rad,對應(yīng)的最大承載力分別為165.58 kN·m和-123.49 kN·m;試件SYJ2位移加載至相對側(cè)移5.0%級(jí)的第1個(gè)循環(huán)時(shí),推、拉方向最大實(shí)測相對側(cè)移角分別為0.042 2 rad和-0.044 9 rad,對應(yīng)的最大承載力分別為179.55 kN·m和-220.74 kN·m;試件SYJ3位移加載至相對側(cè)移5.5%級(jí)的第1個(gè)循環(huán)時(shí),推、拉方向最大實(shí)測相對側(cè)移角分別為0.051 3 rad和-0.050 3 rad,對應(yīng)的最大承載力分別為145.06 kN·m和-144.06 kN·m。此外,從圖4中看出:(a)所有試件加載初期,梁端處于消壓狀態(tài),節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)變形主要來自于預(yù)拉桿的彈性變形,試件整體完好。(b)試件SYJ1由于PEC柱強(qiáng)軸與鋼梁連接能更好地滿足“強(qiáng)柱弱梁”的抗震要求,整個(gè)加載過程中具有良好的自復(fù)位功效。(c)試件SYJ2柱頂恒定豎向力明顯提高了試件的初始剛度,但隨著加載的進(jìn)行,其二階效應(yīng)加快了試件的受力損傷進(jìn)程,導(dǎo)致試件自復(fù)位功效明顯下降。(d)試件SYJ3柱由于PEC柱弱軸抗側(cè)剛度較強(qiáng)軸偏弱,相應(yīng)延緩了自復(fù)位連接受力發(fā)展進(jìn)程和小幅度降低了試件的自復(fù)位功效。

3.1.2 梁端彎矩-節(jié)點(diǎn)連接轉(zhuǎn)角滯回曲線

框架結(jié)構(gòu)體系整體性能取決于梁柱節(jié)點(diǎn)的連接性能,為此對位移計(jì)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理(節(jié)點(diǎn)連接轉(zhuǎn)角θ1=Δ2/h′,其中Δ2為位移計(jì)4與位移計(jì)3實(shí)測數(shù)據(jù)的差值;h′為位移計(jì)3與4的間距),得到試件的M-θ1滯回曲線,見圖5。

圖5 M-θ1滯回曲線Fig.5 Hysteretic loops of M-θ1

對圖5加以分析可知,所有節(jié)點(diǎn)連接滯回曲線特征與實(shí)測相對側(cè)移角滯回曲線基本相同:加載初期,對穿螺栓和預(yù)拉桿預(yù)應(yīng)力對接觸面產(chǎn)生的預(yù)壓力未消除,試件整體處在彈性狀態(tài),節(jié)點(diǎn)連接殘余轉(zhuǎn)角近似為零;繼續(xù)加載至梁端與BRS板接觸面脫開前期,BRS板開始屈服,預(yù)拉桿自復(fù)位功效發(fā)揮較好,試件節(jié)點(diǎn)連接滯回曲線捏縮明顯;加載后期,BRS板屈服向周邊拓展,梁端與BRS板接觸面脫開明顯,試件構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的損傷,預(yù)拉桿自復(fù)位功效出現(xiàn)不同程度的退化,其中試件SYJ1退化最慢,而試件SYJ2退化最明顯。

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度示意Fig.6 Sketch of rotational stiffness

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度退化

節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度退化規(guī)律是節(jié)點(diǎn)連接受力損傷進(jìn)程的直觀反映。為了清晰顯示循環(huán)荷載作用下節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的退化規(guī)律,參照文獻(xiàn)[12-13]引入2種轉(zhuǎn)動(dòng)剛度:(a)等效轉(zhuǎn)動(dòng)剛度Keq,即加載力為零的起始點(diǎn)與加載峰值點(diǎn)連線斜率,Keq-A和Keq-B分別表示同一加載滯回環(huán)推拉方向等效轉(zhuǎn)動(dòng)剛度;(b)峰值轉(zhuǎn)動(dòng)剛度Kp,即同一加載滯回環(huán)推拉方向加載峰值點(diǎn)連線斜率,見圖6。

圖7 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度退化曲線Fig.7 Rotational stiffness degradation curves of joints

圖8 節(jié)點(diǎn)峰值剛度退化曲線Fig.8 Peak stiffness degradation curves of joints

對圖7分析發(fā)現(xiàn):(a)加載初期,所有試件推拉方向等效轉(zhuǎn)動(dòng)剛度存在一定差異,主要在于試件連接間隙導(dǎo)致先行加載推方向剛度相對后拉方向小;隨著加載進(jìn)行,初期缺陷的影響所占比重降低,推拉方向剛度逐步趨向一致。(b)所有試件推拉方向等效轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與峰值轉(zhuǎn)動(dòng)剛度差異不明顯,表明部分自復(fù)位連接節(jié)點(diǎn)自復(fù)位捏縮效果較好。(c)PEC柱布置對試件初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度退化規(guī)律影響較小,表明新型卷邊PEC柱雙向剛度接近相等,且PEC柱施加頂豎向明顯增大了試件初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度,但隨著加載進(jìn)程發(fā)展,影響逐漸消退。

圖8表明:(a)試件SYJ1和SYJ3初始峰值轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分別為122.48 kN·m/rad和136.88 kN·m/rad,而試件SYJ3初始峰值轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為281.14 kN·m/rad,即PEC柱布置對試件初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度影響較小,PEC柱施加頂豎向明顯增大了試件的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。(b)所有試件加載初期,對穿螺栓和預(yù)拉桿預(yù)應(yīng)力對接觸面產(chǎn)生的預(yù)壓力未消除,試件整體處在彈性狀態(tài),峰值轉(zhuǎn)動(dòng)剛度衰減緩慢。(c)所有試件隨著加載的繼續(xù),BRS板耗能段截面先后出現(xiàn)屈服并不斷發(fā)展,峰值轉(zhuǎn)動(dòng)剛度呈現(xiàn)明顯衰減趨勢,其中試件SYJ2衰減最快,主要在于軸壓力的二階效應(yīng)加快了BRS板的屈服進(jìn)程。(d)所有試件加載后期,BRS板耗能段截面屈服充分且向周邊擴(kuò)展,峰值轉(zhuǎn)動(dòng)剛度基本趨向一致。

3.3 試件殘余變形

結(jié)構(gòu)卸載后的殘余變形反映了其受力損傷水平,也是評(píng)定自復(fù)位結(jié)構(gòu)抗震自復(fù)位功效的關(guān)鍵指標(biāo)。由于本文重點(diǎn)研究部分自復(fù)位連接節(jié)點(diǎn)的抗震機(jī)理,為此根據(jù)M-δ滯回曲線對試件殘余相對側(cè)移角(即為每個(gè)加載級(jí)所有循環(huán)推拉卸載至零的殘余相對側(cè)移角平均值)進(jìn)行進(jìn)一步分析,以揭示試件的自復(fù)位功效,計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖9 殘余相對側(cè)移角發(fā)展規(guī)律Fig.9 Change of residual drift angle

圖10 滯回耗能發(fā)展進(jìn)程Fig.10 Development process of hysteretic energy

分析圖9可知:(a)加載初期,所有試件預(yù)拉桿和對穿螺栓預(yù)緊力使得試件梁端受拉翼緣處在消壓狀態(tài),所有接觸面密閉,試件整體處在彈性狀態(tài),卸載試件彈性恢復(fù)而基本回位;繼續(xù)加載至BRS板開始屈服過程中,首先梁端受拉部位與BRS板接觸面消壓完成并開始脫開,緊接著梁端受拉與接觸的BRS板克服靜摩擦力而產(chǎn)生相對滑移,隨后BRS板開始產(chǎn)生拉伸彈性變形至出現(xiàn)屈服,且整個(gè)過程中預(yù)拉桿使試件基本實(shí)現(xiàn)了完全復(fù)位;隨后繼續(xù)加載,BRS板耗能段屈服充分發(fā)展并逐漸向周邊擴(kuò)展,試件損傷程度加劇,預(yù)拉桿自復(fù)位效果減退,試件殘余相對側(cè)移角增大。(b)整個(gè)試驗(yàn)過程中,試件SYJ1自復(fù)位功效最佳,殘余相對側(cè)移較小,在加載至中震層間側(cè)移限值1/50[14]時(shí)其殘余相對側(cè)移角小于0.005 rad,而在加載至大震層間側(cè)移限值1/30[11]時(shí)其殘余相對側(cè)移角仍小于0.01 rad;試件SYJ3自復(fù)位功效稍弱,該試件在加載至中震層間側(cè)移限值1/50之前,自復(fù)位功效尚可,但隨后加載中其自復(fù)位功效衰減加快。

3.4 滯回耗能

結(jié)構(gòu)耗能能力是反映結(jié)構(gòu)抗震延性的重要指標(biāo),可通過滯回曲線中滯回環(huán)包括的面積(滯回耗能)進(jìn)行評(píng)定[15]。本文試驗(yàn)試件采用的BRS耗能板部分自復(fù)位連接主要利用BRS板來滿足試件耗散地震能的需求,為此對M-δ滯回曲線的滯回環(huán)面積進(jìn)行計(jì)算,每個(gè)加載級(jí)取對應(yīng)滯回環(huán)面積平均值,計(jì)算結(jié)果見圖10。分析圖10可發(fā)現(xiàn):(a)試件SYJ2耗能發(fā)展明顯快于另外2個(gè)試件,主要由于PEC柱頂恒定豎向力的二階效應(yīng)顯著加快了試件耗能的發(fā)展進(jìn)程。(b)采用PEC柱弱軸布置的試件SYJ3前期耗能發(fā)展與試件SYJ1一致,而后期耗能進(jìn)程加快,進(jìn)一步證明新型卷邊PEC柱能更好地滿足豎向構(gòu)件“雙向等剛度”的設(shè)計(jì)要求,而弱軸受彎邊緣混凝土較強(qiáng)軸邊緣鋼板易于損傷耗能,以致后期耗能發(fā)展快于試件SYJ1。

4 節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理

圖11 節(jié)點(diǎn)區(qū)傳力機(jī)理Fig.11 Force transfer mechanism of panel zone

框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)位于梁柱交接部位的柱中,在梁傳來的內(nèi)力作用下容易發(fā)生剪切破壞。通過對試件節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)變花(豎向應(yīng)變片1、45°應(yīng)變片2和水平應(yīng)變片3)測試數(shù)據(jù)按相關(guān)公式計(jì)算,得出試件SYJ1、SYJ2和SYJ3的節(jié)點(diǎn)區(qū)最大剪應(yīng)變分別為0.807×10-3、0.653×10-3和0.41×10-3,即剪切變形極小,主要源于試件增設(shè)的節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)板提高了對節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的約束作用,從而提高了節(jié)點(diǎn)區(qū)剛度,更好地實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的抗震設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)[9-10],本文試件節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理為:預(yù)拉桿和預(yù)拉對穿螺栓將梁截面受拉部分的拉力轉(zhuǎn)化為另一側(cè)對節(jié)點(diǎn)區(qū)的壓力,使節(jié)點(diǎn)區(qū)形成了混凝土斜壓帶傳力模式,充分發(fā)揮了增設(shè)節(jié)點(diǎn)板的節(jié)點(diǎn)區(qū)約束混凝土抗壓性能的優(yōu)勢,有效降低了節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切性能的要求,更好地滿足了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則。節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理見圖11。

5 結(jié) 論

a. BRS屈服耗能板部分自復(fù)位連接通過設(shè)置預(yù)拉桿和輔助BRS板以實(shí)現(xiàn)其部分自復(fù)位功效和滿足結(jié)構(gòu)耗散地震能的需求,且保證了結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件基本處在彈性狀態(tài)。

b. PEC柱頂豎向力大幅度提高了試件初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度,其二階效應(yīng)明顯加快試件損傷耗能進(jìn)程。

c. 新型卷邊PEC柱截面布置對初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、剛度退化和初期耗能發(fā)展進(jìn)程影響極小,充分表明新型卷邊PEC柱更好地滿足豎向構(gòu)件“雙向等剛度”的設(shè)計(jì)要求。

d. 整個(gè)試驗(yàn)過程中,試件SYJ1自復(fù)位功效最佳,在加載達(dá)到中震層間側(cè)移限值1/50時(shí)其殘余相對側(cè)移角小于0.005 rad,在加載達(dá)到大震層間側(cè)移限值1/30時(shí)其殘余相對側(cè)移角仍小于0.01 rad;試件SYJ3自復(fù)位功效稍差于試件SYJ1,而試件SYJ3在加載至中震層間側(cè)移限值1/50之前自復(fù)位功效尚可,但隨后加載其自復(fù)位功效衰減加快。

e. 由于試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PEC柱頂豎向力明顯加快了預(yù)拉桿自復(fù)位功效的衰減,為此建議對預(yù)拉桿預(yù)應(yīng)力度進(jìn)行進(jìn)一步研究,以得到更合理的設(shè)計(jì)取值。

[ 1 ] RICLES J, SAUSE R, PENG S W, et al. Experimental evaluation of earthquake resistant posttensioned steel connections[J]. Journal of Structure Engineering, 2002, 128(7): 850-859.

[ 2 ] RICLES J, SAUSE R. Earthquake resistant post-tensioned connections to concrete filled HSS columns[C]//JOHN W W. Proceedings of the ASCE 2007 Structures Congress. Long Beach(CA, USA):ASCE, 2007.

[ 3 ] CHOU Chungche, CHEN Junhen, CHEN Y, et al. Evaluating performance of posttensioned steel connections with strands and reduced flange plates[J]. Earthquake Engineering and Structure Dynamic, 2006, 35(9): 1167-1185.

[ 4 ] IKENAGA M, NAGAE T, NAKASHIMA M, et al. Development of column bases having self-centering and damping capability[C]//MAZZOLANI F M, WADA A. Proceedings of the Fifth International Conference on Behavior of Steel Structures in Seismic Areas STESSA 2006.Yokohama,Japan:Taylor & Francis, 2006.

[ 5 ] CHI H. Development of post-tensioned column base connection for self-centering seismic resistant steel frame[D]. West Lafayette, USA: Purdue University, 2009.

[ 6 ] 方有珍,陸承鐸,馬吉,等.新型卷邊鋼板組合截面PEC柱(弱軸)滯回性能足尺試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2013,46(1):24-33.(FANG Youzhen, LU Chengduo, MA Ji, et al. Experimental study on hysteretic behavior of PEC columns(weak axis)fabricated with crimping thin-walled built-up section by full scale[J]. Journal of Civil Engineering, 2013, 46(1):24-33.(in Chinese))

[ 7 ] 方有珍,馬吉,陸承鐸,等.新型卷邊鋼板組合截面PEC柱(強(qiáng)軸)滯回性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2013,30(3):181-190.(FANG Youzhen, MA Ji, LU Chengduo, et al. Test study on hysteretic behavior of PEC columns(strong axis)fabricated with crimping thin-walled built-up section[J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(3):181-190.(in Chinese))

[ 8 ] 夏騰云,方有珍,張懷卿,等.相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對新型卷邊薄壁鋼板組合PEC柱受力性能的影響[J],蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,39(6):118-123.(XIA Tengyun, FANG Youzhen, ZHANG Huaiqing, et al. Influence on mechanical performance of partial design parameters of PEC columns fabricated with crimping thin-walled built-up section[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2013, 39(6):118-123.(in Chinese))

[ 9 ] 楊永龍,方有珍,趙凱.新型PEC柱(弱軸)-鋼梁節(jié)點(diǎn)BRS耗能板部分自復(fù)位連接抗震性能研究[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2014,27(4):47-53.(YANG Yonglong, FANG Youzhen, ZHAO Kai. Study on seismic performance of PEC column fabricated with crimping thin-walled built-up section-steel beam joint with BRS plate connection[J]. Journal of Suzhou University of Science & Technology (Engineering and Technology), 2014, 27(4):47-53.(in Chinese))

[10] 方有珍,楊永龍,陳赟,等.新型PEC柱-鋼梁BRS耗能部分自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的抗震性能[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,36(5):598-603.(FANG Youzhen, YANG Yonglong, CHEN Bing, et al. Test study on seismic performance of new crimping PEC column-steel beam interior joint with partial post-tensioned BRS energy-dissipation connection[J]. Journal of Jiangsu University(Natural Science Edition), 2015,36(5):598-603.(in Chinese))

[11] MATHEW D S. Seismic testing and analytical studies for development of new seismic force resisting systems for metal buildings[D]. San Diego (CA, USA): University of California, 2013.

[12] 方有珍,顧強(qiáng),姚江峰,等.新型卷邊鋼板組合PEC柱-鋼梁中節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2014,47(7):53-62.(FANG Youzhen, GU Qiang, YAO Jiangfeng, et al. Experimental study on seismic performance of new PEC column fabricated with crimping thin-walled built-up section-steel beam interior connections[J]. China Civil Engineering Journal, 2014, 47(7):53-62.(in Chinese))

[13] 方有珍,顧強(qiáng),陸森強(qiáng),等.新型PEC柱-鋼梁T形焊接加強(qiáng)型中節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2016,31(1):103-112 (FANG Youzhen,GU Qiang, LU Senqiang, et al. Experimental Investigation on node seismic performance of a new PEC column-steel beam with T-shape welding strengthened connection[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2016, 31(1):103-112.(in Chinese))

[14] Federal Emergency Management Agency. FEMA 273 NEHRP commentary on the guidelines for the rehabilitation of buildings[S]. Washington:Federal Emergency Management Agency,1996.

Experimental study on seismic mechanism of new PEC column-steel beam joint with partial self-centering BRS connection

FANG Youzhen, ZHAO Shuailing, XU Fei, JIN Jing, WANG Yiping

(CollegeofCivilEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011,China)

In order to investigate the seismic performance of the joint of a new PEC column-steel beam frame with a partial self-centering BRS energy-dissipation connection, the axial compression on the top of the PEC column and its layout were taken into consideration to design three reduced-scale specimens, and tests were conducted with low-cycle reversed lateral loading. Based on the experimental results, the seismic mechanisms of specimens were analyzed in terms of the load-carrying capacity, bending stiffness degradation, self-centering function, energy-dissipation capacity, and force-transfer mechanism of the joint. The results indicate that: (a) Partial self-centering BRS connectivity can provide self-centering functionality through dissipation of earthquake energy and reduction of structural response, and the main components are in the elastic state throughout the loading process. (b) The axial compression on the top of the PEC column significantly increases the initial bending stiffness, and accelerates the energy dissipation process, while the layout of the PEC column has little effect on the initial bending stiffness, stiffness degradation, and energy dissipation process. (c) The residual drift angle of specimen SYJ1 is less than 0.005 rad when the loading drift reaches the interstory drift limit of 1/50 at the medium earthquake level and 0.01 rad when the loading drift reaches the interstory drift limit of 1/30 at the maximum earthquake level, indicating its sound self-centering functionality. The self-centering functionality of specimen SYJ3 is slightly inferior to that of SYJ1, and the self-centering functionality of specimen SYJ3 is strong before the loading drift reaches the interstory drift limit of 1/50, but degenerates significantly in the late stage of loading.

building structure; PEC column-steel beam frame; partial self-centering connection; energy dissipation of BRS plate; self-centering function; low-cycle reversed loading test; seismic mechanism

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.04.005

2016-10-24

國家自然科學(xué)基金(51478286,51078247);江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人培養(yǎng)對象項(xiàng)目(蘇教師[2014]23號(hào));江蘇省“六大人才高峰”高層次人才計(jì)劃(JZ-033)

方有珍(1972—),男,安徽望江人,教授,博士,主要從事鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震性能研究。E-mail:fyz72@mail.usts.edu.cn

TU398

A

1000-1980(2017)04-0309-08