兩層鋼框架結(jié)構(gòu)地震振動試驗研究

王展光，邵建華，劉汶津

（1凱里學(xué)院建筑工程學(xué)院，貴州凱里 556011；2江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3南京大德減震科技有限公司，江蘇南京 211103）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下不易發(fā)生破壞和倒塌，具有良好的抗震性能，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。但近幾十年來，通過對地震后結(jié)構(gòu)破壞進行研究，發(fā)現(xiàn)大量鋼結(jié)構(gòu)建筑都發(fā)生了不同程度的破壞，這引起了鋼結(jié)構(gòu)研究者的關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者對鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能進行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)鋼框架在循環(huán)荷載作用下性能良好，加強型節(jié)點形式能對框架的抗震性能起到保險絲的作用[1-5]。平面不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)在地震波作用下有著較強的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，部分位置的內(nèi)力較復(fù)雜[6-8]。通過設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，可以增強鋼框架的抗震性能，偏心支撐結(jié)構(gòu)能更好地耗散地震能量，且耗能穩(wěn)定[9-14]。

為了研究鋼框架在地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，本文設(shè)計制作了一個兩層鋼框架結(jié)構(gòu)模型，利用多條地震波進行振動臺試驗，研究鋼框架結(jié)構(gòu)在不同等級地震波作用下的破壞形式、動力特性等力學(xué)性能。

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計和制作

試驗?zāi)Ｐ筒捎脝慰鐑蓪拥匿摽蚣芙Y(jié)構(gòu)模型，根據(jù)試驗條件，按照與實際結(jié)構(gòu)1:4的比例進行縮尺試驗。試驗?zāi)Ｐ推矫娉叽鐬?.2m×1.2m，層高0.8m，模型平面及立面圖如圖1所示?？蚣苤鶠镠型鋼：H100×100×6×8mm；框架梁為I10的工字鋼?？蚣芰骸⒅?、支撐均采用Q235B鋼材。結(jié)構(gòu)模型的尺寸和相應(yīng)的構(gòu)件連接節(jié)點如圖2所示。

圖1 兩層鋼框架圖

圖2 鋼框架和節(jié)點接連連接圖

鋼框架結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)加工廠進行加工制作。結(jié)構(gòu)模型的梁柱節(jié)點均采用全焊接連接，以保證梁柱的剛性連接。結(jié)構(gòu)模型的鋼柱腳焊接一塊厚20mm的鋼底板，底板上設(shè)置直徑37mm的螺栓孔，孔間距300mm，以便與振動臺臺面進行螺栓連接。

1.2 加載過程

鋼框架結(jié)構(gòu)模型運輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)實驗室后，將其整體吊至振動臺。吊裝定位后，支座用螺栓固定在振動臺上。安裝固定后吊裝橡膠隔震支座質(zhì)量塊，質(zhì)量塊吊裝就位后用螺栓固定在鋼板上，以保證其在試驗過程中不會出現(xiàn)滑移。最后，將鋼板片質(zhì)量塊安裝到隔震支座質(zhì)量塊上，結(jié)構(gòu)模型安裝完成，如圖3所示。安裝完成后，單層鋼構(gòu)件總重0.13t,單層附加質(zhì)量總重2t，單層模型總質(zhì)量為2.13t，兩層共4.26t。

圖3 模型安裝圖

試驗設(shè)備是面積為4m×6m的單向水平地震模擬振動臺，具體參數(shù)：最大負(fù)荷為25t，工作頻率為0.1～50Hz，最大位移±250mm，最大速度±6mm/s，最大加速度±1.5g。

試驗選用三條天然波（El Centro波、Kobe波、Taft波）作為振動臺臺面的輸入波，波形圖如圖4所示。試驗加載采用單向加載方法。為了測試模型在不同等級地震強度下的動力特性，試驗加載時3條地震波的峰值加速度分別設(shè)定為0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g、0.8g、0.9g、1.0g十個等級，在試驗前以及每級加載之前都進行白噪聲波掃頻試驗。

圖4 加載波波形圖（以0.3g為例）

1.3 測試內(nèi)容及試驗加載

模型安裝完成后進行相關(guān)測量儀器的安裝、調(diào)試，將焊接好的應(yīng)變片貼到相應(yīng)的測點位置，如圖5所示。將YHD位移計用磁性表座固定于鋼柱上，以測量層間位移，TST位移計用鋼絲固定于支架上，測量測點處的絕對位移。

圖5 測點布置圖

為較完整地采集數(shù)據(jù)，一個構(gòu)件布置4個應(yīng)變片測點，在柱兩側(cè)翼緣的頂端和底端各設(shè)置一個應(yīng)變片，在梁兩端的外側(cè)翼緣各設(shè)置一個應(yīng)變片，鋼框架結(jié)構(gòu)模型梁柱共計48個應(yīng)變片。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗現(xiàn)象及分析

加載的地震波峰值加速度0.2g為抗震設(shè)計中的多遇地震，這時鋼框架結(jié)構(gòu)的晃動較小，整體保持完好，結(jié)構(gòu)幾乎觀察不到變形。當(dāng)加載的地震波峰值加速度增加到0.4g時，為抗震設(shè)計中的設(shè)防地震，這時鋼框架在地震波作用下晃動幅度加大，二層施加的質(zhì)量塊與樓面出現(xiàn)移動現(xiàn)象，但鋼框架結(jié)構(gòu)仍然保持完好。當(dāng)加載的地震波峰值加速度增加到0.6g時，鋼框架結(jié)構(gòu)的晃動不斷增大，二層質(zhì)量塊晃動更加明顯，鋼框架柱腳節(jié)點處焊縫的銹斑出現(xiàn)掉落。當(dāng)加載的地震波峰值加速度增加到0.8g時，為抗震設(shè)計中的罕遇地震，這時鋼框架一層施加的質(zhì)量塊也開始出現(xiàn)晃動，柱腳節(jié)點和梁柱節(jié)點的銹斑不斷掉落，同時在框架梁柱上出現(xiàn)了微小受拉裂痕。當(dāng)加載的地震波峰值加速度增加到1.0g時，鋼框架結(jié)構(gòu)晃動很大，一層、二層的質(zhì)量塊晃動明顯，框架梁柱受拉裂縫不斷發(fā)展，出現(xiàn)部分架設(shè)好的位移計、應(yīng)變連接線脫落的現(xiàn)象，但鋼框架節(jié)點無明顯破壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)整體保持良好，沒有出現(xiàn)倒塌。

2.2 結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)

層間位移是目前抗震規(guī)范中的一個重要設(shè)計指標(biāo)，保證“大震不倒”抗震設(shè)計的目標(biāo)就是通過結(jié)構(gòu)層間位移來控制，以確保結(jié)構(gòu)不倒塌。由于地震波峰值加速度加載到1.0g時，位移計掉落，故位移計只采集到0.9g時的數(shù)據(jù)。通過分析布置在模型結(jié)構(gòu)各層的位移傳感器所采集的數(shù)據(jù)，可得到結(jié)構(gòu)模型各層的最大相對位移及最大層間位移角，見圖6。

從圖6可以看出，在相同加速度地震作用下，鋼框架底層層間位移明顯大于頂層層間位移。同時，隨著地震波加速度的增大，鋼框架的層間位移也不斷增大，在0.5g的Kobe波作用下，底層最大層間位移約為1.76mm，頂層最大層間位移為1.01mm。在0.9g的Kobe波作用下，底層最大層間位移約為3.7mm，頂層最大層間位移為2.87mm。

根據(jù)采集的層間位移數(shù)據(jù)，得到不同加載波形下的最大層間位移角與加載加速度的關(guān)系，如圖7所示。從圖7可以看出，鋼框架在不同加載波形情況下，其層間位移角的變化類似，底層的層間位移角都大于頂層，表明底層受地震影響更大；層間位移角隨著加載加速度的增加而增大，在地震波峰值加速度小于0.7g時，層間位移與加速度關(guān)系幾乎為線性，而當(dāng)加速度大于0.7g時，層間位移角迅速增大，兩者呈非線性關(guān)系。

以El Centro波為例，在0.2g加速度下，底層位移角為 1/1032，頂層位移角為1/2285，遠(yuǎn)低于抗震規(guī)范中要求的彈性層間位移限值1/250，說明這個時候鋼框架處于彈性階段。在0.8g加速度下，底層位移角為1/252，頂層位移角為1/402，小于抗震規(guī)范中的彈塑性層間位移限值1/50，滿足“大震不倒”的要求。

圖7 鋼框架層間位移角

2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)變和應(yīng)力反應(yīng)

鋼框架結(jié)構(gòu)模型在不同加載加速度下的應(yīng)變圖見圖8。從圖8可以看出，鋼框架結(jié)構(gòu)應(yīng)變與加載波形相似，隨著加速度增大，應(yīng)變增大。

圖8 Taft波作用下鋼框架柱頂應(yīng)變

通過分析布置在鋼框架結(jié)構(gòu)模型各層的應(yīng)變片數(shù)據(jù)，可計算得到結(jié)構(gòu)模型各層的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力（圖9）。從圖9可以看出，鋼框架各構(gòu)件應(yīng)力隨著加載加速度的增大而增大，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力呈近似對稱關(guān)系。以El Centro波為例，在1.0g加載速度下，柱頂?shù)睦瓚?yīng)力為55.78MPa，柱中拉應(yīng)力為61.07MPa，柱底拉應(yīng)力為98.60MPa；二層梁的上翼緣拉應(yīng)力為67.03MPa，下翼緣拉應(yīng)力為57.65MPa；一層梁的上翼緣拉應(yīng)力為100.71MPa，下翼緣拉應(yīng)力為105.60MPa。試驗期間測得的應(yīng)力都小于鋼材Q235的強度設(shè)計值，說明在1.0g加速度地震作用下，鋼框架整體性能依然良好。角隨著地震波加載加速度的增加而增大，底層的層間位移角都大于頂層，表明底層受地震影響更大；層間位移角隨著加載加速度的增加而增大，在地震波峰值加速度小于0.7g時，層間位移與加速度關(guān)系幾乎為線性，而當(dāng)加速度大于0.7g時，層間位移角迅速增大，兩者呈非線性關(guān)系。鋼框架各構(gòu)件應(yīng)力隨著加載加速度的增大而增大，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力呈近似對稱關(guān)系。

圖9 El Centro波鋼框架應(yīng)力

3 結(jié)論

通過對鋼框架結(jié)構(gòu)進行振動臺試驗研究，可以發(fā)現(xiàn)，鋼框架在地震波作用情況下，整體性能保持良好。當(dāng)?shù)卣鸩铀俣冗_到1.0g時，節(jié)點焊接處會出現(xiàn)明顯裂縫。鋼框架層間位移和層間位移