竖向载荷对半刚性连接钢框架抗震性能的影响

第37卷第3期力学与实践2015年6月竖向载荷对半刚性连接钢框架抗震性能的影响1)
胡长姣∗布欣†王新武∗∗,2)
∗(河南科技大学土木工程学院，河南洛阳471023)
†(武汉理工大学土木与建筑学院，武汉430070)
∗∗(洛阳理工学院土木工程系，河南洛阳471023)
摘要利用拟动力试验对T型钢半刚性连接钢框架在2种地震峰值加速度下的抗震性能进行研究，并对比分析了钢框架在柱顶施加竖向载荷和无竖向载荷等2种工况下的应变、位移和载荷变化，以及载荷--位移滞
回曲线.结果表明：T型钢半刚性连接钢框架具有较好的变形能力，滞回性能良好，抗震能力较强，且随着地震
作用的增大，钢框架的动力反应增大；竖向载荷对钢框架的层间位移反应影响较大，而对节点区域的应变和层
间载荷的影响较小.
关键词半刚性连接，钢框架，抗震性能，竖向载荷，拟动力试验
中图分类号：TU391文献标识码：A doi：10.6052/1000-0879-14-284
THE EFFECT OF VERTICAL LOAD ON SEISMIC PERFORMANCE OF SEMI-RIGID CONNECTION STEEL FRAMES1)
HU Changjiao∗BU Xin†WANG Xinwu∗∗,2)
∗(School of Civil Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang471023,Henan,China)
†(School of Civil Engineering And Architecture,Wuhan University of Technology,Wuhan430070,China)∗∗(Department of Civil Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang471023,Henan,China)
Abstract A pseudo-dynamic test is carried out to study the seismic performance of the T steel semi-rigid connection steel frame under two kinds of earthquake peak acceleration，and the peak strain，the displacement and the load variation of the T steel connection steel frame with and without the vertical load are analyzed and compared，together with the load-displacement hysteresis curves.Experimental results show that the T steel semi-rigid connection steel frame enjoys better deformation capacity and ductility performance，and the hysteretic performance is good,that explains the good seismic performance.The dynamic response is increased with the increase of the earthquake load;the vertical load has a great effect on the displacement response,but has little effect on the strain and the interlayer load for the semi-rigid connection steel frame.
Key words semi-rigid connection,steel frame,seismic performance,vertical load,pseudo dynamic test
随着经济水平的提高和钢材产业的不断发展，钢结构已在国内外的工程中得到广泛应用，例如厂房、高层建筑、道路、桥梁等.在进行钢结构设计时，要遵循安全可靠，传力明确，构造简单，制造方便和节约钢材的设计原则[1].梁柱节点连接在钢结构中占有重要地位，在设计时要作为重点分析的对
2014–08–20收到第1稿，2014–09–15收到修改稿.
1)国家自然科学基金项目(51278238),河南省科技创新杰出青年基金项目(134100510010)和河南省科技攻关项目(122102210550)资助.
2)王新武，教授，博士，主要从事钢结构节点方面的研究.E-mail:wxw197100@
引用格式：胡长姣,布欣,王新武.竖向载荷对半刚性连接钢框架抗震性能的影响.力学与实践,2015,37(3):355-360 Hu Changjiao,Bu Xin,Wang Xinwu.The effect of vertical load on seismic performance of semi-rigid connection steel
frames.Mechanics in Engineering,2015,37(3):355-360
356力学与实
践2015
年第37卷
象.在日本阪神地震和美国北岭地震前，钢结构主要
的连接方法为焊接连接，此种连接的钢框架结构刚
度较大，但是存在的焊接残余应力和残余变形易降
低构件的承载力，使结构发生脆性破坏.而高强螺栓
连接的钢结构受力性能和延性性能比较好，在传递
梁端弯矩的同时允许节点间有一定的转角，其性能
处于刚接和铰接之间即半刚性连接[2-5].国内外已对
半刚性连接的性能进行了大量的理论分析和试验研
究[6-12]，并建立了一定数量的数学模型，分析此类
连接的非线性性能，其中T型钢连接为刚度最大的
半刚性连接之一[13-15].但是由于研究的条件和方法
的局限性，以及相关规范的缺乏，目前国内外对半刚
性连接节点的性能以及半刚性连接钢框架性能的研
究缺少技术和理论支撑，而不能顺利地将半刚性连
接应用于工程实践中.为了加强半刚性连接在工程
中的应用，以及为今后的相关研究提供技术支撑，
本文对T型钢半刚性连接整体钢框架进行拟动力试
验，研究钢框架在两种工况即柱顶施加竖向载荷和
无竖向载荷作用下的抗震性能，并进行对比分析.
1试验概况
1.1试件设计与制作
试验模型为1:2缩尺比例的T型钢半刚性连接
钢框架，钢框架模型为两层、单跨、单开间，跨度和开
间均为3m，底层层高为2.2m，顶层层高为2.0m，
试验模型见图1所示.梁、柱和T型钢连接件均采
用Q235B钢，节点利用高强螺栓将梁、柱和T型钢
连接件连接而成，如图2所示.其中，梁和柱采用
热轧H型钢，T型钢连接件为热轧H型钢剖分而
成，螺栓为M16，10.9级的摩擦型高强螺栓.试件尺
寸见表1，试验工况见表2.
图1T型钢连接钢框架模型试验现场
(a)
(b)
图2T型钢连接节点安装图(a)和节点详图(b)
表1钢框架构件的尺寸截面表
构件
截面尺寸/
mm×mm×mm×mm
材质备注
柱HW175×175×8×11Q235B
梁HW194×150×6×9Q235B
T型钢
连接件
HW500×200×10×16Q235B每段长150mm
表2试验工况
工况地震作用峰值施加竖向载荷备注
工况1
柱顶加竖
向载荷
140gal
N=104kN
其他条件
均相同
220gal
工况2
柱顶无竖
向载荷
140gal
N=0kN
220gal
注:1gal=1cm/s2=10−2m/s2
1.2试验装置及步骤
试验装置包括佛力电液伺服加载系统，试验支
架，反力墙，数据采集系统和量测仪器.电液伺服加
载系统包括油箱、油缸、油泵、分油器、管道和作动
器.试验采用2个水平作动器和2个竖直作动器，
2个水平作动器分别分布在钢框架的底层和顶层，
底层500kN的作动器通过底层分配梁给底层梁端
施加水平动力响应，顶层1000kN的作动器通过顶
第3期胡长姣等：
竖向载荷对半刚性连接钢框架抗震性能的影响357
层分配梁给顶层梁端施加水平动力响应，竖直作动
器通过钢框架的上部分配梁给钢框架施加竖向载荷
.
其中佛力电液伺服系统配置有内置位移传感器和内
置力传感器，分别测试钢框架的层间位移反应和载
荷反馈，并将数据反馈给计算机.
通过每层梁端位移
计，量测各层位移的变化，通过关键部位的应变片得
到关键测点的应变变化.
试验步骤为：首先对半刚性连接空间钢框架进
行预加载，测试钢框架的反应以及初始刚度，然后
将选取的典型地震波时程曲线按照《建筑抗震试验
方法规程》(JGJ101-96)[16]进行调整后输入加载程序
进行正式加载.加载时分为2种工况，首先对钢框
架施加104kN的竖向载荷，然后固定2个竖直的作
动器，开始输入地震波.地震作用加载结束卸载后，
将竖直作动器放松，使其竖向载荷为零，然后输入地
震波，对T型钢连接钢框架进行再次加载，测得T
型钢半刚性连接钢框架在2种工况下的动力反应和
抗震性能，并且进行对比，分析竖向载荷对半刚性
连接钢框架抗震性能的影响.本试验所选取的地震
波为EI centro波，将原波地震加速度时程曲线峰值
调整为140gal和220gal即抗震规范中的8度多遇
地震和7度罕遇地震作为本次试验的地震加速度时
程曲线，调整后的EI centro波时程曲线如图3和图
4所示.
2试验结果及分析
2.1应变变化
140gal地震峰值加速度时，节点区域部分测
点的应变时程曲线如图5和图6所示.表3和
表4分别为地震峰值加速度为140gal和220gal
时2种工况下节点区域的应变峰值.应变最大值
均出现在T型钢腹板处，且梁端翼缘应变大于柱
图3140gal加速度时程曲线
图4220gal加速度时程曲线
图5T型钢腹板应变(140gal)
图6梁翼缘应变(140gal)
358力学与
实践2015年第37
卷
表3140gal节点区域应变峰值
工况T型钢腹板/T型钢翼缘/梁翼缘/柱底/ 10−610−610−610−6
柱顶加竖向载荷
110.597565.0153.47−106.72−72−62−45.58
无竖向载荷
175.9980.0690.0182.7−171.12−99.99−88.99−87.49
表4220gal节点区域应变峰值
工况T型钢腹板/T型钢翼缘/梁翼缘/柱底/ 10−610−610−610−6
柱顶加竖向载荷
212.06109.0185.8973.21−196.57−104.99−82.38−64.38
无竖向载荷
278.76132.02110.89101.68−227.94−128.98−103.99−97.87
底应变.地震峰值加速度为220gal时T型钢腹板应变峰值2.7876×10−4，T型钢翼缘应变峰值为1.3202×10−4，梁翼缘应变峰值为1.1089×10−4,柱底应变峰值为1.0168×10−4，这些峰值均出现在柱顶无竖向载荷时，分别大于相同工况下地震峰值加速度为140gal时T型钢腹板应变峰值的58.4%，T型钢翼缘应变峰值的20%，梁翼缘应变峰值的23.2%，柱底应变峰值的16.24%，说明T型钢腹板应变随地震峰值加速度的增大变化较明显，且随地震加速度峰值的增大，应变峰值增大.在同一地震峰值加速度条件下，柱顶无竖向载荷作用时节点域测点的应变峰值为柱顶加竖向载荷时应变峰值的1.4倍，由此说明柱顶施加竖向载荷可减小节点域应变，但总体上，柱顶竖向载荷对节点区域应变的影响不大.
2.2位移反应
地震峰值加速度为140gal和220gal时，T型钢连接钢框架的顶层位移时程曲线如图7和图8所示.表5和表6分别为地震峰值加速度为140gal和220gal时2种工况下钢框架顶层位移峰值以及峰值出现的时刻.地震峰值加速度为220gal时钢框架的顶层位移最大值为6.06mm(−5.64mm)，出现在柱顶无竖向载荷时，是相同工况下140gal地震峰值加速度时钢框架顶层位移峰值的1.7倍，且出现峰值的时刻相同.在地震峰值加速度为140gal时，柱顶无竖向载荷工况下的顶层位移峰值为柱顶加竖向载荷时顶层位移峰值的1.62倍；地震峰值加速度220gal 时，柱顶无竖向载荷工况下的顶层位移峰值为柱顶加竖向载荷时顶层位移峰值的1.37倍，由此得出在较大地震作用下(弹性范围内)，竖向载荷对位移的影响程度减小，同时柱顶施加竖向载荷可以减小钢
图7钢框架顶层位移反应(140gal)
图8钢框架顶层位移反应(220gal)
表5140gal顶层位移反应峰值及出现的时刻
工况顶层位移/mm出现的时刻点数柱顶加竖向载荷
1.56243
−2.19247
无竖向载荷
3.55159
−3.46134
表6220gal顶层位移反应峰值及出现的时刻
工况顶层位移/mm出现的时刻点数柱顶加竖向载荷
3.93243
−4.43247
无竖向载荷
6.06160
−5.64134
框架的侧移.
2.3载荷反馈
图9和图10为140gal和220gal地震峰值加速度时，T型钢连接钢框架的顶层载荷反馈时程曲线.地震峰值加速度为140gal和220gal时两种工况下钢框架顶层载荷反馈峰值以及峰值出现的时刻见表7和表8所示.140gal地震峰值加速度时，柱顶无
第3期胡长姣等：竖向载荷对半刚性连接钢框架抗震性能的影响359
竖向载荷时钢框架的顶层载荷大于柱顶加竖向载荷
时顶层载荷的37.5%，220gal地震峰值加速度时，柱
顶无竖向载荷时钢框架的顶层载荷大于柱顶加竖向
载荷时顶层载荷的10.56%，随地震作用的增大，柱
顶无竖向载荷对钢框架的层间剪力的影响程度减小.
在140gal和220gal地震峰值加速度时，柱顶无竖向
载荷时后者钢框架的顶层载荷大于前者的52.7%，
柱顶加竖向载荷时，后者钢框架的顶层载荷大于后
者的89.9%，由此得出柱顶施加竖向载荷时，增大地
震作用对T型钢连接钢框架的层间剪力的影响程度
较大，同时施加柱顶竖向载荷可减小钢框架的顶层
载荷反馈
.
图9顶层载荷反馈(140
gal)
图10顶层载荷反馈(220gal)
表7140gal顶层载荷反馈峰值及出现的时刻
工况顶层载荷/kN出现的时刻点数
柱顶加竖向载荷
9.84243−13.07247
无竖向载荷
16.15159
−17.97134
表8220gal顶层载荷反馈峰值及出现的时刻
工况顶层载荷/kN出现的时刻点数
柱顶加竖向载荷
19.98243
−24.82247
无竖向载荷
25.53160
−27.44134
2.4滞回曲线
图11和图12分别为地震峰值加速度220gal
时，T型钢连接钢框架在柱顶加竖向载荷和柱顶无
竖向载荷作用下的载荷--位移滞回曲线.由图可知，
此时载荷和位移基本呈线性关系，说明在地震峰值
加速度为220gal即7度罕遇地震作用下T型钢连
接钢框架处于弹性阶段，在2种工况下，钢框架的
刚度基本保持不变.由此得出柱顶无竖向载荷和施
加竖向载荷不影响T型钢连接钢框架的刚度，对滞
回性能有一定的影响，但在弹性范围内，载荷--位移
曲线呈线性，滞回面积较小，柱顶竖向载荷对其影响
较小
.
图11工况1载荷--
位移滞回曲线
图12工况2载荷--位移滞回曲线
360力学与实践2015年第37卷
3结论
通过对2种工况下的T型钢连接钢框架进行拟动力试验，可以得出以下结论：
(1)随着地震峰值加速度的增大，T型钢半刚性连接钢框架节点区域的应变变化幅值增大.在相同地震峰值加速度作用下，柱顶施加竖向载荷减小应变变化幅值，但是影响程度不大.
(2)T型钢连接钢框架的位移反应随地震峰值加速度的增大而增大；柱顶施加竖向载荷的位移反应小于柱顶无竖向载荷的位移反应，前者可减小钢框架的侧移，且影响较明显.
(3)随地震峰值加速度的增大，T型钢连接钢框架的层间剪力反馈值增大，施加柱顶竖向载荷增大框架柱轴向载荷的同时减小了层间剪力，但是两种工况下载荷反馈值的差值不是很大.
(4)在地震峰值加速度为220gal即抗震规范中对应7度罕遇地震作用下，T型钢连接钢框架仍处于弹性范围内，说明T型钢连接钢框架整体受力性能较好，且此时在两种工况下的载荷--位移滞回曲线接近于线性，钢框架的刚度基本保持不变.总之，T型钢连接钢框架在地震作用下具有较好的变形能力，抗震能力较强.
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