带填充墙钢框架抗震性能试验研究

带填充墙钢框架抗震性能试验研究

1不同模型的选择蒸压轻气混凝土（oac）是钢结构家庭中常见的墙体材料。目前,钢框架结构较多采用加气混凝土砌块填充墙,对这类结构,我国当前较常见的设计方法是使钢框架承担全部竖向和水平荷载,填充墙构件不作为结构的一部分参与工作。然而,实际上填充墙除了起到外围护墙、内隔墙及楼梯电梯间墙体作用外,从结构角度来看,当钢框架受水平力作用时,墙体会参与共同抵抗水平力。因此合理的设计方法应适当考虑填充墙为抗侧力构件,在设计框架时考虑填充墙的作用。国内外学者提出很多填充墙框架的计算模型:如斜撑框架模型,填充墙元模型和有限元模型。斜撑框架模型比较简单,将填充墙视为一根与墙同厚度、相当宽度的斜杆铰接于框架平面,但是没法模拟墙体的开裂状态;填充墙元模型中墙体可以进行比较深入的分析,但是也存在着不能模拟框架和墙体之间的柔性连接的缺陷;相比之下,有限元模型能更精确有效地模拟本文所要研究的带有柔性连接的填充墙钢框架结构。本文试验的主要目的在于,通过测试无墙体和带墙体的钢框架试验模型在侧向力作用下的变形全过程及其整体承载性能,研究墙体对钢框架结构强度和刚度的影响,了解节点的破坏特征,同时考察墙体本身的工作性能。并通过有限元分析的方法,给出这种采用柔性连接的带轻质填充墙钢框架结构的抗震弹性层间位移角的建议取值,并给出填充墙钢框架的抗侧刚度简化计算公式,为填充墙钢框架结构的设计提供一定参考。2试验与研究2.1试验总结2.1.1试验模型的结构特点本试验有7个模型,分为两组对比试验。模型1a、1b、2和3为一组,都是柱子弱轴位于平面内;模型4、5和6是另一组,都是柱子强轴位于平面内。具体的模型情况及加载情况见表1。在加载过程中,对所有的试验模型都采用平面外侧向支撑体系顶紧框架钢梁,以防止结构模型在加载过程中发生平面外侧向失稳。本试验模型的框架部分为单跨两层平面钢框架结构。结构构件采用焊接H形截面,柱的截面尺寸为H250×200×8×12,梁的截面尺寸为H300×120×6×12。模型尺寸如图1所示。对于弱轴一组的4榀框架,材料均为Q235B;对于强轴一组的3榀框架,梁为Q345B,柱为Q235B。钢框架结构的柱脚通过预埋在地梁中的四个螺栓和地梁连接在一起,梁柱构件通过完全焊接连在一起。框架的地梁为一长5500mm,高500mm,宽300mm的钢筋混凝土梁,采用C30级混凝土。2.1.2填充墙填充墙和填充墙的制作为进行试验对比研究,模型2、3和模型5、6分别在空框架的基础上砌筑了填充墙,所用砌块均为120mm厚的A3.5级轻质砂加气混凝土砌块,砌块规格为600×120×250、300×120×250及600×120×150三种。墙体与结构连接构造见图2。2.1.3试验设备及观察项目本试验主要研究砌筑内墙及无墙的钢框架结构在水平单调荷载和低周反复荷载下的工作性能。试验的测试及观察项目包括:①结构极限承载力;②关键节点的位移分量;③梁柱端部的应变;④结构加载过程中以及达到承载能力极限状态之后的破坏情况;⑤内墙与框架梁柱连接处节点的连接性能;⑥砌块墙体裂缝的发生、开展过程。模型中位移计和应变片的位置如图3所示。2.1.4动静态应变测试试验在同济大学静力试验室进行。在加载点用液压伺服作动器施加水平单调及低周反复荷载,采用DH3817动静态应变测试分析系统进行自动数据采集。7榀框架试验均采用两点水平加载,两个加载点的荷载比值是1∶1。(1)模型4先进行低周反复加载,加载制度见图4。实际加载时在60kN等级后转成位移控制;位移为120mm后,单调加载从0直至结构破坏。(2)模型1a、模型2和模型5单调加载,荷载控制加载,每级增量10kN,加到极限荷载的80%后,每级增量5kN,直至破坏。(3)荷载等级后的转成位移控制低周反复加载,加载制度见图4。实际加载时模型1b在60kN等级以后增加了荷载等级70kN后转成位移控制;模型3在60kN等级以后增加了荷载等级70kN、80kN,并在90kN等级后转成位移控制;模型6完全按照图4的加载制度加载。2.2荷载和荷载模型1a、1b和模型4均为不带填充墙的钢框架模型,试验最终的破坏现象都是在柱脚的受压翼缘侧出现局部屈曲现象。模型2和模型3都是在荷载较小时,40kN～60kN(极限荷载为137kN)时地梁和下层墙体之间的砂浆出现裂缝;80kN～100kN时,下层墙体出现大的斜裂缝,120kN～极限荷载时,柱脚翼缘受压侧出现轻微压屈,墙体有剥落现象,部分角铁折断。模型5和模型6都是在荷载较小时,50kN～60kN(极限荷载为188kN)时上层墙体开始出现斜裂缝;60kN～70kN时,地梁和下层墙体之间的砂浆出现裂缝;模型5在加载到140kN时,上层墙体出现第二条斜裂缝;165kN时,地梁出现了很多裂缝;180kN时,加载端柱脚受压侧出现略微的受压屈曲。下层墙体没有发生任何破坏。模型6在加载到90mm(位移控制)时,加载端柱脚出现略微压曲现象。非加载端下层墙体靠近下面梁柱节点处的发泡剂脱开,角铁拉脱,下层墙体出现一条大的斜裂缝。120mm(位移控制)时,下层墙体出现两条斜裂缝,构成X形。2.3初始刚度对无墙框架加载的影响砌筑了填充砌块墙体的钢框架结构和没有墙体的空框架结构的荷载-位移曲线对比如下面各图。弱轴一组的对比图形见图5和图6;强轴一组的对比图形见图7和图8。通过对带砌块填充内墙的钢框架结构(模型2和模型5)与空框架结构(模型1a和模型4)的单调加载荷载-位移曲线对比,可以看到砌块填充墙对钢框架结构的刚度与承载力有较大影响,弱轴情况会使初始刚度增大40%～50%;承载力增大60%以上;强轴情况会使初始刚度增大45%～60%;承载力增大24%左右。至于图7中荷载在超过一定数值时(50kN)有墙框架比无墙框架的刚度要小,主要是因为有墙框架在加载过程中出现了柱脚转动,将在下文有所分析。通过有墙框架(模型3和模型6)和无墙框架(模型1b和模型4)的滞回曲线的对比发现,在加载的初始阶段,墙体对钢框架提供了比较大的刚度,随着荷载的增加以及裂缝的出现,墙体对框架的作用逐渐减弱。无墙框架的滞回曲线的图形呈比较丰满的梭形,而有墙框架的滞回曲线的图形更接近一个反S形,反映了一定数量的滑移影响。总体来看,砌块填充墙体和框架的相互作用可分为三个阶段:初始刚度贡献阶段、无效阶段及大变形支撑阶段。初始刚度贡献阶段墙体和框架粘结得很好,可以共同作用,使框架的整体刚度提高,初始刚度贡献阶段和无效阶段的分界荷载取决于墙体和框架之间的构造;无效阶段即墙体和框架脱离开,基本上是框架单独工作,墙体不参与受力;大变形阶段时墙体在两对角形成一支撑杆,对框架的刚度贡献较大。3柱脚和钢柱脚连接方式采用ANSYS有限元软件对本文试验进行理论分析。钢框架采用梁单元,砌块填充墙体选用实体单元,框架和墙体之间选用非线性弹簧单元。图9是采用了有限元模型计算的模型2节点56的荷载-位移曲线和试验结果的对比。试验模型柱脚的构造如图10所示。钢柱和底板完全焊接,螺栓垫板和底板完全焊接,弱轴框架柱脚用4个M30螺栓和地梁相连;强轴框架柱脚用4个M42螺栓和地梁相连。从试验数据来看,这种连接方式有一定的转角变形。图11至图13给出了考虑与不考虑柱脚转动的模型5、模型3和模型6的节点56的荷载-位移曲线和试验结果的对比。4抗层间位移角的确定结构在多遇地震作用下处于弹性工作状态,其抗震设防要求是结构一般不受损坏或不需要修理仍可继续使用。此时可以假定,结构在小震作用下,框架中的嵌砌填充墙没有出现裂缝。在很多填充墙结构中,填充墙和结构的连接都是刚性连接,这样的连接方式虽然能给结构提供较大的刚度和承载力,但是墙体却容易在比较小的变形时就发生开裂。在本试验中,填充墙和钢框架之间采用的是柔性连接,即在填充墙和钢框架之间留有20mm的空隙,并用发泡剂填充,这样的连接方式可以保证墙体在承受比较大的变形后才开始出现裂缝。本文对采用这样的连接方式的填充墙框架结构进行了参数分析,考察结构在设计时采取多大的弹性层间位移角限值比较合适。基本结构定为一个单跨两层平面填充墙框架结构。根据目前结构中常用的层高情况,设两层层高相等,且都取为3m。取两个参数进行参数分析,参数1为框架的高跨比(层高和跨度比值)或者说是墙体的高度和长度之比H/L(0.4～1.0);参数2为框架的梁柱惯性矩比Ib/Ic(0.5～6),对这两个参数取一系列常用的参数值进行组合,对得到的结构进行弹性极限位移的计算,得到此时的层间位移角,作为采用柔性连接的填充墙钢框架结构的抗震弹性层间位移角限值。各种组合的参数以及得到的最小层间位移角见表2。根据试验数据,可以得到试验模型2(框架柱弱轴位于平面内的填充墙框架单调加载)和试验模型5(框架柱强轴位于平面内的填充墙框架单调加载)墙体初始开裂时的层间位移角分别为1/242和1/206,模型2的梁柱刚度比为4.4;模型5的梁柱刚度比为0.93,模型2和模型5的高跨比均为0.52,根据这两组数据查表2,对于模型2来说,查表得到的相对应的层间位移角应该介于1/276和1/289之间,而实测值是1/242;对于模型5来说,查表得到的相对应的层间位移角应该介于1/238和1/251之间,而实测值是1/206。相比之下,试验测得的开裂层间位移稍微偏大一些,没有落在查表得到的层间位移角的范围内,这主要是由于在砌筑试验模型的墙体时,墙体和框架柱之间的空隙大小不是很均匀,因而发泡剂的厚度也不能控制得很均匀的缘故。总的来说,试验数据还是比较好地验证了理论分析结果的正确性。从表2可以看出:(1)梁柱刚度比越大,在同样的层间位移条件下,墙体分担的剪力和压力越多,越容易开裂,因而结构层间位移角越小。(2)高跨比越大,结构的层间位移角越小。文献第5.5.1条表5.5.1规定了一些结构形式的抗震变形验算的弹性层间位移角限值。对于多、高层钢结构,此限值为1/300。对于本文研究的填充墙框架结构,如果要求小震下墙体不开裂,则建议抗震变形验算的弹性层间位移角限值宜取为1/350。5砌体填充墙框架结构,k.填充墙对钢框架结构抗侧刚度的提高程度有多大,是个比较复杂的问题。很多科研人员做了很多填充墙框架的试验,从材料上看,框架有钢筋混凝土框架、钢框架,填充墙有钢筋混凝土砌体、砖砌体;从试验比例来看,有足尺模型、缩尺模型;从开洞情况来看,填充墙有的开洞,有的没有开洞;从框架和墙体的连接方式看,有的连接偏于刚性,有的连接偏于柔性。因而从这些试验得到的数据中有的填充墙对框架刚度提高达3～4倍,有的只提高不到一倍。甚至只有百分之十几,百分之二十几。从试验数据的离散性可以看出,填充墙框架结构的工作性能比较复杂,但是作者认为影响填充墙钢框架结构这个体系的总刚度的因素有三:框架的刚度,填充墙的刚度以及二者之间的连接弹簧刚度,为此,建立了一个简单的模型(图14)。模型系统中包括框架的刚度kf,填充墙的刚度kw以及连接弹簧刚度ks。根据该模型系统的受力和变形关系可得填充墙钢框架结构的总刚度Kfw为:Kfw=kw⋅kskw+ks+kf(1)Κfw=kw⋅kskw+ks+kf(1)根据试验数据,可得连接弹簧刚度为1200～3000kN/m(与发泡剂的厚度以及均匀程度有关),墙体刚度根据下列公式计算kw=GwAw1.2H(2)kw=GwAw1.2Η(2)其中,Gw为墙体剪切模量;Aw为墙体水平受剪面积;H为墙体高度。空框架刚度可从试验数据中得到,这样就可以计算出整个填充墙钢框架的刚度。根据公式(1),计算试验模型2和试验模型5的填充墙框架刚度,各计算数据和试验数据列于表3。从表3可以看出按照上面提出的简化公式计算得到的填充墙框架的总刚度的变化范围与试验数据还是比较吻合的,试验数据得到的填充墙框架刚度落在使用简化公式计算的刚度范围之内,验证了刚度简化公式的有效性和可靠性。6砌体填充墙框架结构模拟分析(1)通过7榀单跨两层带墙及不带墙钢框架结构的模型试验以及对带砌块填充内墙的钢框架结构与空框架结构的单调加载荷载-位移曲线对比,可以看到填充了砌块内墙的结构要比空框架结构的刚度和承载力都有不同程度的增大。(2)通过有墙框架和无墙框架的滞回曲线的对比发现,在加载的初始阶段,墙体对钢框架提供了比较大的刚度,随着荷载的增加所造成的墙体裂缝的出现,墙体对框架的作用逐渐减弱。无墙框架的滞回曲线的图形呈比较丰满的梭形,而有墙框架的滞回曲线的图形更接近一个反S形,反映了墙体开裂后的滑移影响。(3)通过ANSYS有