半刚性钢框架拟静力实验

1.实验项目介绍

1.1 半刚性的基本知识

传统的分析理论总是将梁柱连接假定为理想铰接或完全刚接。理想的刚性连接假定中，相邻的梁柱之间不会产生相对转动，当框架变形时，梁柱之间的夹角是保持不变的。虽然对连接性能的理想化假设大大简化了结构的分析和设计过程，但采用理想化的连接模型在很多情况下是不合理的，不能反映结构工作的实际情况，计算结果误差较大。工程实践和理论试验证实，在荷载作用下，实际钢框架梁柱连接节点的性能介于理想的刚接和铰接之间，即钢框架梁柱节点在荷载作用下梁柱间将发生相对转动，既不像刚性连接那样能保持梁柱间的永远直角关系，也不像铰节点那样发生很大的相对转动角。据统计，实际刚性连接端弯矩仅为90%~95% 。见图1所示刚性和半刚性示意图。图2为半刚性节点的构造。

( a ) 刚性连接                ( b ) 半刚性连接

（c）双腹板、顶底角钢连接示意

图 1 钢框架梁柱节转动示意图

习惯上，只要是连接对于转动的约束达到理想刚接的90%以上，即可以视为刚接；而把外力
作用下梁柱轴线夹角的改变量达到理想铰接的80%以上的连接视为铰接。处于两者之间的连接， 就是半刚性连接。常用的主要有Bjorhovde的分类方法、EUROCODE3( 1992 )的分类方法和日本学者Yoshaki Goto和Satoshi Miyashita的分类方法。

( a ) 全焊接 ( b ) 顶底角钢连接 ( c ) 双腹板角钢顶底角钢连

( d ) 双/单腹板角钢连接 ( e ) 单板连接 ( f ) 短T型钢连

(g) 外伸端板连接 (h) 平齐端板连接 (i) 矮端板连

图 2 框架半刚性连接类型

1.2 拟静力试验简介

静力试验方法是目前研究结构或者构件最常用而且最广泛的一种方法，是采用一定的荷载控制或者变形控制的方法，对试件进行低周期反复加载，使试件从弹性阶段直至破坏的一种试验方法。拟静力试验加载速率很低，应变速率对试验结果的影响可以忽略；拟静力试验可最大限度地利用试件提供的各种信息，如荷载、刚度、变形能力、耗能能力等。拟静力试验的根本目的是对结构或者构件在荷载作用下的基本表现进行深入的了解和研究，进而建立可靠的数学和力学模型

2.实验目的

( 1 ) 刚性连接钢框架在低周往复荷载作用下抗震性能的研究，确定带双腹板、顶底角钢半刚性连接钢框架在周期循环荷载作用下的受力性能，破坏机理；

( 2 ) 通过对关键部位处的应变片或应变花测应变，确定试件的顶底角钢、腹板角钢、梁柱上下翼缘和腹板在周期循环荷载作用下的应力分布及变化情况；

( 3 ) 通过对试验数据的分析，研究半刚性连接钢框架在周期循环荷载作用下的滞回曲线和耗能特性，从而论证该连接节点的优良性能。

3 数据处理

3.1 滞回曲线

图 17 三层滞回曲线

图 18 二层滞回曲

图 19 一层滞回曲

试验中得到的滞回曲线近似于反S形，最后发展成为近似的梭形。 荷载控制阶段结构处于弹性阶段，滞回曲线基本上呈现直线；位移控制阶段结构开始进入弹塑性阶段，滞回曲线相对饱满，并且随着位移或者荷载幅值的增大，滞回环的面积也在不断的增大，证明了半刚性连接的框架具有良好的延性，在每个幅值下循环的三次中除了第一个外，其余两个曲线基本重合，滞回曲线的面积基本保持常数。由于初期呈现弓形，曲线存在一定的捏缩现象，说明框架存在一定的滑移影响，这主要是因为加载过程中梁柱半刚性连接处由于螺栓的松动导致构件之间出现相对滑移。

一次加载的过程中，曲线斜率随着荷载的增大而减小，而且减小的速度加快。比较各次同向加载曲线，后一次的曲线斜率比前一次的曲线斜率略有减小，说明框架的刚度在不断退化。 比较同级位移下的反复循环的三次， 每一次循环， 承载能力均有所下降，说明框架发生了强度退化现象。此外，曲线的曲率也逐渐变小，即框架的侧向刚度也在相应退化，而且随着位移的增大，下降及退化的程度亦增大。刚开始卸载时，曲线较陡，恢复变形很小，卸载刚度几乎与初始刚度相同。曲线的斜率随着反复加卸载次数的增多
而减小，这说明框架的卸载刚度在退化。全部卸载后，框架有不可恢复的残余变形，并随着位移幅值的增大和循环次数的增多而不断积累加大。

3.2 骨架架曲

将滞回曲线上各次循环加载（正向或者反向）峰值点的曲线称为滞回曲线的骨架曲线，可近似反应试件在反复受力过程中的承载力、变形能力、刚度及刚度退化等特征。

框架顶点的位移－荷载曲线的骨架曲线为例， 在加荷的初期， 大约在30mm 位移左右，各试件第一次循、第二次循环时对应的骨架曲线和第三次循环对应的骨架曲线接近重合，试件的刚度退化不明显，但是当试件屈服以后，随着位移的增加，退化程度加大。这主要是因为框架中局部钢材进入屈服以及不断有平面外变形出现造成的。

框架顶点的位移－荷载曲线的骨架曲线为例， 在加荷的初期， 大约在30mm 位移左右，各试件第一次循、第二次循环时对应的骨架曲线和第三次循环对应的骨架曲线接近重合，试件的刚度退化不明显，但是当试件屈服以后，随着位移的增加，退化程度加大。这主要是因为框架中局部钢材进入屈服以及不断有平面外变形出现造成的。

比较反向加载时的骨架曲线和正向加载时的骨架曲线， 由于正向加载结束后尚有一定的残余变形，当反向加载时，需要抵消结构中的残余变形；另外，正向加载对试件有一定程度的损伤， 因此反向加载时的承载能力较对应的正向位移下的承载能力略微偏低。

从试件的骨架曲线上看，表现为正向骨架曲线和反向骨架曲线并非是完全的反对称，一般而言，正向骨架曲线对应的荷载峰值要略高于反向骨架曲线对应的荷载峰值。

从骨架曲线中可以看出，试验框架所承受的正负向的荷载以及相应的位移并不完全对称，这是试验框架受鲍辛格效应((Bauschinger effect)影响的结果。

(a) 三层骨架曲线

（b）二层骨架曲线

(c)一层骨架曲线

图 20 骨架曲线

3.3 节点弯矩-转角关系曲

节点的刚度直接影响整个框架的性能。当框架的水平荷载较小，由此产生的侧移也很小，节点的角度变化不明显，此时节点的刚度仍处于弹性阶段，节点的刚度为初始刚度，刚度最大；随着转角的不断增大，出现非线性特性，节点的刚度逐渐减小，对框架产生了“柔” 的影响，使整个框架在荷载增大的过程中侧移出现突变，表现出整个框架的非线性。

图 21 端柱节点弯矩-转角曲（一层）

图 22端柱节点弯矩-转角曲（二层）

图 23 中柱节点弯矩-转角曲（一层）

图 24 中柱节点弯矩-转角曲（二层）

以上弯矩－转角曲线可以看出，一层节点转角较大，均出现了非线性的特性，而二层节点均未出现非线性的特性。其中A柱一层节点转角最大，达到了0.045rad，最小的则只有 0.02rad。 其中节点刚度的屈服刚度和破坏刚度均超过了 AISC 的规定值（ 0.03rad） ， 说明此种节点具有很好的转动能力， 对整个框架内力的重分布起到了很好的作用。

3.4 耗能能力

耗能特性和结构的阻尼是结构恢复力特性的重要内容， 也是衡量结构抗震性能的重要指标。耗能的大小采用耗能系数E来表示，另外等效黏滞阻尼比的计算方法为：

由图所示，某一循环的耗能系数为

图 25

S_(abc+cda)为滞回曲线的一个循环所包围的面积，是结构在一个循环中所耗散的能量总和；S_(obe+odf) 为本结构在弹性范围内所吸收的能量。 框架的耗能系数 E 和等效粘滞阻尼比的计算见表3。由表3可知：框架整体达到屈服之后，随着位移的增大，框架的耗能能力和粘滞阻尼比在不断的增大，在最后一个循环之后，框架的耗能能力开始出现下降的趋势，说明框架整体的承载力已经开始下降。

表.3 各循环耗能系数和等效粘滞阻尼比

3.5 试验总结

( 1 ) 框架在弹性工作状态下，荷载－位移曲线基本为直线段， 基本没有残余变形，在框架进入屈服阶段之前，出现的应力最大处是弯矩最大点，即边柱柱脚处。随着荷载的增加框架整体的荷载－位移曲线开始出现转折。

（2）塑性阶段， 随着荷载的增大，首先出现屈服部位的塑性区域迅速加大， 其受力的有效面积逐渐减小，刚度开始出现下降，加载点位移增加较快。在加载后期，塑性应变的加大使屈服区域出现危险部位导致材料的塑性破坏。

（3）破坏阶段， 随着局部塑性区域的进一步发展， 柱脚部位出现了压屈现象， 进而荷载不断下降达到了最大荷载的85％以下。

（4）骨架曲线和一次性加载曲线相接近， 除加载初期有很小的一段近似直线之外，其余均呈现出明显的非线性特征，这和单向加载所得的曲线基本一致；另外从曲线中还可以得出在加载后期随着变形（曲率或位移）的不断增大曲线切线的坡度不断降低，即切线刚度不断减少，表现出明显的刚度退化现象。

（5）由于框架梁柱尺寸设计的不尽合理， 使得框架在低周反复荷载作用下的滞回曲线有些扁平，因此其抗震耗能能力也相对较低，其延性也未能达到通常的要求。

( 6 ) 柱脚和节点角钢上的应变片随着循环数和侧向位移的增大呈现明显的非线性特，均在2000με左右开始出现转折。

（7）使用顶底角钢、腹板双角钢半刚性节点的钢框架具有施工方便，现场焊接工作量少、受力合理、变形性能优越等特点。带有该种节点连接的框架由于节点的转动能力大大优于刚性节点，降低了框架的侧向刚度，增加了侧向变形，与此同时却改变了框架梁柱的受力形式和内力分布，提高了框架的耗能能力，使得整个框架在破坏时梁柱端部没有出现明显的破坏，因此达到了优化梁柱断面、改善结构抗震性能的目的。