实验原理（或对应的知识点）

知识点数量： 5 （个）

本项目“半刚性钢框架拟静力实验”中，通过对半刚性钢框架的拟静力加载实验，测量在加载过程中钢框架的强度、变形及应变分布等来加深以下5个知识点的理解。

1. 帮助学生了解钢板或型钢材料特点

了解型钢是一种有一定截面形状和尺寸的条型钢材，是钢材四大品种(板、管、型、丝)之一。根据断面形状，型钢分简单断面型钢和复杂断面型钢（异型钢）。前者指方钢、圆钢、扁钢、角钢、六角钢等；后者指工字钢、槽钢、钢轨、窗框钢、弯曲型钢等（见图1）。

图1  各类型钢材料

型钢具有优良的力学性能和优越的使用性能。其结构科学合理，塑性和柔韧性好，结构稳定性高，适用于承受振动和冲击载荷大的建筑结构，抗自然灾害能力强，特别适用于一些多地震发生带的建筑结构。结构有效使用面积增加，与混凝土结构相比，钢结构柱截面面积小，从而可增加建筑有效使用面积。能明显地省工省料，减少原材料、能源和人工的消耗，残余应力低，外观和表面质量好。便于机械加工、结构连接和安装，还易于拆除和再用。

型钢可以有效保护环境，具体表现在三个方面：一是和混凝土相比，可采用干式施工，产生的噪音小，粉尘少；二是由于自重减轻，基础施工取土量少，对土地资源破坏小，此外大量减少混凝土用量，减少开山挖石量，有利于生态环境的保护；三是建筑结构使用寿命到期后，结构拆除后，产生的固体垃圾量小，废钢资源回收价值高。

以型钢为主的钢结构工业化制作程度高，便于机械制造，集约化生产，精度高，安装方便，质量易于保证，可以建成真正的房屋制作工厂、桥梁制作工厂、工业厂房制作工厂等。发展钢结构，创造和带动了数以百计的新兴产业的发展。

2. 掌握半刚性连接基本知识

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%。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（见图2）。

   ( a ) 刚性连接            ( b ) 半刚性连接    （c）双腹板顶底角钢连接示意

图2  钢框架梁柱节转动示意图

3. 熟悉低周反复加载实验技术

用于模拟地震时、结构在反复振动中的受力特点和变形特点，这种方法是用静力方法求得结构振动时的效果，因此称为拟静力试验。该方法的加载速率很低，因此由于加载速率而引起的应力、应变的变化速率对于试验结果的影响很小，可以忽略不计。同时该方法为循环加载，也称为周期性加载。

拟静力实验方法一般以试件的荷载值或位移值作为控制量，在正、反两个方向对试件进行反复加载和卸载（见图3）。在拟静力试验中，加载过程的周期远大于结构的基本周期，因此，其实质还是用静力加载方法来近似模拟地震荷载的作用，故称其为拟静力试验（又称为低周反复加载静力试验）。由于其所需设备和试验条件的相对简单（见图4），甚至可用普通静力试验用的加载设备来进行伪静力试验，目前为国内外大量的结构抗震试验所采用。

图3  荷载控制和位移控制示意图

图4  拟静力加载装置示意图

4. 掌握半刚性钢框架的恢复力模型

半刚性钢框架拟静力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。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。

图5  半刚性钢框架的滞回曲线

5. 了解半刚性钢框架的各阶段的受力特征

钢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。

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。

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。

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。

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。

图6  钢框架柱节点弯矩-转角曲曲线