内填钢板墙双肢冷轧C型钢框架抗震性能

　　内填钢板墙的双肢C型钢框架是一种新型的框架结构体系，建立三层该类框架进行低周往复加载试验，分析其破坏形态、模式及抗震性能，试验结果表明：钢板墙的屈曲起到了良好的耗能作用，内填钢板墙可以提高双肢C型钢框架的承载力和刚度，层间位移角满足抗震设计要求。在试验的基础上，考虑钢板墙的高厚比、钢板墙高宽比、框架柱刚度系数等参数，采用验证后的有限元模型，分析各个参数下内填钢板墙框架的抗震性能，得到了一定的参数设计建议。

　　冷弯薄壁型钢自重轻、节能、环保，轻质高强，材料性能得到充分发挥，制作安装方便，可以实现装配式施工，具有良好的抗震性能[1]，当前已广泛应用到房屋建筑结构中[2]。为了探究冷弯薄壁C型钢结构的特性，国内外部分学者研究了冷弯薄壁C型钢结构的力学性能、抗震性能[3]。国外学者 Lim和Nethercot[4―6]对冷弯C型钢采用背靠背布置，并通过填板、螺栓相连接的屋脊和屋檐节点进行静力性能和抗震性能的研究。Shahbazian和Wang[7]对计算高温条件下冷弯薄壁C型钢柱屈曲承载力的直接强度法进行了研究。Dundu[8]对冷弯C型钢门式刚架提出了新的设计方法。Mohammed和Emad[9]对冷弯C型钢梁的转动性能进行了评价。国内学者黄川等[10]等建立了冷弯 C型钢梁柱连接节点的 M-θ曲线，并对由自攻螺栓连接的该类型截面框架的受力状态进行研究。彭雄等[11]运用有限元对冷弯薄壁C型钢构件进行轴压和循环荷载作用下的力学分析。陈明等[12―15]运用试验和有限元模拟分析的方法对采用垫板连接的双肢冷弯薄壁C型钢节点和冷弯薄壁C型钢框架的抗震性能进行了研究，给出了该类结构的性能指标。

　　冷弯薄壁C型钢框架具有良好的抗震性能，但是抗侧移刚度较小，为了提高冷弯薄壁C型钢框架的抗侧移能力，在该框架内填钢板墙可提高该类框架的承载力和抗侧刚度。目前对这种内填钢板墙双肢C型钢框架(后简称钢板墙框架)的研究较少，本文对2榀三层单跨双肢冷弯薄壁C型钢框架进行拟静力试验，以是否采用内填钢板墙作为设计差异，对比试验现象与结果，验证内填钢板墙的优势，建立了内填钢板墙双肢C型钢框架有限元分析模型，并用试验结果进行过验证。考虑钢板墙高厚比、钢板墙高宽比、框架柱刚度系数等参数，分析各个参数下内填钢板墙框架的抗震性能，为内填钢板墙双肢C型钢框架提供参考。

　　1 钢板墙框架抗震试验

　　1.1 试验框架设计

　　2榀三层单跨双肢C型钢框架(KJ-1和KJ-2)柱、梁分别采用双肢 C220 mm×50 mm×20 mm×2.5 mm和双肢C140 mm×50 mm×20 mm×2.5 mm截面，中间节点板为8 mm厚热轧钢板，KJ-1为空框架，KJ-2为钢板墙框架，钢板墙采用非加肋薄钢板，全长、全高布置。试验框架按 1∶4的缩尺比例设计，如图1所示。

　　1.2 材料性能试验

　　根据现行规范[16]的有关规定，对组成框架的梁、柱、节点板、底板进行材性测试，得到各材料的弹性模量、屈服强度、极限抗拉强度、泊松比等参数。材性测试所得材料物理力学指标如表1所示。

　　表1 材料性能试验结果

　　图1 框架尺寸 /mm

　　1.3 试验加载装置及加载制度

　　1.3.1 加载装置

　　试验水平荷载施加采用如图2(a)所示的推拉千斤顶来施加，千斤顶两端采用铰接的方式与框架顶端和反力墙连接。在框架一层和二层梁中部两侧沿水平加载方向设置侧向限位装置，确保试件不会因为平面外刚度不足导致试验失败。按轴压比0.3对应施加竖向荷载 10 kN，采用如图 2(b)所示的定滑轮体系，可保证竖向荷载和柱顶的自由水平移动同步[17]。框架柱底板由4个地脚螺栓把框架固定在混凝土地梁上。

　　1.3.2 加载制度

　　试验采用荷载-位移混合加载方式[18]，施加水平荷载前，先在柱顶上施加 10 kN的竖向荷载，同时缓慢加载完成。水平荷载的施加在框架的竖向荷载加载稳定后，开始对框架施加水平荷载。正式加载时先用10 kN加载步长力控制，每级循环1次，在框架屈服后用位移控制，位移加载步长是按框架屈服位移Δy来确定的，每级循环加载3次。当采集框架的荷载值降低到极限承载力的50%时停止试验。

　　图2 试验加载装置

　　1.4 内填钢板墙框架破坏形态

　　为了试验描述的方便，将框架的加载端定为左侧，非加载端定为右侧，将人与框架平行且左右对应站立时的前方称为前，后方称为后。

　　KJ-1加载初期框架没有明显的试验现象，加载的过程中伴有轻微声响。之后一层梁端腹板与翼缘交界处产生微小的局部变形如图3(a)所示，一层、二层梁左右端腹板均出现鼓曲。随着荷载的增加，一层梁左侧前后两肢下侧翼缘出现变形，同时，右侧柱脚前后两肢出现开裂如图3(b)。然后，框架柱左右柱脚严重变形。梁腹板发生鼓曲如图3(c)，右侧后肢梁翼缘发生变形。框架破坏过程符合“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的抗震设计要求。整体破坏如图3(d)所示。

　　图3 KJ-1破坏现象

　　KJ-2加载初期也没有明显的试验现象，只是在推拉转换的过程中伴有轻微的声响。之后框架左右柱脚微弱张开，各层钢板墙梁柱连接端附近出现微小的局部变形如图4(a)。 

     随着荷载的增加，一层右侧梁端前后肢C型钢腹板张开，一层、二层梁与柱螺栓连接线上形成多条拉力带。然后，一层钢板墙出现一条宽而通长的连接左右柱的拉力带如图4(b)。二层钢板墙与梁、柱螺栓连接处屈曲变形严重，钢板上呈现两条拉力带。框架左右柱脚出现明显屈曲变形如图4(c)，腹板局部屈曲严重。钢板墙框架破坏过程钢板墙形成了拉力带，有效地耗散能量。整体破坏如图4(d)所示。