双肢冷弯薄壁C型钢框架抗震性能研究

发布时间：2016-04-12 21:25

1 绪论 

1.1 冷弯薄壁型钢及其结构体系特点 
冷弯薄壁型钢不仅是单纯通过增大截面面积的方式，还可以通过改变截面形状的方式获得较好的力学性能，能承受较大的荷载。 跟据上述冷弯薄壁型钢构成和成型来看，冷弯薄壁型钢及其结构体系有以下特点[1]： （1）冷弯薄壁型钢布置灵活。与截面积相同的热轧型钢相比较，截面布置灵活，品种繁多。 （2）冷弯薄壁型钢性能好。材料强度高、构件截面形式优化，用钢量小；自重轻，基础材料省；耐久性好，建筑解体后可回收再利用；惯性矩和抵抗矩等的截面特性系数较高，钢材的力学性能得到充分的发挥；经过冷加工，材料出现冷弯效应，强度得到提高。 （3）有利于住宅产业化。冷弯薄壁型钢结构可在工厂加工制作，现场拼装，施工速度快；构件、结构板材和建筑配件可在工厂按标准定型，进行社会化生产、市场化采购，配套性好、质量容易保证。 （4）结构节能环保。冷弯薄壁型钢结构中热工管道铺设在节能墙体中，可减少热能损失；少使用水泥和粘土砖等不可再生资源，避免其在生产过程中的能源消耗；采用新型建筑材料，不助燃，可防腐蚀、霉变和虫蛀，居住的环境卫生健康；施工时噪声、粉尘和垃圾少。 （5）结构节省用地。冷弯薄壁型钢结构墙体的厚度较小且四壁规整、便于建筑布置,增加了住宅有效使用面积（约 5%以上）；施工时占地少。 （6）结构自重轻。其自重仅为钢筋混凝土框架结构的 1/3～1/4，基础负担小且处理简单，尤其适用于如坡地、劣地等地质条件较差的地区，节约优质土地资源。
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1.2 冷弯薄壁型钢结构体系应用及发展 
中国房屋钢结构的发展面临重大机遇，，作为 7 亿吨的世界第一产钢大国，钢结构建筑只占 5%，而发达国家占 50%以上。冷弯型钢在建筑上的使用在国外更是占有冷弯型钢总产量的 70%，如图 1.1 所示为冷弯薄壁型钢住宅体系。 据相关资料显示[2]，20 世纪 90 年代，在美国使用冷弯型钢的钢结构建筑比例已超过热轧 H 型钢。冷弯型钢在 1～2 层的建筑结构有广泛使用[3～5]。轻型门式刚架房屋体系是国内外近几年发展较快、应用较多的一类建筑，更是冷弯型钢在建筑结构上使用的体现。 在中国，混凝土和砌体结构住宅一统天下，但这些传统住宅的建造浪费国土资源，破坏生态环境和消耗大量能源，因此传统住宅建造方式的改变是当前的重要课题。伴随着改革开放，尤其在近几年，发达国家轻型钢结构企业的相应产品和技术不断涌入，国内开始应用定型和产业化的北美冷弯薄壁型钢结构住宅体系，这推动了冷弯薄壁型钢结构的迅速发展[6]。目前，中国钢材产量世界第一，而且国家也在制定和调整政策以鼓励发展钢结构，中国正步入钢结构发展的黄金时期。在汶川地震之后，人们更加重视建筑结构的抗震性能，使得轻钢住宅体系在建造商及居民个体对不同建筑体系的选择中越来越受到青睐。但目前在国内的应用并不是很广泛，每年建筑面积约为 20 万 m2，主要原因在于此类结构体系的计算方法还不够完善，试验数据不够充足，没有相关的标准和规范。但随着社会的发展，这些制约将不复存在，而且冷弯薄壁型钢结构体系将成为建筑行业的主导结构体系。 
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2 双肢冷弯薄壁 C 型钢框架抗震性能试验研究 

2.1 试验目的 
试验模型为双肢冷弯薄壁 C 型钢背靠背内插热轧钢板以摩擦型高强螺栓连接的轻钢框架。由于此类构造形式较为特殊，框架梁柱之间传力效果好坏还不明确，梁柱线刚度比能表征梁柱的弯矩传递效率[48]（梁线刚度为梁的抗弯刚度除以其长度，即 EIb/L，同理柱的线刚度为 EIc/H，两者之比为梁柱线刚度比），同时垫板厚度对整体框架的刚度是有影响的。因此，以梁柱线刚度比和垫板厚度为参数，其中线刚度比分别为 0.481、0.337 和 0.259，垫板厚度分别为 8mm，10mm 和 12mm。本试验主要研究此类构造平面单层单跨钢框架的抗震性能。 通过对五榀单层单跨缩尺平面双肢冷弯薄壁 C 型钢框架模型进行低周反复加载试验，拟达到以下目的： 研究框架结构的破坏机制与特征、塑性铰出铰顺序、变形、滞回性能、承载能力和刚度及其退化、延性和耗能能力等指标，并得出以上 2 个参数对其抗震性能的影响程度，进而明确双肢冷弯薄壁C 型钢框架的抗震性能特性。 
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2.2 试验方案确定 
建筑结构抗震性能研究要求结构物在模拟地震的荷载作用下进行试验，以观测结构的强度、变形和破坏状态。结构承受的地震荷载可以等效为承受多次水平往返荷载，由于结构吸收和耗散能量是依靠其自身的变形、局部破坏或耗能装置来实现的，所以结构抗震试验的特点是水平往返荷载作用、结构变形大，试验要求结构构件屈服并进入非线性工作阶段直至结构完全破坏。基于以上要求且考虑到现有试验设备条件，本试验采用低周反复加载拟静力试验方法对五榀平面单层单跨缩尺双肢冷弯薄壁 C 型钢框架模型进行抗震性能研究。 
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3 有限元 ANSYS 模型建立和适用性验证 ....... 38 
3.1 ANSYS 模型建立 ........... 38 
3.2 ANSYS 模型与试验验证 ...... 42 
4 ANSYS 模型参数拓展分析 ..... 45 
4.1 计算结果分析 ......... 45 
4.1.1 破坏现象及形态 ........... 45 
4.1.2 滞回曲线及骨架曲线 .......... 51 
4.2 计算结果抗震分析 ......... 54 
4.2.1 承载力退化 ........... 54 
4.2.2 刚度退化 ....... 55 
4.2.3 延性 ....... 56 
4.2.4 耗能性能 ....... 56 
4.3 有限元模拟结论 ..... 57 

4 ANSYS 模型参数拓展分析 

本章进行了 9 榀双肢冷弯薄壁 C 型钢框架低周反复荷载作用下模拟计算，以 C型钢厚度、C 型钢翼缘宽厚比、柱 C 型钢腹板高厚比和梁 C 型钢腹板高厚比等为研究参数，详细地考察了框架的荷载-变形关系滞回曲线、骨架曲线、破坏形态、承载力和刚度及其退化规律、延性和耗能等。 将 F-S-2.5 作为基准模型，以其为基础建立不同参数的模型。模拟计算框架模型取跨度 1600mm，层高 960mm，以节省计算时间。采用 8.8 级 Φ20 摩擦型高强螺栓，螺栓预拉力为125kN[49]。选取基准模型 F-S-2.5 为代表，深入分析了加载过程中的破坏现象、受力特征和工作原理。模型加载分四个阶段：第一阶段为施加螺栓预紧力阶段；第二阶段为施加外荷载直至模型屈服阶段；第三阶段为屈服荷载至极限荷载阶段；第四阶段为极限荷载至破坏荷载阶段。 在施加摩擦型高强螺栓预紧力后，模型的冷弯薄壁 C 型钢螺栓孔处集中力较大，已有部分螺孔应力达到 304.29MPa；垫板基本没有受力，最大应力值仅为 3.25MPa，如图4.1（a）和（b）所示。 当梁端水平荷载加至 67.97kN 时，模型加载远端梁端屈服，冷弯薄壁 C 型钢应力最大值为 300.86MPa；垫板受力增加，其中梁柱节点板螺孔处受力最大，最大应力值为124.28MPa，而柱中点处垫板和梁三分点处垫板基本不受力，如图 4.1（c）和（d）所示。 当梁端水平荷载达到模型极限荷载 75.30kN 时，模型两柱脚处冷弯薄壁 C 型钢受力最大，最大应力为 335.61MPa；垫板的受力增加，尤其是梁柱节点板螺栓孔和加腋处，最大应力值为 293.63MPa，而柱中点处垫板和梁三分点处垫板不受力，如图 4.1（e）和（f）所示。 

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结    论

本文通过拟静力试验和有限元模拟往复循环荷载计算等方法，深入研究了双肢冷弯薄壁C 型钢框架的垫板厚度、梁柱线刚度比、C 型钢厚度、C 型钢翼缘宽厚比、柱C 型钢腹板高厚比和梁C 型钢腹板高厚比等参数对其抗震性能的影响，研究结论如下： 
（1）双肢冷弯薄壁 C 型钢框架的塑性铰出铰顺序为：加载远端梁端→加载远端柱脚→加载近端柱脚→加载近端梁端；破坏模式为框架梁端和柱脚局部屈曲，最终整体破坏，表明该类框架遵循“强柱弱梁”抗震原则。 
（2）随着各个影响参数的变化，双肢冷弯薄壁 C 型钢框架承载力和刚度退化稳定，滞回环饱满，位移延性系数在 2.47～5.16 之间，等效粘性阻尼系数在 0.16～0.45 之间，表明该类框架的抗震性能较好。 
（3）各个参数的变化对双肢冷弯薄壁 C 型钢框架抗震性能都有不同程度影响，唯有增加 C 型钢厚度和降低梁柱线刚度比可以改善框架的抗震性能。 
（4）建议设计框架时，梁柱线刚度比应不小于 0.481，采用 8.8 级 M20 摩擦型高强螺栓较为合适，垫板厚度与 C 型钢尺寸进行匹配计算，保证强节点弱构件设计即可。  
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参考文献(略)

本文编号：37932