冷弯薄壁C型钢框架体系抗震性能试验研究

２０１３年９月　第３２卷３期　内蒙古科技大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１　３　Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．３　

文章编号：２０９５—２２９５（２０１３）０３—０２８７—０６　

冷弯薄壁Ｃ型钢框架体系抗震性能试验研究　

马晓红　，赵根田　，程　昆　（１．珠海格力房产有限公司，广东珠海５１９０２０；２．内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头０１４０００）　

关键词：支撑钢框架；抗震性能；轴压比；延性　中图分类号：ＴＵ３９２．１　文献标识码：Ａ　摘要：目前，对截面形式为冷弯薄壁ｃ型钢背靠背框架体系抗震性能的研究较少．为研究这种结构体系的抗震性　能，设计了３组单层单跨冷弯薄壁型钢框架，梁柱均采用冷弯薄壁ｃ型钢组合工字形截面，斜撑采用等边单角钢截　面．主要研究改变斜撑布置形式和轴压比对框架抗震性能的影响，得到框架在低周反复荷载作用下的滞回曲线和骨　架曲线，对框架的刚度退化、延性、耗能性能和破坏机理进行研究．结果表明：各试件破坏形式均为斜撑净截面被拉　断，梁端和柱脚腹板出现局部失稳破坏，框架发生整体失稳破坏，各试件承载力退化稳定，轴压比越大，承载力退化越　显著，框架的延性系数均在２．５左右，该结构体系的耗能性能同其它轻钢结构基本一致．　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　

Ｃ－ｓｈａｐｅｄ　ｂｒａｃｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅｓ　

ＭＡ　Ｘｉａｏｈｏｎｇ　，ＺＨＡＯ　Ｇｅｎ—ｔｉａｎ　，ＣＨＥＮＧ　Ｋｕｎ　（１．Ｚｈｕｈａｉ　Ｇｒｅｅ　Ｒｅｅｄ—Ｅｓｔａｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｈｍ　５１９０２０，Ｃｈｉｎａ；２．Ａｅｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ　０１４０１０，Ｃｈｉｎａ）　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒａｃｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅｓ；ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｒａｔｉｏ；ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｍ　ｏｆ　ｃｏｌｄ－ｆｏｒｍｅｄ　ｔｈｉｎ—ｗａｌｌｅｄ　Ｃ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｏｆ　ｂａｃｋ—ｔｏ—ｂａｃｋ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｒｅｅ　ｇｒｏｕｐｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅ－　ｓｉｇｎｅｄ　ｉｎ　ｏｎｅ－ｓｔｏｒｙ　ｏｎｅ—ｓｐａｎ　ｏｆ　ｃｏｌｄ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｔｈｉｎ—ｗａｌｌ　ｓｔｅｅｌ　ｆｌａｍｅ．ｂｅａｍ　ａｎｄ　ｃｏｌｕｍｎ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｃｏｌｄ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｔｈｉｎ—ｗａｌｌ　Ｃ　ｓｔｅｅｌ　ｃｏｍｂｉｎａ—　ｔｉｏｎ，ｂｒａｃｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｅｑｕｉｌａｔｅｒａｌ　ａｎｇｌｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｂｒａｃｅ　ｌａｙｏｕｔ　ｏｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｆｒａｍｅ　ｗｅｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｃｕｒｖｅｓ　ａｎｄ　ｓｋｅｌｅｔｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅ　ｕｎｄｅｒ　ｌｏｗ　ｒｅｖｅｒｓｅｄ　ｃｙｃｌｉｃ　ｌｏａｄｉｎｇ，ｔｈｅ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ，ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ，ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ：ｄａｍａｇｅ　ｆｏｒｍ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ｉｓ　ｂｒａｃｅ　ｎｅｔ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅ　ｂｅａｍ　ｅｎｄ　ａｎｄ　ｃｏｌｕｍｎ　ｆｏｏｔ　ｗｅｂ　ｈａｖｅ　ｌｏｃａｌ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｆａｉｌｕｒｅ，ａｎｄ　Ｏ—　ｖｅｒａｌｌ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｆａｉｌｕｒｅ　ａｐｐｅａｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ；ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｌ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｉｓ　ｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅ　ｍｏｒｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ａｘｉａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｒａｔｉｏ，ｔｈｅ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｉｓ　ａｒｏｕｎｄ　２．５．Ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ａｓ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｏｔｈｅｒ　ｌｉｇｈｔ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　

冷弯薄壁型钢在建筑中应用广泛，既可以作为　

框架、刚架、桁架、梁、柱等重要的承重构件，也可以　作为门窗、龙骨、墙板、屋面板、墙体梁、檩条等相对　

次要受力构件及围护结构的主要建筑材料．冷弯薄　壁型钢在建筑领域之所以得到广泛应用，主要有以　

下几点原因：（１）截面形状布置灵活多变，材料性能　得到充分发挥；（２）自重轻，用钢省，节约资源及能　

源，施工周期短；（３）施工安装简便、生产设备及工　艺简单、有利于工业化生产；（４）轻型钢结构易于拆　

卸搬迁；（５）环保、节能，建筑垃圾回收利用率高；　（６）抗震性能好¨　．　

国内外对截面形式为冷弯薄壁Ｃ型钢背靠背　

收稿日期：２０１３—０６—１６　

作者简介：马晓红（１９６１一），女，内蒙古包头人，珠海格力房产有限公司高级工程师　赵根田，等：冷弯薄壁Ｃ型钢框架体系抗震性能试验研究　２９ｌ　

对比试件２和３的骨架曲线可知，随着轴压比　

的增大，试件的承载能力提高，延性变差．对比试件　１和２的骨架曲线可知，单向斜撑布置和交叉斜撑　

布置对承载能力的影响相近，但是交叉斜撑的试件　在到达极限承载能力之后骨架曲线的坡度变缓，表　

明其延性性能较好．　从３条骨架曲线中可以明显看出试件经历了弹　

性阶段、弹塑性阶段及最终的破坏阶段，并且各骨架　曲线的极限荷载值都很明显．在试验加载初期，框架　

处于弹性阶段，试件的位移与荷载呈现线性关系，骨　架曲线可以近似看成一条直线，其斜率基本不变．随　

着荷载的逐级增加，试件整体承载力发生变化，位移　

的增加速度较荷载增加快．　

一试件１　１０ｏ　

一＋一件２　’　－／ｋ－，试３　５Ｏ　

ｏ　＿４０　－２０　）　２Ｏ　４０　《　／ｒｍ　

图９三个试件骨架曲线对比图　Ｆｉｇ．９　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｓｋｅｌｅｔｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　

在试验中由于试件的梁、柱、斜撑都采用不同截　面，首先是斜撑进入弹性阶段，然后随着荷载的增　

大，斜撑进入弹塑性阶段，斜撑屈服弯曲，最后斜撑　进入塑性破坏，达到承载能力发生断裂，至此，斜撑　退出工作．因为“强柱弱梁”的设计原则，在经历初　始的弹性阶段后，试件梁应率先进入弹塑性阶段，而　

后试件柱亦进入弹塑性阶段．当试件达到最大荷载　后，试件的承载力缓慢下降，框架整体进人破坏阶　段．当试件进入该阶段后骨架曲线中位移的增长速　度远大于荷载，随着荷载的进一步下降，试件最终　破坏．　

３　冷弯薄壁Ｃ型钢框架抗震性能研究　

在抗震设计中，结构体系的延性系数、承载力退　化系数、刚度退化系数、等效粘滞阻尼系数　和能　量耗散系数Ｅ是重要的指标　，如表２～５所示．　表２试件延性系数表　Ｔａｂｌｅ　２　Ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　

表３试件循环加载承载力退化系数表　Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｈｅ　ｃｙｃｌｉｃ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉ・　ｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　

表４三个试件刚度退化系数表　Ｔａｂｌｅ　４　Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ｓｔｉｆｎｅｓｓ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉ－　ｃｉｅｎｔｓ

　２９２　内蒙古科技大学学报　２０１３年９月　第３２卷第３期　

表５等效粘滞阻尼系数ｈ　和能量耗散系数Ｅ表　Ｔａｂｌｅ　５　Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｈ。ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｅ　

从表２可见：延性系数大多在１．０～３．０之间，　与混凝土结构所要求的２．０延性系数基本持平，说　

明框架具有较大的变形能力．交叉斜撑的布置形式　的延性性能较高．随着轴压比的增大，构件的延性性　

能降低．　从表３可见：各循环承载力退化稳定，各试件的　

承载力退化系数大部分大于０．９．交叉斜撑承载力　降低系数大约高于单向斜撑布置形式１７．０３％左　

右，表明交叉斜撑承载能力降低幅度更大．试件３的　承载能力降低系数分别比试件２高５．４１％左右．轴　

压比越大，承载能力退化越显著．　从表４可知：试件的刚度采用割线刚度来表示．　

试件２的初始刚度比试件１高５１．４３％左右，表明　

交叉斜撑布置形式的初始刚度比单向斜撑布置形式　高．随着加载等级的提高，试件的刚度降低．各试件　的初始刚度退化均很明显，试件屈服后，刚度下降的　

幅度更大．交叉斜撑的布置形式刚度退化幅度大于　单向斜撑的布置形式．　

从表５可知：试件屈服后，随着加载等级的提　高，试件的能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数降低．　

试件的等效粘滞阻尼系数大多在０．１～０．５之间，同　

其它轻型钢结构相比，耗能性能基本持平．　

４　结论　

（１）试验中３个试件的最终破坏现象基本相　

同，均为斜撑断裂、整体弯曲失稳并伴随局部失稳．　试件的斜撑净截面被拉断，梁端、柱脚的钢材弯曲变　形过大或是发生断裂．　

（２）承载力及延性：承载力退化稳定，各试件的　承载力退化系数大部分大于０．９．交叉斜撑承载力　

降低系数大约高于单向斜撑布置形式１７．０３％左　右，表明交叉斜撑承载能力降低幅度更大．试件３的　

承载能力降低系数比试件２高５．４ｌ％左右．表明轴　

压比越大，承载能力退化越显著．延性系数大多在　１．０～３．０之间，与混凝土结构所要求的２．０延性系　数基本持平，说明框架具有较大的变形能力．　

（３）刚度退化：交叉斜撑布置形式的框架初始　刚度较高．随着加载等级的提高，试件的刚度降低．　

各试件的初始刚度退化均很明显，试件屈服后＇冈０度　下降的幅度变大．交叉斜撑布置形式的框架刚度退　

化幅度大于单向斜撑的布置形式．　（４）随着加载等级的提高，试件的能量耗散系　

数和等效粘滞阻尼系数降低．试件的等效粘滞阻尼　系数同其它轻型钢结构相比，耗能性能基本持平．