蘇益聲，張 雯，孟二從，但 宇

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004;2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)試驗室，廣西 南寧530004;3.南寧學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530000)

蜂窩鋼構(gòu)件自重輕、承載力高、抗彎剛度大、截面形式合理美觀并且經(jīng)濟(jì)效益顯著，在工程實踐中的應(yīng)用已越來越廣泛［1-2］。目前，國內(nèi)外對蜂窩鋼梁的研究已較為深入［3-8］，但針對蜂窩鋼壓彎構(gòu)件或蜂窩鋼柱的相關(guān)課題則剛處于起步階段［9-12］?，F(xiàn)有的蜂窩輕鋼門式剛架柱的研究成果表明［13-17］，構(gòu)件的局部屈曲是引起的整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的主要原因，蜂窩鋼柱的空腹形式使其腹板成為受力薄弱部位，破壞時腹板易鼓曲。為進(jìn)一步提高蜂窩鋼柱的承載力，改善其受力性能，本課題組提出在蜂窩孔墩處設(shè)置橫向加勁肋的補(bǔ)強(qiáng)方案。本文以蜂窩孔形、加勁肋的設(shè)置與否及設(shè)置部位作為變化參數(shù)，通過對蜂窩鋼柱及原型鋼實腹柱進(jìn)行低周反復(fù)荷載下的抗震性能試驗研究，為蜂窩鋼柱在工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試件設(shè)計及加載方法

1.1 試件設(shè)計及制作

本試驗設(shè)計制作了一根原型鋼實腹柱、一根普通蜂窩鋼柱及三根設(shè)加勁肋補(bǔ)強(qiáng)的蜂窩鋼柱，編號分別為SFZ、FWZ、FWZB-1、FWZB-2、FWZB-3，原型鋼實腹柱及蜂窩鋼柱由HW125 mm×125 mm×6.5 mm×9 mm 的H 型鋼以擴(kuò)張比1.4 加工而成，腹板開孔形式為六邊形孔及圓形孔兩種。設(shè)計柱高為1.428 m 并在柱頂焊接鋼板作為豎向荷載的加載端。柱腳采用4 個高強(qiáng)螺栓與基礎(chǔ)連接。圖1 為橫向加勁肋的尺寸圖，表1 為試件的相關(guān)設(shè)計參數(shù)。

圖1 加勁肋形式Fig.1 Shape of stiffener

表1 設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters

1.2 試驗材料

本試驗鋼柱采用Q235H 型鋼HW125 mm×125 mm×6.5 mm×9 mm 制作，表2 為鋼材的實測力學(xué)性能，其中d 表示板件的厚度，其單位為mm，fy、fu、Es分別表示鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度與彈性模量，其單位為MPa，μ 表示泊松比。

表2 鋼材力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of steel

1.3 加載裝置及加載制度

本次試驗對試件施加豎向靜力荷載以及水平低周反復(fù)荷載，以模擬地震作用下鋼柱的實際受力情況。蜂窩鋼構(gòu)件多用在輕鋼框架之中，因此本試驗中柱頂豎向荷載取40 kN，由工程中輕鋼屋面的常用設(shè)計荷載換算而成。豎向荷載由千斤頂一次性施加于柱頂，并且試驗過程中保持穩(wěn)定。水平低周反復(fù)荷載通過量程為25 t 的電液伺服作動器施加，采用力—位移混合加載制度，首先進(jìn)行荷載控制加載，以預(yù)估極限荷載的10%為增量，每級荷載循環(huán)一次直至構(gòu)件出現(xiàn)屈服，而后以屈服位移Δy為增量進(jìn)行位移控制加載，每級位移循環(huán)3 次直至試件破壞，試驗的加載裝置如圖2 所示。

為研究柱橫截面及孔周應(yīng)力分布情況，在量測位置粘貼電阻應(yīng)變花及應(yīng)變片，其中圓形孔周邊粘貼8 個應(yīng)變花，六邊形孔周邊粘貼6 個應(yīng)變花，應(yīng)變數(shù)據(jù)由DH3815 靜態(tài)采集系統(tǒng)自動采集。電阻應(yīng)變片的布置情況如圖3 所示(以FWZB-1 為例)。

圖2 加載裝置布置圖Fig.2 Loading device figure

圖3 FWZB－1 應(yīng)變片布置圖Fig.3 Strain gage layout of FWZB－1

2 試驗現(xiàn)象

蜂窩鋼構(gòu)件開孔區(qū)域常被劃分為橋、橋趾、墩三部分，為方便描述孔周試驗現(xiàn)象，本文規(guī)定以柱軸線BC 為中截面，并用夾角θ 表示孔周點(diǎn)位(如圖4 所示)。

在荷載控制階段，各試件最大荷載在20 kN 左右，柱頂位移不超過30 mm，變形不明顯且處于彈性工作階段，卸載后無殘余變形。在位移控制階段，作動器對試件施加較大位移，試件開始出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)變測點(diǎn)逐漸屈服。補(bǔ)強(qiáng)蜂窩柱孔周邊的屈服點(diǎn)均首先出現(xiàn)于柱頂?shù)谝豢?，普通蜂窩柱出現(xiàn)在第二孔，且分布在與中截面BC 成30°～60°角的范圍內(nèi)，隨著柱頂位移逐漸增加，達(dá)到屈服應(yīng)力的測點(diǎn)不斷增多。位控加載至4Δy～5Δy時，試件由于鋼材受壓而發(fā)出“嘎吱嘎吱”的聲響，并且柱底板出現(xiàn)塑性翹曲變形。當(dāng)FWZB-1 加載至4Δy第一循環(huán)正向時，試件由于柱腳靴梁焊縫斷裂而發(fā)出“嘭”的聲響;FWZB-3 加載至4Δy第三循環(huán)時，柱頂?shù)谝坏罊M向加勁肋焊縫撕裂，卸載后柱端第一孔稍有變形。在加載后期，試件傾斜嚴(yán)重，當(dāng)強(qiáng)度下降至最大承載力的85%時，可認(rèn)為試件破壞，即終止試驗。

圖4 θ 及區(qū)域劃分示意圖Fig.4 The sketch of θ and area division

觀察試驗全過程可知，補(bǔ)強(qiáng)蜂窩鋼柱設(shè)置了橫向加勁肋，構(gòu)件應(yīng)力分布與FWZ 不一致，當(dāng)柱頂?shù)谝豢浊r其余孔周應(yīng)力仍較小，隨著荷載的增加，這部分孔周也逐漸達(dá)到屈服。卸載后試件未見明顯局部變形，補(bǔ)強(qiáng)柱破壞形式為整體失穩(wěn)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 孔口應(yīng)力分布分析

本試驗構(gòu)件的孔周主應(yīng)力由粘貼于孔周的應(yīng)變花獲得，蜂窩鋼柱的屈服荷載Fy(定義為孔周首次屈服時的水平荷載)列于表3 之中，典型孔口的應(yīng)力分布圖(單位:MPa，編號以柱頂孔口為I 號依次向柱底增大)如圖5 ～圖8 所示，經(jīng)分析對比，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:①大部分孔口應(yīng)力可以劃分為4 個區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)，拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交替分布，并且同號應(yīng)力相對;②普通蜂窩鋼柱FWZ 第Ⅰ、Ⅱ孔口最大應(yīng)力相近，最大拉、壓應(yīng)力分別出現(xiàn)在與正截面BC 成30°～60°與-30°～-60°的區(qū)間范圍之內(nèi);③構(gòu)件FWZB-1 ～FWZB-3 當(dāng)?shù)贗 孔口屈服時，其余孔口應(yīng)力仍較小，隨著柱頂位移逐步增大，各孔口的應(yīng)力也趨向均勻;④當(dāng)孔口應(yīng)力首次屈服時，F(xiàn)WZ 的水平荷載大幅度高于其余試件，F(xiàn)WZB-1 ～FWZB-3 的水平荷載值雖相對接近卻也有所區(qū)別，說明孔周應(yīng)變分布以及水平屈服荷載可通過調(diào)整橫向加勁肋的布置實現(xiàn)。

表3 蜂窩鋼柱屈服荷載FyTab.3 Yield load Fy of castellated columns

圖5 FWZ 孔周應(yīng)力分布圖Fig.5 Stress distributions around the holes of FWZ

圖6 FWZB－1 孔周應(yīng)力分布圖Fig.6 Stress distributions around the holes of FWZB－1

圖7 FWZB－2 孔周應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distributions around the holes of FWZB－2

圖8 FWZB－3 孔周應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress distributions around the holes of FWZB－3

3.2 荷載—位移滯回曲線

在循環(huán)荷載作用下，荷載—位移滯回曲線是評價結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能的綜合指標(biāo)。本試驗中，通過滯回曲線可以獲得各構(gòu)件的抗震承載力、延性、耗能以及剛度等力學(xué)性能，各構(gòu)件的滯回曲線如圖9所示。

圖9 滯回曲線Fig.9 Loading－displacement hysteretic loops

從各試件的滯回曲線中可以看出，由于柱底采用了半剛性連接，螺栓與栓孔間存在空隙導(dǎo)致構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下出現(xiàn)一定程度的滑移，并由于腹板上的蜂窩孔洞削弱了鋼柱的截面積，各試件滯回曲線存在不同程度的捏攏現(xiàn)象，整體上呈現(xiàn)出弓形。FWZ 捏攏程度較其他構(gòu)件嚴(yán)重，耗能性能較弱;FWZB-1滯回環(huán)飽滿程度有所提升，耗能能力增加;圓形孔補(bǔ)強(qiáng)試件FWZB-2、FWZB-3 的弓形滯回曲線比較飽滿，與實腹構(gòu)件類似。反映出圓形孔試件受力性能比六邊形孔試件好，設(shè)置橫向加勁肋的補(bǔ)強(qiáng)蜂窩鋼柱塑性變形能力比較強(qiáng)，能較好的吸收地震能量，抗震性能良好。

3.3 骨架曲線

骨架曲線為滯回曲線上每一循環(huán)荷載極值點(diǎn)依次相連而獲得的包絡(luò)線，它可以反映構(gòu)件各個不同階段力與變形的關(guān)系以及剛度、延性、耗能等特性。對比圖10 中各構(gòu)件的荷載—位移骨架曲線，可以看出各蜂窩鋼柱構(gòu)件的骨架曲線發(fā)展形態(tài)比較相似，加載初期，構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，達(dá)到屈服荷載后，位移增加速率逐漸大于荷載的提高程度，曲線呈現(xiàn)出非線性形態(tài);在超過最大荷載之后，曲線下降平緩，且整條曲線沒有突變點(diǎn)，說明蜂窩鋼柱構(gòu)件塑性性能良好且破壞時表現(xiàn)出延性破壞的特征。FWZB-2 在加載前期性能接近于未補(bǔ)強(qiáng)的蜂窩鋼柱FWZ，但后期強(qiáng)度降低速度較慢，延性也更好，說明采用圓形孔并布置橫向加勁肋能在整體上改善蜂窩鋼柱的受力性能。FWZB-3 設(shè)置了三道加勁肋，其初始剛度最高，但由于該試件腹板開孔數(shù)最多，腹板有效面積小，因而剪力的承受能力弱，在加載超過最大荷載之后，強(qiáng)度降低速度最快，后期承載能力較差。

圖10 試件骨架曲線Fig.10 Skeleton curves

3.4 延性系數(shù)

延性是指構(gòu)件到達(dá)屈服點(diǎn)以后破壞之前的塑性變形能力，是抗震設(shè)計中的一項重要指標(biāo)，通常用延性系數(shù)μ 來表示。延性系數(shù)定義為構(gòu)件極限位移Δu與屈服位移Δy的比值，表達(dá)示為μ=Δu/Δy，其中屈服位移Δy由通用屈服彎矩法(幾何作圖法)在骨架曲線上確定。各試件的極限位移、屈服位移以及延性系數(shù)列于表4。

表4 中的數(shù)據(jù)顯示，延性系數(shù)在2.92 ～4.03 范圍之間，因而可認(rèn)為各試件的塑性性能良好，說明在地震作用下蜂窩鋼柱可以承受較大的塑性變形而不致倒塌破壞。圓形孔蜂窩鋼柱試件的延性系數(shù)略大于六邊形孔試件，可見圓孔蜂窩鋼柱延性性能更為良好。

表4 各試件延性系數(shù)Tab.4 Ductility factor of castellated columns

3.5 承載力分析

本試驗中實測構(gòu)件極限承載力、最大位移以及從骨架曲線中由通用屈服彎矩法得到的屈服荷載、屈服位移列于表5 之中，并以普通蜂窩鋼柱的各項指標(biāo)為一個單位，以便于對比分析。

由表5 對比分析可知，普通蜂窩鋼柱的承載力比原型鋼實腹柱提高了60.61%，有了明顯的大幅度提升，經(jīng)加勁肋補(bǔ)強(qiáng)后的蜂窩鋼柱承載力又有進(jìn)一步提高，設(shè)置橫向加勁肋可提高構(gòu)件承載力10%左右，且加勁肋的數(shù)目越多，構(gòu)件承載力提高程度越大，同時提高了構(gòu)件剛度，而圓孔試件與六邊形試件的承載力則相差不大，兩者的相差幅度為1.60%。

表5 試件承載力Tab.5 Bearing capacity of specimens

3.6 強(qiáng)度衰減分析

在循環(huán)荷載作用下，當(dāng)保持同一加載位移時，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力隨著循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸降低的現(xiàn)象叫做強(qiáng)度衰減。強(qiáng)度衰減率越大，表明構(gòu)件在加載過程中累積的損傷越多，抵抗后續(xù)荷載的能力越弱。構(gòu)件的強(qiáng)度衰減程度通常用承載力降低系數(shù)λ 衡量，λ 按公式計算［其中，λij為第i 位移加載級，第j(j=2，3)次循環(huán)的承載力降低系數(shù);為第i 位移加載級，第j 次循環(huán)的最大荷載;為第i 位移加載級，第j-1 次循環(huán)的最大荷載］。圖11 為各試件的強(qiáng)度衰減變化情況，各構(gòu)件同一循環(huán)正負(fù)向的承載力平均降低系數(shù)列于表6。

圖11 試件的強(qiáng)度衰減Fig.11 Strength degradation of specimens

表6 試件的承載力降低系數(shù)Tab.6 Bearing capacity reduction factor of castellated columns

由圖11 及表6 可以看出，在位移控制加載前期承載力衰減較少，構(gòu)件保持較好的承載能力。蜂窩鋼柱由于腹板開孔形成受力薄弱區(qū)域，構(gòu)件容易形成累積損傷，從第4 倍加載位移開始，承載力開始加速衰減，且同一孔型開孔數(shù)越多衰減越快，六邊形孔衰減比圓形孔嚴(yán)重，而原型鋼實腹柱構(gòu)件的承載力衰減幅度則相對較小。

3.7 剛度退化分析

剛度退化是結(jié)構(gòu)抗震性能的一項重要指標(biāo)，是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度隨著加載位移的增加而逐漸減小的現(xiàn)象，它反映了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在加載過程中的累積損傷。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度退化常借助割線剛度來描述，其計算式為(式中:Kij為第i 加載級的第j 次循環(huán)的割線剛度;+Qij、-Qij分別為第i 加載級的第j 次循環(huán)的正負(fù)峰值荷載;+Δij、-Δij分別為與+Qij、-Qij對應(yīng)的變形值)。圖12 為試件在各奇數(shù)級的割線剛度變化情況，選取本試驗各構(gòu)件奇數(shù)加載級的割線剛度列于表7。

圖12 試件的剛度退化Fig.12 Stiffness degradation of specimens

表7 蜂窩鋼柱各階段割線剛度Tab.7 Each stage's secant stiffness of specimens

由圖12 及表7 可知，蜂窩鋼柱加載初期剛度大于原型鋼實腹柱，在加載過程中二者剛度逐漸接近，加載末期則相差不大。同一孔型蜂窩鋼柱開孔數(shù)及加勁肋越多的構(gòu)件初期剛度較大，但在加載過程中剛度退化較明顯，加載末期同一循環(huán)之中開孔數(shù)少的構(gòu)件剛度更大。圓形孔構(gòu)件FWZB-2 加勁肋配置數(shù)目與六邊形孔FWZB-1 相同，且腹板開孔率較小，但剛度卻較低，說明FWZB-2 將橫向加勁肋集中設(shè)置在柱的中下部不如上下對稱布置合理。

綜合以上分析可知:將實腹型鋼柱擴(kuò)張后形成蜂窩型鋼柱可以有效地提升其抗震承載能力，并且具有良好的變形性能，但是由于蜂窩型鋼在腹板孔洞位置處存在截面削弱現(xiàn)象，因而其強(qiáng)度和剛度退化要略大于原實腹型鋼，但是通過合理地設(shè)置橫向加勁肋，可以彌補(bǔ)這一缺陷，這一結(jié)論與相關(guān)研究［13-17］結(jié)論相吻合。由此可知，通過設(shè)置合理的構(gòu)造措施，蜂窩型鋼柱可以推廣應(yīng)用于實際工程之中。

4 結(jié) 論

通過對5 根鋼柱進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗，將補(bǔ)強(qiáng)后蜂窩鋼柱與普通蜂窩鋼柱及原型鋼實腹柱進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論:

①擴(kuò)張后的蜂窩鋼柱的承載力比原型鋼實腹柱提高了60.61%，其承載力有了明顯的提升，但由于腹板處存在截面削弱，對其耗能能力有一定影響。

②蜂窩鋼柱破壞時的延性在2.92 ～4.03 之間，表現(xiàn)出了良好的變形性能，說明試件在水平低周反復(fù)荷載作用下具有良好的塑性性能，且破壞時表現(xiàn)出延性破壞的特征。

③通過合理設(shè)置橫向加勁肋，可以有效地提高蜂窩鋼柱的承載力、剛度及耗能能力，并防止柱腹板的局部屈曲。

⑤蜂窩鋼柱試件由于在腹板上開孔形成受力薄弱區(qū)域，容易造成累積損傷，強(qiáng)度和剛度退化的幅度略比原型鋼實腹柱大。

［1］ 羅烈，羅曉霖.蜂窩梁設(shè)計規(guī)范的比較研究［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005，7(2):43-47.

［2］ 蘇益聲，余興國，劉峰，等.兩種孔型蜂窩鋼柱承載力研究分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，34(3):277-282.

［3］ ELLOBODY E.Interaction of buckling modes in castellated steel beams［J］.Journal of Constructional Steel Research，2011，67(5):814-825.

［4］ SOLTANI M R，BOUCHAIER A，Mimoune M.Nonlinear FE analysis of the ultimate behavior of steel castellated beams［J］.Journal of Construction Steel Research，2012，70(3):101-114.

［5］ 蘇益聲，肖祖霖，孟二從，等.鋼-混凝土蜂窩組合梁承載力試驗研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，39(1):1-6.

［6］ 曹宇翔，馬寧，馮樹國，等.考慮側(cè)向支撐剛度影響的蜂窩鋼梁臨界彎矩計算研究［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2013，15(4):24-27，46.

［7］ 蘇益聲，鄒錦華，張喜德.圓形孔蜂窩鋼梁試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2006，36(8):28-30.

［8］ 王旭東，王培軍.蜂窩鋼梁孔間腹板屈曲性能研究進(jìn)展［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2014，16(6):1-13.

［9］ EL-SAWY K，SWEEDAN A，MARTINI M.Major-axis elastic buckling of axially loaded castellated steel columns［J］.Thin-Walled Structures，2009，47(11):1295-1304.

［10］劉芬，袁曉文.六邊形孔壓彎蜂窩鋼柱承載力研究［J］.河北工業(yè)科技，2012，29(6):385-387，397.

［11］賈連光，耿琳，尹曉東，等.蜂窩式壓彎構(gòu)件彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定承載力計算的試驗驗證［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，25(1):61-65.

［12］賈連光，孫曉程，李源君.軸心受壓蜂窩構(gòu)件腹板局部穩(wěn)定設(shè)計方法［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，28(4):640-644.

［13］楊應(yīng)華，王燕.軸心受壓蜂窩鋼柱的穩(wěn)定性能分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2013，29(5):52-58.

［14］蘇益聲，凌湘，伍依祿，等.蜂窩輕鋼門式剛架受力性能研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，36(1):21-25.

［15］張雯，蘇益聲，皮云東，等.蜂窩輕鋼門式剛架靜力性能試驗研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，38(4):801-809.

［16］蘇益聲，鄭述芳，李啟良，等.蜂窩輕鋼門式剛架抗震性能試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(12):74-79.

［17］鄭述芳，蘇益聲，張雯，等.蜂窩輕鋼門式剛架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(12):80-84.