有屈曲约束支撑的钢管混凝土框架剪力墙结构的抗震性能实验研究

有屈曲约束支撑的钢管混凝土框架剪力墙结构的抗震性能
实验研究
Fengming Ren,1Yun Zhou1*,†, Guangming Chen2 and Jianwei Liang
2
1土木工程学院，广州大学，广州，中国
2土木与交通工程学院，广东工业大学，广州，中国
摘要
在本研究中设计了三个换算因数为1:4的钢管混凝土框架剪力墙样本并且进行了实验，其中两个安装了三重钢管屈曲约束支撑。

实验的评定方式是在低调反复水平荷载和最顶层柱和剪力墙上作用的恒定轴向压力的作用下来测定样本的抗震性能。

结构的反应例如破坏特征、滞回行为、骨架弯曲、强度下降、刚度降低、耗能能力和不同荷载作用下三个样本的应变的应变会被记录下来并详细分析。

结果表明，由于屈曲束支撑的耗能能力，钢管混凝土框架剪力墙的承载力、变形能力和耗能能力都有了显著的提高，强度和刚度的降低也得到了明显的改善。

另外结果表明，有屈曲约束支撑的钢管混凝土框架剪力墙结构有更好的力学性能并且破坏模式更加合理。

经证实，屈曲约束支撑可以用来改善钢管混凝土框架剪力墙结构的抗震性能。

关键词：钢管混凝土框架剪力墙结构；屈曲约束支撑；抗震性能；实验
1、介绍
近几年，由于钢管混凝土框架剪力墙结构的水平承载力高，刚度高，建设速度快并且整体利益比较好，这种结构在中国地震地区的高层混合结构已经被广泛的使用。

至今为止，许多关于光管混凝土结构的研究都注重于钢管混凝土的构件和连接的性能，并且在数值分析和实验方面都有研究。

比如，为了计算圆形钢管混凝土，他们制作了一个硬塑料梁来进行复合材料抗震系统的非线性静态和动态分析Denavit 和 Hajjar（Denavit和Hajjar，2012）。

Nie研究团队提出了用钢筋混凝土梁和钢管混凝土组合柱节点这种新的连接系统（Bai et al., 2008; Nie et al., 2008）；实验结果和数值仿真表明，有效的约束可以通过加强圈实现，这样轴向承载力会非常出色。

Cao的团队研究分析了钢板钢筋混凝土组合剪力墙矩形钢管混凝土框架柱结构(Zhang et al., 2012)。

Astaneh和 Zhao研究了钢
管混凝土框架钢板剪力墙结构的抗震性能(Astanch-Ash and Qiuhong, 2002)；结果表明，样本有很好的延展性和耗能能力，并且在剪力墙破坏后，钢管混凝土柱仍然有承载能力。

Han 的研究团队做了不同高宽比的剪力墙以及不同轴向压力作用下钢管混凝土柱钢筋混凝土剪力墙结构的抗震表现的研究实验(Liao et al., 2009)，在那之后他们又做了两个30层的钢管混凝土框架钢筋混凝土剪力墙结构的振动台实验(Han et al., 2009).
钢管混凝土框架有很高的竖向荷载承载力，但是它的侧向刚度很低；另一方面，剪力墙的侧向刚度很高但是竖向承载力很低。

在大多数情况，这两种结构可以一起工作使结构的性能更加均衡。

在塑性阶段，由于两种结构刚度退化的成都不一样，柱子和剪力墙的抗侧力的比率一直在变化，所以这种结构的实用性受到了影响，因此，钢管混凝土框架钢筋混凝土剪力墙两种结构的混合产生的影响也是一个值得我们探索的问题。

在工程实例中，钢支撑通常用来增加框架的侧向刚度，但是钢构件的支撑系统在地震作用下会失稳、压弯。

有人提出了使用耗能装置来提高结构的性能。

在小震作用下，耗能装置可以提高结构的刚度和承载能力，在打针作用下它可以消散地震能量，提高结构的抗震性能。

Lu 的研究团队做了有粘性阻尼器的钢管混凝土框架结构振动台实验(Lu et al., 2006)，并研究了结构的动态特点和地震反应，他们的实验表明，部分地震能量被阻尼器吸收了。

Ren参考工程实例，做了有阻尼器的钢管混凝土框架剪力墙结构振动台实验(Ren et al., 2011);结果表明，由于阻尼器的有力作用，结构的抗震性能有所提高。

最近，作者的研究团队做了有耗能装置（也就是三重钢管屈曲约束支撑）的钢管混凝土框架结构实验; (Ren et al., 2013),结果表明，由于三重钢管屈曲约束支撑的有利作用，结构的抗震性能有明显的提高，这表明耗能装置的有利作用是很明显的；所以，在一个更加复杂的结构系统（例如钢管混凝土剪力墙结构）使用耗能装置是可行的。

这篇论文提出了关于有屈曲约束支撑的钢管混凝土剪力墙结构的抗震性能实验研究。

这项研究比三重钢管屈曲约束支撑钢管混凝土框架结构研究(Ren et al., 2013)更进一步。

现在，我们建了三个缩放比例1:4的模型，其中两个安装了三重钢管屈曲约束支撑。

我们对着三个样本进行了低调反复水平荷载与恒定轴压同时作用的实验。

在下文中，首先会提出实验方案，之后是每个样本破坏过程的实验观察和实验结果分析。

最终的结论在本文的最后进行了总结。

2、实验方案
2.1. 样本设计
如上文所述，我们设计并准备了三个模型，一个是没有阻尼器的钢管混凝土
框架剪力墙结构，两外两个模型安装了阻尼器，把他们分别编号为CFST-W, CFST-W-D-1 和 CFST-W-D-2 (W: 剪力墙;D:阻尼器)。

由于实验机器的荷载限制，实验模型按与原型结构1:4的比例缩小。

为了进行对照，三个模型的结构构件的规格（梁，柱和剪力墙），材料性能，柱的轴向压力比率，还有套箍系数都要相同。

连梁、柱和屈曲约束支撑都严格的按照中国的规范(GB50011-2010,SG610-2-2009)来设计。

水平钢梁安装在剪力墙的顶端，以保证框架和剪力墙的有效连接。

三个样本的详细参数和尺寸列在了图1和表1（KZ:钢管混凝土柱, B:钢梁; W: 剪力墙; n0: 柱的轴压比率; n1: 剪力墙的轴压比率; α:钢筋百分比; ζ :约束系数）
CFST-W-D-1 和 CFST-W-D-2的详细结构和屈曲约束支撑尺寸如图2.
图1 有屈曲约束支撑的样本正面图
表1 样本参数表
（a）屈曲约束支撑尺寸（mm）
（b）芯钢管尺寸（mm）
图2 三重钢管屈曲约束支撑
2.2. 材料属性
混凝土的混合比例如下：水泥：水：砂：细骨料：混凝剂=81.4:41.4:141:222.2:1.482（kg/m³）材料比例的得到是在拟静力试验前通过对正方体试块(150mm× 150mm× 150 mm)和圆柱体试块(H = 300 mm,D = 150mm)进行试验得到的，结果表示在表2。

钢构件属性如表3所示，其中RG表示屈曲约束支撑中的钢芯管用钢，B表示钢梁用钢，C表示钢管混凝土柱的钢。

表2. 混凝土材料的属性
表3. 钢材的属性
2.3. 实验装备
三个样本都经过大型拟静态实验装置测试（MTS公司制造），这个设备的液压装置可以提供最大1000KN的力和最大±250mm的冲击。

水平梁的中线线上通过液压装置施加横向荷载，液压装置的另一头安装在反力墙上，另一端通过连接板和样本连接。

同时，液压千斤顶对柱施加500KN的竖向荷载。

剪力墙的上面加有分布梁，千斤顶加在分布梁上来使剪力墙收到垂直均匀分布荷载。

压力传感器加在液压千斤顶和钢管混凝土柱之间以及液压千斤顶和剪力墙之间检测垂直荷载值来保证实验时轴压比恒定。

在液压千斤顶和反力框架之间加有滚动支座，以在轴向恒压和侧向周期荷载作用下达到需要的侧向位移。

另外设计了横向支撑装置来应对样品在实验过程中出现计划之外的失稳。

样品通过螺栓锚固在刚性地面上，形成刚性基础。

与基础连接处装有液压千斤顶来修正水平的偏移，来防止在横向荷载作用下结构的倾斜和滑移。

实验的装备详图如图3（a,b）
(a)示意图
（b）设备照片
图3. 实验装置2.4. 数据测量（略）
2.5. 荷载时间关系（略）
3. 实验观测（略）
4.结果分析讨论（略）
5. 总结
从实验数据中可以看到有或者没有屈曲约束支撑的钢管混凝土框架剪力墙结构的实验结果，通过本文的分析与讨论可以得到以下结论：
（1）通过安装屈曲约束支撑，钢管混凝土框架剪力墙结构的力学性能和破坏模式有所改变，同时，塑性铰的发展变慢，并且塑性铰出现的顺序有所改变。

（2）有屈曲约束支撑的钢管混凝土框架剪力墙结构强度和刚度的退化减慢，并且屈服荷载、极限荷载和能量吸收能力提高。

（3）屈曲约束支撑提高了钢管混凝土框架剪力墙结构的抗震能力和防护等级。

后记（略）
参考文献（略）
作者介绍（略）。