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建筑钢铁研究报告
本文实验研究了由混凝土填充的特殊形状柱组成的钢管框架（SCFST框架）在承受恒定的轴向载荷和周期性变化的弯曲载荷的性能。三个标本测试了两层和单跨，轴向压缩比和梁对柱刚度比对SCFST框架的性能（即刚度，强度，延展性和能量耗散）的影响被研究。研究了框架失效模型。这三个样本的滞后曲线形状平滑而饱满，骨架曲线均呈现缓慢下降的阶段，表现了合适的延展性和能量消耗能力。承载能力和刚度随轴向压缩比减小而减小，但能量耗能力和延性增加，刚度退化降低。承载能力和刚度随梁 - 柱刚度比的增加而减小，但能量耗散和变形能力增加。此外，进行了有限元分析以模拟SCFST帧的表现，测试结果符合有限元的结果分析。
1.介绍
过去几十年特殊形状的柱已经被广泛研究了，许多研究集中在经受双轴偏心载荷的混凝土特殊形状的柱静态特性的一些相关曲线。抗裂性和抗震性能力是特殊形状钢筋混凝土的关键问题，特殊形状的混凝土填充钢管（SCFST）柱最近因其高刚度，延展性和抗震性而引起了相当大的关注。许多类型的SCFST柱已被提出。 Shen et al研究了混凝土填充的L型钢管柱的抗震性能。 SCFST柱表现出有利的能量耗散和延展性，即使是经受高轴向载荷的柱。目前的研究实验研究了L型柱由混凝土填充钢管（CFST）框架结构组成，以确定其抗震性能。框架柱是由L形截面三个小型CFST柱组成。小型CFSTs被称为单柱。这些单柱与钢板称为连接板。 SCFST柱的施工如图1所示。单柱的尺寸小于墙壁厚度，所以SCFST柱可以并入墙壁，然后房间的内部空间被放大。另外，延展性CFST柱的抗震性能优于常用混凝土柱。陈提出这种新型的特殊形状柱节省室内空间，表现了优越的地震性能。这个轴向实验研究了特殊形状柱的荷载类型有双轴载荷和循环水平荷载;本实验使用有限元模型（FEM）分析测试结果并提出了一个简化的计算公式。该设计在以前的基础上提出了SCFST柱的方法学习。它已被用于许多建筑物，如200个两层住宅建筑物和一栋八层住宅楼宇，五层17层建筑物目前正在设计中。
然而，整个SCFST柱框架的地震性能没有经过实验研究。伪动态混合测试特性是结构最重要的机械特性之一。 它可以研究整个框架，柱，梁和接头的抗震性能。 他提出了一个关于用螺栓端板连接的CFST柱和钢梁组成的框架结构的抗震性能的实验研究。一个4/7尺度结构模型由两层和1/2层组成并使用伪动态混合测试方法进行模拟地震激发。 蔡进行了一系列全面的三层虚拟动态测试（PDT），使用混凝土填充管柱的三开间屈曲限制支撑框架（BRBF）。 仁等人 研究了三个缩放比例为1：4的CFST柱框架的地震特性。 Han 等人研究了单层和单跨的CFST柱框架的抗震性能，目前的研究调查了由L形柱组成的CFST框架的抗震性能。 在恒定轴向压缩和循环水平荷载下逐步增加横向变形测试三个框架， 将测试结果与那些有限元分析比较。
2.实验程序
2.1介绍
一个关于在轴向压缩和循环水平荷载下的由L形柱组成的CFST框架的三个标本进行评估的实验研究。实验标本是1/2个框架。样本Ⅰ和样本Ⅱ有不同的轴向压缩比（N0 / Nu），而样品I和样品III具有不同的梁到柱刚度比。测试的主要目标是研究SCFST框架变形过程和失效模型，检查测试参数对其特性的影响。根据试验结果，有限元模型建立了。
2.2标本
SCFST柱样品如图2所示，标本有两层和单层，它们是按照中国规范设计的。梁到柱的连接如图3所示。单柱由短钢板连接垂直的加强筋焊接到单柱和梁上加强节点刚度。框架的钢梁和连接通过螺栓连接在网上并焊接在凸缘上。该试验参数为轴向压缩比n和梁到柱刚度比k。计算轴向压缩比n使用方程式（1）和（2）。用公式（3）〜（5）计算刚度比k。表1提供了样本的总结。表2提供了用于这些实验标本钢和混凝土的材料特性。柱由冷弯钢管制成，而梁由热轧钢制成。连接板和肋板由4毫米厚的钢板制成，材料特性试验中使用的样品是从钢管和板上切割下来的。在混凝土材料试验中，三个尺寸为150毫米times;150毫米times;150毫米的混凝土长方体和三个尺寸为100mmtimes;100mmtimes;300mm的混凝土立方体在28天固化后轴向载荷下压制。所有的材料特征试验按照中国规范“金属材料室温拉伸试验”（GBT 228-2002）和“普通混凝土力学性能试验方法标准”（GB_T50081-2002）进行。
2.3测试步骤和程序
由CFST框架样本组成的L形柱的测试设置和仪器仪表布局如图4所示。标本固定在基座上并承受恒定的轴向载荷，在顶部承受周期性地变化的横向载荷。轴向载荷是通过轴向加载装置不断地施加保持，轴向加载装置是由1000 kN容量的空心液压千斤顶，反作用框架和几个滚筒组成。横向载荷通过在样品顶部由一个1000 kN容量双向液压千斤顶施加周期性的侧向位移施加的。应变计和应变环连接到节点，柱底部和连接板处研究应变分布。仪表安装完成后，将轴向压缩负载（即设计轴向载荷N0的20％）施加到顶部来检查测试装置和仪器。进行预加载10分钟后释放至零。轴向压缩N0的负荷随着10分钟的持续而逐渐变化，每个步骤如图5所示。施加到样品顶部的位移如图5所示变化。装载历程包括弹性和非弹性循环。进行弹性循环负载控制在0.3py，0.6py和1.0py的负载水平，其中py是表征横向屈服负荷能力。一个周期是0.3py和0.6py的每个横向负载水平的施加。采取的无弹性的水平是Delta;y，1.0Delta;y，2.0Delta;y，3.0Delta;y的侧向位移水平，和4Delta;y。在每个位移水平上施加三个周期。该测试直到横向负载阻力下降到样品最大测量的横向载荷能力的85％为完成。
3.测试结果
3.1变形和失效形式
三个标本的失效形式是熟悉的，其中包括五部分：梁端部屈曲或撕裂，梁翼缘焊缝断裂，柱底屈曲（包括靠近和远离千斤顶的柱），SCFST柱的倾斜和的钢梁的波形变形。失效形式如图6所示。这三个样本之间关于梁到柱的轴向压缩比n和刚度比k不同，变形严重程度是相对不同的。屈服变形是根据载荷 - 位移曲线确定的。在横向负载没有线性增加时，框架顶部的横向位移为被认为是屈服位移（Delta;y）。屈服位移的SJ-1和SJ-3均为20mm，而SJ-2为30mm。
塑料铰的分布如图1所示。红点代表在横向位移达到2Delta;y后，在第二层靠近装载侧的梁端产生第一个塑料铰。随着侧向位移的增加，一个塑料铰发生在远离加载的第二层梁端
侧和第一层梁端。蓝色点如图1所示表示第二个塑料铰。柱子上直至底部侧向位移达到3Delta;y出现塑料铰。绿点代表单柱底部的塑料铰。塑料铰在梁端早于柱底部发生。根据塑料铰的发生顺序，SCFST柱框架的柱比梁强，符合以抗震设计为原则的要求。横向位移达到4Delta;y后，变形框架更严重，几个梁翼缘及其焊缝破裂，柱屈曲也很严重。剩余横向力降至0 kN后框架变形仍然明显。随着横向增加移位，SJ-1和SJ-3在第五轮失败，而SJ-2在第四轮失败。
3.2迟滞曲线
循环载荷下的实验横向荷载 - 位移曲线，称为滞后曲线，是一个代表了结构的抗震性能重要因素。被曲线包围的区域表示结构能量耗散能力。样品的滞后曲线如图8所示图。这三个样品的曲线形状是平滑的，丰满的和梭形的，这表明它们具有更好的地震能力。
3.3能量耗散能力
能量耗散率E和等效粘滞阻尼比he 使用公式（6）和（7）计算，来评估标本的能量耗散能力准确性。 S（ABC CDA）是区域阴影和S（OBE ODF）是三角形OBE的面积和三角形ODF之和，如图9所示，此曲线是其中的一个循环滞后曲线。耗能比E和等效粘性阻尼比he，如表3所示。 图10显示了每个样品的he-Delta;/Delta;y曲线。轴向减小压缩比提高了能量消耗能力，而且能量耗散能力随着梁柱刚度比的增加而增加。
3.4滞后曲线包络
图11表示出了滞后曲线包络（即骨架曲线）。精确的屈服强度和极限强度列于表5。使用滞后曲线包络来确定刚度，延展性和承载能力。这三个标本所有骨架曲线有小小的下降阶段，代表合适的延展性。 SJ-1和SJ-2的比较表明SJ-1的极限拉力和极限推力（分别为141.87kN和-168.36kN）大于SJ-2（分别为134.09kN和-139.75kN）。但是，骨架SJ-1的曲线比SJ-2更陡，这意味着延展性增加随着轴向压缩比的降低。比较SJ-1和SJ-3之间表现出极限拉力和SJ-1的极限推力（即141.87 kN和-168.36 kN，分别大于SJ-3（115.12 kN和-102.48 kN），分别表示随着梁与柱刚度比的增加承载能力下降。两者最终的拉力位移和S-1的最终推动位移（即91.1和-90.7）分别与S-3（92.6，-92.6）几乎相同，表明梁 - 柱刚度比对延展性的影响小。
3.5延展性
使用公式（8）计算位移延性率mu;。[14]评估样品延展性的准确信息。假设观察到滞回曲线包络上没有明显的屈服点，则不能从上述曲线直接获得delta;u和delta;y。Delta;Y一般可以用两种方法确定信封曲线没有明显的屈服点，即一般屈服时刻和等效能量法[16]。前者展示在图 12，曲线的切线通过原点O和曲线的切线在峰值点G处。这两条线在点H处相交。通过点H的垂直线与曲线相交在点I。O和I点之间的线与通过峰点G的曲线的切线相交在点H。通过点H的垂直线与曲线相交在点B处，此点是近似的屈服点。后者如图12所示其中近似屈服点B是在阴影面积达到的（1）等于阴影（2）。。前一种方法已经广泛应用使用，所以本试验中选择一般屈服力矩法确定delta;y。delta;u是被设定取设计极限横向位移，这是相当于0.85 pmax的值（图13）。最终横向位移delta;u，产生的横向位移delta;y，和位移延性比mu;列在表4中，屈服强度和极限强度见表5（图14）。SJ-1和SJ-2的位移延性比几乎相等，而SJ-2的相对变形值远大于SJ-1，也意味着随着轴向压缩的减小变形能力增加。SJ-3的位移延性比远大于SJ-1的位移延性比，这表明延性随着梁柱刚度比的增加而增加，这种情况是由于更多的力传递给了更强的梁。
3.6强度和刚度退化
强度退化表明在同一横向位移下不同周期的强度降低。 强度退化的比值lambda;j 由公式（9）计算，用来研究强度退化。其中Fj i是横向位移下对于第i个循环的第j个样本的强度
，Fj i-1是第（i-1）个循环的横向位移下第j个样本的强度。图15显示不同周期的强度退化率。 强度退化率通常分布在1.1和0.9之间，这意味着每个样本在不同周期的退化相对很
不清楚的。刚度退化表明在同一横向位移下不同周期下刚度的下降。 表示刚度由公式(10)计算参数被研究。
Fi和Xi分别是第i个周期的强度和横向位移，。
图16中绘制了三个样品的刚度变化，该图显示，所有样品的刚度随载荷和位移的增加而减小，初期刚度急剧下降，后期刚度斜率下降。比较SJ-1和SJ-2的刚度水平显示当SJ-1的阴影刚度大于SJ-2的阴影刚度时，但SJ-1比SJ-2更锐利，实现近似屈服点B。随着轴向压缩比的增加，刚度增加，但是刚度退化变得更加明显。比较SJ-1与SJ-3的刚度水平
表明刚度比随着梁柱刚度的增加而减小。这种情况是由于梁到柱刚度比的增加，梁的横向作用力较大，柱受力较小。因此，相同的柱位移需要较大的横向力。SJ-1和SJ-3的曲线斜率之间的差异不是很明显，这表明梁到柱刚度比对刚度退化的影响很小。
3.7 应变分布
许多应变片和应结合到梁，柱底和节点，如图17所示。 应变环由0°，45°和90°的三个应变计组成，如图18所示。 主应力和主应变可以用公式 （11）和（12）计算。图19显示了不同周期下的最大梁应力，柱底和接头面积。 根据材料特征试验结果表明，钢梁，钢管的屈服应力，钢板约为300N / mm2。 钢梁的屈服应力比柱的屈服应力早，在接头钢试验中没有屈服。 框架设计符合原则“强柱和弱梁”和“强节点和弱构件（柱和梁）”。
4.有限元分析
进一步建立了有限元模型。 由于内部混凝土的非线性和混凝土与钢管之间的相互作用，SCFST柱的表现相对复杂。 在本研究中使用商业有限元软件ANSYS对样本进行建模和分析。
4.1 SCFST列建模
使用SHELL181元件模拟钢管，连接板和钢梁，并使用SOLID65元件模拟内混凝土。 钢和混凝土的应力 - 应变曲线由公式 （13）和（14）确定。 框架的网格生成如图20所示，它充分考虑了计算时间和准确性。 节点的三种平移自由度在柱底被约束。 通过实验在相同的轴向载荷下压制柱。将横向位移施加到柱顶。
4.2比较结果
通过有限元分析获得的样品的应力分布如图11所示。表示最大应力的红色区域出现在梁端和柱底，这与试样的一致。通过实验和有限元分析获得了歇斯底里曲线包络如图22所示。观察到试验结果与有限元法（FEM）之间的微小差异。通过试验获得的屈服位移略大于由FEM得到的屈服位移，因为测试装置和样品之间的小间隙被压实。从FEM获得的极限承载能力大于从试验得到的最大承载能力的原因如下
第一个原因是平面外的支架不够强大，限制了平面外位移，而有限元分析完全受到限制。
第二个原因是在钢管和内混凝土之间接触和滑动被忽略以节省计算时间。
5结论
实验研究了经受组合恒定轴向载荷和循环弯曲载荷的SCFST柱架的表现。研究了轴向压缩比和梁对柱刚度比的影响。 测试了三个SCFST柱样品。 将实验结果与有限元分析进行比较。
这些实验结果和比较如下所示：
（1）SCFST柱架的失效模式：屈曲或撕裂梁端，梁边缘的焊缝断裂，屈曲柱底（包括靠近和远离的列千斤顶），SCFST柱的倾斜和钢梁波形变形。塑料铰发生在梁端第二个循环和第三个循环的柱底部。
（2）这三个样本的滞后曲线形状是平滑和饱满的，骨架曲线都有轻微的下降阶段，这代表了合适的延展性和能量耗散能力。
（3）承载能力和刚度随着轴向压缩比的减小而减小。然而，能量耗散能力和延展性增加，而刚度退化降低。承载能力和刚度随着梁柱刚度比的
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