预应力自复位结构的残余变形小,可实现震后结构功能的迅速恢复,代表可持续发展工程抗震的研究方向 ^[1,2]。自复位结构优越的抗震性能也引起国内外学者越来越多的关注 ^[3,4],成为目前研究的热点。笔者提出基于角钢-高强螺栓连接的自复位框架结构体系(简称PTED框架结构) ^[5,6]。角钢不但提供了结构梁端的部分受弯、受剪承载力,更为重要的是可以通过角钢的屈服及弹塑性变形增大结构的耗能能力。因此角钢的受力性能对预制装配结构的抗震性能有着重要的影响 ^[7,8]。为了解角钢的受力性能,通过角钢低周反复荷载试验及单调加载试验,对角钢的变形能力、滞回曲线、残余变形、耗能能力、刚度退化及强度等抗震性能进行较系统的研究。

　　 根据PTED节点常用角钢规格,试验角钢分别选用L180×12,L160×10,钢材强度为Q235,连接螺栓采用公称直径为22mm的10.9级高强螺栓。试件参数见表1,截面尺寸见图1。角钢与柱连接的螺栓孔洞的位置对角钢的受力性能有较大的影响,而角钢与梁连接的螺栓孔洞的位置对角钢的受力性能基本无影响。因此保持角钢与梁连接的螺栓孔洞位置不变。

　　 材料性能试验钢材与角钢试件同时切割而成,取样尺寸根据《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)要求而定,在材料试验机上进行拉伸试验,其力学性能见表2,其中f_y为屈服强度,f_u为极限强度。角钢的材性试验曲线见图2。

　　 试验在液压伺服系统试验机上完成,加载装置示意图见图3,角钢加载装置见图4。其中采用底座模拟柱,连接板模拟梁,为避免角钢失稳,采用两片角钢与连接板背靠背连接。连接板分为上段、下段以及盖板三部分,为实现液压伺服系统作动头与力传感器的连接,加工了一个上部为方钢板、下部焊接圆钢的连接件。力传感器与连接板仍是通过在方钢板上部焊接一个带螺纹圆钢的连接件相连。连接板上段可与传感器连接,连接板下段与试验角钢相连。连接板下段与试验角钢以及连接板与盖板、试验角钢与底座均通过公称直径为22mm的10.9级高强螺栓连接。

　　 在角钢可能出现塑性铰的位置粘贴了应变片,应变片布置见图5。电子应变片读数由东华DH3816型号静态数据采集仪自动采集。

　　 角钢的试验现象基本相同,以试件A01为例进行说明。加载前,试件安装完毕,角钢水平肢通过摩擦型高强螺栓连接,与底座紧贴;竖肢同样与连接板紧贴。随着角钢位移的增大,角钢水平肢螺栓边缘至竖肢边缘与底座逐渐脱开,产生缝隙;加载过程中,连接竖肢未与连接板产生相对滑移。角钢的变形见图6(a)。卸载后,角钢产生残余变形,见图6(b)。角钢屈服呈三塑性铰模式,两塑性铰分别出现在角钢两肢倒角边缘处,另一塑性铰出现在角钢柱肢连接螺母内侧。加载到最后,各试件均未破坏,表明各试件具有良好的变形能力。试验结束后,拆卸角钢,水平肢出现明显残余变形,竖肢无明显变化,见图7。

　　 各试件的荷载-位移曲线如图8所示,其中位移采用左右两个角钢位移的平均值。以试件A01为例,说明耗能角钢的滞回特性。加载初期,试件荷载-位移曲线呈直线;随着位移的增大,滞回曲线逐渐饱满,每个加载步的残余变形不断累积、刚度不断下降;每个滞回环由受拉部分和受压部分组成,受拉段较饱满,耗能明显。

　　 对比试件A01,A02,A06的滞回曲线,发现l_a增大会显著提高角钢的承载力,三个试件均具有较饱满的滞回曲线。对比试件A03,A04,A05,A06,A07的滞回曲线,发现l_g增大,角钢的承载力降低。各试件在加载后期,骨架曲线出现上翘的现象,即刚度出现明显增大,可能是因为钢材进入强化阶段。对比试件A06与试件A09的滞回曲线,发现t_a对角钢承载力影响显著,且随着角钢厚度t_a的增大,其耗能能力增强,滞回曲线更加饱满。

　　 试件A11,A12的角钢规格参数分别与试件A06,A10相同,对试件A11,A12单独做了单向加载试验,结果见图9。由图9知,单调加载得到的荷载-位移曲线与拟静力试验所得的骨架曲线基本重合。

　　 各试件的骨架曲线见图10,各试件的屈服荷载、加载到的最大荷载及对应的变形见表3,其中F_y,Δ_y为角钢屈服时的荷载及变形,F_m,Δ_m为角钢加载达到的最大荷载及变形。由图10及表3可知,各试件的承载力随着t_a,l_a的变大以及l_g的减小而提高。各试件的弹性刚度及屈服后刚度均随着t_a,l_a的变大以及l_g的减小而增大。加载后期,角钢刚度逐渐衰减,但具有稳定的屈服后刚度,有利于减小震后结构的残余变形和提升结构的抗震能力。

　　 各试件的延性除A03外,均达到4.77以上(加载到最大位移时各试件均未破坏),表明角钢具有良好的变形能力。

　　 预应力自复位混凝土结构以角钢作为耗能元件来提高节点的耗能能力。角钢除满足承载力及刚度要求以外,更重要的是具有较好的耗能能力。试件的耗能能力,以荷载-位移曲线所包围的面积来衡量。图11为各试件能量耗散能力随位移的曲线图。由图11可知,随着l_a,t_a的增大、l_g的减小,试件的耗能能力有明显的提高。

　　 各试件应变情况大体相同。图12给出了试件A06的应变-位移曲线,其中,应变片2在加载位移3mm时损坏,应变片1,3的应变值均相对较小。可见在加载过程,角钢水平肢靠近转角处变形较大。

　　 图13为各试件的残余变形与加载位移的关系。由图13可知,加载初期,试件处于弹性状态,残余变形较小,随着加载位移的增大,角钢屈服后,残余变形迅速增大,残余变形与加载位移的曲线可简化为两折线。参数的变化对残余变形没有明显的影响,各试件的残余变形-加载位移曲线基本重合。

　　 对角钢的受力性能进行了系统的试验研究,共完成10组角钢的拟静力试验及2组角钢的单调加载试验。对试件的滞回曲线、骨架曲线、位移延性、耗能能力、残余变形等抗震性能进行了分析,得出以下结论:

　　 (1) 各试件的骨架曲线受角钢厚度t_a、角钢长度l_a和螺栓位置l_g等因素影响。试件的承载力随着t_a和l_a的变大以及l_g的减小而提高。

　　 (2) 角钢具有良好的耗能能力。角钢耗散能量的大小受角钢厚度t_a、角钢长度l_a和螺栓位置l_g等因素影响。试件的耗散能量大小随着t_a和l_a的变大以及l_g的减小而提高。

　　 (3) 加载初期,试件处于弹性状态,残余变形较小,角钢屈服后,残余变形迅速增大,残余变形与加载位移的关系曲线可简化为两折线。角钢的设计参数如角钢厚度t_a、角钢长度l_a和角钢的螺栓位置l_g等因素对残余变形没有明显的影响。