冷彎薄壁C型鋼框架斜節(jié)點抗震性能試驗研究

程建偉 （宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑藝術(shù)系，安徽 宣城242000）

冷彎薄壁C型鋼具有高強、重量輕、構(gòu)件工廠化程度高、施工方便、勞動強度低、可再利用等優(yōu)點［1］。在國內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用。特別是抗震性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)整體抗倒塌能力強，同我國古代木結(jié)構(gòu)體系相似，其優(yōu)良的抗震性能，必將成為未來低層住宅及工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展支柱［2］，具有廣闊的發(fā)展前景。冷彎C鋼框架節(jié)點是冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系傳力的核心區(qū)域，是這種結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分。目前，我國對這類結(jié)構(gòu)體系斜節(jié)點抗震性的研究還不夠充分。筆者設(shè)計了6個梁、柱斜節(jié)點，進行了擬靜力試驗來研究斜節(jié)點連接組件板域的應(yīng)變分布、螺栓間距、節(jié)點板厚度對節(jié)點受力性能的影響。同時，研究了構(gòu)造對斜節(jié)點承載力、剛度退化、延性及耗能性能的影響。得出了相關(guān)的結(jié)論，對該類結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工具有一定的參考價值。

1 冷彎薄壁C型鋼框架斜節(jié)點試驗

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

研究各組件板域的應(yīng)變分布、節(jié)點板板厚、螺栓間距等因素對節(jié)點區(qū)域受力性能的影響，獲得節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線；研究該類節(jié)點的破壞機理、剛度退化、承載力退化、延性及耗能性能。

圖1 試件設(shè)計圖

1.2 試驗方案

試驗制作6組C型鋼梁柱斜節(jié)點，斜節(jié)點通過2塊C型鋼背靠背中間夾有鋼板制成，采用高強螺栓連接。C型鋼截面尺寸為C160×60×20×2.0，卷邊半徑為6mm；節(jié)點板為熱軋曲線多邊形鋼板，上邊界與梁上翼緣齊平，梁下加腋；采用8.8級?16高強螺栓，簡圖如圖1所示。

6組試件全部在工廠加工制作完成后，運輸?shù)綄嶒炇疫M行組裝，確保構(gòu)件加工質(zhì)量達到設(shè)計要求。同時，為保證柱構(gòu)件在平面內(nèi)外的抗彎剛度，柱端用鋼板焊死方式處理。

1.3 試驗試件

試驗各試件參數(shù)見表1所示。

表1 試件參數(shù)

1.4 加載裝置

試驗采用主要設(shè)備：30T推拉千斤頂1臺，油泵1臺。反力裝置采用：試件壓梁1個，水平限位梁2個，限位軌道梁2根，高強混凝土試塊 （C60）2個，支撐架1個。試驗裝置布置如圖2所示。千斤頂兩端在反力墻與試件梁端的加載鉸上，柱端固定地面，由水平限位梁限制水平位移及轉(zhuǎn)角。高強混凝土試塊作為構(gòu)件豎向支撐。試件梁的上部設(shè)置2根限位軌道梁，保證試件平面內(nèi)受荷，避免試件平面外產(chǎn)生過大位移，導(dǎo)致試驗失敗。

圖2 試驗裝置

1.5 加載制度

據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》［3］的要求，試驗前預(yù)加載2次，確保試驗各部件協(xié)調(diào)工作。試驗加載制度采用：力－位移混合控制。首先采用力控制，加載步長取2.5kN，逐級遞增循環(huán)，試件屈服后改用位移控制，分級加載步長取9mm，每級循環(huán)3次。試驗荷載值降到極限荷載的一半以下終止。

2 試件破壞現(xiàn)象及試驗結(jié)果分析

2.1 試件破壞現(xiàn)象

6組試件從初始加載到達到極限荷載其破壞形變相似。千斤頂在梁端往復(fù)移動當中，6組試件除節(jié)點板產(chǎn)生形變外，其他部位均為發(fā)生明顯形變。當試驗加載到13kN左右，B－B截面 （見圖1）附近節(jié)點板出現(xiàn)測點屈服，隨后節(jié)點板產(chǎn)生形變。加載達極限值約80%，節(jié)點板向外的鼓曲變形增大，在A－A截面（見圖1）附近的翼緣出現(xiàn)屈曲，相關(guān)測點均屈服。繼續(xù)增大位移后，節(jié)點板發(fā)生平面外的彎曲扭轉(zhuǎn)，試件B160－6，B200－6與B240－6三個試件節(jié)點板較厚，承載能力好于B160－4，B200－4與B240－4試件。各試件破壞形式見圖3所示。

圖3 各試件的試驗現(xiàn)象

2.2 試驗結(jié)果分析

據(jù)采集的數(shù)據(jù)可獲得試件的梁端荷載－梁端位移 （P－Δ）滯回曲線。

1）滯回曲線 滯回曲線［4］能夠反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)作用力過程中的位移荷載曲線變形特征、剛度退化及變形能量消耗，它是確定恢復(fù)力模型和進行非線性地震反應(yīng)分析的依據(jù)。

從圖4試件的滯回曲線知，4個試件的滯回曲線均呈典型的梭形，滯回環(huán)形狀飽滿，反映試件彈塑性位移大，塑性變形能力好，抗震性能強。

2）骨架曲線 骨架曲線［5］是在研究非彈性地震反應(yīng)時是很重要的，它是每次循環(huán)的 滯回曲線達到最大峰點的跡線，在任一時刻的運動中，峰點不能超過骨架曲線。連接滯回曲線各加載級第一次循環(huán)的峰點可以得到試件的骨架曲線。試件骨架曲線對比圖如圖5所示。

從圖5可以看出，在低周反復(fù)荷載作用下，試件都經(jīng)歷了彈性極限點、最大荷載點。試件在推力過程和拉力過程有所不同。彈性極限點前，試件的骨架曲線基本為一直線，變形基本上呈現(xiàn)彈性；進一步加載，骨架曲線開始彎曲，位移開始沿著骨架曲線的第二段增加，荷載增長滯后于變形，試件剛度降低，隨位移增加，直至達到最大荷載點。變形增長速度明顯大于荷載遞減速度。在試驗現(xiàn)場過程中即時記錄數(shù)據(jù)，得到試件屈服荷載 （Py）及位移（Δy），極限荷載（Pu）及位移（Δu）、最大荷載（Pmax）及位移（Δmax），參見表2所示。

圖4 各試件的滯回曲線圖

圖5 試件骨架曲線對比圖

3 抗震性能研究

3.1 延性

延性［3］是指截面或構(gòu)件在承載能力沒有顯著下降的情況下承受變形的能力，其含義是構(gòu)件破壞以前截面或構(gòu)件能夠承受最大的塑性變形。節(jié)點延性的好壞可以用延性系數(shù)來表示，文獻 ［3］規(guī)定延性系數(shù)μ為：

式中，Δu為構(gòu)件的承載能力下降到85%極限承載能力時的極限位移，mm；Δy為屈服位移，mm。

表2 骨架曲線計算結(jié)果

從表2可以看出，試件的延性系數(shù)在2.7～5.5之間，雖然大于混凝土結(jié)構(gòu)所要求的延性系數(shù)2.0，但同其他輕鋼結(jié)構(gòu)端板連接節(jié)點、冷彎型鋼雙腹板上下角鋼連接節(jié)點［5］及鋼管混凝土梁柱節(jié)點［6］相比，主要體現(xiàn)在推力加載過程中延性不足，各試件在推力的過程中的延性系數(shù) 要比拉力的過程略低，在拉力加載過程當中延性表現(xiàn)良好。

3.2 承載力退化

根據(jù)文獻 ［3］的定義要求，用承載力降低系數(shù)表示試件的承載力退化：

從表3可以看出，各試件承載力退化系數(shù)在0.89～0.99之間，平均在0.96左右，承載力退化穩(wěn)定，說明加載循環(huán)次數(shù)對試件承載力影響不大。

表3 試件循環(huán)加載承載力退化系數(shù)表

3.3 剛度退化

依據(jù)文獻 ［3］，采用割線剛度法研究試件的剛度退化。割線剛度Ki按式（3）計算：

式中，F(xiàn)i為第i次峰點荷載值，kN；Xi為第i次峰點位移值，mm。試件剛度退化對比如圖6所示。

從圖6可以看出，所有試件在每一級循環(huán)加載后，都有較大剛度退化。在每一級3次循環(huán)加載中試件剛度也發(fā)生了退化，退化速度趨于均勻平緩。通過分析可知，當螺栓無滑移時，節(jié)點的剛度主要由墊板厚度和螺栓間距來決定。墊板厚度越大，剛度退化的幅度越均勻；當螺栓產(chǎn)生滑移時，會導(dǎo)致節(jié)點板剛度退化明顯。

圖6 各試件節(jié)點剛度退化圖

3.4 耗能情況

依據(jù)文獻 ［3］，筆者采用等效粘滯阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E來衡量節(jié)點的能量耗散能力。耗能性能示意圖如圖7所示。等效粘滯阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E的公式如下：

4個試件等效粘滯阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E（這里只列出代表性數(shù)據(jù)）如表4所示。

圖7 能量耗散示意圖

表4 等效粘滯阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E表

從表4可知，隨著加載等級的提高，試件的能量耗散系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)隨之降低。試件的等效粘滯阻尼系數(shù)均在0.35～0.5之間，同其他輕型鋼結(jié)構(gòu)相比，耗能性能基本相當。

4 結(jié) 論

（1）高強螺栓連接的墊板式C型鋼節(jié)點平面內(nèi)有3種破壞形式：節(jié)點板抗彎承載力破壞、孔壁擠壓破壞、C型鋼抗彎承載力破壞。

（2）通過延性系數(shù)比較可知，C型鋼斜節(jié)點框架結(jié)構(gòu)延性高于一般混凝土結(jié)構(gòu)，延性同其他輕鋼結(jié)構(gòu)比較基本持平。

（3）C型鋼斜節(jié)點承載力退化穩(wěn)定，循環(huán)加載次數(shù)對試件承載力影響??；節(jié)點初始幾何缺陷對試件無影響。6組試件推力加載中的承載能力比拉力過程中的低。

（4）6組試件初始剛度退化都比較明顯，薄墊板試件剛度退化不明顯。6組試件在位移控制階段中，剛度退化均勻平緩。

（5）C型鋼斜節(jié)點等效粘滯阻尼系數(shù)he與能耗優(yōu)于其他輕鋼節(jié)點。

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［2］彭曉彤，林晨，滿杰 .輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系發(fā)展現(xiàn)狀 ［J］.四川建筑科學(xué)研究，2005（6）：18－21.

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