波紋腹板H型鋼主次梁鉸接節(jié)點受力性能

范 昕，李國強，周學(xué)軍，孫飛飛

（1.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.中國建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 101300；

3.同濟大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092；4.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南 250101）

近年來，波紋腹板H型鋼以其較高的抗剪屈曲能力和較好的經(jīng)濟性在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1－2］.國內(nèi)外對波紋腹板H型鋼構(gòu)件的力學(xué)性能已進行了較為深入的研究［3－4］，但對波紋腹板H型鋼梁連接節(jié)點的受力性能的研究還鮮見報道.連接節(jié)點的力學(xué)性能對于鋼結(jié)構(gòu)非常重要，直接影響鋼結(jié)構(gòu)整體的安全性、可靠性與經(jīng)濟性［5］.因此針對波紋腹板H型鋼這種新型構(gòu)件的連接節(jié)點進行受力性能研究十分必要.

本文對波紋腹板H型鋼主次梁鉸接節(jié)點進行了試驗研究，并將各截面的內(nèi)力分布試驗值與理論公式的計算結(jié)果進行對比，驗證了理論公式在計算各截面內(nèi)力分布時的可靠性.提出波紋腹板H型鋼主次梁鉸接節(jié)點各部件的實用設(shè)計公式，通過將節(jié)點各部件的設(shè)計承載力與試驗承載力的結(jié)果進行對比，驗證了波紋腹板H型鋼主次梁鉸接節(jié)點設(shè)計公式的安全性.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

根據(jù)次梁的抗剪承載力進行節(jié)點的設(shè)計［6］，設(shè)計相同的2個節(jié)點相互對照，主梁采用的波紋腹板H型鋼的型號為CWA800-300×10，即梁翼緣寬300 mm、厚10mm，梁腹板高800mm、厚2mm，次梁采用的波紋腹板H型鋼的型號為CWA400-200×10，即梁翼緣寬200mm、厚10mm，梁腹板高400mm、厚2mm.主次梁腹板均采用如圖1所示的波形.

圖1 波紋腹板H型鋼波形幾何參數(shù) （單位：mm）Fig.1 Geometric parameters of the H-shape web corrugation（unit：mm）

由于波紋腹板H型鋼腹板較薄且為波折形狀，故不能直接采用傳統(tǒng)的主次梁鉸接節(jié)點的構(gòu)造方法.本文參照傳統(tǒng)的H型鋼主次梁連接節(jié)點構(gòu)造，在波紋腹板H型鋼次梁端焊接端板，端板上焊接次梁連接板，借助高強螺栓和貼板將次梁連接板與主梁加勁肋連接，主次梁翼緣之間未作連接，從而實現(xiàn)主次梁的鉸接.節(jié)點的幾何尺寸如圖2所示.次梁翼緣與梁端板通過全熔透對接焊縫焊接，波紋腹板與次梁端板通過雙面角焊縫焊接，次梁連接板通過雙面角焊縫與梁端板焊接，主梁加勁肋和柱翼緣間也通過雙面角焊縫焊接，使用2片貼板將主梁加勁肋與次梁連接板通過10.9級M16高強螺栓連接.除高強螺栓外，所有鋼材均采用Q235B鋼.

圖2 節(jié)點幾何尺寸示意圖 （單位：mm）Fig.2 Dimension of the specimens（unit：mm）

1.2 材性試驗

拉伸試件為矩形試樣，按照《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》（GB／T2975—1998）［7］從同批鋼材中切取，然后根據(jù)《金屬拉伸試驗試樣》（GB6397—86）［8］的規(guī)定加工成材性試件，加載按照《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB／T228—2002）［9］的規(guī)定進行，測量了鋼材的材料性質(zhì)，包括屈服強度σy、抗拉強度σu和伸長率.材性試驗結(jié)果如表1所示.

表1 材性試驗結(jié)果Tab.1 Material test results

1.3 加載方案

試驗在同濟大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室的試驗臺座上進行.試驗裝置主要包括龍門架、液壓千斤頂、壓力傳感器、應(yīng)變及位移測量系統(tǒng)等.

試驗的加載裝置如圖3所示，通過兩端有錨桿的壓梁將主梁固定在試驗臺座上，以限制主梁梁端的豎向位移和扭轉(zhuǎn).通過固定在龍門架上的液壓千斤頂對次梁施加豎向荷載，從而在次梁中產(chǎn)生剪力.試驗現(xiàn)場布置如圖4所示.

圖3 試驗加載裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the test setup

試驗前根據(jù)《波紋腹板鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 291：2011）［10］對次梁按H型鋼梁的剪切屈曲承載力進行計算，將計算結(jié)果作為預(yù)估荷載.根據(jù)預(yù)估荷載制定加載制度為：預(yù)加載階段以10%預(yù)估荷載為一級，共加載三級；正式加載階段每10kN為一級，兩級之間連續(xù)加載；進入塑性后，連續(xù)加載至破壞.實際控制時根據(jù)測點反饋，對分級加載上限進行調(diào)整.

圖4 試驗安裝現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 Site of test setup

1.4 測點布置及測量內(nèi)容

測量裝置主要包括位移計和應(yīng)變片，用來測量節(jié)點的位移及構(gòu)件各截面的應(yīng)力分布狀況.試驗中監(jiān)測了加載點和支座處的位移，其中，位移計a，b，c分別測量加載點和支座的豎向位移，位移計d測量支座的水平位移.位移計的測點布置見圖5a；試驗中使用直角應(yīng)變花測量了試件各截面的應(yīng)變分布，應(yīng)變測點布置見圖5b.

圖5 測點布置圖（單位：mm）Fig.5 Arrangement of measuring points（unit：mm）

2 試驗結(jié)果及與設(shè)計公式的對比

2.1 試驗現(xiàn)象

2個節(jié)點的破壞模式均為波紋腹板H型鋼次梁腹板剪切屈曲.節(jié)點1的外加荷載達(dá)到270kN左右時，波紋腹板屈服；荷載達(dá)到326kN時，次梁的波紋腹板發(fā)生剪切屈曲，翼緣也有明顯變形，承載力下降至290kN左右；繼續(xù)緩慢加載，位移增長速度加快，當(dāng)位移達(dá)到65mm左右時，試件不能繼續(xù)承載，破壞狀態(tài)如圖6所示.節(jié)點2的外加荷載達(dá)到265kN左右時，波紋腹板屈服；荷載達(dá)到334kN時，次梁的波紋腹板發(fā)生剪切屈曲，翼緣也有明顯變形，承載力下降至300kN左右；繼續(xù)緩慢加載，位移增長速度加快，當(dāng)位移達(dá)到42mm左右時，試件不能繼續(xù)承載，破壞狀態(tài)如圖7所示.加載過程中除波紋腹板外2個節(jié)點均無肉眼可見的破壞，端板未觀察到肉眼可見的變形，梁連接板和2片貼板無肉眼可見的破壞，次梁的波紋腹板與端板間的雙面角焊縫無破壞.

圖6 節(jié)點1試驗照片F(xiàn)ig.6 Joint 1after loading test

圖7 節(jié)點2試驗照片F(xiàn)ig.7 Joint 2after loading test

2.2 荷載位移曲線與承載力

2個節(jié)點的荷載位移曲線如圖8所示，試件的屈服荷載、極限荷載和破壞位移如表2所示.由圖8可見，相對于節(jié)點2，節(jié)點1的延性較差，其原因可能是節(jié)點2次梁的波紋腹板加工時存在一定的初始缺陷.

表2 試驗結(jié)果Tab.2 Test results

2.3 各截面剪應(yīng)力分布

試驗中應(yīng)變測點均使用直角應(yīng)變花，每個測點得到ε0°，ε45°和ε90°3個應(yīng)變值，根據(jù)平面應(yīng)變狀態(tài)［11］分析，有

故剪應(yīng)變可通過測得的3個應(yīng)變值求得，進而得到各點的剪應(yīng)力實測值.

2.3.1 波紋腹板與端板間角焊縫鄰近截面剪應(yīng)力分布

圖9，10所示曲線為波紋腹板與端板間角焊縫鄰近截面的1，2，3號點的剪應(yīng)力在線性階段的分布情況.

圖9 節(jié)點1梁腹板剪應(yīng)力分布Fig.9 Shear stress contribution of the web of Joint 1

由圖9，10可見，2個節(jié)點的位于波紋腹板與端板間角焊縫鄰近截面的1號點、2號點、3號點剪應(yīng)變基本一致，這證明波紋腹板與端板間角焊縫鄰近截面的剪力沿截面均勻分布.

圖10 節(jié)點2梁腹板剪應(yīng)力分布Fig.10 Shear stress contribution of the web of Joint 2

計算3個測點的剪應(yīng)變平均值，可得截面的平均剪應(yīng)力.

波紋腹板H型鋼梁的截面剪力主要由波紋腹板承擔(dān)，且剪力沿波紋腹板近似均勻分布.則梁截面的剪應(yīng)力設(shè)計值為［2］

式中：V為次梁截面設(shè)計剪力；hw，tw分別為腹板的高度和厚度.

圖11，12分別為節(jié)點1，2的次梁腹板平均剪應(yīng)力的理論值與試驗值曲線.由圖11，12可見，在彈性階段，焊縫鄰近截面腹板的平均剪應(yīng)力試驗值與理論值很接近，最大相差約10%，因此可以認(rèn)為在波紋腹板鋼梁與端板的連接中，波紋腹板與端板連接的單面角焊縫承受全部剪力，剪力沿截面均勻分布.

圖11 節(jié)點1角焊縫附近腹板平均剪應(yīng)力Fig.11 Average shear stress near the fillet weld of Joint 1

2.3.2 次梁連接板與端板焊縫鄰近截面剪應(yīng)力分布

試驗中，在2個節(jié)點次梁連接板與端板連接角焊縫附近布置了3個測點來測量梁連接板的剪力分布，將剪應(yīng)力隨剪力變化的曲線進行對比，如圖13，14所示.

圖12 節(jié)點2角焊縫附近腹板平均剪應(yīng)力Fig.12 Average shear stress near the fillet weld of Joint 2

圖13 節(jié)點1次梁連接板剪應(yīng)力分布Fig.13 Shear stress contribution of secondary-beamplate of Joint 1

圖14 節(jié)點2次梁連接板剪應(yīng)力分布Fig.14 Shear stress contribution of secondary-beamplate of Joint 2

由圖13，14可見，5號點剪應(yīng)力約為4，6號點剪應(yīng)力的2倍，取5號點作為計算參考點，剪應(yīng)力理論值計算公式為

式中：V為次梁連接板截面設(shè)計剪力；Il，tl，Sl分別為次梁連接板的截面主軸慣性矩、厚度和截面中點面積矩.

圖15，16分別為節(jié)點1，2的5號點剪應(yīng)力的理論值與試驗值曲線.由圖15，16可知，當(dāng)截面剪力小于250kN時，連接板的應(yīng)變基本處于線彈性階段，試驗值均與理論值符合較好，說明用理論公式計算可以準(zhǔn)確預(yù)測這種節(jié)點焊縫處的剪應(yīng)力.

圖15 節(jié)點1梁連接板5號點剪應(yīng)力Fig.15 Shear stress of Point 5of Joint 1

圖16 節(jié)點2梁連接板5號點剪應(yīng)力Fig.16 Shear stress of Point 5of Joint 2

2.3.3 貼板截面剪應(yīng)力分布

在貼板上布置3個應(yīng)變測點，以考察貼片截面的剪應(yīng)力分布.節(jié)點1和節(jié)點2的7，8與9號點的剪應(yīng)力分布曲線如圖17，18所示.

圖17 節(jié)點1貼板剪應(yīng)力分布Fig.17 Shear stress contribution of connecting plate of Joint 1

圖18 節(jié)點2貼板剪應(yīng)力分布Fig.18 Shear stress contribution of connecting plate of Joint 2

由圖17，18可見，8號點剪應(yīng)力約為7，9號點剪應(yīng)力的2倍，取8號點作為計算參考點，剪應(yīng)力理論值計算公式為

式中：V為貼板截面設(shè)計剪力；It，tt，St分別為貼 板的慣性矩、厚度和面積矩.

圖19，20分別為節(jié)點1，2的8號點剪應(yīng)力的理論值與試驗值曲線.由圖19，20可見，當(dāng)截面剪力小于250kN時，貼板的應(yīng)變基本處于線彈性階段，試驗值均與理論值符合較好.

圖19 節(jié)點1貼板8號點剪應(yīng)力Fig.19 Shear stress of Point 8of Joint 1

圖20 節(jié)點2貼板8號點剪應(yīng)力Fig.20 Shear stress of Point 8of Joint 2

2.3.4 主梁加勁肋剪應(yīng)力分布

在節(jié)點1的主梁加勁肋靠近螺栓孔區(qū)域布置3個應(yīng)變測點，以考察加勁肋靠近螺栓孔附近的應(yīng)力分布.節(jié)點1的10，11與12號點的剪應(yīng)力曲線如圖21所示.可以看出，此區(qū)域的剪應(yīng)力較小，并無應(yīng)力集中現(xiàn)象，這主要是由于主梁加勁肋較高較厚，因此按照構(gòu)造設(shè)置主梁加勁肋即可滿足次梁的傳力需求，無需計算.

圖21 節(jié)點1主梁加勁肋剪應(yīng)力分布Fig.21 Shear stress contribution of primary beam stiffener of Joint 1

2.3.5 主梁截面剪應(yīng)力分布

2個節(jié)點的主梁加勁肋兩側(cè)的波紋腹板上均勻布置3個應(yīng)變測點，以考察次梁剪力傳遞到主梁之后主梁波紋腹板的應(yīng)力分布.2個節(jié)點的13，14，15，16，17與18號點的剪應(yīng)變曲線分別如圖22，圖23所示.可以看出，沿主梁腹板高度方向剪應(yīng)變基本上均勻分布.

圖22 節(jié)點1主梁腹板剪應(yīng)力分布Fig.22 Shear stress contribution of primary beam web of Joint 1

取15號點作為計算參考點，剪應(yīng)力理論值計算公式為

式中：V為主梁截面設(shè)計剪力；S為主梁腹板的截面積.

圖23 節(jié)點2主梁腹板剪應(yīng)力分布Fig.23 Shear stress contribution of primary beam web of Joint 2

圖24，25分別為節(jié)點1，2的8號點剪應(yīng)力的理論值與試驗值曲線.由圖24，25可知，當(dāng)截面剪力小于250kN時，加勁肋附近的主梁波紋腹板的應(yīng)變基本處于線彈性階段，試驗值均與理論值符合較好.

圖24 節(jié)點1主梁腹板15號點剪應(yīng)力Fig.24 Shear stress of Point 15of Joint 1

圖25 節(jié)點2主梁腹板15號點剪應(yīng)力Fig.25 Shear stress of Point 15of Joint 2

3 承載力設(shè)計公式

基于試驗結(jié)果和理論公式，提出波紋腹板H型鋼主次梁鉸接節(jié)點各部件的承載力設(shè)計公式.

3.1 次梁連接板承載力

次梁連接板承擔(dān)次梁傳遞的剪力，并通過貼板和高強螺栓將剪力傳遞給主梁加勁肋，次梁連接板的抗剪承載力應(yīng)按下式驗算：

式中：V為次梁連接板截面設(shè)計剪力；fv為次梁連接板的抗剪強度；Il，tl，Sl分別為次梁連接板的截面主軸慣性矩、厚度和截面中點面積矩.

根據(jù)式（6），計算可得試件的次梁連接板抗剪承載力為449kN，折算為外加荷載為746kN.

3.2 貼板承載力

貼板與高強螺栓將次梁連接板傳遞的剪力傳遞給主梁加勁肋，貼板的抗剪承載力應(yīng)按下式驗算：

式中：V為貼板截面設(shè)計剪力；fv為貼板鋼材的抗剪強度設(shè)計值；It，tt，St分別為貼板的慣性矩、厚度和面積矩.

根據(jù)式（7），計算可得試件的貼板抗剪承載力為202kN，折算為外加荷載為672kN.

3.3 高強螺栓群承載力

高強螺栓群與貼板將次梁連接板傳遞的剪力傳遞給主梁加勁肋，高強螺栓群的抗剪承載力應(yīng)按下式驗算［12］：

式中：V為高強螺栓群截面設(shè)計剪力；n為高強螺栓的個數(shù)；為一個高強螺栓的抗剪承載力.

根據(jù)式（8），計算可得試件的高強螺栓群抗剪承載力為324kN，折算為外加荷載為538kN.

3.4 次梁承載力

在鋼框架中，次梁主要承擔(dān)并傳遞壓型鋼板或檁條傳遞的屋面或樓面荷載，根據(jù)《波紋腹板鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，次梁的抗剪承載力應(yīng)按下式驗算：

式中：V為次梁截面設(shè)計剪力；fv為腹板鋼材的抗剪強度；hw，tw為分別為腹板的高度和厚度.

根據(jù)式（9），計算可得試件的次梁抗剪承載力為112kN，折算為外加荷載為245kN.

由3.1～3.4可知，節(jié)點1，2的主次梁鉸接節(jié)點的承載力由次梁的抗剪承載力控制.實際試驗中，試件發(fā)生次梁波紋腹板剪切屈曲破壞，主次梁鉸接節(jié)點的次梁連接板、貼板和高強螺栓完好，與理論相符.試件1，2的屈服荷載分別為270kN與265kN，略大于次梁抗剪承載力計算的折算外加荷載.

4 結(jié)論

本文對波紋腹板H型鋼主次梁鉸接節(jié)點進行了試驗研究，得到節(jié)點的荷載－位移曲線和各截面的內(nèi)力分布.試驗結(jié)果表明，在波紋腹板次梁與端板的連接中，波紋腹板與端板連接的雙面角焊縫承受全部剪力，剪力沿截面均勻分布；波紋腹板的波折不影響連接板與貼板截面的剪力分布.通過對次梁波紋腹板與端板角焊縫附近截面、次梁連接板截面、貼板截面及主梁截面的內(nèi)力分布試驗值與理論公式的計算結(jié)果進行對比，驗證了理論公式在計算各截面內(nèi)力分布時的可靠性.

提出波紋腹板H型鋼主次梁鉸接節(jié)點的次梁連接板、貼板、高強螺栓群及次梁的承載力設(shè)計公式，通過對承載力設(shè)計公式的計算承載力與試驗結(jié)果進行對比，驗證了波紋腹板H型鋼主次梁鉸接節(jié)點承載力設(shè)計公式的有效性.

［1］ 張哲，李國強，孫飛飛.波紋腹板H型鋼研究綜述［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2008，10（6）：41.

ZHANG Zhe，LI Guoqiang，SUN Feifei. Summary of investigation of the H-beam with trapezoidally corrugated web［J］.Progress in Steel Building Structures，2008，10（6）：41.

［2］ 張哲.波紋腹板H型鋼及組合梁力學(xué)性能理論與試驗研究［D］.上海：同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，2009.

ZHANG Zhe.Theoretical and experimental research on the H-beams and the composite beams with corrugated webs［D］.Shanghai：College of Civil Engineering of Tongji University，2009.

［3］ Elgaaly M，Seshadri A.Girders with corrugated webs under partial compressive edge loading［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，1997，123（6）：783.

［4］ 郭彥林，王小安，張博浩，等.波浪腹板鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.工業(yè)建筑，2012，42（7）：1.

GUO Yanlin，WANG Xiaoan，ZHANG Bohao，et al.The state of art design theory of sinusoidal web steel structures［J］.Industrial Construction，2012，42（7）：1.

［5］ Gerstle K H.Effect of connections on frames［J］.Journal of Constructional Steel Research，1988，10：241.

［6］ 李國強，張哲，孫飛飛.波紋腹板H型鋼梁抗剪承載力［J］.同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，37（6）：709.

LI Guoqiang，ZHANG Zhe，SUN Feifei.Shear strength of H-beam with corrugated webs［J］Journal of Tongji University：Natural Science，2009，37（6）：709.

［7］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB／T2975—1998鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備［S］.北京：中國計劃出版社，2004.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China.GB／T2975—1998 Steel and steel products—location and preparations of test pieces for mechanical testing［S］.Beijing：China Planning Press，2004.

［8］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB6397—86金屬拉伸試驗試樣［S］.北京：中國計劃出版社，1986.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China.GB6397—86 Metallic materials—test pieces for tensile testing［S］.Beijing：China Planning Press，1986.

［9］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB／T228—2002金屬材料室溫拉伸試驗方法［S］.北京：中國計劃出版社，2002.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China.GB／T228—2002 Metallic materials—tensile testing at ambient temperature［S］.Beijing：China Planning Press，2002.

［10］ 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.CECS 291：2011波紋腹板鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國計劃出版社，2011.

China Association for Engineering Construction Standardization.GB50017-2003 Technical specification for steel structures with corrugated webs［S］.Beijing：China Planning Press，2011.

［11］ 傅衣銘，熊慧而.材料力學(xué)［M］.長沙：湖南大學(xué)出版社，2007.

FU Yiming，XIONG Huier.Mechanics of materials［M］.Changsha：Hunan University Press，2007.

［12］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China.GB50017—2003 Code for design of steel structures［S］.Beijing：China Planning Press，2003.