邊鋼框架節(jié)點抗震性能試驗

李許峰，王新武

(1.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.洛陽理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

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邊鋼框架節(jié)點抗震性能試驗

李許峰1，王新武2

(1.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.洛陽理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

采用符合實際受力特點的柱端加載，對剖分T型鋼連接的邊框架節(jié)點進行低周反復(fù)試驗。試驗結(jié)果表明：加載過程中T型件翼緣與腹板交界處的應(yīng)力最大，最先形成塑性鉸；柱翼緣和梁翼緣在加載過程中均處于彈性階段，而節(jié)點域的剪切應(yīng)變達到了屈服應(yīng)變。通過測量發(fā)現(xiàn)：梁柱相對轉(zhuǎn)角達到了美國規(guī)范的要求，同時，由滯回曲線和骨架曲線可知該節(jié)點具有較好的延性和耗能特性。

柱端加載；框架節(jié)點；低周反復(fù)荷載；滯回性能；耗能特性

0 引言

在多高層建筑抗震設(shè)計中,梁柱節(jié)點連接是關(guān)鍵部位,它發(fā)揮著傳遞梁、柱間內(nèi)力的作用[1]。如果節(jié)點不能提供桿端彎矩所需的約束,將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載性能的降低，繼而引起結(jié)構(gòu)破壞。因此，所有的節(jié)點及其連接均應(yīng)滿足強度、延性和耗能能力等方面的要求。

半剛性連接主要通過摩擦性高強螺栓與連接件(角鋼、端板以及T型鋼等)把梁與柱連接起來[2-4]。該連接具有較強的耗能能力，能夠抵抗一部分地震荷載,具有更多的屈服容量和延性容量,是一種既經(jīng)濟又可靠的連接方式[5-7]。

中國許多學(xué)者從 20 世紀 90 年代初期以來，對半剛性梁柱強軸連接做了大量的研究，主要集中在對各類半剛性梁柱連接(如頂?shù)捉卿撨B接、雙腹板頂?shù)捉卿撨B接、短T型鋼連接、端板連接)進行單調(diào)荷載及低周往復(fù)荷載作用下的受力性能研究，探討連接約束關(guān)系、滯回性能、彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系及耗能特性等，建立了各類半剛性梁柱連接的受力模型，并進行了考慮三重非線性的數(shù)值模擬分析[8-13]，在研究過程中沒有針對剖分T型鋼連接的變形特點進行詳細分析。

為進一步研究剖分T型鋼連接節(jié)點的抗震性能,本文針對邊框架節(jié)點進行了擬靜力試驗，在得到的試驗數(shù)據(jù)和觀察試驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，分析了半剛性連接在低周反復(fù)荷載作用下的承載能力、變形特點、破壞模式和抗震耗能特性。

1 材性試驗

試件中的梁、柱以及剖分T型鋼均采用Q235B熱軋H型鋼。材性試驗的樣胚按照《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》(GB/T 2975—1998)從加工梁、柱的同一批鋼材中截取，試驗中試件的具體形狀、尺寸要求及試驗方法均依據(jù)《金屬拉力試驗方法》(GB/T 228.1—2010)。所有材性試驗樣胚均與梁柱剖分T型鋼連接試件同期加工。試驗結(jié)果如表1所示。

通過試驗數(shù)據(jù)計算得到材料的屈服應(yīng)變?yōu)? 500×10-6，以此作為依據(jù)判斷試驗進行過程中節(jié)點各觀測點是否屈服，進而判斷出加載過程中試件的屈服位移。

2 試件設(shè)計

本次試驗設(shè)計制作剖分T型件連接的邊框架節(jié)點，節(jié)點中柱采用H型鋼的型號為HW300，梁采用H型鋼的型號為HN350，材料的特性如表1所示。所有對接焊縫均為一級焊縫，焊條為 E43 型焊條；梁柱之間采用剖分T型鋼和高強螺栓進行連接；螺栓為10.9級摩擦型高強螺栓，型號為M22。節(jié)點選取在側(cè)向位移作用下框架中與節(jié)點相鄰的梁柱反彎點之間的構(gòu)件，取上下柱反彎點之比1∶1，模型比例1∶1，模擬邊框架梁柱節(jié)點，各構(gòu)件的主要參數(shù)如表2所示。

表1 試件主要材料特性

表2 試件中各構(gòu)件的主要參數(shù)

3 測量內(nèi)容

3.1 應(yīng)變測量

在本試驗中，為了確定節(jié)點的屈服位移，分別在梁、柱及剖分T型件上選取多個觀測點，運用DH3816Net靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)測量加載過程中這些點的應(yīng)變變化。節(jié)點應(yīng)變片的分布如圖1所示，通過觀測加載過程中各個應(yīng)變片的讀數(shù)來判斷節(jié)點是否屈服[14]。

3.2 位移和轉(zhuǎn)角測量

對于本試驗中的鋼框架，在距柱底1 000 mm處的柱翼緣上布置位移計1，用來監(jiān)測加載過程中該點的位移變化，并以節(jié)點發(fā)生屈服時該位移計的讀數(shù)作為節(jié)點的屈服位移。在梁柱翼緣之間設(shè)置斜位移計2，測量加載過程中梁柱的相對轉(zhuǎn)角θ，位移計的布置如圖2所示。

圖1 節(jié)點應(yīng)變片分布圖圖2 T型節(jié)點位移計布置圖

4 加載方案及裝置

4.1 加載裝置的選擇

低周反復(fù)荷載試驗中加載模式的確定是一個關(guān)鍵問題，由于框架屬于超靜定結(jié)構(gòu)，因此對于梁柱節(jié)點試件來說，對邊界條件的模擬是試驗成敗的關(guān)鍵[15]。當結(jié)構(gòu)承受側(cè)向荷載作用時,節(jié)點上柱反彎點可視為水平可動的鉸。模擬這種邊界條件的方法有兩種[16-17]：(1)梁端加載；(2)柱端加載。采用柱端加載方案可以較好地模擬構(gòu)件的受力特征。本次試驗采用了更符合實際的柱端加載模式，如圖3所示。

圖3 柱端加載方案

加載時柱頂通過端板與作動器相連，柱底使用定向滑動支座進行位移約束，并通過與作動器相連的輔助梁給柱底施加位移荷載。梁一端使用T型件和高強螺栓與柱相連，另一端采用水平定向滑動支座進行豎向位移約束，并且在梁端架設(shè)力傳感器測量加載過程中梁端豎向約束反力的大小和方向。

4.2 加載程序

試驗開始前，通過電液伺服加載系統(tǒng)的作動器對柱頂施加600 kN的軸向荷載，并循環(huán)加載一次以檢測所有試驗設(shè)備是否正常工作，此后進入正式試驗。

采用分級循環(huán)的加載方式在柱底處施加低周反復(fù)水平荷載。在結(jié)構(gòu)屈服前，采用荷載控制的方法逐級加載，每級循環(huán)1周，直至結(jié)構(gòu)屈服。

5 試驗現(xiàn)象

剖分T型鋼連接的半剛性節(jié)點加載初期為彈性階段，卸載后幾乎沒有殘余變形，呈現(xiàn)彈性性質(zhì)，肉眼觀察不到明顯的試件變化，如圖5所示。當試件柱端位移加載至s=14.84 mm 時，T型件翼緣與柱翼緣相交處出現(xiàn)細微縫隙；當試件柱端位移加載至s=44.52 mm 時，T 型件翼緣與柱翼緣相交處的間隙增加，間隙寬度約為2 mm，可以明顯看到空隙；當試件梁端位移加載至s=74.20 mm 時，T 型件翼緣被拉離柱翼緣達4.5 mm，開裂長度80 mm；繼續(xù)加大荷載，T型件變形繼續(xù)加大，最大縫隙寬度達8 mm,開裂長度110 mm，繼續(xù)加大荷載，變形過大，試驗停止。

圖4 T型節(jié)點屈服后加載步驟圖5 T型節(jié)點的破壞形態(tài)

6 結(jié)果分析

6.1 耗能及抗震性能分析

為了探究剖分T型鋼連接的半剛性T型節(jié)點的抗震性能和耗能特性，繪制了該節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下力與位移計1讀數(shù)之間的荷載-位移曲線，即滯回曲線，如圖6所示。連接每個滯回環(huán)中荷載與位移值最大的點和最小的點，得到節(jié)點在加載過程中的骨架曲線[18]，如圖7所示。依據(jù)滯回曲線和骨架曲線的分析，可以得到在低周反復(fù)加載下，框架節(jié)點的屈服位移、延性、能量耗散等性質(zhì)[19]，如表3和表4所示。

由圖6及表3可知：滯回曲線穩(wěn)定飽滿，說明該節(jié)點耗能能力良好，加載初期節(jié)點處于彈性階段，隨著加載的進行，當加載位移達到2倍的屈服位移時，耗能因數(shù)減小，繼續(xù)增大加載位移，耗能因數(shù)增大。這表明剛進入塑性時節(jié)點局部發(fā)生較大變形，導(dǎo)致節(jié)點耗能性能降低，隨著載荷的增大，節(jié)點各構(gòu)件的塑性得到充分發(fā)展，節(jié)點的耗能性能逐漸增強。

由圖7及表4可知：(1)節(jié)點前期拉壓不對稱，當節(jié)點處于屈服位移時刻時，正向屈服荷載為負向屈服荷載的0.77倍；隨著位移的增大，拉壓基本趨于一致，推拉最大荷載比為0.99。(2)正、負向曲線段均出現(xiàn)了較明顯的拐點，也就是說，試件在試驗中出現(xiàn)了剛度退化的現(xiàn)象。

圖6 T型節(jié)點的滯回曲線 圖7 T型節(jié)點的骨架曲線

表3 各階段耗能因數(shù)和等效黏滯阻尼比

表4 骨架曲線分析表

6.2 轉(zhuǎn)角和應(yīng)變分析

6.2.1 轉(zhuǎn)角分析

本試驗在梁的上翼緣與柱翼緣之間布置位移計2，測量加載過程中梁柱相對轉(zhuǎn)角的變化,轉(zhuǎn)角的計算公式為[20]:

……‘If you will only tell me what sort of girl Miss King is,I shall know what to think.’ ‘She is a very good kind of girl,I believe.I know no harm of her.’[5]165

表5 梁柱的相對轉(zhuǎn)角

由表5可知：加載到屈服位移時，兩端梁柱相對轉(zhuǎn)角相差不大，加載位移增大，兩者之間的差距逐漸加大；當試驗停止時，梁柱的相對轉(zhuǎn)角均大于美國聯(lián)邦應(yīng)急管理署(federal emergency management agency,FEMA)要求的0.03 rad，滿足半剛性連接的設(shè)計要求。

6.2.2 應(yīng)變分析

通過DH3816Net靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)測量關(guān)鍵點的應(yīng)變。由試驗數(shù)據(jù)可知：在加載過程中梁翼緣和柱翼緣在整個加載過程中處于彈性階段，均未發(fā)生破壞。

下面著重分析梁柱節(jié)點處T型件應(yīng)變和節(jié)點域應(yīng)變發(fā)展情況。為了便于分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布和變化情況，選取每級加載步中正向最大位移和負向最大位移并對觀測點的應(yīng)變進行了對比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 節(jié)點應(yīng)變圖

通過數(shù)據(jù)分析可知：

(1)節(jié)點中兩個T型件腹板上的應(yīng)變具有相同的分布。

(2)加載中T型件腹板上的應(yīng)變與觀測點到T型件翼緣的距離有關(guān)，觀測點到T型件翼緣距離增大，應(yīng)變減小,如圖8a所示。

(3)距離T型件翼緣相同距離位置處的應(yīng)變大小不等，中間位置處的應(yīng)變小，兩側(cè)應(yīng)變較大，如圖8b所示。

(4)每個T型件腹板上的3組應(yīng)變距離翼緣較遠的2組在加載過程中處于彈性階段，較近的1組隨著加載位移的增大逐步進入塑性；當加載至18倍的屈服位移時，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，T型件靠近翼緣處的應(yīng)變逐漸增大，表明結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞。

(5)對比T型件翼緣上的應(yīng)變變化可知：在加載過程中最大應(yīng)變發(fā)生在T型件翼緣和腹板的交界處，該處最先形成塑性鉸。

圖9 節(jié)點域剪切應(yīng)變分布

圖9為節(jié)點域剪切應(yīng)變分布。通過對節(jié)點域應(yīng)變花數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在加載過程中節(jié)點域的剪切應(yīng)變達到了屈服應(yīng)變，節(jié)點域發(fā)生了屈服。

(2)當加載至18倍屈服位移時，隨著循環(huán)加載的進行，應(yīng)變的值依次減小，表明節(jié)點發(fā)生了破壞，試驗停止。

7 結(jié)論

(1)由節(jié)點的滯回曲線和骨架曲線可知：剖分T型鋼連接的T型節(jié)點在低周反復(fù)荷載的作用下具有良好的耗能特性和延性。當節(jié)點剛進入塑性變形階段，耗能特性有降低趨勢，這是由于塑性變形發(fā)展不充分，隨著節(jié)點塑性變形的充分發(fā)展，節(jié)點的耗能特性逐漸提高。

(2)在加載過程中，梁柱相對轉(zhuǎn)角達到了美國FEMA規(guī)范要求的0.03 rad。

(3)通過對關(guān)鍵點應(yīng)變的測量和分析發(fā)現(xiàn)：加載過程中T型件翼緣與腹板交界處的應(yīng)變最大，該處最先形成塑性鉸。梁、柱翼緣均處于彈性階段，未發(fā)生塑性變形。節(jié)點域的剪切變形達到了屈服應(yīng)變，節(jié)點域發(fā)生了屈服。

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國家自然科學(xué)基金項目(51278238);河南省科技攻關(guān)基金項目(122102210550);河南省科技創(chuàng)新杰出青年基金項目(134100510010)

李許峰(1987-),男,河南洛陽人,碩士生;王新武(1971-),男,河南洛陽人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點方面的研究.

2015-03-10

1672-6871(2015)06-0055-06

TU392

A