裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅半剛性節(jié)點抗震性能的試驗研究

張 軍，張 辰

(1.徐州中國礦業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計咨詢研究院有限公司, 江蘇 徐州 221008；2.徐州中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

隨著現(xiàn)代建筑工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，住宅工業(yè)化是未來建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]，而發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅能節(jié)省資源、降低能耗、縮短工期、減少建筑垃圾污染，是實現(xiàn)住宅工業(yè)化的關(guān)鍵。住宅是一個變化多端的產(chǎn)品，根據(jù)建筑的要求，柱網(wǎng)往往不規(guī)則，房內(nèi)開間及進(jìn)深相對較小、變化較多，因此鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系往往選擇框架體系。

通常在設(shè)計中將框架梁柱之間的連接設(shè)計成剛性連接或鉸接[2]。在實際住宅工程中，柱截面尺寸一般較小，梁剛度往往大于柱剛度，若采用剛性連接，會形成“強(qiáng)梁弱柱”，對抗震不利；若采用鉸接連接，需要增設(shè)抗側(cè)力構(gòu)件，對建筑戶型的靈活布置有較大的影響。鑒于目前半剛性連接理論研究[3-12]較為成熟，把半剛性連接應(yīng)用于多層和小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑設(shè)計具有重要的意義，在工程應(yīng)用上，半剛性節(jié)點對抗震以及施工也是有利的。

本文結(jié)合實際工程，選取中柱節(jié)點進(jìn)行擬靜力試驗[13]，對改進(jìn)后足尺寸節(jié)點進(jìn)行低周往復(fù)加載，重點研究適用于管線穿孔的蜂窩梁配合鋼柱內(nèi)加灌混凝土對節(jié)點剛度的影響，以及節(jié)點的抗震性能。

1 連接節(jié)點設(shè)計的基本特性

節(jié)點設(shè)計一般遵循以下原則[14]：

(1) 節(jié)點設(shè)計應(yīng)簡捷明確，使節(jié)點計算模型與實際受力情況相一致。

(2) 節(jié)點應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，能承擔(dān)相應(yīng)的彎矩、剪力、軸力。剛性節(jié)點要保證在彈性階段梁柱連接處的抗剪抗彎能力必須大于框架梁的抗剪抗彎能力，即“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”。

(3) 保證節(jié)點連接應(yīng)有足夠的剛度，即滿足規(guī)定的變形要求，防止結(jié)構(gòu)體系不致發(fā)生因連接較弱而引起破壞。

(4) 節(jié)點連接應(yīng)具有足夠的轉(zhuǎn)動能力。建筑結(jié)構(gòu)鋼材本身具有良好的延性，在地震中具有很好的耗能作用，但從幾次大的地震破壞中，鋼結(jié)構(gòu)并沒有完全表現(xiàn)出很好的延性，這主要是節(jié)點的脆性破壞而造成的。因此，在設(shè)計中應(yīng)采取合理的節(jié)點構(gòu)造，避免采用約束度大和易產(chǎn)生層狀撕裂的連接方式。

(5) 節(jié)點構(gòu)造應(yīng)盡量簡化，便于加工制作及現(xiàn)場安裝，且造價應(yīng)合理。

2 試驗概況

2.1 試驗?zāi)康募霸嚰O(shè)計方法

本次試驗的主要目的：

(1) 對各足尺寸梁柱節(jié)點進(jìn)行擬靜力試驗，通過試驗描述節(jié)點試驗破壞過程及破壞形態(tài)，繪制節(jié)點的滯回曲線，分析其節(jié)點延性、強(qiáng)度與剛度退化、耗能能力、破壞特征及機(jī)理，判斷節(jié)點的抗震性能優(yōu)劣。

(2) 通過對比不同參數(shù)下的各足尺寸梁柱節(jié)點荷載-位移關(guān)系、彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系以及組合柱壁協(xié)同工作性能來綜合研究抗震性能影響因素、節(jié)點設(shè)計思路的可實現(xiàn)性。

節(jié)點形式是針對頂?shù)捉卿撾p腹板半剛性節(jié)點的改進(jìn)，構(gòu)成節(jié)點的主要部件有冷彎方鋼管柱和鋼梁，配套部件主要有外套筒(含抗剪腹板)、帶肋角鋼以及高強(qiáng)螺栓等。各個部件由鋼結(jié)構(gòu)廠家運輸至實驗室直接進(jìn)行完全拼裝。

2.2 試件設(shè)計與制作

本次試驗選取某四層鋼框架結(jié)構(gòu)的三層邊柱節(jié)點作為研究對象，梁長加工尺寸為1.480 m，柱高根據(jù)建筑原型取標(biāo)準(zhǔn)3 m層高。為保證符合“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計，柱為冷彎方鋼管200 mm×200 mm×8 mm，梁為焊接H型上下翼緣不等寬鋼梁，截面尺寸為250 mm×150 mm×200 mm×8 mm×12 mm，懸臂抗剪腹板為8 mm，角鋼尺寸分為L140×10和L140×14兩種，角鋼均為加肋角鋼，其中L140×10加勁肋厚12 mm，L140×14加勁肋厚16 mm。構(gòu)件母材分為Q345B和Q235B兩種，焊絲分為E50型和E43型兩種，螺栓均采用10.9級高強(qiáng)螺栓，其中方鋼管柱與角鋼以及懸臂抗剪腹板與梁腹板高強(qiáng)螺栓連接均采用M20型號，梁翼緣與角鋼采用M16型號,全部采用承壓性設(shè)計。為使高強(qiáng)螺栓連接處構(gòu)件的接觸面有足夠的摩擦力，構(gòu)件接觸面處理方法均采用鋼絲刷清除浮銹。軸壓比按照該項目結(jié)構(gòu)模型計算結(jié)果取值為μ=0.22，柱頂施加的軸壓力N=0.22N0，N0=fycAs，fyc采用鋼管鋼材的標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度，As為方鋼管柱的橫截面面積。具體尺寸見表1。

表1 試件分組信息

節(jié)點DBR是對穿螺栓，實腹梁，角鋼尺寸相比后續(xù)構(gòu)件較弱，試件詳細(xì)尺寸如圖1所示。DBT是在第一個試件做完擬靜力試驗后，作為對比，只將角鋼替換為L140×14，目的是在研究節(jié)點搭配剛度比不大于梁的角鋼在地震作用下發(fā)生一定破壞，進(jìn)行災(zāi)后修復(fù)，采取只替換角鋼的方法后的節(jié)點抗震性能。DKQ是為結(jié)合工程實際，將H型不等寬翼緣鋼梁梁腹板每隔200的距離開直徑100的孔做成蜂窩梁以便于實際工程中一些管線的穿過，為了腹板開孔不參與影響節(jié)點區(qū)域的抗震性能，將開孔距柱邊的距離進(jìn)行了控制，并且通過試驗來驗證此構(gòu)想。具體變化后示意圖可參考圖2。

圖1 DBR試件大樣

圖2 DKQ試件大樣

2.3 試驗裝置與測試內(nèi)容

本試驗加載裝置如圖3所示，加載方式采用低周反復(fù)加載。

圖3試驗裝置示意圖

本實驗主要研究應(yīng)用于低、多層建筑的裝配式節(jié)點，不須考慮重力二階效應(yīng)。采用柱兩端固定梁自由端加載，水平荷載由往復(fù)作動器提供，H型不等寬翼緣鋼梁通過加載頭夾緊，與杭州邦威100 t液壓伺服作動器連接，垂直于方鋼管柱，在錨固鋼梁前，通過激光測距提前畫好定位線，保證鋼梁、加載頭，反力墻對中，用水平靠尺使鋼梁垂直于地面。

在方鋼管柱兩端各布置一個位移計1、2，以測量其豎向側(cè)移；在梁端布置位移計3，以測量其水平側(cè)移，用來校準(zhǔn)作動器位移讀數(shù)。由于連接節(jié)點的彎矩和轉(zhuǎn)角在試驗中不便直接測量，本試驗采用測量目標(biāo)位置點的豎向位移和測量梁端集中荷載并通過轉(zhuǎn)換計算來求得節(jié)點的彎矩和轉(zhuǎn)角。分別在懸臂抗剪腹板與外套筒腹板焊縫連接處、外套筒翼緣、角鋼加勁肋、外套筒腹板、方鋼管柱腹板于外套筒截面突變處、角鋼梁側(cè)鋼肢、角鋼柱側(cè)鋼肢以及梁翼緣與角鋼變截面處布置了應(yīng)變花以及應(yīng)變片。

試驗時首先對柱端緩慢施加一定軸向壓力，壓力不宜過大，主要為了消除另一柱端銷軸之間的空隙，然后等待一段時間待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開始進(jìn)行梁端水平往復(fù)的預(yù)加載。預(yù)加載主要是因為安裝過程中構(gòu)件自身有微小的安裝間隙以及構(gòu)件與作動器之間，構(gòu)件與支座、銷軸、壓梁之間都會存在間隙，需要通過微小的位移控制平衡消除這些間隙，同時使各個組件接觸到達(dá)良好狀態(tài)。另外可以通過預(yù)加載檢查應(yīng)變片應(yīng)變花采集數(shù)據(jù)是否異常，位移計是否正常工作，荷載位移之間的關(guān)系是否規(guī)律穩(wěn)定等等。待檢查工作與準(zhǔn)備工作完畢后，開始正式加載。首先按照建筑原型0.22標(biāo)準(zhǔn)軸壓比對柱端施加相應(yīng)壓力，柱端軸壓力N為466.33 kN，按470 kN加載。為了避免由于安裝誤差導(dǎo)致的對中不齊，在柱加載過程中導(dǎo)致偏離軸線造成破壞，過加載過程有序緩慢，每加載30 kN停下觀察構(gòu)件是否偏離中軸線或其他異樣狀況。因為液壓千斤頂會有輕微回程現(xiàn)象，故最終荷載加載稍微超過470 kN，等待一段時間軸壓力穩(wěn)定至466 kN～470 kN左右后，再通過杭州邦威100 t液壓伺服作動器對梁設(shè)定的反彎點處開始低周往復(fù)加載。

本試驗的加載制度參考美國鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)定(AISC—341—05)[15]。加載過程是以層間位移角控制的，層間位移角為梁端位移與加載點至柱中心距離之比。加載循環(huán)表如表2所示。

表2 試驗加載制度表

加載制度如圖4所示，直至構(gòu)件破壞(鋼梁連接焊縫破壞、出現(xiàn)嚴(yán)重的屈曲變形、節(jié)點承載力下降到最大承載力的85%等)。

圖4試驗加載制度

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 節(jié)點試驗現(xiàn)象及分析

3.1.1 DBR節(jié)點試驗破壞過程及破壞形態(tài)

在加載初始階段，未觀察到較為明顯的試驗現(xiàn)象，從后續(xù)的滯回曲線也可以看出，這是由于此時構(gòu)件尚處于彈性階段，剛度較大。當(dāng)層間位移角到達(dá)0.5%rad即梁加載中心點位移在6.37 mm范圍，第二個周期正推，位移區(qū)間在(-5.7 mm，5.7mm)，以及第五個周期回拉，位移區(qū)間在(0 mm，-9 mm)和第六個周期正推，位移區(qū)間(-6 mm，7 mm)，第六個周期回拉，位移區(qū)間(1 mm，-6 mm)時聽到頻繁微弱響聲，經(jīng)判斷此處應(yīng)是安裝間隙的調(diào)整與平衡；當(dāng)層間位移角到達(dá)1%rad(12.73 mm)～1.5%rad(19.10 mm)，節(jié)點出現(xiàn)頻繁較大的響聲；當(dāng)加載到2%rad(25.46 mm)時，響聲逐漸消失。

當(dāng)層間位移角到達(dá)3%rad(38.19 mm)第二個周期正推時，仍有零星的“咔咔”響聲，期間，隨著梁端位移接近3%rad時，受拉端角鋼被拉起，角鋼柱側(cè)鋼肢與柱之間產(chǎn)生夾角空隙，但隨著梁端位移歸零后，空隙消失。當(dāng)位移接近到達(dá)4%rad(50.92 mm)時，角鋼受梁翼緣水平拉力導(dǎo)致被拉起幅度開始明顯，但位移歸零后，空隙仍可以消失。當(dāng)位移到達(dá)4%(50.92 mm)時，上角鋼加勁肋與翼緣間的焊縫發(fā)生開裂。

當(dāng)層間位移角到達(dá)6%rad(76.38 mm)循環(huán)期間，接近位移極值時，角鋼被明顯拉起，角鋼柱側(cè)鋼肢與柱間隙明顯。當(dāng)位移角到達(dá)7%rad(89.11 mm)時，隨著節(jié)點轉(zhuǎn)動角度增大，轉(zhuǎn)動過程中角鋼梁側(cè)鋼肢變形，與梁產(chǎn)生間隙，前推階段下角鋼加勁肋受壓出現(xiàn)屈曲。

當(dāng)層間位移角加載到8%rad(101.84 mm)時，前推至位移極值時，角鋼被掀起，角鋼柱側(cè)鋼肢變形嚴(yán)重，而此時上角鋼加勁肋焊縫裂縫已經(jīng)擴(kuò)展到全長，回拉至位移極值時，發(fā)生較大響聲，下角鋼加勁肋出現(xiàn)受拉斷裂。由于此時荷載已經(jīng)下降到峰值荷載85%左右，且由于作動器三段牽引繩的限制而結(jié)束試驗。

試驗結(jié)束后拆掉角鋼，可明顯觀察到上角鋼加勁肋焊縫完全撕裂，角鋼受拉時加勁肋已經(jīng)完全失去作用，且角鋼柱側(cè)鋼肢受撬力作用下屈曲變形明顯，且下角鋼加勁肋受拉出現(xiàn)多條裂紋，但是梁柱變形并不明顯。

3.1.2 DBT節(jié)點試驗破壞過程及破壞形態(tài)

在加載初始階段，未能觀察到較為明顯的試驗現(xiàn)象。當(dāng)層間位移角到達(dá)1.5%rad即梁加載中心點位移19.10 mm第一個周期正推時以及第二個周期正推時，節(jié)點發(fā)出輕微響聲。

當(dāng)層間位移角到達(dá)2%rad，即梁加載中心點位移25.46 mm時，在梁端位移負(fù)向最大位移時，發(fā)生一聲巨響，這是用簡易扳手可擰動梁下翼緣與角鋼相連的左排螺栓，但肉眼看不出。當(dāng)層間位移角到達(dá)3%rad(38.19 mm)時，響聲不間斷的會發(fā)出，角鋼略微掀起。

當(dāng)層間位移角到達(dá)7%rad，即梁加載中心點位移76.38 mm，接近位移極值時，角鋼被較為明顯拉起。當(dāng)層間位移角到達(dá)8%rad(89.11 mm)時，隨著節(jié)點轉(zhuǎn)動角度增大，轉(zhuǎn)動過程中梁翼緣受角鋼擠壓變形，與角鋼翼緣產(chǎn)生間隙。而梁腹板也出現(xiàn)較為明顯的受壓變形導(dǎo)致的曲鼓。

當(dāng)層間位移角到達(dá)9%rad，即梁加載中心點位移114.57 mm第一個循環(huán)回拉至負(fù)向位移最大值時，發(fā)出一聲巨響，由于焊縫過焊下角鋼梁側(cè)鋼肢靠近焊縫處發(fā)生斷裂，荷載瞬間下降至當(dāng)前荷載的60%，隨后第二個循環(huán)回拉依然只回復(fù)到峰值的66%，遂結(jié)束實驗。

試驗結(jié)束后拆掉構(gòu)件，觀察到梁上下翼緣受壓屈曲，梁腹板局部屈曲，柱面受壓輕微凹陷。

3.1.3 DKQ節(jié)點試驗破壞過程及破壞形態(tài)

試驗加載初期，節(jié)點試件無明顯變化，處于彈性階段。在加載到層間位移角2%rad(梁端位移25.46 mm)循環(huán)時，節(jié)點發(fā)出輕微響聲，經(jīng)判斷此處應(yīng)是安裝間隙的調(diào)整與平衡。

當(dāng)加載到3%rad(38.19 mm)循環(huán)時，在位移較大時，角鋼微微被掀起。當(dāng)加載到4%rad(50.92 mm)循環(huán)期間，接近位移極值時，角鋼被拉起但角鋼和梁翼緣為見明顯變形。

當(dāng)加載到7%rad(89.11 mm)循環(huán)期間時，柱上內(nèi)側(cè)螺栓松動，造成上角鋼被拉起與柱的接觸面出現(xiàn)空隙。當(dāng)加載到8%rad(101.84 mm)循環(huán)期間時，當(dāng)位移歸零時，角鋼翼緣變形已經(jīng)無法恢復(fù)，與柱之間產(chǎn)生間隙，同時梁腹板受擠壓變形，以及上角鋼加勁肋的焊縫出現(xiàn)裂縫。

當(dāng)加載到9%rad(114.57 mm)，上角鋼加勁肋焊縫裂縫繼續(xù)增長，且梁上翼緣螺栓松動，且梁腹板屈曲明顯，正向峰值荷載停止增加，并且由于作動器牽引繩長度限制，遂停止實驗。

試驗結(jié)束后拆除構(gòu)件，可以看見梁腹板離節(jié)點最近蜂窩孔無任何變形。且受壓柱面發(fā)生輕微一定的凹陷。

3.2 變形能力和耗能能力分析

圖5和圖6為各構(gòu)件的滯回曲線對比圖，通常來說，滯回曲線的飽滿程度能夠一定程度上反映節(jié)點的耗能能力。

圖5 DBR與DBT節(jié)點滯回曲線

圖6 DBT與DKQ節(jié)點滯回曲線

通過對比圖可以看出各試件的滯回可分為兩個階段：

(1) 彈性階段:在試驗全過程的加卸載初期,各試件加載與卸載路徑基本重合，彎矩-轉(zhuǎn)角曲線基本成線性關(guān)系，節(jié)點的剛度沒有出現(xiàn)退化現(xiàn)象，此時試件仍在彈性范圍內(nèi)受力。卸載后的殘余應(yīng)變也很小，正向和反向加卸載一次沒有形成明顯的滯回環(huán)。隨著加載和循環(huán)次數(shù)的增加，節(jié)點的殘余變形也隨之增加，滯回曲線逐漸顯現(xiàn)出明顯的滯回環(huán)。

(2) 塑性階段:當(dāng)荷載繼續(xù)循環(huán)，節(jié)點殘余變形逐漸增大，滯回環(huán)的面積逐級增加。在每次循環(huán)加載的初期，構(gòu)件DBR、DBT、DKQ滯回曲線出現(xiàn)了一定的“捏攏”效應(yīng)，DBT最為明顯，這主要是加載期間存在高強(qiáng)螺栓的滑移，當(dāng)位移進(jìn)一步增大后，螺栓達(dá)到最大滑移量后再次和孔壁接觸,鋼材出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化,節(jié)點的剛度有一定的恢復(fù)增長。通過對比節(jié)點DBR與節(jié)點DBT，可以看出節(jié)點DBR正推滯回曲線飽滿程度明顯不如回拉滯回曲線，說明加勁肋對節(jié)點的耗能有一定影響。而節(jié)點DBR的同等位移下的荷載等級明顯低于節(jié)點DBT，說明角鋼鋼肢的厚度對節(jié)點承載力有顯著影響。通過對比節(jié)點DBT與節(jié)點DKQ，可以看出通過控制梁腹開孔率開孔面積，以及圓孔距離節(jié)點距離，蜂窩梁可以對節(jié)點抗震性能產(chǎn)生較小影響。

4 結(jié) 論

通過選取三個構(gòu)件的試驗與分析，可得出以下初步結(jié)論：

(1) 從承載力上來看，角鋼鋼肢厚度與破壞模式對承載力影響較大，替換角鋼對節(jié)點承載力影響不大。

(2) 從強(qiáng)度上看，排除過焊導(dǎo)致的鋼肢斷裂外，梁端破壞的節(jié)點強(qiáng)度后期仍會下降，而其余節(jié)點在中后期強(qiáng)度退化不明顯。

(3) 從剛度上看，角鋼鋼肢厚度、修復(fù)性替換角鋼、以及破壞模式的不同均會影響剛度。角鋼鋼肢越厚初始轉(zhuǎn)動剛度越大，修復(fù)性替換角鋼相比同尺同材節(jié)點初始剛度較小，但仍比較薄弱角鋼的初始轉(zhuǎn)動剛度大。梁剛度較小時節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度也會受影響。通過替換角鋼的方式后，后期剛度退化較其他節(jié)點緩慢。

(4) 從延性上來看，各節(jié)點的延性都較好，提高角鋼鋼肢厚度會降低節(jié)點延性。與承載力對比會顯露出相比剛性節(jié)點，層間位移角過大的問題，所以此節(jié)點若用在高層建筑會出現(xiàn)較嚴(yán)重的鞭梢效應(yīng)。

(5) 從耗能能力上來看，角鋼鋼肢厚度對耗能影響并不大，梁腹開孔控制距離后對耗散影響也不大，而經(jīng)過較大轉(zhuǎn)角實驗的節(jié)點替換角鋼會明顯降低節(jié)點能力耗散系數(shù)。當(dāng)破壞發(fā)生在梁端時，節(jié)點耗能能力主要取決于梁的抗彎能力及翼緣抗拉抗壓能力。