T型鋼連接鋼框架抗震性能研究

黃強，王新武，高鑫，時強

(1.洛陽理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454150)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建設(shè)是一種新型的建造方式[1]。2019年10月1日起實施的《裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑技術(shù)標準》JGJ/T469—2019使鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅發(fā)展迎來空前機遇[2]。2020年初新型冠狀病毒給人民生活帶來巨大沖擊。在抗擊病毒過程中，建設(shè)單位僅用10天即建造完成3.4萬平方米武漢火神山醫(yī)院，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工效率和中國速度再次令世界驚嘆。

梁柱節(jié)點是影響結(jié)構(gòu)整體抗震性能最重要的因素之一[3-5]。在裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)體系中，梁柱由連接件和高強螺栓連接，這種節(jié)點不僅可以發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，而且還可以傳遞一定的彎矩[6-7]，受力特征介于剛接和鉸接之間，稱之為半剛性節(jié)點。

W.F.Chen[8]在半剛性節(jié)點研究方面做了大量卓有成效的工作，收集了豐富的半剛性連接節(jié)點研究試驗數(shù)據(jù)；石文龍[9]對平齊端板連接節(jié)點進行了擬靜力試驗研究，推導(dǎo)了節(jié)點承載力和剛度的計算式；王新武[10]完成了20個足尺鋼框架梁柱連接節(jié)點的擬靜力試驗，試驗表明半剛性梁柱連接節(jié)點的鋼框架有較好的抗震性能，其中T型鋼半剛性連接方式在提高節(jié)點承載力方面有著明顯的作用；C.S.Gildon等[11]對2個弱軸平面節(jié)點開展了擬靜力試驗研究，結(jié)果表明,這種節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)角達到了0.03 rad;J.Witteveen等[12]采用試驗方法研究了半剛性節(jié)點的破壞模式，分析了節(jié)點域螺栓、端板、柱腹板和柱翼緣等各組件的承載力。基于大量的試驗研究成果，EC3規(guī)范提出了組件法，即分析梁柱節(jié)點內(nèi)力的傳遞路徑，進而確定所有組件的承載力和剛度。美國AISC規(guī)范以節(jié)點經(jīng)歷極限彎矩之后，彎矩承載力降低至極限彎矩的20%所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角達到或大于0.03 rad，即認為該節(jié)點延性良好。我國GB50017-2017對梁柱半剛性節(jié)點進行了說明，規(guī)定極限彎矩承載力應(yīng)滿足的條件，但沒有給出具體的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線計算方法。

目前，半剛性連接節(jié)點的抗震性能試驗研究，受試驗條件等多種因素影響，多采用梁段加載模式，忽略了框架柱側(cè)向變形引起的P-δ二階效應(yīng)對節(jié)點受力特性的影響。同時，鋼框架不同位置梁柱節(jié)點的試驗對比分析較少。

本文選取平面框架兩個不同位置的剖分T型鋼連接梁柱節(jié)點，以連接件厚度為參數(shù)，采用柱端加載模式進行擬靜力試驗研究，以期得到剖分T型鋼連接的邊柱節(jié)點和中柱節(jié)點的抗震性能和在低周往復(fù)荷載作用下的破壞機理。

1 試驗概況

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

對1∶ 1的足尺剖分T型鋼半剛性連接平面鋼框架中的邊柱節(jié)點和中柱節(jié)點進行擬靜力試驗，研究節(jié)點的抗震性能。

1.2 材性試驗

按照國家規(guī)范《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》GB/T2975-2018和《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》GB/T228.1-2010規(guī)定，在相同批次的鋼材中截取標準尺寸試件，并對試件表面進行拋光除銹處理。將試件安裝在600 kN電子萬能試驗機上，進行單軸拉伸試驗，測定鋼材的屈服強度、抗拉強度和伸長率等，材性試驗結(jié)果見表1。

表1 鋼材材性試驗結(jié)果

1.3 試件設(shè)計

試驗節(jié)點類型為邊柱節(jié)點和中柱節(jié)點，如圖1所示，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》GB50017-2017和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010的設(shè)計要求

圖1 節(jié)點模型圖

對試驗的梁、柱、T型件進行設(shè)計。節(jié)點中梁選用鋼材為HN350，柱子選用鋼材為HW300。T型鋼連接框架節(jié)點由梁、柱、T型件組成，使用10.9級M22高強螺栓進行連接，各構(gòu)件截面尺寸見表2。螺栓預(yù)緊力通過扭矩扳手施加，螺栓預(yù)緊力大小為190 kN。

表2 構(gòu)件截面尺寸

2 試驗加載和測量方案

2.1 加載方式

圖2為框架在水平荷載作用下的變形圖，試驗取反彎點之間的梁柱為加載模型。以柱端加載方式進行試驗[12-13]。為更好反映真實結(jié)構(gòu)的受力方式，在梁端采用滑動支座進行約束，柱腳處設(shè)置滾排，模擬真實柱腳約束。豎向作動器對柱施加軸向荷載，通過水平方向作動器，在柱腳處施加往復(fù)荷載。節(jié)點的受力簡圖見圖3，試驗現(xiàn)場見圖4，試驗梁端和柱腳約束見圖5。

圖2 框架在水平荷載作用下的變形圖

圖3 柱端加載模型

圖4 試驗現(xiàn)場圖

圖5 邊界約束

2.2 加載方案

首先通過豎向作動器對柱頂施加200 kN軸壓，然后對梁端進行約束，在±20 kN以內(nèi)進行水平方向預(yù)加載，檢查試件接觸是否良好。正式開始時，根據(jù)《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101-2015),采用力和位移混合控制加載制度，試件屈服以前，采用力控制方法，分級加載,在試件接近屈服時，減小加載級差，直至試件屈服。

試件的屈服位移如表3所示。試件屈服后，加載制度采用位移控制，位移步長為1倍的屈服位移，在柱端施加相應(yīng)水平位移，進行低周往復(fù)荷載試驗，每級位移循環(huán)加載3次，直到出現(xiàn)較大位移或節(jié)點發(fā)生破壞，試驗停止[9]。試件的加載方案如圖6所示。本次試驗中，SJ節(jié)點加載至18倍屈服位移時試驗終止，MJ節(jié)點加載至8倍屈服位移時試驗結(jié)束。

表3 試件屈服位移表

2.3 測量方案

在T型鋼連接件和梁翼緣上選取多個關(guān)鍵點黏貼應(yīng)變片，測量加載過程中節(jié)點的應(yīng)變響應(yīng)。在柱腳處布置位移計，該位移計的讀數(shù)作為加載過程中的位移控制依據(jù)；在梁、柱連接位置處布置拉線位移計，用于量測梁柱相對轉(zhuǎn)角θ。圖7為節(jié)點位移計布置圖。

圖7 節(jié)點位移計布置圖

梁柱節(jié)點相對轉(zhuǎn)角通過拉線位移計測量。按式(1)計算[13]

式中：disp為位移計讀數(shù);a、b分別為位移計到柱翼緣處、梁翼緣處之間的距離。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗現(xiàn)象

圖8(a)為SJ-1試件破壞模式圖，梁上翼緣與柱連接的T型件發(fā)生過大塑性變形。圖8(b)為SJ-2試件破壞模式圖，梁下翼緣與柱連接的T型件發(fā)生斷裂破壞。兩個邊柱節(jié)點試件試驗現(xiàn)象相似，表4為SJ-1試件的試驗現(xiàn)象，加載初期，兩個邊柱節(jié)點試件處于彈性階段，加載過程中觀察不到明顯變化。隨著荷載增大，T型件翼緣腹板焊接區(qū)域開始屈服，發(fā)生較明顯的變形。

表4 SJ-1試件試驗現(xiàn)象

圖8 試件邊柱節(jié)點試件破壞模式

圖9(a)為MJ-1試件破壞模式圖，梁上翼緣與柱連接的T型件(圖示1區(qū))發(fā)生斷裂破壞。圖9(b)為MJ-2試件破壞模式圖，梁上翼緣與柱連接的T型件發(fā)生較大的塑性變形(圖示1區(qū)和3區(qū))，且柱發(fā)生較大的塑性變形。兩個中柱節(jié)點試件的試驗現(xiàn)象相似，表5為MJ-1試件的試驗現(xiàn)象。觀察可知，節(jié)點破壞時，柱軸線仍基本保持為直線；試件破壞時，柱的軸線不再是一條直線，而是變形為一條曲線，圖9(b)變形最為明顯，說明連接件厚度對T型鋼連接梁柱節(jié)點的破壞模式影響較為明顯。

表5 試件MJ-1試驗現(xiàn)象

圖9 試件中柱節(jié)點試件破壞模式

3.2 滯回曲線

圖10是SJ-1和SJ-2試件的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線，彎矩由試驗采集到的梁端支座約束反力轉(zhuǎn)化為節(jié)點區(qū)域的梁端彎矩，轉(zhuǎn)角為梁柱相對轉(zhuǎn)角，由拉線位移計采集到的梁柱相對位移按2.3節(jié)式(2)換算得到。

SJ-1試件滯回曲線具有菱形特征[10]，滯回曲線形狀飽滿；SJ-2試件滯回曲線呈弓形，滯回曲線受到螺栓滑移影響，具有捏縮效應(yīng)。兩個試件的滯回曲線在加載前期形狀相似，說明SJ-1試件在試驗終止時仍具有一定承載力，連接件厚度小，破壞提前。

圖11～12分別是MJ-1試件和MJ-2試件左側(cè)和右側(cè)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系滯回曲線，兩個試件滯回曲線均呈“菱形”特征，滯回曲線飽滿，MJ-2試件滯回曲線較MJ-1試件滯回曲線包括面積更大，說明連接件厚度對中柱節(jié)點滯回性能影響明顯，厚度越大，破壞延遲，節(jié)點耗能越大。

3.3 骨架曲線

圖13～14分別是邊柱節(jié)點試件和中柱節(jié)點試件的彎矩-轉(zhuǎn)角骨架曲線，試件變形具有明顯的彈性階段和塑性階段。表6為各試件的骨架曲線分析表，結(jié)合圖13～14和表6分析可知，加載初期，邊柱節(jié)點試件和中柱節(jié)點試件均處于彈性階段；隨著加載繼續(xù)，T型連接件翼緣產(chǎn)生較大屈服變形。連接件厚度對試件極限承載力和初始剛度具有較明顯的影響，隨連接件厚度增加，節(jié)點抗側(cè)剛度增大，極限承載力提高。對于邊柱節(jié)點，SJ-2試件極限彎矩承載力較SJ-1試件正向提高49.9%，負向提高69.6%；對于中柱節(jié)點，MJ-2試件極限彎矩承載力較MJ-1試件正向提高30.9%，負向提高23.4%。邊柱節(jié)點MJ-2試件的極限彎矩承載力較中柱節(jié)點試件正向提高27.1%，負向提高52.1%?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)中，多、高層鋼結(jié)構(gòu)層間位移角限值為1/50，對應(yīng)的梁柱轉(zhuǎn)角應(yīng)為0.02 rad，傳統(tǒng)焊接節(jié)點，由于焊縫破壞，要達到0.02 rad的轉(zhuǎn)動變形是比較困難的。本文4個試件中，最小極限轉(zhuǎn)角為0.056 5 rad，表現(xiàn)出較好的轉(zhuǎn)動能力，有益于結(jié)構(gòu)耗能。

圖13 試件邊柱節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角骨架曲線

圖14 試件中柱節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角骨架曲線

表6 骨架曲線分析表

3.4 剛度退化曲線

本文采用割線剛度定義試件的轉(zhuǎn)動剛度，根據(jù)同一級荷載下正負方向彎矩承載力絕對值之和與對應(yīng)峰值轉(zhuǎn)角絕對值之和的比值計算。表7為各試件初始轉(zhuǎn)動剛度表。將試件剛度進行歸一化，隨荷載等級增加，試件轉(zhuǎn)動剛度在初始轉(zhuǎn)動剛度的基礎(chǔ)上發(fā)生退化。圖15～16分別為邊柱節(jié)點試件和中柱節(jié)點試件的剛度退化曲線。分析可知：連接件厚度對節(jié)點初始剛度影響較明顯，其中邊柱節(jié)點SJ-2試件較SJ-1試件初始剛度提高了57.3%，中柱節(jié)點MJ-2試件較MJ-1試件初始剛度平均提高44.5%。中柱節(jié)點的初始剛度較邊柱節(jié)點高。

圖15 試件邊柱節(jié)點剛度退化曲線

圖16 試件中柱節(jié)點剛度退化曲線

表7 各試件初始剛度表

3.5 延性系數(shù)

結(jié)構(gòu)側(cè)移延性系數(shù)μΔ是結(jié)構(gòu)屈服后的后期變形能力的重要衡量指標，采用極限轉(zhuǎn)角Δu與屈服轉(zhuǎn)角Δy的比值描述。

(3)

屈服轉(zhuǎn)角Δy由通用屈服荷載法[18]確定，如圖17所示。

圖17 通用屈服荷載法

由式(3)計算結(jié)構(gòu)延性系數(shù),結(jié)果如表8所示，分析可知，隨著連接件厚度增加，節(jié)點的側(cè)移延性系數(shù)減小。

表8 側(cè)移延性系數(shù)表

3.6 耗能分析

表9為邊柱節(jié)點試件和中柱節(jié)點試件的耗能系數(shù)和等效黏滯阻尼系數(shù)。分析可知：邊柱節(jié)點SJ-1試件和SJ-2試件的最終耗能系數(shù)分別為2.18和2.75，而中柱節(jié)點MJ-1試件和MJ-2試件的最終耗能系數(shù)分別為1.36和1.69，說明連接件厚度和節(jié)點位置對其耗能系數(shù)影響較大，即影響節(jié)點耗能能力。邊柱節(jié)點SJ-1試件和SJ-2試件的等效黏滯阻尼系數(shù)為0.35，0.42，而中柱節(jié)點MJ-1試件和MJ-2試件的等效黏滯阻尼系數(shù)分別為0.22和0.26，邊柱節(jié)點較中柱節(jié)點高59.0%，說明連接件厚度和節(jié)點位置對其等效黏滯阻尼系數(shù)亦有影響。

表9 試件各階段耗能系數(shù)和等效黏滯阻尼比

4 結(jié) 論

(1)破壞模式為T型鋼連接件斷裂或過大的塑性變形，連接件剛度越小，越容易發(fā)生斷裂破壞，不利于節(jié)點延性發(fā)展。

(2)邊柱節(jié)點試件和中柱節(jié)點試件滯回曲線飽滿，說明采用T型連接的梁柱邊柱節(jié)點和中柱節(jié)點均具有穩(wěn)定的滯回性能。

(3)連接件厚度和節(jié)點位置對試件極限承載力、初始剛度、累計耗能均具有影響明顯，連接件厚度越大，試件抗震性能越好，由于受力狀態(tài)不同，邊柱試件的極限承載力高于中柱節(jié)點，但初始轉(zhuǎn)動剛度較中柱節(jié)點試件低。

(4)4個節(jié)點試件極限轉(zhuǎn)角最小為0.056 5 rad，遠高于現(xiàn)行抗震規(guī)范中0.02 rad的限值，且超過了美國FEMA標準要求的0.03 rad，說明采用T型鋼連接的梁柱節(jié)點具有較高的延性。