方鋼管混凝土柱梁下栓上焊節(jié)點受力性能研究

戎 賢，石曉娜，陳 磊,2，杜顏勝，張健新

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.同圓設(shè)計集團股份有限公司，濟南 250101；

3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

結(jié)合鋼管混凝土節(jié)點的研究[11-15]，文中提出了帶外肋環(huán)板的下栓上焊隔板貫通節(jié)點，設(shè)計了2個下栓上焊節(jié)點及1個全螺栓節(jié)點進行擬靜力試驗，研究其受力性能?；贒SCM技術(shù)對核心區(qū)主應(yīng)變和剪應(yīng)變的應(yīng)變場進行了監(jiān)測，得到了整個節(jié)點核心區(qū)應(yīng)變分布及變化情況，為今后帶外肋環(huán)板的下栓上焊隔板貫通節(jié)點的研究與應(yīng)用提供了相關(guān)參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

為研究下栓上焊節(jié)點的受力性能，試驗共設(shè)計制作了3個構(gòu)件。試件主要變化參數(shù)為梁截面的尺寸以及上翼緣連接方式，試件具體變化參數(shù)如表1所示。本構(gòu)件的設(shè)計為十字型對稱梁柱節(jié)點，上下柱高分別為1.595 m和1.295 m，梁長為1.8 m。其中，柱采用冷彎空心方形鋼管，梁采用工字型鋼，節(jié)點上部通過2個四邊形帶外倒角的外環(huán)板進行連接，并在柱和外環(huán)板上設(shè)置了貼板傳遞荷載，下部通過內(nèi)隔板與梁下翼緣進行螺栓連接,圖1為構(gòu)件的具體幾何尺寸及構(gòu)造形式。此外，構(gòu)件所用螺栓均為10.9級高強摩擦型螺栓，直徑為M20與M24，試驗前按規(guī)范要求使用專用扭矩扳手進行了初擰和終擰。

表1 試件主要參數(shù)Table 1 Main parameters of specimens

圖1 節(jié)點幾何尺寸及構(gòu)造Fig. 1 Details and dimensions of specimens

1.2 加載制度及量測

1)在未施加梁端豎向荷載前，采用液壓千斤頂在柱頂緩慢施加軸壓至770 kN；

2)試件屈服前，采用荷載控制，并采用20 kN級差進行分級加載，每級荷載只循環(huán)1次。

試件屈服后，采用位移控制加載，位移值取試件屈服時對應(yīng)的梁端豎向位移Δy，并以0.5Δy為極差控制加載，每級荷載循環(huán)2次。加載過程中，當(dāng)梁端荷載下降到極限荷載的85%或者構(gòu)件的破壞現(xiàn)象較為明顯時，宣布構(gòu)件破壞，結(jié)束試驗。

圖2 試驗裝置示意圖Fig. 2 Schematic view of test setup

圖3 節(jié)點核心區(qū)應(yīng)變片布置圖Fig. 3 Layout of strain gauges in the core area of joints

2 試驗現(xiàn)象

試件出現(xiàn)了2種不同類型的破壞。第1種破壞類型發(fā)生在JD1和JD2兩個下栓上焊節(jié)點，如圖4(a)所示，發(fā)生在梁兩側(cè)上翼緣焊縫附近，表現(xiàn)為隨著梁端荷載的增加，梁左右兩側(cè)上翼緣焊縫處發(fā)生鼓曲并產(chǎn)生裂縫，最終裂縫持續(xù)發(fā)展直至完全斷開，破壞過程中伴隨著螺栓滑移以及連接板與柱壁連接處出現(xiàn)裂縫等破壞現(xiàn)象。第2種破壞類型發(fā)生在全螺栓節(jié)點JD3，如圖4(b)所示,發(fā)生在內(nèi)隔板與柱連接處附近，表現(xiàn)為隨著梁端荷載的增加，梁左右兩側(cè)下翼緣發(fā)生鼓曲，內(nèi)隔板與柱連接處出現(xiàn)裂縫并持續(xù)擴展，直至內(nèi)隔板兩側(cè)裂縫貫穿，破壞過程中螺栓滑移更加明顯，梁上翼緣也發(fā)生輕微鼓曲。2種破壞類型主要發(fā)生破壞的部位都在焊縫附近，說明焊縫質(zhì)量的好壞對構(gòu)件承載能力至關(guān)重要。

圖4 節(jié)點破壞形式Fig. 4 Failure mode of specimens

3 延性分析

表2為3個構(gòu)件骨架曲線特征值，可以看出，3個節(jié)點的延性系數(shù)相對較小，下推時的延性系數(shù)明顯小于上拉時的延性系數(shù)，這是由于焊接缺陷導(dǎo)致焊縫附近受拉時極易產(chǎn)生破壞。其中，JD2在增加梁截面尺寸后，荷載的增長速率和極限荷載值顯著增加，梁上翼緣焊接處過早發(fā)生破壞，導(dǎo)致JD2延性小于JD1。全螺栓節(jié)點的延性系數(shù)顯著大于下栓上焊節(jié)點，是由于全螺栓節(jié)點梁上下翼緣螺栓均有明顯滑動，上翼緣螺栓連接減少了焊接缺陷，從而使全螺栓節(jié)點的延性顯著高于下栓上焊節(jié)點。

表2 試件骨架曲線特征值Table 2 Characteristic values of skeleton curves

4 滯回性能分析

根據(jù)作動器內(nèi)置位移和荷載傳感器所記錄的數(shù)據(jù)，可以得到JD1～JD3滯回曲線，如圖5所示。分析滯回曲線，可以看出，3個構(gòu)件的滯回曲線都較為飽滿，表現(xiàn)出良好的耗能性，但JD2在加載過程中荷載增長速率和極限荷載值顯著增加，后期梁上翼緣發(fā)生突然破壞，導(dǎo)致荷載發(fā)生突變。隨著梁端荷載及位移的逐級增加，JD1 ～JD3翼緣和腹板的螺栓均出現(xiàn)滑移，體現(xiàn)出輕微的“捏縮”，由于JD3是全螺栓連接節(jié)點，沒有梁上翼緣的焊接約束后，螺栓滑移的現(xiàn)象相對于其他2個節(jié)點更加嚴重，滯回曲線的“捏縮”也更加顯著。各節(jié)點試件在破壞前，每次同級加載循環(huán)，梁端荷載比較接近，說明在往復(fù)荷載作用下，節(jié)點剛度退化不明顯；隨著梁端荷載及位移的逐級增加，鋼管混凝土梁柱節(jié)點屈服的范圍逐漸增大，滯回曲線的切線斜率逐漸變小，說明試件剛度在逐漸退化。

圖5 試件滯回曲線Fig. 5 Hysteretic loops of specimens

5 應(yīng)變分析

5.1 鋼管柱核心區(qū)主應(yīng)變分析

圖6為鋼管柱核心區(qū)在荷載作用下應(yīng)變花T1～T5的主應(yīng)變變化情況。在加載前期，3個構(gòu)件主應(yīng)變增長較快，當(dāng)達到破壞位移之后，JD1與JD2 5個測點的主應(yīng)變均出現(xiàn)不同程度的下降，JD3的主應(yīng)變增長速率也明顯降低。因為梁端發(fā)生破壞后，梁端施加的荷載明顯降低，傳遞到核心區(qū)的荷載同樣也明顯降低，使核心區(qū)的主應(yīng)變出現(xiàn)不同程度的下降或者增長速率降低。下栓上焊節(jié)點JD1與JD2相對于全螺栓節(jié)點JD3主應(yīng)變值明顯降低，說明下栓上焊節(jié)點能有效減少核心區(qū)的變形，從而保護節(jié)點核心區(qū)不受破壞。

圖6 核心區(qū)主應(yīng)變變化圖Fig. 6 Principal strain diagram of core region

5.2 腹板連接板主應(yīng)變分析

圖7為右側(cè)腹板連接板在荷載作用下應(yīng)變花T9～T10的主應(yīng)變變化情況。在加載初期，構(gòu)件連接板的3個測點主應(yīng)變增長速率較為緩慢，隨著荷載的增加，主應(yīng)變增長速率不斷增加。當(dāng)達到破壞點時，JD1與JD2上部的主應(yīng)變開始急劇上升，而中部和下部的主應(yīng)變增長速率降低。因為加載后期腹板連接板與柱壁連接處下部出現(xiàn)裂縫，腹板連接板中下部能承受的荷載明顯降低，主應(yīng)變增長速率也隨之下降，而且梁上翼緣產(chǎn)生貫通裂縫，后期已基本失去承載能力，導(dǎo)致連接板上部承受的彎矩和剪力顯著增加，主應(yīng)變值急劇上升。JD3 3個測點在加載后期應(yīng)變值顯著增加，下部測點增加最為明顯，主要是因為內(nèi)隔板與柱壁連接處出現(xiàn)裂縫，承載力降低，使連接板所受的彎矩和剪力顯著增加，連接板下部最為顯著。

圖7 腹板連接板主應(yīng)變變化圖Fig. 7 Principal Strain Diagram of Web Connecting Plate

5.3 貼板應(yīng)變分析

圖8為貼板在荷載作用下應(yīng)變片38～40的應(yīng)變變化情況。可以看出，JD1～JD3 3個測點的應(yīng)變值都較小，在整個加載過程中，應(yīng)變值的變化幅度不大且沒有明顯的規(guī)律性，由此推斷，在荷載由梁端向柱翼緣傳遞的過程中，主要是通過外環(huán)板進行傳遞，貼板所受的彎矩和剪力都較小。

圖8 貼板應(yīng)變變化圖Fig. 8 Strain diagram of Patch

6 核心區(qū)變形場演化

6.1 主應(yīng)變變化規(guī)律

圖9給出了3個構(gòu)件在核心區(qū)左上方(應(yīng)變花T1處)通過DSCM系統(tǒng)測出的主應(yīng)變在整個加載過程中的變化規(guī)律?？梢钥闯觯鲬?yīng)變變化趨勢符合擬靜力試驗加載規(guī)律，在加載過程中，應(yīng)變不斷增長，在卸載到反向加載過程中，應(yīng)變不斷降低，同時產(chǎn)生了殘余應(yīng)變。達到極限承載力之前，3 個構(gòu)件目標(biāo)點的主應(yīng)變呈不斷增長的趨勢，達到極限承載力后直至破壞的過程中，主應(yīng)變值有所降低。當(dāng)達到極限承載力時，下栓上焊節(jié)點JD1和JD2主應(yīng)變分別達到2 100 με、2 700 με，與應(yīng)變花T1所測主應(yīng)變值基本一致，表明通過DSCM測得的應(yīng)變值真實可靠。全螺栓節(jié)點JD3由于加載的位移幅值較大，主應(yīng)變達到3 100 με。

圖9 核心區(qū)T1處主應(yīng)變變化曲線Fig. 9 Principal strain curve at T1 of core region

選取加載前的散斑圖像作為參考，通過DSCM系統(tǒng)計算得到了施加軸力后、屈服點、極限承載力點以及破壞點4個時刻的核心區(qū)主應(yīng)變云圖[16]，圖10給出了3個構(gòu)件在4個典型時間點的核心區(qū)主應(yīng)變云圖?？梢钥闯?，在加載初期，主應(yīng)變主要從核心區(qū)四周產(chǎn)生，核心區(qū)中間主應(yīng)變較小，隨著荷載的不斷增加，最大主應(yīng)變值與應(yīng)變區(qū)域面積不斷增加，而且主應(yīng)變云圖逐漸趨于呈45°斜向分布，其中，JD2和JD3加載過程中最大主應(yīng)變分別是JD1的1.6倍和2倍。當(dāng)構(gòu)件破壞后，核心區(qū)所受荷載減小，最大應(yīng)變及應(yīng)變區(qū)域面積相對極限荷載時有所降低。

圖10 核心區(qū)主應(yīng)變云圖Fig. 10 Principal strain nephogram of core region

6.2 剪應(yīng)變變化規(guī)律

圖11給出了3個構(gòu)件在核心區(qū)左上方(應(yīng)變花T1處)通過DSCM系統(tǒng)測出的剪應(yīng)變在整個加載過程中的變化規(guī)律?？梢钥闯?，剪應(yīng)變變化曲線與擬靜力試驗加載制度曲線變化規(guī)律基本一致，當(dāng)梁端荷載向下進行加載時，該點產(chǎn)生了正向剪應(yīng)變，反向加載時，該點產(chǎn)生負向剪應(yīng)變。在極限承載力之前，每一個循環(huán)的剪應(yīng)變最大值呈不斷增長的趨勢，當(dāng)達到極限承載力之后，剪應(yīng)變最大值有所降低。對于下栓上焊節(jié)點，JD1最大正向剪應(yīng)變在1 100 με，最大負向剪應(yīng)變在-1 400 με，JD2最大正向剪應(yīng)變在1 800 με，最大負向剪應(yīng)變在-1 600 με，由于梁上下翼緣并不對稱，正負向剪應(yīng)變變化曲線也不完全對稱。而JD3上下翼緣均為螺栓連接，正負向剪應(yīng)變變化曲線基本對稱，最大正向剪應(yīng)變在1 400 με，最大負向剪應(yīng)變在-1 400 με。3個節(jié)點剪應(yīng)變值都較小，而且變化幅度不大，試驗中核心區(qū)并沒有明顯變形，說明下栓上焊及全螺栓節(jié)點核心區(qū)所承受的荷載較小，核心區(qū)得到了較好的保護。

圖11 核心區(qū)T1處剪應(yīng)變變化曲線Fig. 11 Shear strain curve at T1 of core region

圖12為選取加載前的散斑圖像作為參考，通過DSCM系統(tǒng)計算得到的4個時刻(施加軸力后、屈服點、極限承載力點、破壞點)的核心區(qū)剪應(yīng)變云圖?？梢钥闯觯诩虞d初期，剪應(yīng)變從核心區(qū)各個位置均有產(chǎn)生，隨著荷載的不斷增加，最大剪應(yīng)變值與剪應(yīng)變區(qū)域面積不斷增加，而且剪應(yīng)變云圖逐漸呈45°斜向分布，核心區(qū)右側(cè)剪應(yīng)變大于左側(cè)剪應(yīng)變，JD2和JD3加載過程中最大剪應(yīng)變分別是JD1的1.9倍和1.4倍。當(dāng)構(gòu)件破壞后，核心區(qū)所受荷載減小，最大剪應(yīng)變及應(yīng)變區(qū)域面積相對于極限荷載時有所降低。

圖12 核心區(qū)剪應(yīng)變云圖Fig. 12 Shear strain nephogram of core region

7 結(jié) 論

對2個下栓上焊外環(huán)板節(jié)點以及1個全螺栓節(jié)點進行了低周往復(fù)試驗，通過分析相關(guān)試驗現(xiàn)象和試驗結(jié)果可以得到以下結(jié)論。

1)構(gòu)件破壞的位置都發(fā)生在梁端，核心區(qū)基本沒有破壞現(xiàn)象，符合“強柱弱梁”的設(shè)計準(zhǔn)則。下栓上焊節(jié)點與全螺栓節(jié)點的破壞形式有所不同，下栓上焊節(jié)點主要破壞位置為梁上翼緣與外環(huán)板連接的焊縫處，全螺栓節(jié)點破壞發(fā)生在下內(nèi)隔板與柱連接的焊縫處，考慮是受焊接質(zhì)量的影響，焊縫附近鋼材強度降低并產(chǎn)生應(yīng)力集中，使破壞位置都發(fā)生在焊縫附近。其中，全螺栓節(jié)點由于螺栓滑動及焊接缺陷少，延性顯著好于下栓上焊節(jié)點。

2)從應(yīng)變分析可以看出，下栓上焊節(jié)點核心區(qū)的應(yīng)變值比全螺栓節(jié)點降低，說明下栓上焊節(jié)點能有效減少核心區(qū)的變形；當(dāng)梁上下翼緣發(fā)生破壞后，腹板連接板處所受荷載增加，應(yīng)變增長明顯；梁與柱連接處貼板所受荷載較小，變形也較小，由此推斷梁柱之間主要靠外環(huán)板來傳遞荷載。

3)隨著荷載增加，主應(yīng)變以及剪應(yīng)變云圖均呈45°斜向發(fā)展，應(yīng)變范圍及應(yīng)變值也逐漸增加，主應(yīng)變與剪應(yīng)變在加載過程中發(fā)展趨勢符合加載制度的規(guī)律。梁截面尺寸以及節(jié)點連接方式是梁柱節(jié)點受力性能的主要影響因素，當(dāng)梁截面尺寸增加或連接方式為全螺栓連接時，最大主應(yīng)變分別為對比構(gòu)件的1.6倍和2倍，最大剪應(yīng)變則分別為對比構(gòu)件的1.9倍和1.4倍。