門式剛架梁柱端板斜放螺栓連接節點抗震性能試驗研究

李博，李瑞峰，白鳳娟

門式剛架梁柱端板斜放螺栓連接節點抗震性能試驗研究

李博1，李瑞峰2，白鳳娟3

（1西安建筑科技大學西安710055 2中冶置業有限責任公司北京100061 3陜西現代建筑設計研究院西安710048）

為了研究門式剛架梁柱端板斜放螺栓連接的抗側移承載力以及端板厚度和高強螺栓強度等級對于此類節點抗震性能的影響，設計了3個1/2比例門式剛架節點試件進行低周反復水平加載試驗，獲得了節點的荷載-位移滯回曲線、骨架曲線和破壞特征等。試驗結果表明：試件的梁比柱受力不利，試件破壞主要發生在梁上翼緣靠近節點區域部位；試件的荷載-位移滯回曲線比較豐滿，說明節點的耗能能力較強，具有良好的抗震性能。

門式剛架；端板連接；抗震性能；試驗研究

1 引言

門式剛架結構出現于上世紀40年代，并于近年來成為發展速度最快的一種新型輕鋼結構，目前已廣泛應用于輕型工業廠房、體育場館、娛樂場所、倉庫及超市等。在門式剛架鋼結構中，梁柱連接節點的設計是否合理對于保證結構的可靠性和整體性均有著直接性的影響；而端板連接是門式剛架輕型房屋鋼結構中最常用的節點形式。目前，我國在這方面的相關試驗文獻資料相對較少，大部分集中在對多層鋼框架節點的試驗研究[1]～[3]；而在有限的對于門式剛架梁柱節點所進行過的試驗中，又以端板豎放或橫放為主[4]，而端板斜放的試驗研究很少。本文通過對3個1/2比例門式剛架梁柱端板斜放螺栓連接節點試件進行低周反復水平加載試驗，研究了此類節點的破壞形態、滯回特性、承載能力等。

2 試驗概況

2.1 試件設計

本次試驗在試件設計階段參考了《門式剛架輕型房屋鋼結構》（02SG518-1）圖集，共設計了3個試件，如圖1所示。

圖1 試件的外形及尺寸

3個試件均采用外伸式端板連接方式；梁柱均采用變截面工字形截面，在加工廠進行焊接，其中所有部位的焊接均采用角焊縫連接，焊縫均采用焊腳尺寸hf=4mm的角焊縫且雙面焊，然后在實驗室進行拼裝。

3個試件的梁柱尺寸相同（表1）；3個試件的區別在于端板厚度和螺栓強度等級不同（表2）。所有試件采用Q235鋼制作，實測鋼材的物理力學性能指標（由材性試驗得出）見表3。

2.2 試驗裝置及加載方案

表1 試件梁柱截面尺寸

表2 試件的端板厚度、螺栓型號、螺栓直徑統計表

表3 材性試驗結果

本試驗是在西安建筑科技大學結構工程與抗震教育部重點實驗室進行的。試驗裝置如圖2所示。豎向荷載利用油壓千斤頂施加，反力梁與豎向加載裝置間設有可隨試件水平移動的滾動導軌，水平推拉力采用液壓伺服作動器施加。

圖2 試驗裝置

試驗時，先在柱頂施加豎向荷載至設計值，然后在柱頂端施加低周水平反復荷載，以模擬試件在地震中的受力情況。在加載初期采用荷載控制并分級加載，每級荷載增量為±10kN；當試件屈服后采用位移控制，以屈服位移的1倍為級差進行控制加載，直至試件破壞或位移超過規范規定的限值。反復荷載循環的次數，屈服前為一次，屈服后為三次。

2.3 量測方案

在梁、柱靠近節點附近區域內粘貼電阻應變片，在節點區腹板上粘貼電阻應變片和應變花，在端板和螺栓上粘貼電阻應變片，用來測得相應部位的應變和內力變化情況。應變片和應變花的布置如圖3所示。另外，在梁端、柱端、柱腳以及節點區域分別布置電子位移計，并在節點區對角線上布置百分表，以測得相應的位移和節點區剪切變形情況。試驗數據由實驗室中數據采集儀記錄。

圖3 應變片布置

3 試驗結果

3.1 加載破壞過程及特點

三個試件的加載過程基本相同，破壞過程略有不同。試件的主要破壞形態如圖4所示。

圖4 試件破壞形態

在加載初期，水平荷載－柱頂位移之間基本呈直線關系，這表明節點在彈性范圍內工作。隨著加載進程不斷推進，在由位移控制加載之后，通常在50mm循環過程中梁上翼緣首先開始出現變形，之后變形范圍逐漸擴大并且程度加深；70mm循環過程前后梁下翼緣開始出現變形。同時，在節點區腹板上可以明顯看到腹板外鼓的現象，其程度從試件一到試件三逐漸減輕；梁、柱端板有被拉開趨勢，端板之間出現明顯縫隙（圖4③）。在上翼緣出現屈曲的同時，試件通常出現側向失穩（圖4②）。試件最終破壞于梁上，且以梁的上翼緣破壞為主（圖4①）；柱上破壞不明顯，幾乎無可觀測到的變形出現。

3.2 滯回曲線

本次試驗測得的各試件荷載-位移滯回曲線如圖5所示。其中，P、△分別表示柱頂水平荷載和頂點水平位移。從圖5中可看出各試件的滯回曲線具有以下特點：

所有試件的滯回曲線均呈梭形，比較豐滿，且各級循環的滯回曲線能基本重合，說明門式剛架端板螺栓連接節點的延性較好，耗能能力較強，具有良好的抗震性能。加載曲線和卸載曲線的斜率均隨著反復加載次數的增加而減小，這說明節點的加載和卸載過程中存在著剛度退化現象。從實測試件的滯回曲線可看出，試件SJ-1，SJ-3的滯回曲線要比SJ-2更飽滿一些，即隨著端板厚度增加，滯回曲線的飽滿程度降低（如圖5中螺栓強度級別和螺栓直徑相同的情況下，SJ-2端板厚度10mm與SJ-3端板厚度8mm滯回曲線相比較）；而隨著螺栓強度級別提高，滯回曲線的飽滿程度提高（如圖5中端板厚度和螺栓直徑相同的情況下，SJ-1螺栓強度10.9級與SJ-2螺栓強度8.8級滯回曲線相比較）。曲線外包面積增大，則延性提高，所以SJ-1，SJ-3吸收能量的性能較SJ-2好，對抗震更有利。

圖5 試件的水平荷載—位移滯回曲線

3.3 骨架曲線

骨架曲線是通過連接低周反復加載作用下歷次循環的峰值點而得到的包絡線，該曲線是每次循環的荷載-位移曲線達到最大峰值點的軌跡，它能夠反映出構件的屈服荷載和位移、極限荷載和位移等特征點，同時也能反映出在反復荷載作用下，結構或構件能量吸收、延性、強度、剛度及其退化等方面的力學特性。

對于本次試驗中的三個試件，通過對各試件的P-△滯回曲線取包絡線，即可得到各試件的骨架曲線如圖6所示。

將以上三個試件的骨架曲線進行兩兩對比，可得到各種不同因素對于骨架曲線的影響。

圖6 試件的骨架曲線

4 結論

本文從3個門式剛架梁柱端板斜放螺栓連接節點出發，通過對試驗現象的記錄及對試驗結果的分析，進而討論了此類節點的抗震性能。試驗結論如下：

（1）端板斜放螺栓連接門式剛架的梁比柱受力不利，試件的破壞主要發生在梁上翼緣靠近節點區域部位。

（2）三個試件的荷載-位移滯回曲線均呈梭形，比較豐滿，說明節點的耗能能力較強，具有良好的抗震性能；在其他條件均相同時，提高螺栓強度級別則滯回曲線更豐滿，對抗震性能有利。

（3）高強螺栓強度級別越高則試件的承載力和變形能力越大；由于其他因素的影響，試驗中端板厚度對于試件承載力和變形能力的影響不明顯。

[1]郭兵，顧強，柳峰，趙考重.梁柱端板連接節點的滯回性能試驗研究[J].建筑結構學報，2002，23(3).

[2]施剛，石永久，王元清，李少甫，陳宏.多層鋼框架半剛性端板連接的試驗研究[J].清華大學學報（自然科學版），2004，44(3).

[3]郭兵，顧強.多層鋼框架中梁柱端板連接的強度和剛度[J].建筑結構學報，2004，25(2).

[4]石永久，廖新軍，王元清，陳宏.門式剛架梁柱Γ形節點受力性能的試驗研究[J].中國礦業大學學報，2005，34(3).

Experimental Study on Seismic Behavior of Inclined Bolted End-plate Connections in Portal Frame

Three specimens in 1/2 scale of the prototype model were tested under low-cyclic reversed loading to study the lateral resisting ability of inclined bolted end-plate connections in portal frame in order to study the effect of the end-plate thickness and high strength bolts strength on the seismic performance of such joints.The load-displacement hysteresis curves,skeleton curves and failure mode of the specimens are obtained from the experimental results.Test results show that specimen damage at the top flange of the beam near joint panel zone is worse than at the column,and the load-displacement hysteresis curves are plump.This indicates that the specimens have good energy-absorbing capacity and excellent anti-seismic behavior.

gable frames;end-plate connection;seismic performance;experimental study

TU317

A

1671-9107（2010）06-0040-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.6.040

2010-3-22

李博（1984—），男，陜西人，碩士研究生，主要從事結構工程研究。