矩形鋼管混凝土柱-H型鋼梁隔板貫通式節點試驗研究

楊新磊，王海良，董 鵬，任權昌

（天津城市建設學院 土木工程系，天津 300384）

0 前言

鋼框架中剛性連接形式可分為3種，即隔板貫通式、柱貫通式、梁貫通式．隔板貫通主要用于H形鋼梁與鋼管柱之間的連接，傳遞梁翼緣內力的隔板穿過整個柱截面，柱身通過焊接與隔板保持連續，梁翼緣亦焊接于隔板上，梁腹板栓接于柱上[1]；柱貫通式是指柱構件在節點處保持連續；梁貫通式指梁構件在節點處保持連續．在各種新型節點中，用于矩形鋼管混凝土柱的隔板貫通式節點越來越得到科研人員和工程界的重視．

1 試驗設計

1.1 節點設計

節點JD-1和JD-2均按照《矩形鋼管混凝土結構技術規程》的要求進行設計，采用貫通式隔板，區別在于翼緣兩側的楔形板長度不同，其細部結構見圖1．矩形鋼管柱截面均為700×500×30（腹板厚）×35（翼緣厚），鋼管柱內布置栓釘，內灌注的混凝土設計強度等級為C40；H型鋼梁截面均為700×300×13（腹板厚）×24（翼緣厚）；隔板厚度均為24 mm厚；梁柱所用鋼材均為Q345B．試件采用的鋼材實測力學性能見表1．

圖1 節點細部構造Fig.1 Thedetailsof theconnections

1.2 試驗裝置及加載制度

為了較準確地反映水平地震作用下邊節點的受力，采用在柱端施加水平荷載的加載方式．試驗裝置如圖2所示，梁端與柱底均為鉸支座．試驗時，在節點兩側設置了水平支撐，以防止加載過程中試件因失穩而提前破壞，此外，在試件與側向支撐間安置了四氟乙烯板以減小摩擦力，如圖2所示．本試驗沒有對柱施加軸力以反映節點核心區抗剪的最不利條件．

表1 鋼板材料特性Tab.1 Properties of the steel plate

圖2 試驗裝置Fig.2 Test set-up

按照位移分級進行加載時，選取柱頂側向位移做為控制位移值，具體位移分級詳見表2．

如梁端翼緣出現屈曲、腹板失穩或焊縫破壞則停止試驗．

表2 加載制度Tab.2 Cyclic loading history

2 試驗現象

節點JD-1：柱頂側移為63mm（對應節點轉角為0.015rad）第1循環反向加載至最大位移時，腹板下部槽口端部出現豎向裂縫；柱頂側移為84mm（對應節點轉角為0.02rad）第1循環正向加載過程中，下翼緣開始有屈曲現象，反向加載至最大位移時，下部槽口端部的裂縫擴展明顯；柱頂側移為126 mm（對應節點轉角為0.03rad）第1循環正向加載至最大位移時，下翼緣屈曲明顯，腹板側向變形顯著；柱頂側移為168mm（對應節點轉角為0.04rad）第1循環正向加至最大位移時，下翼緣屈曲顯著，腹板側向變形有所發展；第2循環正向加至最大位移時，腹部上部槽口端部也出現豎向裂縫；柱頂側移為210 mm（對應節點轉角為0.05 rad）第1循環正向加載至最大位移時，下翼緣變形十分顯著．

節點JD-2：柱頂側移為63 mm（對應節點轉角為0.015 rad）第1循環反向加載過程中，在下翼緣加強板端部發現細小裂紋；在第2循環加載過程中，在上翼緣加強板端部也出現細小裂紋；柱頂側移為84 mm（對應節點轉角為0.02 rad）第1循環加載過程中，上下翼緣開始有輕微屈曲現象；柱頂側移為126 mm（對應節點轉角為0.03 rad），上下翼緣的屈曲現象明顯所示；在第2循環正向加載過程中上翼緣全截面斷裂．

2個節點的最終壞形態如圖3所示．從這兩個節點的破壞形態可以看出，節點的破壞集中在梁端，而柱端和節點核心區無任何破壞跡象，說明2個節點均實現了“強柱弱梁”、“強節點弱構件”的設計目標．

圖3 試件的破壞形態Fig.3 Failuremodeof specimens

3 主要試驗結果及分析

3.1 滯回性能

滯回曲線是指結構在低周反復荷載下的荷載-位移曲線，它可反映出水平地震作用下結構的能量消耗、位移延性及剛度退化等指標，是開展結構抗震彈塑性動力反應分析的主要依據．節點JD-1和JD-2的荷載—柱頂側向位移的滯回曲線如圖4所示．

圖4 滯回曲線Fig.4 Hysteresiscurves

可看出，在柱頂側移不大于42 mm（對應節點轉角0.01 rad）時，2個節點滯回曲線的加載、卸載過程基本呈線性；當柱頂側移大于42mm（對應節點轉角0.01rad）時，2個節點試件的滯回曲線逐漸開始飽滿，且隨著柱頂側移的增大，滯回環的飽滿程度也不斷增加；從其正向滯回曲線可以看出，節點 JD-1在加載過程中塑性變形發展充分，表現出了明顯的下降段，而JD-2未表現出類似性能；節點JD-1的滯回環較節點JD-2的飽滿，說明前者的耗能要高于后者，如在柱頂側移為126mm正向加、卸載過程中節點JD-1的耗能為節點JD-2的1.13倍．

3.2 節點延性

延性是考察結構或結構構件非彈性變形能力的一個重要的度量指標．節點的延性常用其極限位移與屈服位移之比來表示，即各試件的荷載、位移特征值及位移延性見表3．

表3 位移延性Tab.3 Displacement ductility

從表中數據可以看出，H梁翼緣楔形加腋板長度不同時，節點的荷載和位移特征值會有所不同；梁端楔形加腋板長度對節點的屈服荷載和峰值荷載的影響較大，如節點JD-1的峰值荷載為節點JD-2的節點1.35倍；節點JD-1的位移延性接近5，而節點JD-2的位移延性剛剛達到3，可以看出節點JD-1構件的延性優于節點JD-2．

4 結論

通過2個足尺鋼管混凝土柱-H型鋼梁節點的低周反復荷載試驗可得主要結論如下：

1）2個節點試件均先在靠近柱表面梁端形成塑性鉸，待梁端塑性發展到一定階段后才出現破壞，具體表現為焊縫處斷裂或翼緣屈曲；當破壞形式為焊縫斷裂時，節點的位移延性較差，應采取有效措施避免此種破壞形式在實際工程中出現；

2）2個節點試件在破壞前均具有較飽滿的滯回曲線，表明其具有較好的耗能能力；

3）梁端楔形加腋板長度對節點的位移延性和承載能力影響顯著；

4）2個節點試件均實現了預期的設計目標，且能滿足相關規范對鋼結構彈塑性層間位移角限值不小于1/50的抗震設計要求．

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