T型厚壁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)

楊德新

（天津城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系，天津 300384）

在目前的鋼框架結(jié)構(gòu)體系中，方鋼管混凝土柱與鋼梁連接的組合結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際工程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。鋼管混凝土柱與鋼梁的連接常用的有柱貫通式、梁貫通式和隔板貫通式三種形式。在現(xiàn)階段梁貫通式節(jié)點(diǎn)還沒有應(yīng)用到多層或高層建筑中，由于在多層的輕鋼框架結(jié)構(gòu)中一般都會(huì)選用H型鋼梁，柱貫通式的梁柱剛性連接也被運(yùn)用的比較成熟，但以上兩種節(jié)點(diǎn)對(duì)于施工及制作都比較繁瑣，所以制作成本低，制作效率高，施工方便的隔板貫通式梁柱節(jié)點(diǎn)被越來(lái)越多的運(yùn)用到多層輕鋼結(jié)構(gòu)的方管柱與鋼梁的剛性連接節(jié)點(diǎn)上。該節(jié)點(diǎn)形式在我國(guó)實(shí)際工程中被逐漸的使用，但現(xiàn)階段我國(guó)有關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)此種節(jié)點(diǎn)的規(guī)定較少，所以其安全可靠性未必符合相關(guān)規(guī)范的要求，因此有必要對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析。參考相關(guān)的文獻(xiàn)可知，有關(guān)隔板貫通節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究主要集中在日本，國(guó)內(nèi)對(duì)隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的研究起步較晚，雖然學(xué)者對(duì)隔板貫通節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行了一些研究，但對(duì)隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力特性的認(rèn)識(shí)還不是很清晰，有待進(jìn)一步地探究。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三個(gè)方鋼隔板貫通節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，重點(diǎn)研究方鋼管柱鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的動(dòng)力特性和抗震性能。

1 隔板貫通式節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)方案

為了更好地模擬實(shí)際建筑工程中此隔板貫通節(jié)點(diǎn)的受力和變形情況，本試驗(yàn)三個(gè)試件均采用足尺模型進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，對(duì)隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的破壞過(guò)程及破壞形式和抗震性能等進(jìn)行分析。

1.1 試驗(yàn)構(gòu)件

本試驗(yàn)采用的節(jié)點(diǎn)試件均為方鋼管混凝土柱與H型鋼梁相連。鋼材均為Q345B，JD-1鋼管采用箱型截面：□500×500×36×36，管內(nèi)混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)C60，H型鋼梁截面：H500×350×18×36。JD-2,JD-3鋼管也采用箱型截面：□700×500×30×35，管內(nèi)混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)C40，H型鋼梁截面：H700×300×13×24。采用模擬施工現(xiàn)場(chǎng)灌注振搗。

JD-1的隔板厚40mm，與H型梁翼緣的連接采用坡口對(duì)接焊縫連接，腹板與焊于柱上的豎向鋼板，通過(guò)兩側(cè)連接板采用M22高強(qiáng)螺栓連接。JD-2，JD-3隔板厚度24mm，采用隔板貫通式與加楔形加強(qiáng)板聯(lián)合使用，同時(shí)腹板有開槽，這兩個(gè)試件的主要區(qū)別為翼緣兩側(cè)的楔形加腋板長(zhǎng)度不同。在實(shí)驗(yàn)室模擬施工現(xiàn)場(chǎng)條件完成全部連接，材料特性見表1。

表1 鋼板材料特性

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

（1）將位移傳感器(D1、D2)置于柱頂，量測(cè)柱頂實(shí)際位移。（2）在柱梁柱交界處距梁面hb（hb為梁高）處上下各安裝一個(gè)磁性表座，在每個(gè)磁性表座與柱面之間安裝位移傳感器（D3、D7）量測(cè)L范圍內(nèi)的截面平均曲率。（3）在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域交叉布置位移位移傳感器（D4、D5）測(cè)量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形。除此之外，支座處各布置一百分表（D8、D9），考察支座整體水平位移，在梁端布置位移計(jì)(D6)，考察梁端水平位移。（4）為量測(cè)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)和梁端的應(yīng)力分布，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)及梁端布置電阻應(yīng)變片，與應(yīng)變箱相連，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

圖1 試件儀表布置圖

1.3 試驗(yàn)加載方案

本試驗(yàn)在天津城市建設(shè)學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，由于試驗(yàn)主要考察節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力特性和抗震性能以及節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)，采用柱端加載方式。加載采用1000KN液壓千斤頂施加水平循環(huán)荷載，根據(jù)構(gòu)件尺寸和試驗(yàn)室條件，試件采用“立柱橫梁”。將方鋼管混凝土柱立放，下端和底座用銷軸相連，底座用地錨固定，上端為加載點(diǎn)，與千斤頂連接，以此鉸接邊界條件模擬柱中反彎點(diǎn)。此時(shí)構(gòu)件成“├”擺放形式，梁自由端與剛性桿連接，剛性桿模擬二力桿。

該節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)采用位移控制的加載方式。試驗(yàn)的整個(gè)加載過(guò)程分為預(yù)加載和正式加載兩個(gè)階段。正式加載前，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，以檢查各個(gè)測(cè)試設(shè)備是否能夠正常工作，試件安裝是否牢固可靠，試驗(yàn)是否還有未考慮全面的問題。對(duì)每個(gè)試件預(yù)加低周循環(huán)荷載，荷載最大值控制在鋼梁屈服荷載的20%，以使構(gòu)件處于彈性階段，預(yù)加載分為0.00375rad和0.005rad兩級(jí)層間位移角控制，每級(jí)循環(huán)一次。

預(yù)加載調(diào)試完成以后，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行正式加載。正式加載過(guò)程中，柱頂位移分級(jí)加載控制，選取柱層間位移轉(zhuǎn)角為控制位移值。層間位移角為0.00375rad、0.005rad，0.0075rad時(shí)，每級(jí)循環(huán)往復(fù)加載6次；在在層間位移角為0.015rad、0.02rad、0.03rad、0.04rad時(shí)循環(huán)往復(fù)加載2次；此后位移增量為0.01rad，且每級(jí)循環(huán)加載兩次，直至試件破壞停止加載，試驗(yàn)加載裝置圖，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖及試驗(yàn)加載控制示意圖見圖2，圖3,圖4。

圖2 試驗(yàn)加載裝置圖

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 試驗(yàn)加載制度

2 隔板貫通式節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞過(guò)程

JD-1加載初期，位移和荷載的增長(zhǎng)呈線性變化。在層間位移角為2%的第2循環(huán)正向加載最大時(shí)，梁上翼緣受壓，柱子略顯彎曲。在層間位移角為3%的第1循環(huán)反向加載至最大位移時(shí)，下翼緣與隔板焊縫明顯錯(cuò)開。此后，當(dāng)加載至層間位移角為3%的第1循環(huán)反向最大位移時(shí)，梁下翼緣與隔板在焊縫處有明顯錯(cuò)開，并伴隨有響聲。加載至層間位移角為3%的第2循環(huán)正向位移最大時(shí)，梁的上翼緣與腹板焊接處焊縫出現(xiàn)細(xì)微裂縫。加載至層間位移角為4%的第1循環(huán)正向位移最大時(shí)，梁的上翼緣與腹板焊接接處裂縫越來(lái)越明顯，試驗(yàn)結(jié)束。

JD-2加載初期，位移和荷載的增長(zhǎng)呈線性變化。在層間轉(zhuǎn)角為2%的第1個(gè)循環(huán)正向加載時(shí)，下翼緣受壓略微屈曲，在層間轉(zhuǎn)角2%的第1個(gè)循環(huán)反向加載時(shí)，腹板下部凹槽端部的裂紋擴(kuò)展。在層間位移2%的第2循環(huán)反向加載時(shí)，腹板下部凹槽的裂縫有延伸進(jìn)入下翼緣的趨勢(shì)。在層間位移3%的第2個(gè)循環(huán)反向加載時(shí)，下翼緣的屈曲變形加大。當(dāng)反向加載至層間位移4%的第2循環(huán)，翼緣與腹板的屈曲變形越來(lái)越明顯，腹板上部凹槽端部出現(xiàn)裂縫。加載至5%的第1個(gè)循環(huán)，層間位移轉(zhuǎn)角為1.5%，下翼緣受拉時(shí)，腹板凹槽處的豎向裂縫延伸貫通下翼緣。接著反向加載至上翼緣受拉5%時(shí)，下翼緣凹槽處的橫向裂縫延伸很大，試驗(yàn)結(jié)束。

JD-3加載初期，位移和荷載的增長(zhǎng)呈線性變化。當(dāng)層間位移轉(zhuǎn)角為1%反向加載時(shí)，柱端滯回曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，下翼緣加強(qiáng)板的端部出現(xiàn)細(xì)微的裂紋。在層間位移轉(zhuǎn)角增加到2%的各個(gè)循環(huán)中，看不出試件有明顯的變形及裂紋出現(xiàn)，層間位移角為3%，下翼緣受壓略有屈曲，層間位移角為3%的第2個(gè)循環(huán)，上翼緣受拉時(shí)，試件的上翼緣板位于腹板開槽端部處突然橫向斷裂，試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

滯回曲線反應(yīng)的是結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力過(guò)程中的變形特征，剛度退化及能量消耗，是確定恢復(fù)力模型和進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析的依據(jù)。

圖5 荷載-位移滯回曲線

JD-1的滯回曲線如圖所示，在加載初期變形與荷載呈線性關(guān)系，隨著荷載的不斷增加，滯回曲線漸漸由線性趨向于飽滿，曲線的斜率變化不是很明顯，曲線的斜率隨著試驗(yàn)的進(jìn)行而略有減小，總的來(lái)說(shuō)JD-1試件有較為飽滿的滯回性能，剛度退化不是很明顯，也符合抗震設(shè)防的要求。

JD-2的滯回曲線如圖所示，在層間位移角為1.5%的循環(huán)時(shí)，下翼緣與腹板連接處拉裂，為了防止此處腹板提前拉裂，此后正向循環(huán)（即推循環(huán)）的層間位移角均不超過(guò)1.5%，柱端受拉依然按照試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行。滯回曲線依然成梭狀，隨著層間位移角的加大，滯回環(huán)漸漸變得飽滿，當(dāng)加載至層間位移角為2%的第二個(gè)拉循環(huán)時(shí)，梁下翼緣和梁腹板開始屈曲，此后變形增加較為迅速，最大荷載略有增加。加載到后期曲線上部分剛度開始退化，卸載后殘余變形也有所增加，但卸載剛度與初始加載時(shí)的剛度大致相同。滯回曲線下部分在加載后期隨著荷載增大，剛度與強(qiáng)度下降明顯，消耗大量能量。

JD-3的滯回曲線如圖所示，在層間位移角為3%的第一個(gè)循環(huán)脆性破壞前，試件沒有出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，位移隨著荷載的增加而不斷增加，滯回曲線也較為飽滿，剛度無(wú)明顯退化，證明該試件具有較為良好的延性和抗震性能。

3.2 骨架曲線

由滯回曲線將同方向（拉或壓）加載的曲線中，超過(guò)前一次加載最大應(yīng)力的區(qū)段平移相連后得到的曲線稱為骨架曲線。由下圖可見本試驗(yàn)中各個(gè)試件的骨架曲線變化趨勢(shì)大致相同，破壞時(shí)JD-2的最大荷載大于JD-1，JD-3的最大荷載，由于試驗(yàn)中JD-1，JD-3都屬于脆性破壞所以沒有很明顯的下降段，JD-2推循環(huán)時(shí)層間位移角僅達(dá)到了1.5%，所以該試件的承載力及剛度較其他試件的高。由于JD-2的加強(qiáng)板長(zhǎng)度比JD-3的大，所以從圖上可以看到JD-2的屈服荷載比JD-3的高。

圖6 試件骨架曲線

3.3 延性指標(biāo)

結(jié)構(gòu)延性是指整個(gè)結(jié)構(gòu)體系承受變形的能力，多用位移表示。對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)而言，彈性狀態(tài)是指外荷載與結(jié)構(gòu)位移成線性關(guān)系的狀態(tài)，即去除荷載后，位移能夠恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，當(dāng)結(jié)構(gòu)中某一截面屈服后，即存在著不可消失的塑性變形。荷載與位移將呈現(xiàn)非線性關(guān)系，荷載增加很少而位移迅速增加，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)屈服，結(jié)構(gòu)的延性常常用頂點(diǎn)位移延性比表示，即μ=Δu/Δy，△u-極限位移，△y-屈服位移。各試件的荷載、位移特征值及位移延性見表2。表中彈性極限荷載及相應(yīng)位移是根據(jù)梁端應(yīng)變開始屈服前一刻對(duì)應(yīng)的荷載和位移取值的；屈服荷載及相應(yīng)位移是根據(jù)各節(jié)點(diǎn)骨架曲線上的拐點(diǎn)進(jìn)行取值的；峰值荷載為節(jié)點(diǎn)每級(jí)加載中達(dá)到的最大荷載，峰值位移為節(jié)點(diǎn)達(dá)到峰值荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的位移值；極限荷載為節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載，對(duì)于破壞時(shí)承載能力沒有下降或下降幅度沒有達(dá)到15%的節(jié)點(diǎn)，極限荷載取最終破壞時(shí)的荷載，對(duì)破壞時(shí)承載能力下降幅度大于15%的節(jié)點(diǎn)，取其峰值荷載的85%作為極限荷載，極限位移為極限荷載對(duì)應(yīng)的位移。由表可以看出該試驗(yàn)中三個(gè)試件的延性系數(shù)均大于2，表明該種形式的節(jié)點(diǎn)相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)有較好的耗能能力和抗震性能，其中JD-2，JD-3的延性系數(shù)大于JD-1，說(shuō)明采用隔板貫通式與加楔形加強(qiáng)板聯(lián)合使用，其耗能能力和抗震性能要好于JD-1的連接方式。

表2 試件荷載特征值及位移延性

3.4 節(jié)點(diǎn)耗能能力的分析

試件抗震性能的好壞，理論上常用能量耗散系數(shù)來(lái)衡量，能量耗散系數(shù)E按公式計(jì)算，即以滯回曲線所圍的面積比上三角形面積，由能量耗散系數(shù)進(jìn)而可以求得等效粘滯系數(shù)β=E/2π，我們常用這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)判別試件在地震發(fā)生時(shí)構(gòu)件的耗能能力，E和β越大，試件在地震中消耗能量的能力就越好。根據(jù)圖7和公式，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的E值和β值。

圖7 能量耗散系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖

由上可求得該 JD-1：E=1.665，β=0.265；JD-2：E=1.853，β=0.2949；JD-3：E=1.545，β=0.2459。對(duì)比鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)和型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)可知該三種隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的消耗地震能量的能力較好。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我們可以得到以下結(jié)論：

（1）此次試驗(yàn)中的三個(gè)隔板貫通式節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)循環(huán)荷載作用下均得到了飽滿的滯回曲線，表明該種形式的節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力和延性，此節(jié)點(diǎn)消耗地震能量的能力要強(qiáng)于相同尺寸的鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)。

（2）由本試驗(yàn)可知改變隔板外伸長(zhǎng)度對(duì)該種節(jié)點(diǎn)形式的動(dòng)力性能和抗震性能影響不是很明顯。在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)工程的需要選用合適的隔板外伸長(zhǎng)度及軸壓比。

（3）本試驗(yàn)中的各個(gè)構(gòu)件在方鋼管中填充了混凝土，使方鋼管柱和混凝土可以有效的共同工作，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的變形能力，能夠保證該種節(jié)點(diǎn)能夠在塑性狀態(tài)下工作，防止節(jié)點(diǎn)突然發(fā)生脆性破壞。

（4）從試件JD-3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，節(jié)點(diǎn)試件的焊縫質(zhì)量將嚴(yán)重影響試件的承載力和動(dòng)力特性，若焊縫強(qiáng)度沒有達(dá)到要求，試件將在焊縫連接處產(chǎn)生脆性破壞。因此，在隔板貫通式的梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與施工中，應(yīng)注意焊縫強(qiáng)度的檢測(cè)。

[1]Morino S,Kawaguchi J,Yasuzaki C,et al.Behavior of concrete filled steel tubular three-dimensional subassemblies[C]//Proceed ings of Composite Construction in Steel and Concrete.Potosi,Mo,1993:726-741.

[2]Nakashima M，Suita K，Morisako K.Test ofweldedbeam-column subassemblies[J].Journal of Structural Engineering,1998，124(11):1236-1252.

[3]Nishiyama I，F(xiàn)ujimoto T,Fukumoto T，et al.Inelastic force-defor mation response of joint shear panels in beamcolumn moment con nections to concrete-filled tubes[J].Journal of Structural Engineer ing,2004,130(2):244-252.

[4]李黎明，陳志華，李寧.隔板貫通式梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2007,27(1):46-53.

[5]金剛，丁潔民，陳建斌.矩形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究與分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2007,37(2):88～93.

[6]宗周紅，林于東，陳慧文，等.方鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2005,26(1):77～84.

[7]陳以一，李剛，莊磊，等.H型鋼梁與鋼管柱隔板貫通式連接節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)[J]建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2006,8(1):23-30.

[8]王恒華，俞曉.H型鋼梁與鋼管柱剛性連接節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010,(s1):72～78.

[9]中國(guó)建筑科學(xué)研究院，建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程(JGJ101-96)[M].第1版，北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[10]GB 500102010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[11]萬(wàn)方貴.矩形鋼管混凝土柱-H 型鋼梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.