邊鋼框架節點抗震性能試驗

李許峰，王新武

(1.河南科技大學 土木工程學院，河南 洛陽 471023；2.洛陽理工學院 土木工程學院，河南 洛陽 471023)

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邊鋼框架節點抗震性能試驗

李許峰1，王新武2

(1.河南科技大學 土木工程學院，河南 洛陽 471023；2.洛陽理工學院 土木工程學院，河南 洛陽 471023)

采用符合實際受力特點的柱端加載，對剖分T型鋼連接的邊框架節點進行低周反復試驗。試驗結果表明：加載過程中T型件翼緣與腹板交界處的應力最大，最先形成塑性鉸；柱翼緣和梁翼緣在加載過程中均處于彈性階段，而節點域的剪切應變達到了屈服應變。通過測量發現：梁柱相對轉角達到了美國規范的要求，同時，由滯回曲線和骨架曲線可知該節點具有較好的延性和耗能特性。

柱端加載；框架節點；低周反復荷載；滯回性能；耗能特性

0 引言

在多高層建筑抗震設計中,梁柱節點連接是關鍵部位,它發揮著傳遞梁、柱間內力的作用[1]。如果節點不能提供桿端彎矩所需的約束,將導致結構承載性能的降低，繼而引起結構破壞。因此，所有的節點及其連接均應滿足強度、延性和耗能能力等方面的要求。

半剛性連接主要通過摩擦性高強螺栓與連接件(角鋼、端板以及T型鋼等)把梁與柱連接起來[2-4]。該連接具有較強的耗能能力，能夠抵抗一部分地震荷載,具有更多的屈服容量和延性容量,是一種既經濟又可靠的連接方式[5-7]。

中國許多學者從 20 世紀 90 年代初期以來，對半剛性梁柱強軸連接做了大量的研究，主要集中在對各類半剛性梁柱連接(如頂底角鋼連接、雙腹板頂底角鋼連接、短T型鋼連接、端板連接)進行單調荷載及低周往復荷載作用下的受力性能研究，探討連接約束關系、滯回性能、彎矩-轉角關系及耗能特性等，建立了各類半剛性梁柱連接的受力模型，并進行了考慮三重非線性的數值模擬分析[8-13]，在研究過程中沒有針對剖分T型鋼連接的變形特點進行詳細分析。

為進一步研究剖分T型鋼連接節點的抗震性能,本文針對邊框架節點進行了擬靜力試驗，在得到的試驗數據和觀察試驗現象的基礎上，分析了半剛性連接在低周反復荷載作用下的承載能力、變形特點、破壞模式和抗震耗能特性。

1 材性試驗

試件中的梁、柱以及剖分T型鋼均采用Q235B熱軋H型鋼。材性試驗的樣胚按照《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》(GB/T 2975—1998)從加工梁、柱的同一批鋼材中截取，試驗中試件的具體形狀、尺寸要求及試驗方法均依據《金屬拉力試驗方法》(GB/T 228.1—2010)。所有材性試驗樣胚均與梁柱剖分T型鋼連接試件同期加工。試驗結果如表1所示。

通過試驗數據計算得到材料的屈服應變為1 500×10-6，以此作為依據判斷試驗進行過程中節點各觀測點是否屈服，進而判斷出加載過程中試件的屈服位移。

2 試件設計

本次試驗設計制作剖分T型件連接的邊框架節點，節點中柱采用H型鋼的型號為HW300，梁采用H型鋼的型號為HN350，材料的特性如表1所示。所有對接焊縫均為一級焊縫，焊條為 E43 型焊條；梁柱之間采用剖分T型鋼和高強螺栓進行連接；螺栓為10.9級摩擦型高強螺栓，型號為M22。節點選取在側向位移作用下框架中與節點相鄰的梁柱反彎點之間的構件，取上下柱反彎點之比1∶1，模型比例1∶1，模擬邊框架梁柱節點，各構件的主要參數如表2所示。

表1 試件主要材料特性

表2 試件中各構件的主要參數

3 測量內容

3.1 應變測量

在本試驗中，為了確定節點的屈服位移，分別在梁、柱及剖分T型件上選取多個觀測點，運用DH3816Net靜態應變測試系統測量加載過程中這些點的應變變化。節點應變片的分布如圖1所示，通過觀測加載過程中各個應變片的讀數來判斷節點是否屈服[14]。

3.2 位移和轉角測量

對于本試驗中的鋼框架，在距柱底1 000 mm處的柱翼緣上布置位移計1，用來監測加載過程中該點的位移變化，并以節點發生屈服時該位移計的讀數作為節點的屈服位移。在梁柱翼緣之間設置斜位移計2，測量加載過程中梁柱的相對轉角θ，位移計的布置如圖2所示。

圖1 節點應變片分布圖圖2 T型節點位移計布置圖

4 加載方案及裝置

4.1 加載裝置的選擇

低周反復荷載試驗中加載模式的確定是一個關鍵問題，由于框架屬于超靜定結構，因此對于梁柱節點試件來說，對邊界條件的模擬是試驗成敗的關鍵[15]。當結構承受側向荷載作用時,節點上柱反彎點可視為水平可動的鉸。模擬這種邊界條件的方法有兩種[16-17]：(1)梁端加載；(2)柱端加載。采用柱端加載方案可以較好地模擬構件的受力特征。本次試驗采用了更符合實際的柱端加載模式，如圖3所示。

圖3 柱端加載方案

加載時柱頂通過端板與作動器相連，柱底使用定向滑動支座進行位移約束，并通過與作動器相連的輔助梁給柱底施加位移荷載。梁一端使用T型件和高強螺栓與柱相連，另一端采用水平定向滑動支座進行豎向位移約束，并且在梁端架設力傳感器測量加載過程中梁端豎向約束反力的大小和方向。

4.2 加載程序

試驗開始前，通過電液伺服加載系統的作動器對柱頂施加600 kN的軸向荷載，并循環加載一次以檢測所有試驗設備是否正常工作，此后進入正式試驗。

采用分級循環的加載方式在柱底處施加低周反復水平荷載。在結構屈服前，采用荷載控制的方法逐級加載，每級循環1周，直至結構屈服。

5 試驗現象

剖分T型鋼連接的半剛性節點加載初期為彈性階段，卸載后幾乎沒有殘余變形，呈現彈性性質，肉眼觀察不到明顯的試件變化，如圖5所示。當試件柱端位移加載至s=14.84 mm 時，T型件翼緣與柱翼緣相交處出現細微縫隙；當試件柱端位移加載至s=44.52 mm 時，T 型件翼緣與柱翼緣相交處的間隙增加，間隙寬度約為2 mm，可以明顯看到空隙；當試件梁端位移加載至s=74.20 mm 時，T 型件翼緣被拉離柱翼緣達4.5 mm，開裂長度80 mm；繼續加大荷載，T型件變形繼續加大，最大縫隙寬度達8 mm,開裂長度110 mm，繼續加大荷載，變形過大，試驗停止。

圖4 T型節點屈服后加載步驟圖5 T型節點的破壞形態

6 結果分析

6.1 耗能及抗震性能分析

為了探究剖分T型鋼連接的半剛性T型節點的抗震性能和耗能特性，繪制了該節點在低周反復荷載作用下力與位移計1讀數之間的荷載-位移曲線，即滯回曲線，如圖6所示。連接每個滯回環中荷載與位移值最大的點和最小的點，得到節點在加載過程中的骨架曲線[18]，如圖7所示。依據滯回曲線和骨架曲線的分析，可以得到在低周反復加載下，框架節點的屈服位移、延性、能量耗散等性質[19]，如表3和表4所示。

由圖6及表3可知：滯回曲線穩定飽滿，說明該節點耗能能力良好，加載初期節點處于彈性階段，隨著加載的進行，當加載位移達到2倍的屈服位移時，耗能因數減小，繼續增大加載位移，耗能因數增大。這表明剛進入塑性時節點局部發生較大變形，導致節點耗能性能降低，隨著載荷的增大，節點各構件的塑性得到充分發展，節點的耗能性能逐漸增強。

由圖7及表4可知：(1)節點前期拉壓不對稱，當節點處于屈服位移時刻時，正向屈服荷載為負向屈服荷載的0.77倍；隨著位移的增大，拉壓基本趨于一致，推拉最大荷載比為0.99。(2)正、負向曲線段均出現了較明顯的拐點，也就是說，試件在試驗中出現了剛度退化的現象。

圖6 T型節點的滯回曲線 圖7 T型節點的骨架曲線

表3 各階段耗能因數和等效黏滯阻尼比

表4 骨架曲線分析表

6.2 轉角和應變分析

6.2.1 轉角分析

本試驗在梁的上翼緣與柱翼緣之間布置位移計2，測量加載過程中梁柱相對轉角的變化,轉角的計算公式為[20]:

……‘If you will only tell me what sort of girl Miss King is,I shall know what to think.’ ‘She is a very good kind of girl,I believe.I know no harm of her.’[5]165

表5 梁柱的相對轉角

由表5可知：加載到屈服位移時，兩端梁柱相對轉角相差不大，加載位移增大，兩者之間的差距逐漸加大；當試驗停止時，梁柱的相對轉角均大于美國聯邦應急管理署(federal emergency management agency,FEMA)要求的0.03 rad，滿足半剛性連接的設計要求。

6.2.2 應變分析

通過DH3816Net靜態應變測試系統測量關鍵點的應變。由試驗數據可知：在加載過程中梁翼緣和柱翼緣在整個加載過程中處于彈性階段，均未發生破壞。

下面著重分析梁柱節點處T型件應變和節點域應變發展情況。為了便于分析結構的應變分布和變化情況，選取每級加載步中正向最大位移和負向最大位移并對觀測點的應變進行了對比，結果如圖8所示。

圖8 節點應變圖

通過數據分析可知：

(1)節點中兩個T型件腹板上的應變具有相同的分布。

(2)加載中T型件腹板上的應變與觀測點到T型件翼緣的距離有關，觀測點到T型件翼緣距離增大，應變減小,如圖8a所示。

(3)距離T型件翼緣相同距離位置處的應變大小不等，中間位置處的應變小，兩側應變較大，如圖8b所示。

(4)每個T型件腹板上的3組應變距離翼緣較遠的2組在加載過程中處于彈性階段，較近的1組隨著加載位移的增大逐步進入塑性；當加載至18倍的屈服位移時，隨著循環次數的增加，T型件靠近翼緣處的應變逐漸增大，表明結構發生了破壞。

(5)對比T型件翼緣上的應變變化可知：在加載過程中最大應變發生在T型件翼緣和腹板的交界處，該處最先形成塑性鉸。

圖9 節點域剪切應變分布

圖9為節點域剪切應變分布。通過對節點域應變花數據的分析，可以發現：

(1)在加載過程中節點域的剪切應變達到了屈服應變，節點域發生了屈服。

(2)當加載至18倍屈服位移時，隨著循環加載的進行，應變的值依次減小，表明節點發生了破壞，試驗停止。

7 結論

(1)由節點的滯回曲線和骨架曲線可知：剖分T型鋼連接的T型節點在低周反復荷載的作用下具有良好的耗能特性和延性。當節點剛進入塑性變形階段，耗能特性有降低趨勢，這是由于塑性變形發展不充分，隨著節點塑性變形的充分發展，節點的耗能特性逐漸提高。

(2)在加載過程中，梁柱相對轉角達到了美國FEMA規范要求的0.03 rad。

(3)通過對關鍵點應變的測量和分析發現：加載過程中T型件翼緣與腹板交界處的應變最大，該處最先形成塑性鉸。梁、柱翼緣均處于彈性階段，未發生塑性變形。節點域的剪切變形達到了屈服應變，節點域發生了屈服。

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國家自然科學基金項目(51278238);河南省科技攻關基金項目(122102210550);河南省科技創新杰出青年基金項目(134100510010)

李許峰(1987-),男,河南洛陽人,碩士生;王新武(1971-),男,河南洛陽人,教授,博士,博士生導師,主要從事鋼結構節點方面的研究.

2015-03-10

1672-6871(2015)06-0055-06

TU392

A