高溫后帶懸臂梁段拼接鋼節(jié)點(diǎn)的承載力研究

龍 謀 識(shí)

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

高溫后帶懸臂梁段拼接鋼節(jié)點(diǎn)的承載力研究

龍 謀 識(shí)

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

對(duì)帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高溫作用，待自然冷卻之后進(jìn)行極限承載力的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，高溫后鋼材屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度明顯下降，然而彈性模量變化很小，抗滑移系數(shù)也有所減小，高溫后鋼結(jié)構(gòu)帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)具有一定的延性，極限承載力下降。

高溫作用，拼接節(jié)點(diǎn)，極限承載力，試驗(yàn)

0 引言

鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)作為一種新推廣的梁柱連接形式，具有良好的力學(xué)和抗震性能，具有很好的應(yīng)用前景[1，2]。目前，對(duì)這種拼接節(jié)點(diǎn)在常溫下的極限承載力已經(jīng)進(jìn)行了一定深度的研究，而且其研究成果已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際的結(jié)構(gòu)工程中[3-6]。但對(duì)于高溫后這種拼接節(jié)點(diǎn)的研究尚少，這使得進(jìn)行鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)的抗火設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)的理論，沒(méi)有安全保證。為了對(duì)鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)在抗火設(shè)計(jì)中進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，首先必須弄清高溫后鋼框架柱帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)的極限承載力及其變化規(guī)律，因此本文研究具有實(shí)際的工程意義，同時(shí)，也為日后人們對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗火研究提供一些參考意義。本文將著重從試驗(yàn)方面研究帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過(guò)高溫作用后的極限承載力。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件介紹

試件鋼柱截面采用H300×200×10×10，兩端鉸支，柱長(zhǎng)2 800 mm；鋼梁截面采用H160×300×8×10，懸臂梁長(zhǎng)500 mm，拼接梁長(zhǎng)990 mm，拼接梁一端與懸臂梁拼接，另一端自由。節(jié)點(diǎn)拼接所用螺栓都采用10.9級(jí)M20高強(qiáng)螺栓，節(jié)點(diǎn)試件具體形狀見(jiàn)圖1。

1.2 試驗(yàn)方案

試件拼接完成之后，放進(jìn)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的人工智能程序控制燃?xì)饧訜釥t中進(jìn)行升溫，該設(shè)備由中國(guó)輕工業(yè)陶瓷研究所窯爐開(kāi)發(fā)中心研制生產(chǎn)，通過(guò)天然氣作為燃料迅速升溫，模擬真實(shí)火災(zāi)環(huán)境中的升溫過(guò)程。

試驗(yàn)過(guò)程中，所有試件均直立置于爐膛中，升溫過(guò)程中不承受荷載。試件升溫至設(shè)定溫度后，保溫2 h，然后在爐膛中自然冷卻，隨后將其取出進(jìn)行高溫后的極限承載力研究。

本試驗(yàn)采用電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單調(diào)加載，加載過(guò)程中結(jié)合力的控制和位移控制。實(shí)驗(yàn)室，柱頂和柱底都采用約束的方法模擬鉸接支座，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)必須考慮如下幾方面因素：節(jié)點(diǎn)的梁柱邊界約束情況；實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件限制；保證整個(gè)試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性和安全性。具體做法如下。

1.2.1 柱底、柱頂和梁端的邊界條件

柱底和柱頂都為鉸接，都限制了水平方向和豎直方向的位移，但是允許平面范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。柱底采用四個(gè)千斤頂對(duì)柱子的四個(gè)面進(jìn)行約束，限制其位移，千斤頂通過(guò)滑動(dòng)滾軸與混凝土墩子或者鋼墩子連接，保證其可以平面范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。柱頂在水平方向和豎直方向都通過(guò)鋼平板結(jié)合錨桿固定其位移，鋼平板與柱子通過(guò)滾軸連接。梁端處于自由狀態(tài)，不受任何約束。詳情分別見(jiàn)圖3～圖5。

1.2.2 柱子的側(cè)向支撐

在保證試驗(yàn)穩(wěn)定性和安全性方面，為了防止節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)，在柱腹板兩側(cè)分別采用四根錨桿頂住柱子，將錨桿固定在反力架的兩根柱子上，通過(guò)錨桿所受壓力支撐柱子在平面外的穩(wěn)定(見(jiàn)圖6)。

1.2.3 梁柱加載設(shè)備

梁端采用伺服試驗(yàn)機(jī)施加單向豎向荷載，其數(shù)據(jù)通過(guò)伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)采集并輸出，可以在加載過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用雙控原則，即人工控制和計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合的原則。為了保證柱子的穩(wěn)定性，柱頂施加軸向荷載15 kN，通過(guò)壓力傳感器讀取，并保持恒定不變。

2 試驗(yàn)結(jié)果

本文試驗(yàn)采用伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)記錄節(jié)點(diǎn)拼接梁端豎向荷載—位移曲線(xiàn)，以考察帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)在高溫后的屈服位移、極限位移、屈服荷載、極限荷載以及節(jié)點(diǎn)的剛度退化模型。

本次試驗(yàn)測(cè)得的梁端荷載—位移曲線(xiàn)如圖7所示，主要具有如下特點(diǎn)：

1)隨著梁端豎向位移的增大，且在鋼梁發(fā)生嚴(yán)重的屈曲之前，荷載呈現(xiàn)線(xiàn)性增大的規(guī)律；

2)隨著荷載的增大，拼接節(jié)點(diǎn)處螺栓開(kāi)始出現(xiàn)滑移，并且伴有清脆的“嘣”響聲，隨后荷載繼續(xù)增大，先后發(fā)生多次響聲；

3)螺栓滑移之后，隨著荷載的增大，梁端位移增大地更快，螺栓滑移荷載為72.2 kN，單調(diào)加載的極限荷載為86 kN。

3 數(shù)值模擬

采用有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)高溫后帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬，材料相關(guān)參數(shù)以及接觸參數(shù)采用高溫后進(jìn)行的材性試

驗(yàn)和抗滑移系數(shù)試驗(yàn)所得結(jié)果，結(jié)合所選單元類(lèi)型、材料本構(gòu)關(guān)系以及加載方式，進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試件所用鋼材進(jìn)行了材性分析和抗滑移分析，同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)在受到單調(diào)荷載作用時(shí)的荷載—位移關(guān)系主要得出如下結(jié)論：

1)經(jīng)過(guò)1 000 ℃的高溫作用，并且經(jīng)過(guò)2 h的保溫，然后冷卻至常溫環(huán)境時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度都減小了相當(dāng)?shù)某潭龋欢鋸椥阅Ａ繀s變化甚微，同時(shí)，摩擦元件的抗滑移系數(shù)也一定程度減小。

2)高溫后摩擦系數(shù)的減小導(dǎo)致拼接節(jié)點(diǎn)處高強(qiáng)螺栓的滑移荷載減小，試驗(yàn)過(guò)程中拼接節(jié)點(diǎn)過(guò)早發(fā)生滑移，但是并不影響節(jié)點(diǎn)繼續(xù)承受荷載，節(jié)點(diǎn)最終的破壞還是以梁柱連接處的屈服的形式出現(xiàn)，所以帶懸臂梁段拼接節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)不需要拼接太強(qiáng)。

3)通過(guò)節(jié)點(diǎn)的荷載—位移關(guān)系曲線(xiàn)，說(shuō)明這種節(jié)點(diǎn)具有很好的延性，極限承載力相比常溫時(shí)顯著下降。

4)試驗(yàn)數(shù)據(jù)體現(xiàn)了試驗(yàn)加載過(guò)程中柱子并沒(méi)有發(fā)生太大變形，而梁，尤其是拼接梁的位移則很大，這也體現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念，然而，節(jié)點(diǎn)最終的破壞發(fā)生在梁柱連接處，梁、柱都沒(méi)有發(fā)生破壞，所以在進(jìn)行這種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該更加重視“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的原則。

[1] 常鴻飛，夏軍武.鋼框架樹(shù)狀柱節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005(6)：92-93.

[2] 李星榮.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[3] 隋炳強(qiáng)，王衛(wèi)勇.鋼框架中柱剛節(jié)點(diǎn)抗火性能試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(7)：34-35.

[4] 李曉東，董毓利.鋼框架邊節(jié)點(diǎn)抗火性能試驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2007(8)：23-24.

[5] Lawson R.M.Behaviour of steel beam-to-column connections in fire[J].The Structural Engineer,1990,68(14)：263-271.

[6] 楊秀萍，王興武.鋼結(jié)構(gòu)外伸端板連接抗火性能研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2007(9)：17-18.

Research on ultimate bearing capacity of steel frame joint with cantilever beam splicing after high temperature treatment

Long Moushi

(WuhanDesignandResearchInstituteofChinaCoalScienceandIndustryGroup,Wuhan430000,China)

The paper undertakes the high temperature treatment on the frame joint with cantilever beam, has the experimental research on its ultimate bearing capacity after the natural cooling, proves by the test data that the yield strength and ultimate strength of the steel materials after the high temperature treatment have decreased obviously while the elasticity modulus changes are slight with decreasing anti-slip coefficient, so the frame joint with cantilever beam after the treatment has certain ductility and the ultimate bearing capacity falls.

high temperature treatment, frame joint, ultimate bearing capacity, test

2015-02-12

龍謀識(shí)(1984- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)12-0046-02

TU312

A