不同強度鋼材梁柱端板連接節(jié)點性能研究進(jìn)展

(華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510641)

一、引言

隨著我國經(jīng)濟與的迅猛發(fā)展，國家對綠色建筑和裝配式建筑推行力度逐漸加大；同時因為鋼結(jié)構(gòu)擁有安裝施工速度快，材料均質(zhì)高強，抗震性能好及綠色環(huán)保等優(yōu)勢使得鋼結(jié)構(gòu)建筑被大力運用到各類建筑結(jié)構(gòu)中。端板連接節(jié)點以其構(gòu)造簡單安裝方便，傳力明確減少焊縫缺陷等優(yōu)點被我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范推薦使用。而T型件是其中一個重要的基本力學(xué)組件，在整個節(jié)點域中梁端板或柱翼緣的抗彎性能以及螺栓的抗拉性能可以等效成一個合理的T型件來反應(yīng)該部位的力學(xué)性能。當(dāng)柱、端板或者梁采用高強鋼之后，由于高強鋼屈服強度高，屈服平臺短和屈強比高等因素，對梁柱端板連接節(jié)點的性能勢必會產(chǎn)生影響。

二、組件法的研究現(xiàn)狀

在歐洲規(guī)范3中提出將組件法用于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點本構(gòu)關(guān)系的研究當(dāng)中。組件法認(rèn)為，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點在承受荷載時可以將節(jié)點域劃分為三個區(qū)域：受拉區(qū)、受壓區(qū)和受剪切區(qū)。自上個世紀(jì)六七十年代歐美學(xué)者便提出將組件法用于求解節(jié)點半剛性研究。歐洲規(guī)范EC3和EC4大量引用了當(dāng)時關(guān)于半剛性研究的成果。

(一)組件法的基本步驟。組件法是將節(jié)點拆分為多個基本組件，用線性或非線性的彈簧模擬每個組件，其基本思路可分為：a.拆分節(jié)點域，確定有效力學(xué)組件；b.分析各組件的力學(xué)特性，給出各組件的彈簧模型表達(dá)式；c.各彈簧進(jìn)行組合，通過組合的彈簧體系計算出節(jié)點域的初始轉(zhuǎn)動剛度和抗彎承載力。

(二)對于彎矩轉(zhuǎn)角曲線的計算。歐洲規(guī)范Eurocode3(CEN,1997)提出節(jié)點彎矩轉(zhuǎn)角曲線可用三折線模型模擬，但是忽略了材料強化的影響；Faella et al.于1995年對梁柱焊接節(jié)點的彎矩轉(zhuǎn)角曲線進(jìn)行修正，提出考慮材料強化影響后的三折線模型，如圖1所示。

圖1 節(jié)點彎矩轉(zhuǎn)角曲線

圖2 外伸端板節(jié)點域組件拆分與組合

圖3 外伸端板連接節(jié)點承載力極限計算

三、高強鋼的應(yīng)用及進(jìn)展

高強鋼在工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為橋梁工程領(lǐng)域和建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域兩塊，而且都取得了良好的效果。德國的Rhine Bridge Dusseldorf-ILverish工程采用了S460高強鋼材。而在建筑結(jié)構(gòu)中，大多采用460～780Mpa強度等級的鋼材。例如日本橫濱Landmark Tower大廈；德國柏林的Sony Centre大樓的屋頂桁架采用的是S460和S690鋼材；當(dāng)然，在我國也有高強鋼成功運用于建筑工程。如國家體育場鳥巢的關(guān)鍵部位采用了700噸Q460強度等級的鋼材；國家游泳中心水立方結(jié)構(gòu)采用了2600噸Q420鋼。

四、考慮高強鋼的梁柱端板連接節(jié)點性能研究現(xiàn)狀

(一)破壞模式與極限承載力方面。樂毓敏對3組共9個Q690高強鋼T型連接迸行單調(diào)拉伸試驗，并將試驗的T型連接最大變形值分別與Jaspart模型和Faella模型的預(yù)測值對比。結(jié)果表明Q690高強鋼T型連接的最大變形能力與普通鋼相比顯著下降，但仍表現(xiàn)出較好的延性。但對于如何評價高強鋼T型連接延性的指標(biāo)尚未有研究提出，也未有學(xué)者對EC3推薦的T型連接的塑性鉸線分布模式是否適用于高強鋼進(jìn)行研究。Girao Coelho對高強鋼S690和S960梁柱焊接節(jié)點域的力學(xué)性能進(jìn)行研究。將試驗結(jié)果與歐洲規(guī)范EC3的對比表明，歐洲規(guī)范仍適用于高強鋼構(gòu)件設(shè)計，但存在一些不足，如未考慮軸向壓力對構(gòu)件承載力的不利影響等，建議對現(xiàn)有公式進(jìn)行修正。以上研究均基于歐標(biāo)高強鋼S460、S690或S960，孫飛飛、李國強對國產(chǎn)高強鋼Q690的端板連接節(jié)點進(jìn)行擬靜力試驗研究，試驗結(jié)果同樣表明：高強鋼柱對于螺栓的受力有不利影響，高強鋼塑性變形發(fā)生較晚，因此，當(dāng)節(jié)點變形能力相同時，更大的變形壓力轉(zhuǎn)移到螺栓上，導(dǎo)致螺栓更早發(fā)生破壞，從而削弱了節(jié)點的轉(zhuǎn)動能力。胡方鑫、施剛等認(rèn)為，對于高強鋼節(jié)點基于材料循環(huán)本構(gòu)關(guān)系計算的節(jié)點承載力比基于單拉本構(gòu)的計算承載力高7.6%，計算的節(jié)點延性卻降低了28.7%，且鋼材的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系對結(jié)果的影響遠(yuǎn)大于焊縫的影響。

(二)節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度方面。清華大學(xué)施剛等調(diào)研收集了Q460GJ、Q500、Q550和Q690高強鋼材共14550組材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)，同時開展了79組獨立的材性試驗。最終，基于可靠度理論提出了高強鋼材的抗力分項系數(shù)建議值，得到了高強鋼材的強度設(shè)計指標(biāo)。孫飛飛、孫密等對Q690高強鋼端板連接節(jié)點抗震性能試驗研究表明，EC3對于高強鋼端板節(jié)點初始剛度的預(yù)測還存在些許誤差。

(三)節(jié)節(jié)點滯回性能方面。國外研究方面，日本學(xué)者Kuwamura等通過評估了高強鋼試件在地震作用下的滯回性能，通過對滯回性能的研究判斷高強鋼能否納入抗震材；國內(nèi)學(xué)者同濟大學(xué)孫飛飛對3個齊平式端板螺栓連接節(jié)點試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗，并通過實驗所得滯回曲線得出節(jié)點破壞模式、極限承載力情況和節(jié)點轉(zhuǎn)動能力。

五、目前存在的不足

雖然普通鋼梁柱連接節(jié)點的研究已經(jīng)趨于完善，但是隨著高強鋼的應(yīng)用，對于高強鋼梁柱連接節(jié)點的性能分析卻有待深入。國內(nèi)外規(guī)范均僅沿用普通鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和計算公式，并未建立在充足研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。

(一)對于應(yīng)用高強鋼之后對梁柱端板連接節(jié)點的破壞模式和其極限承載力影響等方面研究仍然欠缺。EC3規(guī)范方法對高強鋼節(jié)點的極限承載力和轉(zhuǎn)動剛度的計算與實驗相比偏于保守，且對節(jié)點破壞模式的預(yù)測有偏差。對于高強鋼而言，其價格高，產(chǎn)量少，有必要對結(jié)果偏于保守的規(guī)范限值進(jìn)行深入研究，以期達(dá)到對該類節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化，遺憾的是目前國內(nèi)外學(xué)者還未提出具體的優(yōu)化方案

(二)對于應(yīng)用高強鋼之后對梁柱端板連接節(jié)點不同端板厚度參數(shù)及尺寸效應(yīng)的匹配情況的研究同樣欠缺，且上述研究均未涉及梁、柱和端板分別采用不同強度鋼材組合的情況。

(三)對于考慮高強鋼之后對梁柱端板連接節(jié)點的延性的試驗研究比較欠缺，且對于不同參數(shù)變化對節(jié)點延性性能的影響的研究少之又少。