箱形柱端板節點試驗研究

施戈亮

(湖北工業職業技術學院,湖北 十堰 442000)

0 引言

預制鋼結構因其施工方便而在多層建筑中被廣泛采用。為了避免現場焊接和減少安裝周期。栓連接,擴展端板連接,被認為是預制鋼結構中Ⅰ型梁和Ⅰ型柱令人滿意的連接類型之一[1]。對工字鋼柱的加長端板連接進行了大量的調查,證明只要設計得當,加長端板連接可以形成較好的抗彎強度和旋轉剛度。同時規范[2]已經提出并規定了Ⅰ型截面梁的端板連接的實際設計方法。在這些規范中,柱子翼緣的抗彎能力是用與端板相同的方法來檢查的,而T型管分析是檢查端板和柱子翼緣厚度的基本方法。

當預制鋼結構框架用于抗震設計時,箱形柱是首選,因為它有很好的抗雙軸彎曲和扭轉屈服的能力[3]。然而,當螺栓連接的端板節點用于帶有箱形柱的預制鋼結構框架時,由于箱形柱法蘭的支撐條件與工字形柱不同,因此不能直接用工字形柱法蘭的方法來分析箱形柱法蘭的抗彎能力[4]。在應用于與箱形柱的端板連接設計之前,需要對現有的與工字形柱的端板節點設計方法進行補充,以檢查箱形柱法蘭的阻力。然而,在現有的設計規范中找不到這樣的補充,對這個問題的研究也是有限的,因為在沒有空間安裝螺栓的情況下,很難在工字形梁和箱形柱之間采用螺栓連接。

基于此,本文提出了三種技術的切割和焊接程序,在施工現場,梁和柱可以通過螺栓緊固來連接,不需要任何現場焊接,進一步證明這種節點結構可以方便地應用于預制鋼結構。為了研究工字形梁端板與箱形柱的連接行為,研究不同預制技術的連接的抗震性能,對四個全尺寸試件進行了測試,其中一個試件承受單軸荷載,其他試件承受循環荷載[5]。

1 試樣方案

1.1 試樣方案設計

新能源商用車電控及驅動系統研發及產業化建設項目2號樓(研發廠房)為鋼結構廠房,鋼結構主要形式為箱型柱,地上5層,總高度28.6 m,采用鋼框架-中心支撐體系。由于項目位于北京市,且根據前期地質勘察,最終設定鋼結構抗震等級為3級。但在鋼結構實際施工過程中,發現箱形柱端板節點螺栓經常出現扭斷現象。同時由于該項目鋼結構為5層樓高,在高樓層焊接箱形柱具有施工困難、危險等問題。為了在箱式柱裝配式鋼框架中應用端板連接,本文介紹了三種箱式柱螺栓端板連接的預制工藝。第一種工藝是在全部螺栓和連續板安裝完畢后,在其中一根柱腹板墻上開窗,并將窗板焊接起來。該技術記為XW,表示需要X方向窗口。第二種技術,標記為YW,與第一種技術相似,窗口是在垂直于Y方向的柱法蘭壁上打開。第三種技術,標記為NW,不使用窗戶,但柱必須從中間切斷,為必要的螺栓和端板提供施工條件,然后焊接在一起。這些接頭配置中所使用的螺栓應采用扭開式高強度螺栓,每個螺栓都有固定在柱壁內側的套筒保護,以防止預埋螺栓在運輸過程中從孔中脫落。在實際中施工時,如果箱形柱周圍有四根梁連接,則會同時存在XW技術和YW技術,但在平面框架的分析中,這兩種技術可能有很大的不同,因為端板的焊接可能會以不同的方式影響面板區域的抗剪能力和法蘭壁的抗彎能力。因此,在本研究中,XW和YW為兩種不同的技術。

1.2 試驗材料

施工現場所有的柱子和梁的鋼材都是Q345,屈服強度為345 MPa。用三個相同的試樣對梁的翼緣、梁的腹板和柱壁進行了拉伸試驗。試件中使用的所有螺栓都是扭斷型的,因此在施工過程中可以在柱子外面用電動扳手完成安裝。螺栓是10.9級的M24螺栓。根據所采用螺栓的質量認證,螺栓的名義屈服應力和極限應力分別為1 002 MPa和1 140 MPa,同時M24螺栓的有效面積為351 mm2,單個螺栓的預緊力為225 kN。

1.3 儀器加載方式

采用HN294 mm×200 mm×8 mm×12 mm熱軋工字鋼和300 mm×12 mm冷彎箱形柱制作4個十字形端板連接試件,進一步設計為箱形柱端板節點。試件中使用的螺栓為10.9級M24扭斷型高強度螺栓。在面板區使用了連續板,并使用擴展端板加勁器以獲得更大的旋轉剛度。連接和構件的尺寸如圖1所示,試樣使用了兩種不同的加載方式,試樣的詳細數據在表1中列出,包括預制技術符號(XW,YW或NW)和加載方式(M代表單調載荷或C代表循環載荷)。

所有測試的試件都在梁的兩端承受了反對稱的荷載,當北側推桿向下移動,南側推桿向上移動時[6],荷載被規定為正值。如表1所示,其中三個試件在循環荷載下進行了測試,根據規范要求,加載方法在圖2中說明。在屈服前,載荷由力控制,三個單周期載荷水平分別對應于Py/3,2Py/3和Py。屈服后,載荷由位移控制,三個周期水平對應于Δy-6Δy。

2 結果與討論

2.1 滯回曲線

滯回曲線可以全面反映在循環荷載作用下箱形柱端板節點的變形特性、剛度退化和能量耗散。圖3為所有試樣節點的彎矩-層間位移角(M-θd)滯回曲線。圖3中的CT1曲線呈現弓形。其他三個試樣的曲線比CT1的曲線更飽滿,反映了與CT1相比更好的滯回性能和能量耗散能力。其中,CT3的曲線呈現梭形,這表明NW預制技術具有較差的能量耗散能力,主要由于箱形柱端板在中間被切斷,相應的應力主要集中在螺栓和連接板中,易造成應力集中。

且從圖3(a)可以看出,與-0.04 rad(周期29)相比,-0.05 rad(周期31)的滯回曲線出現了明顯的突變,如圖3(a)中的圈所示。這是由于箱形柱端板節點之間的焊縫過早斷裂造成的。當CT1試件層間漂移角在-0.09 rad,出現最小值,CT2試件層間漂移角在-0.08 rad,出現最小值,但使用預制技術YW時,CT3的最小漂移角為-0.06 rad,較CT1與CT2分別下降33.3%,25.2%,這可以解釋為端板在提高節點處的剛度方面起著重要作用。在隨后的加載過程中,滯回環路表現出明顯的擠壓效應,尤其是正環路。進一步表明箱形柱端板節點表現出明顯的互拉效應,在卸載后不能恢復到原來的長度,這降低了節點的變形和能量耗散能力。與CT1相比,試件CT2使用XW預制技術在柱壁上開窗,在所有端板安裝完畢后,有效地將荷載分散到箱形柱中,防止了端板節點處的大面積滑移,與CT1相比,其滯回圈擴大。CT3(如圖3(b)所示)的滯回環顯示出較為完整的形狀,且層間漂移角分別在-0.06 rad及+0.07 rad位置下彎矩分別達到最小值與最大值。主要原因為預制技術YW把窗口開在垂直于Y方向的柱子翼緣墻上,其端板節點可以通過梁翼緣的塑性變形和螺栓的滑動將能量耗散到空間,從而獲得了抗變形能力。在保證強板區的前提下,CT4的滯回曲線沒有CT3飽滿,說明通過將高強度螺栓用于箱形柱梁端板節點,可以提高試樣的變形耗散能量。

2.2 骨架曲線

骨架曲線反映了整個循環荷載過程中箱形柱端板節點的承載能力。所有試樣的彎矩層漂移角骨架曲線繪制在圖4中。每個試件的正曲線和負曲線顯示出顯著的不對稱性,并且在每個試件相似的層間位移角下,正力矩幾乎總是高于負力矩,尤其是在較高的加載階段,其漂移角均在0.08 rad位置處彎矩達到最大,最大值分別為150 kN,148 kN,142 kN,120 kN,這可以解釋為箱形柱的垂直不連續性削弱了節點的正抗彎承載力。由于較厚的板,CT2的正曲線略高于CT1的正曲線,表明當預制技術YW相同時,采用單軸循環加載方式用于箱形柱端板節點會產生較高的抵抗力。這是因為前者的阻力來自箱形柱端板,而后者的阻力僅由端板節點促進,端板節點之間的間隙為2 mm。CT1和CT2的負曲線在早期加載階段基本一致,在漂移角為-0.08～0.00范圍內,CT1至CT4的最大彎矩分別為-100 kN,-120 kN,-152 kN,-180 kN,而由于CT1在后期加載階段的過早焊接開裂,表現出顯著的不同特征。且觀察到CT3的曲線完全包圍了CT1的曲線,表明使用預制技術YW可以有效地提高箱形柱端板節點的承載能力。在加載后期,CT3和CT4的曲線顯著不同。前者的正曲線均高于后者,最大值分別為125 kN及120 kN,CT3正曲線平均值為119 kN,CT4正曲線平均值為116 kN,較CT3下降2.52%,這可以解釋為預制技術NW在沒有使用窗口,且箱形柱必須在中間被切斷的情況下,可以為箱形柱端板節點提供更好的抗變形能力,而CT3中端板節點的局部屈曲加速了其箱形柱端板破壞前承載力的下降[7-8]。

2.3 能量耗散

節點處的能量耗散能力也是地震性能的一個重要指標。圖5(a)為不同箱形柱端板試樣節點的累積耗能隨漂移角的變化。可以看出,試件箱形柱端板節點的總耗散能量與極限層間漂移角密切相關。所有節點的累積耗能在早期加載階段非常接近,但當漂移角超過0.04 rad時,顯示出不同程度的增長。CT2和CT3在0.07 rad時的累積能量耗散大約是CT1的1.32倍和1.47倍,表明對于目前提出的預制連接方式,YW預制技術可以為箱形柱端板提供較好的能量耗散。同時,CT3的累積能量耗散大約是CT4在0.07 rad時的1.19倍。這可以解釋為預制技術NW,直接將箱形柱端板從中間切開,使節點不易發生扭斷現象。且由于NW技術在節點處使用高強度螺栓,減少箱形柱端板節點塑性變形能力,CT4在失效時表現出優異的能量耗散能力。

圖5(b)為等效黏性阻尼系數對層間漂移角的變化。在整個加載過程中,CT2的曲線幾乎包圍了CT1的曲線,且CT1及CT2其最大值0.17 rad,0.25 rad,這表明XW預制技術在柱壁上開窗,安裝螺栓和端板會產生更多地耗散能量。主要原因為在箱形柱端面側面開窗口,可以將內套筒、上柱和頂部節點更緊密地結合在一起,可以將力分配給更多的部件來消散能量,從而保證節點具有較大的耗散能量。對于CT1和CT3來說,使用預制技術YW會降低其變形能力,從而減少能量的耗散。另一方面,CT3在0.05 rad后表現出良好的能量耗散能力,這要歸功于預制技術YW可以使梁翼緣顯著的局部屈曲變形。且可觀察到,在后期加載階段,CT3的曲線高于CT4,CT3正曲線平均值為0.15,CT4正曲線平均值為0.12,較CT3下降20%,表明預制技術YW可以使端板節點的變形耗散能量優于其他預制技術條件下的節點變形,而且CT3的節點滑移比CT4更嚴重。

3 結論

1)在使用預制框架的不同情況下,測試的節點可以分為半剛性和剛性。測試節點的極限層間位移角大于0.1 rad,在循環負載的節點中,而對應于第一次斷裂的層間位移角大于0.07 rad,表明端板節點與箱形柱的延展性和變形性良好。

2)CT3滯回曲線較為完整,表明使用扭斷式高強度螺栓可以有效地提高端板節點的承載能力。且CT3的累積能量耗散較高,可以提高端板節點的抗震性能。

3)從三種不同預制技術的節點性能比較來看,推薦XW和NW預制技術為首選技術,而YW技術也能滿足抗震設計的要求。同時端板節點的抗彎能力將受到端板厚度和柱壁厚度的影響,建議柱壁厚度略大于端板厚度,以獲得更大的抗彎能力,并充分利用板材的優勢。