隔板貫通式柱梁連接節(jié)點滯回性能試驗研究

隔板貫通式柱梁連接節(jié)點滯回性能試驗研究

1柱貫通式與越界柱節(jié)點的連接方式在鋼框架中，梁和柱之間的剛性連接形式可分為三種類型：柱連接、梁連接和互聯(lián)。柱貫通指在節(jié)點處保持柱構(gòu)件連續(xù);梁貫通指在節(jié)點處保持梁構(gòu)件連續(xù);隔板貫通主要用于H形梁與鋼管柱的連接中,傳遞梁翼緣內(nèi)力的隔板穿過整個柱截面,柱身通過焊接于隔板保持連續(xù),梁翼緣亦焊接于隔板上,梁腹板栓接于柱上。工程實例中,采用梁貫通式的較少。國外低層住宅中,為門窗靈活布置,有將H形鋼構(gòu)件采用梁貫通式的實例用于日本這樣的強(qiáng)震多發(fā)國家且已成為定型產(chǎn)品。柱貫通式是我國現(xiàn)行規(guī)范推薦使用的連接形式,而隔板貫通式在我國規(guī)范中還未被提到。對H形梁與H形柱的連接,柱貫通式無疑是合理的連接形式,且易于實現(xiàn)。對H形梁與閉合截面柱的連接,若采用柱貫通式,對四塊鋼板焊接而成的箱形柱,設(shè)置內(nèi)隔板是可行的,但有時須采用制作成本較高的熔嘴電渣焊;對于熱軋或冷成形的圓管或方管柱,當(dāng)鋼管內(nèi)部空間不夠容納焊工在其中操作時,柱內(nèi)水平隔板焊接時必須在隔板附近處將柱斷開(參見后文圖2b),因此,不能保證完全意義上的柱貫通。采用外環(huán)板式的連接,是保持柱貫通條件下對內(nèi)隔板形式的一種替代方法但梁下翼緣位置突出的外環(huán)板會受室內(nèi)建筑空間要求的限制。這樣,熱軋或冷成形鋼管柱采用隔板貫通式連接就成為另一種可選方案。日本在鋼管柱梁節(jié)點中廣泛采用隔板貫通式連接。其原因,除了上述制作工藝的便利性以外,還有易于實現(xiàn)上下層柱的厚度變化、截面外包尺寸變化等優(yōu)點。日本建筑學(xué)會編寫的《鋼結(jié)構(gòu)接合部設(shè)計指針》、日本建筑中心編寫的《冷成型方鋼管設(shè)計施工手冊》中,對其構(gòu)造細(xì)節(jié)做了詳細(xì)規(guī)定。在經(jīng)過對阪神地震震害數(shù)年研究之后,這類節(jié)點仍作為鋼管結(jié)構(gòu)柱梁節(jié)點的首選形式,已是一種相當(dāng)成熟的技術(shù)。隨著我國冷成形鋼管生產(chǎn)線的陸續(xù)投產(chǎn)和中高層鋼框架中鋼管柱應(yīng)用的普及,隔板貫通式節(jié)點將會逐漸展現(xiàn)其優(yōu)勢,但國內(nèi)工程界因缺乏相關(guān)經(jīng)驗,對這類節(jié)點的抗震性能了解較少,認(rèn)為柱子“割斷”對結(jié)構(gòu)不利的看法比較普遍。為了考察這種節(jié)點的實際抗震性能,本文通過往復(fù)加載對隔板貫通式節(jié)點進(jìn)行了試驗研究。2柱頂豎向荷載試驗基本思路:以平面十字節(jié)點作為研究對象(圖1),柱底和梁端分別以不動鉸和移動鉸約束,在柱頂施加恒定豎向荷載的同時施加低周反復(fù)水平荷載,以模擬節(jié)點在地震中的受力情況。2.1試件設(shè)計及制作本試驗共設(shè)計8個試件,詳見表1,鋼板厚度和材性的實測值詳見表2。表1中軸壓比指軸壓力與柱全截面面積(按設(shè)計尺寸計算)和鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計值乘積之比,隔板外挑長度指隔板伸出柱邊以外長度。除試件Rth,Cth為柱貫通式的試件以用于對比外,其余均為隔板貫通式。R系列為統(tǒng)一的熱軋方鋼管,Rth因供材原因?qū)嶋H采用了焊接箱形柱。試件節(jié)點部位細(xì)節(jié)見圖2,圖中所注焊縫均為全熔透對接焊。其中梁與隔板連接曾考慮采用墊板,因試件完全在工廠制作,實際采用雙面焊。梁腹板上焊接孔開孔形式由上海拜特鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計有限公司的結(jié)構(gòu)工程師確定(圖2中詳圖A),實際加工情況與設(shè)計要求有偏差,不過試驗過程中此部位基本未發(fā)生破壞,不影響試驗結(jié)果。梁腹板與柱連接采用6個10.9級M20摩擦型高強(qiáng)螺栓,接觸面采用噴砂(丸)處理,摩擦系數(shù)不小于0.5,連接板與柱子連接采用單面角焊縫。試件設(shè)計時,所有鋼材都采用Q345B。從實測數(shù)據(jù)看,隔板的實際屈服強(qiáng)度低于梁、柱鋼材的實際屈服點。2.2千斤頂?shù)募虞d水平加載使用電液伺服試驗加載器。豎向加載使用油壓千斤頂,千斤頂與反力架之間設(shè)置滾輪,以跟隨柱頂水平移動。數(shù)據(jù)采集使用3817數(shù)據(jù)采集儀。2.3cd5a屈服前后的屈服性能豎向荷載N首先加至設(shè)計值。對R系列試件,水平荷載直接采用位移Δ控制,屈服前分2～3級,每級循環(huán)2～3周,屈服后按屈服時Δ值的整數(shù)倍逐級遞增,每級循環(huán)3周,至無法繼續(xù)加載止;對C系列試件,C25a屈服前水平荷載采用力控制,分3～4級,每級循環(huán)2～3周,屈服后按屈服時Δ值的整數(shù)倍逐級遞增,每級循環(huán)3周,至無法繼續(xù)加載止;其余C系列試件,屈服前同C25a,屈服后為增加滯回環(huán)數(shù),統(tǒng)一按Δ值每級增加25mm控制,每級循環(huán)3周,至無法繼續(xù)加載止。3試件與破壞形態(tài)R系列試件:水平加載至Δ=±105mm(層間位移角1/29)循環(huán)時,R25a梁受壓翼緣略顯屈曲,受拉翼緣出現(xiàn)小裂紋,其余試件無破壞現(xiàn)象。至Δ=±140mm(層間位移角1/21)循環(huán)時,R25a梁受壓翼緣明顯屈曲,受拉翼緣被拉斷,試件完全破壞;R25b梁受拉翼緣有小裂紋出現(xiàn);R60梁受壓翼緣略顯屈曲,受拉翼緣邊上開裂,外側(cè)節(jié)點域鋼板上邊界焊縫開裂;Rth試驗過程中未嚴(yán)格按規(guī)定程序操作,正向推至140mm,再反向拉至120mm后即轉(zhuǎn)為推至190mm,此時梁受壓翼緣略顯屈曲,受拉翼緣出現(xiàn)小裂紋,再拉時豎向千斤頂跟動裝置受阻,并強(qiáng)行拉至140mm,隨后出現(xiàn)梁受壓翼緣屈曲,受拉翼緣被拉斷,破壞面大致在腹板切角根部對應(yīng)翼緣截面,試件完全破壞至Δ=±175mm(層間位移角1/17)循環(huán)時,R25b、R60均出現(xiàn)梁受壓翼緣屈曲,受拉翼緣拉斷,試件完全破壞。所有隔板貫通試件梁翼緣受拉破壞面均在與隔板相連的焊縫上及焊接熱影響區(qū),裂縫從翼緣邊開始,且都有裂縫穿過焊縫進(jìn)入隔板的現(xiàn)象。整個試驗過程中,所有試件均未發(fā)生柱子和節(jié)點域鋼板破壞現(xiàn)象,除R60節(jié)點域上邊界焊縫有一條破壞外,其余試件柱與隔板、節(jié)點域鋼板與隔板間連接焊縫均保持完好。C系列試件:C25a,當(dāng)水平加載至Δ=±100mm(層間位移角1/30)循環(huán)時,梁受拉翼緣出現(xiàn)裂紋,至Δ=±145mm(層間位移角1/21)循環(huán)時,發(fā)生梁受拉翼緣斷開,試件完全破壞。其余C系列試件,水平加載至Δ=±125mm(層間位移角1/24)循環(huán)時,C60梁受拉翼緣出現(xiàn)小裂紋,C25b、Cth無破壞現(xiàn)象。至Δ=±150mm(層間位移角1/20)循環(huán)時,C25b、C60梁受拉翼緣出現(xiàn)明顯裂紋,Cth梁受壓翼緣略顯屈曲。至Δ=±175mm(層間位移角1/17)循環(huán)時,C25b出現(xiàn)梁受壓翼緣屈曲,受拉翼緣斷開,試件完全破壞;C60梁受拉翼緣裂開,受壓翼緣屈曲;Cth梁受壓翼緣屈曲程度略有發(fā)展之后C60單向推至設(shè)備最大行程,梁受壓翼緣屈曲,受拉翼緣斷開,試件完全破壞。Cth繼續(xù)Δ=±195mm循環(huán),梁受壓翼緣出現(xiàn)屈曲,受拉翼緣在腹板切角根部附近出現(xiàn)約50mm長裂縫,試件完全破壞。所有隔板貫通試件梁翼緣受拉破壞面均在與隔板相連的焊縫上及焊接熱影響區(qū)。除Cth梁翼緣裂縫從腹板切角根部處開始裂開外,其余試件梁翼緣裂縫均從翼緣邊開始。整個試驗過程中,除Cth柱身和節(jié)點域有宏觀凹進(jìn)凸出外(見圖3c),其余C系列試件均未發(fā)現(xiàn)柱子或節(jié)點域明顯破壞。所有C系列試件中柱與隔板、節(jié)點域鋼板與隔板間連接焊縫均保持完好。4試驗結(jié)果及分析4.1試驗結(jié)果分析圖4為各試件P-Δ曲線(P、Δ如圖1所示,以向左為正)。各試件在斷裂發(fā)生前滯回曲線均很飽滿。就耗能能力而言,各試件抗震性能表現(xiàn)良好。取我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中對多高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/50來考察,就本次試驗結(jié)果看,在設(shè)計允許的層間位移角范圍內(nèi),隔板貫通式連接能夠保證結(jié)構(gòu)承載力不退化(圖4)。圖4中,柱子施加軸力的試件,試驗曲線在屈服后有的出現(xiàn)波動現(xiàn)象,主要由試驗過程中豎向千斤頂在隨柱頂水平移動過程中產(chǎn)生的軸力波動所致。此外,同系列各試件中(R系列和C系列),破壞前經(jīng)歷的循環(huán)總次數(shù)有些差異較大,這與各試件焊縫質(zhì)量不同有關(guān)。4.2動態(tài)平衡關(guān)系根據(jù)塑性極限分析方法求出梁、柱控制截面的極限彎矩Mpb和Mpc。其中梁的控制截面取梁與柱的焊接截面,柱的控制截面取節(jié)點域隔板上下截面。計算柱子截面極限彎矩Mpc時考慮了軸力的影響。所有計算都采用了實測壁厚和拉伸試驗得到的屈服強(qiáng)度。然后根據(jù)節(jié)點處的平衡條件,分別求得對應(yīng)的水平荷載極限值Pb和Pc,列于表3和表4。平衡關(guān)系見式(1)、(2),平衡關(guān)系中考慮了軸力N引起的二階效應(yīng)(圖5),但軸力取加載初始軸力,水平變形取相對變形角1/50的對應(yīng)值。式中h、b、a分別為梁截面高、柱截面高和隔板挑出長度,其余符號意義同前文。表3表明,R系列試件的極限承載力由梁截面極限彎矩控制,這與試驗現(xiàn)象是完全一致的。表4則顯示就計算承載力而言,C系列試件梁柱控制截面幾乎同時達(dá)到極限狀態(tài),但試驗揭示宏觀破壞(如裂紋、板件失穩(wěn))幾乎都發(fā)生在梁端。可以列舉的原因包括梁端焊接孔的削弱未在計算中考慮、翼緣傳力中的應(yīng)力集中以及材料強(qiáng)化和離散的不同等,但梁端裂紋始于受拉翼緣焊接熱影響區(qū),表明在受拉應(yīng)力作用下對焊接質(zhì)量必須予以高度重視圖4中標(biāo)注了Pb的水平線,絕大多數(shù)試件的極限承載力都達(dá)到或高于表列的計算值。但C25a實際承載力低于計算值。該試件裂縫出現(xiàn)早,與制作時經(jīng)兩次返修,有重復(fù)焊接歷史的原因有關(guān)。試件總耗能包括節(jié)點域耗能、梁塑性鉸耗能和柱塑性鉸耗能三部分,節(jié)點域耗能是其中很重要的一部分。隔板貫通與否,節(jié)點域上下邊界的構(gòu)造細(xì)部是不一樣的。這里對節(jié)點域耗能能力做一分析。4.3節(jié)點域平均剪應(yīng)變與總耗能由三部分組成相對應(yīng),柱頂水平位移Δ也由三部分組成:僅由節(jié)點域剪切變形產(chǎn)生的柱頂水平位移Δ1、梁彎曲變形產(chǎn)生的柱頂水平位移Δ2以及柱彎曲變形產(chǎn)生的柱頂水平位移Δ3,Δ=Δ1+Δ2+Δ3。顯然P-Δ1曲線所圍面積應(yīng)與節(jié)點域耗能相等。由幾何關(guān)系,Δ1與節(jié)點域平均剪應(yīng)變γ有對應(yīng)關(guān)系式(3)(限于篇幅,此處不對推導(dǎo)過程做詳細(xì)介紹,根據(jù)圖6所示幾何關(guān)系可導(dǎo)得該式,圖中不計桿件彎曲變形),式中H0、L0分別為柱凈高、梁凈跨,其余符號意義同前文。而γ值可由節(jié)點域所布4個交叉位移計(圖7)得到的4個δi值根據(jù)余弦定理按(4)、(5)式計算,式中c、d分別為加載前,交叉位移計兩固定點的水平和豎向距離。從圖8看,各試件P-Δ1曲線均非常飽滿,從各對比組(即均受一定軸壓的試件)可以看出,隔板貫通對節(jié)點域耗能能力未產(chǎn)生不利影響。4.4合理的回復(fù)突變試驗方法相比較柱貫通式連接,對隔板貫通式連接的主要擔(dān)心在于柱子被隔板打斷。柱與隔板間連接焊縫受拉破壞成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的因素。一般而言,焊縫金屬的實際強(qiáng)度較高,可能存在的問題是柱子受拉或者彎曲拉應(yīng)力超過軸壓應(yīng)力時反復(fù)應(yīng)力作用下的延性框架中根據(jù)強(qiáng)柱弱梁原則設(shè)計的節(jié)點,隔板與柱身連接焊縫上的受拉應(yīng)力不會對滯回性能起控制作用;就焊縫的性質(zhì)而言,既然梁與柱的連接焊縫能夠經(jīng)歷超屈服應(yīng)力的反復(fù)作用,則柱身與隔板間的焊縫應(yīng)處在相對更加有利的應(yīng)力狀態(tài)下。本次試驗中,R25a與R25b,C25a與C25b為兩對制作相同的對比試件,其中a試件未加軸力,b試件加軸力(詳見表1),a、b試件破壞模式大體相同,均只發(fā)生在梁翼緣與柱隔板連接處附近。試驗中a試件比b試件破壞早、延性差的現(xiàn)象與柱身-隔板的焊接連接無關(guān)。4.5理高特性試件1)隔板外挑長度:如果隔板挑出長度太短,柱身-隔板焊縫與梁翼緣-隔板焊縫就靠得較近,這種情況下殘余應(yīng)力峰值及分布是否會不利,鋼材金屬是否會因多次焊接而加劇材質(zhì)的劣化,國內(nèi)還缺乏詳盡的實測資料和分析。隔板挑出長度太長則可能受建筑要求限制,同時還可能使梁腹板切角太大。文獻(xiàn)根據(jù)日本的相關(guān)經(jīng)驗,建議當(dāng)柱鋼管壁厚小于28mm時取挑出25mm,鋼管壁厚大于28mm時挑出長度取30mm。該規(guī)定適合于壁厚不超過40mm的鋼管。本次試件設(shè)計參考上述文獻(xiàn),試件設(shè)計時隔板挑出長度以25mm為基本參數(shù)。此外,作為對比,R、C系列試件又各加工了一個挑出長度為60mm的試件。從試件破壞模式看,兩種試件都破壞在隔板與梁翼緣交界線附近,或者在焊縫上或者在熱影響區(qū),挑出長度對其影響并不明顯;從隔板上的應(yīng)變片看,R系列試件中R25a與R60都在較小荷載時已明顯進(jìn)入塑性,R25b則進(jìn)入較晚(Δ=±35mm時,R25a、R60上應(yīng)變分別為5639με、4978με,而R25b僅為1278με),兩種挑出長度未表現(xiàn)出明顯優(yōu)劣。C系列試件情況類似。從宏觀的滯回曲線看,隔板挑出60mm的試件和隔板挑出25mm的試件同樣未表現(xiàn)出明顯優(yōu)劣。2)隔板厚度:隔板要傳遞梁翼緣的拉壓力,顯然隔板厚度不宜小于梁翼緣厚度,本次試件設(shè)計取隔板厚度比梁翼緣厚度大一個級別。在試驗中,即使梁翼緣受拉破壞面稍有進(jìn)入隔板,也只是在隔板與梁翼緣交界線附近的熱影響區(qū),隔板未出現(xiàn)其它問題,由此可見,此種確定隔板厚度的方法是可行的。3)隔板強(qiáng)度和Z向性能要求:設(shè)計時隔板的鋼材強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)與梁柱用鋼材等強(qiáng)。如果鋼材屈服點的離散程度較大,也可考慮采用比梁柱鋼材強(qiáng)度高一等級的鋼材。當(dāng)柱內(nèi)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力時,較厚的隔板應(yīng)有Z向性能的要求。4)焊縫:梁翼緣與隔板、柱身與隔板、節(jié)點域鋼板與隔板間連接焊縫