蜂窩式鋼框架邊節(jié)點抗震性能試驗研究

蜂窩式鋼框架邊節(jié)點抗震性能試驗研究

蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點長期以來，人們普遍認為，鋼框架結(jié)構(gòu)（mrf）具有良好的抗疲勞動性能，在地震區(qū)域得到了廣泛應用。然而,1994年1月17日發(fā)生的北嶺地震使這一觀點受到了挑戰(zhàn)。震害調(diào)查顯示,盡管地震中無鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌破壞的事例,但是在梁柱節(jié)點處卻發(fā)現(xiàn)了大量的脆性裂縫。隨后發(fā)生的日本阪神地震(1995年)也引起了類似的破壞。因此,近10年來,關于鋼框架梁柱連接節(jié)點的破壞機理、抗震性能以及設計方法等方面的研究引起了科技工作者和工程師的重視,并取得了許多研究成果。蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點是由H型鋼或工字型鋼沿腹板上一定的折線或圓弧線切割成的兩部分錯位焊合而成的腹板有孔洞的梁柱連接而成的新型節(jié)點形式,其孔洞類型一般為六邊形孔、圓孔、橢圓孔和矩形孔等(本文主要研究正六邊形孔,詳見圖1)。蜂窩節(jié)點域的截面高度擴大為原型鋼的1.3~1.6倍(相應的正六邊形孔的邊長或外接圓半徑為原型鋼高度的0.35~0.7倍),較大地提高了蜂窩節(jié)點的承載力和剛度。此新型節(jié)點具有自重輕、承載力高、省材、造型美觀及便于穿插管線和工業(yè)化加工制作等特點,適用于建造多層鋼結(jié)構(gòu)住宅、無大型吊車廠房和輕鋼結(jié)構(gòu)別墅等建筑。國內(nèi)外關于蜂窩梁的研究成果和應用很多,如一些門式剛架結(jié)構(gòu)采用了腹板開圓孔或橢圓孔的斜梁。國外鋼框架結(jié)構(gòu)中有些采用了蜂窩框架梁(如英國Vulcan大樓),而我國鋼結(jié)構(gòu)框架梁或柱還沒用應用蜂窩構(gòu)件的實例。目前,國內(nèi)外對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)及其節(jié)點的抗震性能研究很少,限制了該結(jié)構(gòu)體系在工程中應用。因此,很有必要對蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點性能作深入研究,為蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)研究及應用奠定基礎?？锥创笮『臀恢檬怯绊懛涓C式節(jié)點受力性能的兩個重要因素。文獻指出由于梁翼緣板參加抗剪,使得削弱截面的抗剪能力并未隨腹板削弱面積等比例的降低。當擴張比K=1.5時,梁上第一個開孔位置與其腹板高度之比d/ht和柱上第一個開孔位置與其腹板高度之比e/hc則是蜂窩節(jié)點主要的設計參數(shù),這兩個參數(shù)的取值應由梁根部與削弱處截面的抗彎能力比和梁翼緣對腹板的約束要求兩個因素來控制。當d/ht與e/hc在某些范圍內(nèi)時,能夠達到使塑性鉸首先出現(xiàn)在梁上的削弱部位,從而遠離梁根部節(jié)點焊縫區(qū)的設計目標。為了對上述可行性研究提供試驗支持,同時為下一步的蜂窩鋼框架整體分析提供依據(jù),本文在沈陽建筑大學結(jié)構(gòu)工程實驗室進行了6個試件的擬靜力試驗。1試驗總結(jié)1.1試驗模型及材料試件選取6個典型的梁柱T形節(jié)點形式,即原型鋼節(jié)點、4種在腹板上有不同開孔位置的蜂窩式節(jié)點和一個犬骨-蜂窩式節(jié)點(見圖1),其幾何尺寸見表1和表2。試驗模型采用Q235B鋼制作,按《GB/T228—2002金屬材料—室溫拉伸試驗方法》制作試樣,測得試件材料性能平均值見表3。梁、柱采用工字形焊接H截面,梁柱連接采用全焊接剛性連接,焊接材料采用E43型焊條,按等強度原則設計。節(jié)點試件設計參照《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50017—2003)和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2008)中的有關構(gòu)造規(guī)定。1.2加載和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)試驗采用電液伺服結(jié)構(gòu)試驗機進行低周反復循環(huán)加載-擬靜力試驗方法,以模擬節(jié)點在地震中的受力情況。試件的加載及支撐設計如圖2所示,采用梁端加載方式,節(jié)點的柱上、下為鉸接,梁端為自由端,這種加載方式比較符合整個框架中梁、柱的實際受力情況。梁端垂直低周往復荷載由250kNMTS加載,作動器行程±250mm。柱頂采用600kN油壓千斤頂加載,在其上安裝傳感器以控制此反力的大小。試驗全過程由MTS伺服控制機及微機控制。在距離柱頂10cm的位置安裝250kNMTS作為橫向水平支撐錨固于反力墻上。為了防止結(jié)構(gòu)發(fā)生平面外失穩(wěn),在梁端加載點外伸150mm處加了側(cè)向支撐。在距離柱頂10cm的位置安裝250kNMTS作為橫向水平支撐錨固于反力墻上。為了防止結(jié)構(gòu)發(fā)生平面外失穩(wěn),在梁端加載點外伸150mm處加了側(cè)向支撐。試驗數(shù)據(jù)使用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。現(xiàn)場試驗裝置如圖3所示。1.3梁的撓度與柱的剪切變形量測內(nèi)容包括:(1)柱頂軸心壓力;(2)梁端拉、壓MTS實際加載數(shù);(3)梁根部撓度和柱的轉(zhuǎn)角、節(jié)點域的剪切變形;(4)柱翼緣及腹板、梁根部翼緣及腹板以及柱上第一個孔洞和梁上第一個孔洞周圍的應變;(5)節(jié)點域角點的應變;(6)梁端撓度;(7)梁端荷載P-位移Δ滯回曲線。1.4豎向加載再梁端豎向循環(huán)加載《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ101—1996)中建議,一般在做循環(huán)加載試驗時,試驗加載過程中可采用從荷載控制到位移控制的加載方式,即先以荷載控制加載到構(gòu)件基本屈服,之后再以位移控制變幅循環(huán)到某個位移值達到規(guī)定的限值為止。本試驗采用先柱頂豎向加載再梁端豎向循環(huán)加載的加載順序。具體加載步驟如下:(1)在柱頂施加豎直向下荷載,預載完畢后,一次加載至豎向荷載設計值P1(蜂窩式節(jié)點P1=160kN,原型鋼節(jié)點P1=107kN,軸壓比均為0.25),并在整個試驗過程中保持恒定;(2)梁端加載采用荷載-位移控制法,加載分兩個階段,彈性階段以荷載增量控制,分三至四步單循環(huán)加至試件達彈性極限時的梁端豎向荷載Pe(根據(jù)理論計算約為30kN),節(jié)點出現(xiàn)塑性變形后以屈服位移(根據(jù)繪制的梁端P-Δ曲線上出現(xiàn)較為明顯的拐點來確定)增量控制。SFJD、FWJD-1、FWJD-2以屈服位移的倍數(shù)加載,FWJD-3、FWJD-4、FWJD-5以屈服位移的一半為位移增量加載,每級循環(huán)兩周,直至試件破壞(荷載下降到最高荷載的80%~85%,且不低于屈服荷載),整個加載過程由計算機控制。2受拉壓梁端試驗后的受荷特點6個試件的試驗過程非常相似。在力控制階段,當6個試件上的力達到各自的屈服荷載時,相應的試件在節(jié)點域中心最先屈服,然后向四周擴展,梁端荷載-位移滯回曲線出現(xiàn)明顯拐點,對應的梁端位移為屈服位移,構(gòu)件進入塑性工作階段,承載力繼續(xù)增加;在位移控制階段,按屈服位移Δ的倍數(shù)(FWJD-3、FWJD-4、FWJD-5按0.5Δ)循環(huán)加載,出現(xiàn)了各種不同的破壞形態(tài)(見表4),且伴有較響的聲音,試件承載力迅速下降,試驗結(jié)束。各試件破壞情況見圖4。3試驗結(jié)果及分析3.1延性在試驗試件中的效果為了使梁柱連接能夠形成可靠的耗能體系,FEMA要求剛性連接試件在破壞時的塑性轉(zhuǎn)角能達到0.03rad。本次試驗的6個試件中只有FWJD-5和FWJD-2滿足這個要求,延性最好的FWJD-5的塑性極限轉(zhuǎn)角為0.032rad,最差的SFJD塑性轉(zhuǎn)角僅為0.018rad。試件雖然未都達到FEMA要求,但與原型鋼相比,延性在一定程度上得到了提高。表5列出了節(jié)點試件的主要試驗數(shù)據(jù),包括試件極限荷載、塑性極限轉(zhuǎn)角、最大位移等。3.2節(jié)點延性和塑性轉(zhuǎn)角連接節(jié)點在反復荷載作用下的荷載-變形曲線是其延性、耗能能力、強度、剛度等力學性能的綜合反映,所以滯回性能分析是鋼框架梁柱節(jié)點研究的關鍵。圖5為各節(jié)點的荷載-位移滯回曲線。從P-Δ滯回曲線可以看出,同以往關于梁柱連接的試驗類似,這次試驗結(jié)果在一定程度上具有較大的離散性,但從中也可以看出一些規(guī)律:(1)較之原型鋼節(jié)點,5個蜂窩式節(jié)點的滯回環(huán)均顯得大而飽滿,呈梭形,說明這種形式能夠改善節(jié)點的抗震性能,但相比而言犬骨-蜂窩式節(jié)點(FWJD-5)更為有效,主要是由于犬骨式削弱部位塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力和范圍比在梁根部塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力和范圍大。對于蜂窩式梁柱節(jié)點,梁腹板開孔使截面受到削弱,以及孔周邊的應力集中,促使塑性鉸在孔洞附近產(chǎn)生,塑性鉸的吸能耗能可以避免梁柱節(jié)點在焊根處脆性破壞,改善了節(jié)點的抗震性能。(2)犬骨-蜂窩式節(jié)點(FWJD-5)包絡線面積最大,延性最好,主要是由于能首先在梁翼緣削弱處有效地形成塑性鉸,進而充分發(fā)揮材料的塑性性能,滿足延性破壞的要求。除試件FWJD-5特殊外,延性大小跟孔的位置與腹板高度的比值有關。在本次試驗的參數(shù)范圍內(nèi),根據(jù)滯回曲線面積大小,可以得到這樣的規(guī)律:當e/hc一定時,d/ht=3.2的試件的延性比d/ht=0.97的試件的延性提高25%,比d/ht=3.58的試件的延性提高6%,說明當試件其他參數(shù)都相同時,d/ht越靠近3.2,梁柱節(jié)點的延性就越好;當d/ht一定時,e/hc=1.97的試件的延性比e/hc=0.79的試件的延性提高2.8%,二者延性幾乎相同,可知e/hc對試件的滯回性能影響較小。這可以從以下兩方面來解釋,在抗彎框架的傳力體系中,要求塑性鉸產(chǎn)生處不能緊鄰節(jié)點,必須相隔一定的距離(也就是指梁上開孔位置d,此值太大或太小都不能有效地改變塑性鉸形成位置)。但是實際此處的彎矩值要小于柱翼緣表面處的彎矩。另外,柱翼緣也約束梁的變形,使此處的應力狀態(tài)為高三軸應力,而通過對梁截面的削弱,使塑性鉸形成位置發(fā)生改變,改善節(jié)點處的應力狀態(tài),達到提高節(jié)點延性的目的。對于本文中的節(jié)點,由于是柱貫通型,柱腹板上開孔并不能影響柱翼緣對梁的約束作用,從而不能緩解梁根部焊縫處的應力集中,只能緩解節(jié)點域加勁肋焊縫處的應力狀態(tài),因此在柱腹板上開孔對節(jié)點滯回性能影響較小。(3)焊接質(zhì)量是防止節(jié)點發(fā)生脆性破壞的關鍵,明顯的焊接缺陷很可能導致焊縫中的裂紋過早開展,從而降低節(jié)點的延性和耗能能力。觀察發(fā)現(xiàn)試件FWJD-4的梁柱節(jié)點焊縫存在較明顯的初始裂紋,而其他試件節(jié)點焊縫質(zhì)量較好。因此,試驗結(jié)果FWJD-4未能表現(xiàn)出應有的延性,說明焊接質(zhì)量對梁柱連接的延性有很大影響。(4)節(jié)點域變形對節(jié)點滯回性能有較大的影響。試件SFJD節(jié)點塑性轉(zhuǎn)角主要是由節(jié)點域轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的。雖然試件FWJD-1、FWJD-2、FWJD-3、FWJD-4和FWJD-5(同時削弱梁翼緣和腹板)由于削弱腹板塑性轉(zhuǎn)角變形比較大,但節(jié)點域的轉(zhuǎn)角也占相當比重。因為當梁翼緣或腹板沒有進入塑性時,節(jié)點域局部已進入塑性,且有了相當?shù)乃苄园l(fā)展。3.3節(jié)點的延性分析各節(jié)點試件的P-Δ骨架曲線如圖6所示。從圖中可以看出,在達到屈服荷載之前,五種蜂窩式節(jié)點的荷載-位移基本為線性關系,屈服之后,呈現(xiàn)明顯的非線性。曲線在經(jīng)過強化階段達到峰值荷載后有較長的水平段,說明這些節(jié)點具有較好的延性;原型鋼節(jié)點在屈服之前骨架曲線直線段很短,經(jīng)過強化階段達到峰值荷載后沒有明顯的水平段,說明這種節(jié)點延性較差。骨架曲線在兩個方向的形狀基本相似。3.4種蜂窩式節(jié)點的承載力從滯回曲線看,原型鋼節(jié)點(SFJD)和犬骨-蜂窩式節(jié)點(FWJD-5)屈服后,變形增大較快,但承載力增加不多。與原型鋼節(jié)點相比,五種蜂窩式節(jié)點的最大承載力都有不同程度的提高:FWJD-2提高最大(73.7%),FWJD-1提高54.2%,FWJD-3提高46.9%,FWJD-4提高45.1%,FWJD-5提高53.1%。這是因為這五種節(jié)點都是在原型鋼基礎上對腹板進行擴高,增加了構(gòu)件的截面抵抗矩。雖然腹板局部有開孔削弱,但是翼緣板能承擔絕大部分的彎矩,腹板只承擔部分彎矩和全部剪力,因此腹板的局部削弱對其抗彎承載力影響不大。3.5節(jié)點延遲和能耗指數(shù)3.5.1節(jié)點延性分析位移延性系數(shù)μΔ反映了節(jié)點延性性能,μΔ值越大,節(jié)點延性越好,其定義為:式中:δy為屈服位移;δu為極限位移。表6列出了試件的位移延性指標?？梢钥闯?只有試件FWJD-1、FWJD-2和FWJD-5的位移延性系數(shù)大于4.0,表明合理控制d/ht,可以提高節(jié)點延性。犬骨-蜂窩式節(jié)點(FWJD-5)延性最好,較原型鋼節(jié)點延性提高了75.6%。這是由于能首先在梁翼緣削弱處有效地形成塑性鉸,進而充分發(fā)揮材料的塑性性能,以達到延性破壞的要求。3.5.2粘滯阻尼系數(shù)he的計算耗能能力是評定結(jié)構(gòu)抗震性能的主要指標。節(jié)點試件的耗能能力一般用荷載-位移滯回曲線包絡線所包圍的圖形面積來衡量,通常以能量耗散系數(shù)E或等效粘滯阻尼系數(shù)he表示(按圖7中曲線ABC所圍面積與三角形AOD面積進行計算式(2)),其值越大,表示耗能能力越好,計算結(jié)果見表6。從表6中數(shù)據(jù)可以看出,原型鋼節(jié)點的耗能能力同蜂窩式節(jié)點相比較低,這主要由于塑性鉸的形成位置離焊縫區(qū)太近,在梁端豎向力作用下過早出現(xiàn)脆性斷裂;犬骨-蜂窩式節(jié)點的耗能能力最強,是由于有效地將塑性鉸的形成位置遠離節(jié)點域,大大緩解了節(jié)點處的高三軸應力狀態(tài),降低了連接焊縫發(fā)生脆性破壞的可能性。4節(jié)點延性分析通過低周反復荷載試驗研究和理論分析,可以得出如下結(jié)論:(1)焊接質(zhì)量是防止節(jié)點脆性破壞的首要保證。明顯的焊接缺陷容易導致裂縫過早擴展,從而降低節(jié)點延性和耗能能力。(2)與原型鋼相比,梁柱腹板擴高開孔后,節(jié)點受彎承載力和轉(zhuǎn)動剛度均有較大程度地提高,梁端荷載-位移關系的滯回曲線飽滿、穩(wěn)定,呈梭形,剛度退化不明顯,具有較好的耗能能力。(3)擴張比一定的情況下,d/ht對節(jié)點抗震性能的影響顯著,而e/hc對節(jié)點抗震性能影響較小;除犬骨-蜂