高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)足尺模型試驗(yàn)研究

高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)足尺模型試驗(yàn)研究

在強(qiáng)地震的作用下，高鋼結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大的塑性變形。為了確保結(jié)構(gòu)的較大地震沒有倒塌，應(yīng)遵循“強(qiáng)柱弱梁”的概念。形成完整的波形梁，并通過變形變形消耗地震輸入能量，以確保結(jié)構(gòu)沒有整體坍塌。為此,必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。由于結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后,呈現(xiàn)很大的滯回特征,這就導(dǎo)致地震響應(yīng)分析較為困難,而其中節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型的研究從美國Northridge和日本Kobe地震以后,得到了各國結(jié)構(gòu)工程界的廣泛重視,基于試驗(yàn)和理論研究,提出了一些恢復(fù)力模型,目前常用的彈塑性恢復(fù)力模型包括:雙線型、三線型和退化多線性型。本文在試驗(yàn)研究和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上,對標(biāo)準(zhǔn)型、改進(jìn)型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回特性進(jìn)行了分析,探討了鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的延性指標(biāo)、耗能能力和強(qiáng)度、剛度退化等滯回特性參數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)型、焊接孔擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)滯回曲線,提出了此類節(jié)點(diǎn)采用二折線恢復(fù)力模型;而對“狗骨頭”型、腹板開長槽型節(jié)點(diǎn),則依照其試驗(yàn)滯回曲線,采用考慮退化特性的三折線恢復(fù)力模型。節(jié)點(diǎn)彈塑性恢復(fù)力模型的提出,為罕遇地震下高層鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析創(chuàng)造了條件。1節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)的確定在低周反復(fù)荷載作用下,梁柱節(jié)點(diǎn)試件的滯回特性,可以從延性系數(shù)、耗能指標(biāo)以及荷載循環(huán)過程中強(qiáng)度、剛度的退化三個(gè)方面來描述。反復(fù)循環(huán)荷載下,試件滯回特性指標(biāo)的分析值和試驗(yàn)值見表1,圖1給出了試驗(yàn)所得的節(jié)點(diǎn)試件彎矩與轉(zhuǎn)角滯回曲線無量綱化的包絡(luò)圖。數(shù)值分析和試驗(yàn)研究表明,四種形式節(jié)點(diǎn)的滯回曲線都非常飽滿,試件均呈現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和延性特征,而且彼此大體形狀相似,但也存在以下差別:(1)各試件延性系數(shù)μ不同,但均在3.0以上,節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)μ定義為塑性極限轉(zhuǎn)角φU與彈性極限轉(zhuǎn)角φy的比值,此指標(biāo)是節(jié)點(diǎn)抵抗地震作用能力的有效度量,延性系數(shù)越大,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性后承受大變形的潛力越大。試驗(yàn)所得各試件延性系數(shù)從大到小的次序?yàn)?焊接孔擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn)μ=4.670,帶長槽型節(jié)點(diǎn)μ=4.236,標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)μ=3.391,“狗骨頭”型節(jié)點(diǎn)μ=3.239。μ值反映了材料及節(jié)點(diǎn)的延性性能,μ值越大,節(jié)點(diǎn)延性愈好,強(qiáng)震時(shí)節(jié)點(diǎn)耗能能力愈強(qiáng),但對于栓焊連接節(jié)點(diǎn),過大的延性系數(shù),將可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)承載力和剛度較大的降低,因此,節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)取3.0較為合適,既能保證節(jié)點(diǎn)塑性的充分發(fā)揮,又能保證節(jié)點(diǎn)具有足夠的承載力和剛度。(2)各節(jié)點(diǎn)試件滯回曲線包絡(luò)圖的面積不同。根據(jù)能量消耗原理,地震荷載作用下,地震能量由兩部分承擔(dān):EI=ED+EH(1)其中,EI代表全部地震作用對結(jié)構(gòu)的輸入能量;ED代表結(jié)構(gòu)阻尼耗能,包括如彈性支座等耗能裝置所吸收的地震能量等;EH代表結(jié)構(gòu)塑性變形所吸收的地震能量,節(jié)點(diǎn)滯回曲線包絡(luò)圖的面積,即是EH的度量。計(jì)算所得節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)滯回曲線包絡(luò)圖的面積為:標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)8.578,“狗骨頭”型節(jié)點(diǎn)8.952,帶長槽型節(jié)點(diǎn)9.632,焊接孔擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn)14.886。顯然,焊接孔擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn)的耗能能力要遠(yuǎn)大于其余三種節(jié)點(diǎn),比標(biāo)準(zhǔn)型增長了73.5%,“狗骨頭”型和帶長槽型節(jié)點(diǎn)的耗能能力也較標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)有微弱增加。國外一些試驗(yàn)研究成果表明節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與其耗能能力存在某種關(guān)系:在保證節(jié)點(diǎn)延性破壞的前提下,通過對節(jié)點(diǎn)傳力板件的局部減弱,節(jié)點(diǎn)的承載力會有所降低,但其耗能能力將有所提高。分析以上幾種節(jié)點(diǎn),它們的構(gòu)造措施都是在標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上加以局部削弱,從而增加了節(jié)點(diǎn)的柔度,所以耗能能力都有不同程度的增加。(3)各試件進(jìn)入塑性后強(qiáng)度和剛度的退化程度不同,帶長槽型節(jié)點(diǎn)最大,標(biāo)準(zhǔn)型次之,“狗骨頭”型和焊接孔擴(kuò)大型退化較輕。試件進(jìn)入塑性后強(qiáng)度和剛度的退化,揭示了栓焊連接節(jié)點(diǎn)內(nèi)在的受力性能規(guī)律,這主要是由梁腹板和剪切板之間的滑動,以及高強(qiáng)螺栓在栓孔中的滑移引起。這一現(xiàn)象顯著地改變了滯回曲線的形狀,也降低了節(jié)點(diǎn)的耗能能力。帶長槽型節(jié)點(diǎn)試件剛度退化明顯的原因,除了以上所述的相對滑移外,長槽使得梁腹板和翼緣可以相對自由變形,在試件進(jìn)入塑性后,長槽區(qū)段內(nèi)梁翼緣發(fā)生明顯屈曲變形,初始的屈曲變形在隨后的位移反向過程中尚可恢復(fù),但當(dāng)位移加大或在同一級位移重復(fù)的過程中,屈曲變形加大,且不能完全恢復(fù),位移循環(huán)次數(shù)的增加,將進(jìn)一步加大屈曲變形,從而造成節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度的進(jìn)一步降低,即發(fā)生退化。節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和強(qiáng)度的退化性能,是目前迫切需要研究的課題之一,在地震作用下,結(jié)構(gòu)剛度的退化在一定程度上有利于結(jié)構(gòu)抗震。理想的節(jié)點(diǎn)應(yīng)能在經(jīng)歷較多的往復(fù)荷載后,仍能保證充分的承載力水平,不出現(xiàn)顯著的強(qiáng)度退化。而在抗震設(shè)計(jì)中,不讓節(jié)點(diǎn)在罕遇地震作用下發(fā)生強(qiáng)度和剛度退化的限制則過于苛刻,也不現(xiàn)實(shí)。問題的關(guān)鍵是允許剛度退化到何種程度,允許承載力下降多少,一般認(rèn)為除了基于經(jīng)濟(jì)與安全的權(quán)衡以外,可以接受的強(qiáng)度和剛度退化指標(biāo),必須建立在退化對整體結(jié)構(gòu)影響分析的基礎(chǔ)上。研究表明,腹板上焊接孔的擴(kuò)大,為焊接提供了更大的空間,有利于保證焊接質(zhì)量,減少節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中,雖然造成節(jié)點(diǎn)承載力的稍許降低,但明顯改善了節(jié)點(diǎn)的延性,提高了節(jié)點(diǎn)的地震耗能能力。此外與TS-1節(jié)點(diǎn)相比,試件TS-2、TS-3的延性雖有所增加,但承載力有較大降低。因此,試件TS-4是一種比較理想的抗震節(jié)點(diǎn)形式,其構(gòu)造簡單,便于施工,具有較好的延性和吸收地震能量的性能。2節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型是結(jié)構(gòu)時(shí)程分析的基礎(chǔ),國內(nèi)外的學(xué)者對此進(jìn)行了廣泛的研究,Mazzolani和Piluso提出了幾種半剛性連接節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型,Bernuzzi和Zandonini則從低周疲勞角度對節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型進(jìn)行了研究。本文在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,提出了節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型。圖2由試驗(yàn)所得四種節(jié)點(diǎn)滯回曲線包絡(luò)圖分段線性模擬而得,標(biāo)準(zhǔn)型和焊接孔擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn)采用二折線滯回模型,“狗骨頭”型和帶長槽型節(jié)點(diǎn)采用三折線模型。恢復(fù)力模型中,控制點(diǎn)的確定包括彈(塑)性極限彎矩My(Mu)、彈(塑)性極限轉(zhuǎn)角φy(φu)。建議恢復(fù)力模型中節(jié)點(diǎn)承載力儲備系數(shù)Sr=Mu/My,其取值在1.20～1.40之間;節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)μ=φu/φy取3.0。在圖2中,ke為節(jié)點(diǎn)的相對彈性剛度,ks為彈塑性剛度,kp為屈服后的塑性剛度,kr為剛度退化后的剩余剛度,kd為帶長槽型節(jié)點(diǎn)承載力下降段包