蜂窩式鋼框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

蜂窩式鋼框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期以來(lái)，人們普遍認(rèn)為，鋼框架結(jié)構(gòu)（mrf）具有良好的抗疲勞動(dòng)性能，在地震區(qū)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,1994年1月17日發(fā)生的北嶺地震使這一觀點(diǎn)受到了挑戰(zhàn)。震害調(diào)查顯示,盡管地震中無(wú)鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌破壞的事例,但是在梁柱節(jié)點(diǎn)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(lái),關(guān)于鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理、抗震性能以及設(shè)計(jì)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(diǎn)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(cuò)位焊合而成的腹板有孔洞的梁柱連接而成的新型節(jié)點(diǎn)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(jiàn)圖1)。蜂窩節(jié)點(diǎn)域的截面高度擴(kuò)大為原型鋼的1.3~1.6倍(相應(yīng)的正六邊形孔的邊長(zhǎng)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(diǎn)的承載力和剛度。此新型節(jié)點(diǎn)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(diǎn),適用于建造多層鋼結(jié)構(gòu)住宅、無(wú)大型吊車廠房和輕鋼結(jié)構(gòu)別墅等建筑。國(guó)內(nèi)外關(guān)于蜂窩梁的研究成果和應(yīng)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(guó)外鋼框架結(jié)構(gòu)中有些采用了蜂窩框架梁(如英國(guó)Vulcan大樓),而我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)框架梁或柱還沒(méi)用應(yīng)用蜂窩構(gòu)件的實(shí)例。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)及其節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究很少,限制了該結(jié)構(gòu)體系在工程中應(yīng)用。因此,很有必要對(duì)蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)性能作深入研究,為蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)?？锥创笮『臀恢檬怯绊懛涓C式節(jié)點(diǎn)受力性能的兩個(gè)重要因素。文獻(xiàn)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(dāng)擴(kuò)張比K=1.5時(shí),梁上第一個(gè)開孔位置與其腹板高度之比d/ht和柱上第一個(gè)開孔位置與其腹板高度之比e/hc則是蜂窩節(jié)點(diǎn)主要的設(shè)計(jì)參數(shù),這兩個(gè)參數(shù)的取值應(yīng)由梁根部與削弱處截面的抗彎能力比和梁翼緣對(duì)腹板的約束要求兩個(gè)因素來(lái)控制。當(dāng)d/ht與e/hc在某些范圍內(nèi)時(shí),能夠達(dá)到使塑性鉸首先出現(xiàn)在梁上的削弱部位,從而遠(yuǎn)離梁根部節(jié)點(diǎn)焊縫區(qū)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了對(duì)上述可行性研究提供試驗(yàn)支持,同時(shí)為下一步的蜂窩鋼框架整體分析提供依據(jù),本文在沈陽(yáng)建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了6個(gè)試件的擬靜力試驗(yàn)。1試驗(yàn)總結(jié)1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ图安牧显嚰x取6個(gè)典型的梁柱T形節(jié)點(diǎn)形式,即原型鋼節(jié)點(diǎn)、4種在腹板上有不同開孔位置的蜂窩式節(jié)點(diǎn)和一個(gè)犬骨-蜂窩式節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖1),其幾何尺寸見(jiàn)表1和表2。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肣235B鋼制作,按《GB/T228—2002金屬材料—室溫拉伸試驗(yàn)方法》制作試樣,測(cè)得試件材料性能平均值見(jiàn)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(qiáng)度原則設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)試件設(shè)計(jì)參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2008)中的有關(guān)構(gòu)造規(guī)定。1.2加載和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)試驗(yàn)采用電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低周反復(fù)循環(huán)加載-擬靜力試驗(yàn)方法,以模擬節(jié)點(diǎn)在地震中的受力情況。試件的加載及支撐設(shè)計(jì)如圖2所示,采用梁端加載方式,節(jié)點(diǎn)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(gè)框架中梁、柱的實(shí)際受力情況。梁端垂直低周往復(fù)荷載由250kNMTS加載,作動(dòng)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(yàn)全過(guò)程由MTS伺服控制機(jī)及微機(jī)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(diǎn)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(diǎn)外伸150mm處加了側(cè)向支撐。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置如圖3所示。1.3梁的撓度與柱的剪切變形量測(cè)內(nèi)容包括:(1)柱頂軸心壓力;(2)梁端拉、壓MTS實(shí)際加載數(shù);(3)梁根部撓度和柱的轉(zhuǎn)角、節(jié)點(diǎn)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(gè)孔洞和梁上第一個(gè)孔洞周圍的應(yīng)變;(5)節(jié)點(diǎn)域角點(diǎn)的應(yīng)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(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101—1996)中建議,一般在做循環(huán)加載試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)加載過(guò)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(gè)位移值達(dá)到規(guī)定的限值為止。本試驗(yàn)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(yù)載完畢后,一次加載至豎向荷載設(shè)計(jì)值P1(蜂窩式節(jié)點(diǎn)P1=160kN,原型鋼節(jié)點(diǎn)P1=107kN,軸壓比均為0.25),并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(gè)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(dá)彈性極限時(shí)的梁端豎向荷載Pe(根據(jù)理論計(jì)算約為30kN),節(jié)點(diǎn)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(diǎn)來(lái)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(jí)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(gè)加載過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制。2受拉壓梁端試驗(yàn)后的受荷特點(diǎn)6個(gè)試件的試驗(yàn)過(guò)程非常相似。在力控制階段,當(dāng)6個(gè)試件上的力達(dá)到各自的屈服荷載時(shí),相應(yīng)的試件在節(jié)點(diǎn)域中心最先屈服,然后向四周擴(kuò)展,梁端荷載-位移滯回曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),對(duì)應(yīng)的梁端位移為屈服位移,構(gòu)件進(jìn)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(jiàn)表4),且伴有較響的聲音,試件承載力迅速下降,試驗(yàn)結(jié)束。各試件破壞情況見(jiàn)圖4。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1延性在試驗(yàn)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(shí)的塑性轉(zhuǎn)角能達(dá)到0.03rad。本次試驗(yàn)的6個(gè)試件中只有FWJD-5和FWJD-2滿足這個(gè)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(dá)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(diǎn)試件的主要試驗(yàn)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(diǎn)延性和塑性轉(zhuǎn)角連接節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下的荷載-變形曲線是其延性、耗能能力、強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能的綜合反映,所以滯回性能分析是鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)研究的關(guān)鍵。圖5為各節(jié)點(diǎn)的荷載-位移滯回曲線。從P-Δ滯回曲線可以看出,同以往關(guān)于梁柱連接的試驗(yàn)類似,這次試驗(yàn)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(diǎn),5個(gè)蜂窩式節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)均顯得大而飽滿,呈梭形,說(shuō)明這種形式能夠改善節(jié)點(diǎn)的抗震性能,但相比而言犬骨-蜂窩式節(jié)點(diǎn)(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(dòng)能力和范圍比在梁根部塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和范圍大。對(duì)于蜂窩式梁柱節(jié)點(diǎn),梁腹板開孔使截面受到削弱,以及孔周邊的應(yīng)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(diǎn)在焊根處脆性破壞,改善了節(jié)點(diǎn)的抗震性能。(2)犬骨-蜂窩式節(jié)點(diǎn)(FWJD-5)包絡(luò)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(jìn)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(guān)。在本次試驗(yàn)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(dāng)e/hc一定時(shí),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(shuō)明當(dāng)試件其他參數(shù)都相同時(shí),d/ht越靠近3.2,梁柱節(jié)點(diǎn)的延性就越好;當(dāng)d/ht一定時(shí),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(duì)試件的滯回性能影響較小。這可以從以下兩方面來(lái)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(diǎn),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(shí)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(yīng)力狀態(tài)為高三軸應(yīng)力,而通過(guò)對(duì)梁截面的削弱,使塑性鉸形成位置發(fā)生改變,改善節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài),達(dá)到提高節(jié)點(diǎn)延性的目的。對(duì)于本文中的節(jié)點(diǎn),由于是柱貫通型,柱腹板上開孔并不能影響柱翼緣對(duì)梁的約束作用,從而不能緩解梁根部焊縫處的應(yīng)力集中,只能緩解節(jié)點(diǎn)域加勁肋焊縫處的應(yīng)力狀態(tài),因此在柱腹板上開孔對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能影響較小。(3)焊接質(zhì)量是防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞的關(guān)鍵,明顯的焊接缺陷很可能導(dǎo)致焊縫中的裂紋過(guò)早開展,從而降低節(jié)點(diǎn)的延性和耗能能力。觀察發(fā)現(xiàn)試件FWJD-4的梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫存在較明顯的初始裂紋,而其他試件節(jié)點(diǎn)焊縫質(zhì)量較好。因此,試驗(yàn)結(jié)果FWJD-4未能表現(xiàn)出應(yīng)有的延性,說(shuō)明焊接質(zhì)量對(duì)梁柱連接的延性有很大影響。(4)節(jié)點(diǎn)域變形對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能有較大的影響。試件SFJD節(jié)點(diǎn)塑性轉(zhuǎn)角主要是由節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)域的轉(zhuǎn)角也占相當(dāng)比重。因?yàn)楫?dāng)梁翼緣或腹板沒(méi)有進(jìn)入塑性時(shí),節(jié)點(diǎn)域局部已進(jìn)入塑性,且有了相當(dāng)?shù)乃苄园l(fā)展。3.3節(jié)點(diǎn)的延性分析各節(jié)點(diǎn)試件的P-Δ骨架曲線如圖6所示。從圖中可以看出,在達(dá)到屈服荷載之前,五種蜂窩式節(jié)點(diǎn)的荷載-位移基本為線性關(guān)系,屈服之后,呈現(xiàn)明顯的非線性。曲線在經(jīng)過(guò)強(qiáng)化階段達(dá)到峰值荷載后有較長(zhǎng)的水平段,說(shuō)明這些節(jié)點(diǎn)具有較好的延性;原型鋼節(jié)點(diǎn)在屈服之前骨架曲線直線段很短,經(jīng)過(guò)強(qiáng)化階段達(dá)到峰值荷載后沒(méi)有明顯的水平段,說(shuō)明這種節(jié)點(diǎn)延性較差。骨架曲線在兩個(gè)方向的形狀基本相似。3.4種蜂窩式節(jié)點(diǎn)的承載力從滯回曲線看,原型鋼節(jié)點(diǎn)(SFJD)和犬骨-蜂窩式節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)相比,五種蜂窩式節(jié)點(diǎn)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?yàn)檫@五種節(jié)點(diǎn)都是在原型鋼基礎(chǔ)上對(duì)腹板進(jìn)行擴(kuò)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(dān)絕大部分的彎矩,腹板只承擔(dān)部分彎矩和全部剪力,因此腹板的局部削弱對(duì)其抗彎承載力影響不大。3.5節(jié)點(diǎn)延遲和能耗指數(shù)3.5.1節(jié)點(diǎn)延性分析位移延性系數(shù)μΔ反映了節(jié)點(diǎn)延性性能,μΔ值越大,節(jié)點(diǎn)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(biāo)?？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(diǎn)延性。犬骨-蜂窩式節(jié)點(diǎn)(FWJD-5)延性最好,較原型鋼節(jié)點(diǎn)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(jìn)而充分發(fā)揮材料的塑性性能,以達(dá)到延性破壞的要求。3.5.2粘滯阻尼系數(shù)he的計(jì)算耗能能力是評(píng)定結(jié)構(gòu)抗震性能的主要指標(biāo)。節(jié)點(diǎn)試件的耗能能力一般用荷載-位移滯回曲線包絡(luò)線所包圍的圖形面積來(lái)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(jìn)行計(jì)算式(2)),其值越大,表示耗能能力越好,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。從表6中數(shù)據(jù)可以看出,原型鋼節(jié)點(diǎn)的耗能能力同蜂窩式節(jié)點(diǎn)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(guò)早出現(xiàn)脆性斷裂;犬骨-蜂窩式節(jié)點(diǎn)的耗能能力最強(qiáng),是由于有效地將塑性鉸的形成位置遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)域,大大緩解了節(jié)點(diǎn)處的高三軸應(yīng)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(diǎn)延性分析通過(guò)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)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(diǎn)脆性破壞的首要保證。明顯的焊接缺陷容易導(dǎo)致裂縫過(guò)早擴(kuò)展,從而降低節(jié)點(diǎn)延性和耗能能力。(2)與原型鋼相比,梁柱腹板擴(kuò)高開孔后,節(jié)點(diǎn)受彎承載力和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度均有較大程度地提高,梁端荷載-位移關(guān)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(kuò)張比一定的情況下,d/ht對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響顯著,而e/hc對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能影響較小;除犬骨-蜂