矩形鋼管混凝土柱-H型鋼梁隔板貫通式節(jié)點試驗研究

楊新磊，王海良，董 鵬，任權昌

（天津城市建設學院 土木工程系，天津 300384）

0 前言

鋼框架中剛性連接形式可分為3種，即隔板貫通式、柱貫通式、梁貫通式．隔板貫通主要用于H形鋼梁與鋼管柱之間的連接，傳遞梁翼緣內(nèi)力的隔板穿過整個柱截面，柱身通過焊接與隔板保持連續(xù)，梁翼緣亦焊接于隔板上，梁腹板栓接于柱上[1]；柱貫通式是指柱構件在節(jié)點處保持連續(xù)；梁貫通式指梁構件在節(jié)點處保持連續(xù)．在各種新型節(jié)點中，用于矩形鋼管混凝土柱的隔板貫通式節(jié)點越來越得到科研人員和工程界的重視．

1 試驗設計

1.1 節(jié)點設計

節(jié)點JD-1和JD-2均按照《矩形鋼管混凝土結(jié)構技術規(guī)程》的要求進行設計，采用貫通式隔板，區(qū)別在于翼緣兩側(cè)的楔形板長度不同，其細部結(jié)構見圖1．矩形鋼管柱截面均為700×500×30（腹板厚）×35（翼緣厚），鋼管柱內(nèi)布置栓釘，內(nèi)灌注的混凝土設計強度等級為C40；H型鋼梁截面均為700×300×13（腹板厚）×24（翼緣厚）；隔板厚度均為24 mm厚；梁柱所用鋼材均為Q345B．試件采用的鋼材實測力學性能見表1．

圖1 節(jié)點細部構造Fig.1 Thedetailsof theconnections

1.2 試驗裝置及加載制度

為了較準確地反映水平地震作用下邊節(jié)點的受力，采用在柱端施加水平荷載的加載方式．試驗裝置如圖2所示，梁端與柱底均為鉸支座．試驗時，在節(jié)點兩側(cè)設置了水平支撐，以防止加載過程中試件因失穩(wěn)而提前破壞，此外，在試件與側(cè)向支撐間安置了四氟乙烯板以減小摩擦力，如圖2所示．本試驗沒有對柱施加軸力以反映節(jié)點核心區(qū)抗剪的最不利條件．

表1 鋼板材料特性Tab.1 Properties of the steel plate

圖2 試驗裝置Fig.2 Test set-up

按照位移分級進行加載時，選取柱頂側(cè)向位移做為控制位移值，具體位移分級詳見表2．

如梁端翼緣出現(xiàn)屈曲、腹板失穩(wěn)或焊縫破壞則停止試驗．

表2 加載制度Tab.2 Cyclic loading history

2 試驗現(xiàn)象

節(jié)點JD-1：柱頂側(cè)移為63mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.015rad）第1循環(huán)反向加載至最大位移時，腹板下部槽口端部出現(xiàn)豎向裂縫；柱頂側(cè)移為84mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.02rad）第1循環(huán)正向加載過程中，下翼緣開始有屈曲現(xiàn)象，反向加載至最大位移時，下部槽口端部的裂縫擴展明顯；柱頂側(cè)移為126 mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.03rad）第1循環(huán)正向加載至最大位移時，下翼緣屈曲明顯，腹板側(cè)向變形顯著；柱頂側(cè)移為168mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.04rad）第1循環(huán)正向加至最大位移時，下翼緣屈曲顯著，腹板側(cè)向變形有所發(fā)展；第2循環(huán)正向加至最大位移時，腹部上部槽口端部也出現(xiàn)豎向裂縫；柱頂側(cè)移為210 mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.05 rad）第1循環(huán)正向加載至最大位移時，下翼緣變形十分顯著．

節(jié)點JD-2：柱頂側(cè)移為63 mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.015 rad）第1循環(huán)反向加載過程中，在下翼緣加強板端部發(fā)現(xiàn)細小裂紋；在第2循環(huán)加載過程中，在上翼緣加強板端部也出現(xiàn)細小裂紋；柱頂側(cè)移為84 mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.02 rad）第1循環(huán)加載過程中，上下翼緣開始有輕微屈曲現(xiàn)象；柱頂側(cè)移為126 mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角為0.03 rad），上下翼緣的屈曲現(xiàn)象明顯所示；在第2循環(huán)正向加載過程中上翼緣全截面斷裂．

2個節(jié)點的最終壞形態(tài)如圖3所示．從這兩個節(jié)點的破壞形態(tài)可以看出，節(jié)點的破壞集中在梁端，而柱端和節(jié)點核心區(qū)無任何破壞跡象，說明2個節(jié)點均實現(xiàn)了“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構件”的設計目標．

圖3 試件的破壞形態(tài)Fig.3 Failuremodeof specimens

3 主要試驗結(jié)果及分析

3.1 滯回性能

滯回曲線是指結(jié)構在低周反復荷載下的荷載-位移曲線，它可反映出水平地震作用下結(jié)構的能量消耗、位移延性及剛度退化等指標，是開展結(jié)構抗震彈塑性動力反應分析的主要依據(jù)．節(jié)點JD-1和JD-2的荷載—柱頂側(cè)向位移的滯回曲線如圖4所示．

圖4 滯回曲線Fig.4 Hysteresiscurves

可看出，在柱頂側(cè)移不大于42 mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角0.01 rad）時，2個節(jié)點滯回曲線的加載、卸載過程基本呈線性；當柱頂側(cè)移大于42mm（對應節(jié)點轉(zhuǎn)角0.01rad）時，2個節(jié)點試件的滯回曲線逐漸開始飽滿，且隨著柱頂側(cè)移的增大，滯回環(huán)的飽滿程度也不斷增加；從其正向滯回曲線可以看出，節(jié)點 JD-1在加載過程中塑性變形發(fā)展充分，表現(xiàn)出了明顯的下降段，而JD-2未表現(xiàn)出類似性能；節(jié)點JD-1的滯回環(huán)較節(jié)點JD-2的飽滿，說明前者的耗能要高于后者，如在柱頂側(cè)移為126mm正向加、卸載過程中節(jié)點JD-1的耗能為節(jié)點JD-2的1.13倍．

3.2 節(jié)點延性

延性是考察結(jié)構或結(jié)構構件非彈性變形能力的一個重要的度量指標．節(jié)點的延性常用其極限位移與屈服位移之比來表示，即各試件的荷載、位移特征值及位移延性見表3．

表3 位移延性Tab.3 Displacement ductility

從表中數(shù)據(jù)可以看出，H梁翼緣楔形加腋板長度不同時，節(jié)點的荷載和位移特征值會有所不同；梁端楔形加腋板長度對節(jié)點的屈服荷載和峰值荷載的影響較大，如節(jié)點JD-1的峰值荷載為節(jié)點JD-2的節(jié)點1.35倍；節(jié)點JD-1的位移延性接近5，而節(jié)點JD-2的位移延性剛剛達到3，可以看出節(jié)點JD-1構件的延性優(yōu)于節(jié)點JD-2．

4 結(jié)論

通過2個足尺鋼管混凝土柱-H型鋼梁節(jié)點的低周反復荷載試驗可得主要結(jié)論如下：

1）2個節(jié)點試件均先在靠近柱表面梁端形成塑性鉸，待梁端塑性發(fā)展到一定階段后才出現(xiàn)破壞，具體表現(xiàn)為焊縫處斷裂或翼緣屈曲；當破壞形式為焊縫斷裂時，節(jié)點的位移延性較差，應采取有效措施避免此種破壞形式在實際工程中出現(xiàn)；

2）2個節(jié)點試件在破壞前均具有較飽滿的滯回曲線，表明其具有較好的耗能能力；

3）梁端楔形加腋板長度對節(jié)點的位移延性和承載能力影響顯著；

4）2個節(jié)點試件均實現(xiàn)了預期的設計目標，且能滿足相關規(guī)范對鋼結(jié)構彈塑性層間位移角限值不小于1/50的抗震設計要求．

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