T型厚壁隔板貫通式節(jié)點抗震性能試驗

楊德新

（天津城市建設學院 土木工程系，天津 300384）

在目前的鋼框架結(jié)構(gòu)體系中，方鋼管混凝土柱與鋼梁連接的組合結(jié)構(gòu)形式在實際工程中得到了越來越廣泛的應用。鋼管混凝土柱與鋼梁的連接常用的有柱貫通式、梁貫通式和隔板貫通式三種形式。在現(xiàn)階段梁貫通式節(jié)點還沒有應用到多層或高層建筑中，由于在多層的輕鋼框架結(jié)構(gòu)中一般都會選用H型鋼梁，柱貫通式的梁柱剛性連接也被運用的比較成熟，但以上兩種節(jié)點對于施工及制作都比較繁瑣，所以制作成本低，制作效率高，施工方便的隔板貫通式梁柱節(jié)點被越來越多的運用到多層輕鋼結(jié)構(gòu)的方管柱與鋼梁的剛性連接節(jié)點上。該節(jié)點形式在我國實際工程中被逐漸的使用，但現(xiàn)階段我國有關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對此種節(jié)點的規(guī)定較少，所以其安全可靠性未必符合相關(guān)規(guī)范的要求，因此有必要對其動力特性進行試驗研究和理論分析。參考相關(guān)的文獻可知，有關(guān)隔板貫通節(jié)點的試驗研究主要集中在日本，國內(nèi)對隔板貫通式節(jié)點的研究起步較晚，雖然學者對隔板貫通節(jié)點也進行了一些研究，但對隔板貫通式節(jié)點的動力特性的認識還不是很清晰，有待進一步地探究。該試驗設計了三個方鋼隔板貫通節(jié)點試件進行了低周反復荷載試驗，重點研究方鋼管柱鋼梁隔板貫通式節(jié)點在低周反復荷載作用下的動力特性和抗震性能。

1 隔板貫通式節(jié)點擬靜力試驗方案

為了更好地模擬實際建筑工程中此隔板貫通節(jié)點的受力和變形情況，本試驗三個試件均采用足尺模型進行擬靜力試驗，對隔板貫通式節(jié)點的破壞過程及破壞形式和抗震性能等進行分析。

1.1 試驗構(gòu)件

本試驗采用的節(jié)點試件均為方鋼管混凝土柱與H型鋼梁相連。鋼材均為Q345B，JD-1鋼管采用箱型截面：□500×500×36×36，管內(nèi)混凝土設計標號C60，H型鋼梁截面：H500×350×18×36。JD-2,JD-3鋼管也采用箱型截面：□700×500×30×35，管內(nèi)混凝土設計標號C40，H型鋼梁截面：H700×300×13×24。采用模擬施工現(xiàn)場灌注振搗。

JD-1的隔板厚40mm，與H型梁翼緣的連接采用坡口對接焊縫連接，腹板與焊于柱上的豎向鋼板，通過兩側(cè)連接板采用M22高強螺栓連接。JD-2，JD-3隔板厚度24mm，采用隔板貫通式與加楔形加強板聯(lián)合使用，同時腹板有開槽，這兩個試件的主要區(qū)別為翼緣兩側(cè)的楔形加腋板長度不同。在實驗室模擬施工現(xiàn)場條件完成全部連接，材料特性見表1。

表1 鋼板材料特性

1.2 測點布置

（1）將位移傳感器(D1、D2)置于柱頂，量測柱頂實際位移。（2）在柱梁柱交界處距梁面hb（hb為梁高）處上下各安裝一個磁性表座，在每個磁性表座與柱面之間安裝位移傳感器（D3、D7）量測L范圍內(nèi)的截面平均曲率。（3）在節(jié)點核心區(qū)域交叉布置位移位移傳感器（D4、D5）測量節(jié)點核心區(qū)剪切變形。除此之外，支座處各布置一百分表（D8、D9），考察支座整體水平位移，在梁端布置位移計(D6)，考察梁端水平位移。（4）為量測節(jié)點核心區(qū)和梁端的應力分布，在節(jié)點核心區(qū)及梁端布置電阻應變片，與應變箱相連，由計算機自動采集數(shù)據(jù)。

圖1 試件儀表布置圖

1.3 試驗加載方案

本試驗在天津城市建設學院結(jié)構(gòu)試驗室進行，由于試驗主要考察節(jié)點的動力特性和抗震性能以及節(jié)點的破壞形態(tài)，采用柱端加載方式。加載采用1000KN液壓千斤頂施加水平循環(huán)荷載，根據(jù)構(gòu)件尺寸和試驗室條件，試件采用“立柱橫梁”。將方鋼管混凝土柱立放，下端和底座用銷軸相連，底座用地錨固定，上端為加載點，與千斤頂連接，以此鉸接邊界條件模擬柱中反彎點。此時構(gòu)件成“├”擺放形式，梁自由端與剛性桿連接，剛性桿模擬二力桿。

該節(jié)點試驗采用位移控制的加載方式。試驗的整個加載過程分為預加載和正式加載兩個階段。正式加載前，對試件進行預加載，以檢查各個測試設備是否能夠正常工作，試件安裝是否牢固可靠，試驗是否還有未考慮全面的問題。對每個試件預加低周循環(huán)荷載，荷載最大值控制在鋼梁屈服荷載的20%，以使構(gòu)件處于彈性階段，預加載分為0.00375rad和0.005rad兩級層間位移角控制，每級循環(huán)一次。

預加載調(diào)試完成以后，對節(jié)點進行正式加載。正式加載過程中，柱頂位移分級加載控制，選取柱層間位移轉(zhuǎn)角為控制位移值。層間位移角為0.00375rad、0.005rad，0.0075rad時，每級循環(huán)往復加載6次；在在層間位移角為0.015rad、0.02rad、0.03rad、0.04rad時循環(huán)往復加載2次；此后位移增量為0.01rad，且每級循環(huán)加載兩次，直至試件破壞停止加載，試驗加載裝置圖，試驗現(xiàn)場圖及試驗加載控制示意圖見圖2，圖3,圖4。

圖2 試驗加載裝置圖

圖3 試驗現(xiàn)場圖

圖4 試驗加載制度

2 隔板貫通式節(jié)點試驗現(xiàn)象及破壞過程

JD-1加載初期，位移和荷載的增長呈線性變化。在層間位移角為2%的第2循環(huán)正向加載最大時，梁上翼緣受壓，柱子略顯彎曲。在層間位移角為3%的第1循環(huán)反向加載至最大位移時，下翼緣與隔板焊縫明顯錯開。此后，當加載至層間位移角為3%的第1循環(huán)反向最大位移時，梁下翼緣與隔板在焊縫處有明顯錯開，并伴隨有響聲。加載至層間位移角為3%的第2循環(huán)正向位移最大時，梁的上翼緣與腹板焊接處焊縫出現(xiàn)細微裂縫。加載至層間位移角為4%的第1循環(huán)正向位移最大時，梁的上翼緣與腹板焊接接處裂縫越來越明顯，試驗結(jié)束。

JD-2加載初期，位移和荷載的增長呈線性變化。在層間轉(zhuǎn)角為2%的第1個循環(huán)正向加載時，下翼緣受壓略微屈曲，在層間轉(zhuǎn)角2%的第1個循環(huán)反向加載時，腹板下部凹槽端部的裂紋擴展。在層間位移2%的第2循環(huán)反向加載時，腹板下部凹槽的裂縫有延伸進入下翼緣的趨勢。在層間位移3%的第2個循環(huán)反向加載時，下翼緣的屈曲變形加大。當反向加載至層間位移4%的第2循環(huán)，翼緣與腹板的屈曲變形越來越明顯，腹板上部凹槽端部出現(xiàn)裂縫。加載至5%的第1個循環(huán)，層間位移轉(zhuǎn)角為1.5%，下翼緣受拉時，腹板凹槽處的豎向裂縫延伸貫通下翼緣。接著反向加載至上翼緣受拉5%時，下翼緣凹槽處的橫向裂縫延伸很大，試驗結(jié)束。

JD-3加載初期，位移和荷載的增長呈線性變化。當層間位移轉(zhuǎn)角為1%反向加載時，柱端滯回曲線出現(xiàn)拐點，下翼緣加強板的端部出現(xiàn)細微的裂紋。在層間位移轉(zhuǎn)角增加到2%的各個循環(huán)中，看不出試件有明顯的變形及裂紋出現(xiàn)，層間位移角為3%，下翼緣受壓略有屈曲，層間位移角為3%的第2個循環(huán)，上翼緣受拉時，試件的上翼緣板位于腹板開槽端部處突然橫向斷裂，試驗結(jié)束。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

滯回曲線反應的是結(jié)構(gòu)在反復受力過程中的變形特征，剛度退化及能量消耗，是確定恢復力模型和進行非線性地震反應分析的依據(jù)。

圖5 荷載-位移滯回曲線

JD-1的滯回曲線如圖所示，在加載初期變形與荷載呈線性關(guān)系，隨著荷載的不斷增加，滯回曲線漸漸由線性趨向于飽滿，曲線的斜率變化不是很明顯，曲線的斜率隨著試驗的進行而略有減小，總的來說JD-1試件有較為飽滿的滯回性能，剛度退化不是很明顯，也符合抗震設防的要求。

JD-2的滯回曲線如圖所示，在層間位移角為1.5%的循環(huán)時，下翼緣與腹板連接處拉裂，為了防止此處腹板提前拉裂，此后正向循環(huán)（即推循環(huán)）的層間位移角均不超過1.5%，柱端受拉依然按照試驗計劃進行。滯回曲線依然成梭狀，隨著層間位移角的加大，滯回環(huán)漸漸變得飽滿，當加載至層間位移角為2%的第二個拉循環(huán)時，梁下翼緣和梁腹板開始屈曲，此后變形增加較為迅速，最大荷載略有增加。加載到后期曲線上部分剛度開始退化，卸載后殘余變形也有所增加，但卸載剛度與初始加載時的剛度大致相同。滯回曲線下部分在加載后期隨著荷載增大，剛度與強度下降明顯，消耗大量能量。

JD-3的滯回曲線如圖所示，在層間位移角為3%的第一個循環(huán)脆性破壞前，試件沒有出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，位移隨著荷載的增加而不斷增加，滯回曲線也較為飽滿，剛度無明顯退化，證明該試件具有較為良好的延性和抗震性能。

3.2 骨架曲線

由滯回曲線將同方向（拉或壓）加載的曲線中，超過前一次加載最大應力的區(qū)段平移相連后得到的曲線稱為骨架曲線。由下圖可見本試驗中各個試件的骨架曲線變化趨勢大致相同，破壞時JD-2的最大荷載大于JD-1，JD-3的最大荷載，由于試驗中JD-1，JD-3都屬于脆性破壞所以沒有很明顯的下降段，JD-2推循環(huán)時層間位移角僅達到了1.5%，所以該試件的承載力及剛度較其他試件的高。由于JD-2的加強板長度比JD-3的大，所以從圖上可以看到JD-2的屈服荷載比JD-3的高。

圖6 試件骨架曲線

3.3 延性指標

結(jié)構(gòu)延性是指整個結(jié)構(gòu)體系承受變形的能力，多用位移表示。對一個結(jié)構(gòu)而言，彈性狀態(tài)是指外荷載與結(jié)構(gòu)位移成線性關(guān)系的狀態(tài)，即去除荷載后，位移能夠恢復到原來的狀態(tài)，當結(jié)構(gòu)中某一截面屈服后，即存在著不可消失的塑性變形。荷載與位移將呈現(xiàn)非線性關(guān)系，荷載增加很少而位移迅速增加，可認為結(jié)構(gòu)屈服，結(jié)構(gòu)的延性常常用頂點位移延性比表示，即μ=Δu/Δy，△u-極限位移，△y-屈服位移。各試件的荷載、位移特征值及位移延性見表2。表中彈性極限荷載及相應位移是根據(jù)梁端應變開始屈服前一刻對應的荷載和位移取值的；屈服荷載及相應位移是根據(jù)各節(jié)點骨架曲線上的拐點進行取值的；峰值荷載為節(jié)點每級加載中達到的最大荷載，峰值位移為節(jié)點達到峰值荷載時對應的位移值；極限荷載為節(jié)點破壞時對應的荷載，對于破壞時承載能力沒有下降或下降幅度沒有達到15%的節(jié)點，極限荷載取最終破壞時的荷載，對破壞時承載能力下降幅度大于15%的節(jié)點，取其峰值荷載的85%作為極限荷載，極限位移為極限荷載對應的位移。由表可以看出該試驗中三個試件的延性系數(shù)均大于2，表明該種形式的節(jié)點相對于混凝土結(jié)構(gòu)有較好的耗能能力和抗震性能，其中JD-2，JD-3的延性系數(shù)大于JD-1，說明采用隔板貫通式與加楔形加強板聯(lián)合使用，其耗能能力和抗震性能要好于JD-1的連接方式。

表2 試件荷載特征值及位移延性

3.4 節(jié)點耗能能力的分析

試件抗震性能的好壞，理論上常用能量耗散系數(shù)來衡量，能量耗散系數(shù)E按公式計算，即以滯回曲線所圍的面積比上三角形面積，由能量耗散系數(shù)進而可以求得等效粘滯系數(shù)β=E/2π，我們常用這兩個指標來判別試件在地震發(fā)生時構(gòu)件的耗能能力，E和β越大，試件在地震中消耗能量的能力就越好。根據(jù)圖7和公式，計算節(jié)點的E值和β值。

圖7 能量耗散系數(shù)計算簡圖

由上可求得該 JD-1：E=1.665，β=0.265；JD-2：E=1.853，β=0.2949；JD-3：E=1.545，β=0.2459。對比鋼筋混凝土節(jié)點和型鋼混凝土節(jié)點可知該三種隔板貫通式節(jié)點的消耗地震能量的能力較好。

4 結(jié)語

綜上所述，我們可以得到以下結(jié)論：

（1）此次試驗中的三個隔板貫通式節(jié)點在低周反復循環(huán)荷載作用下均得到了飽滿的滯回曲線，表明該種形式的節(jié)點具有良好的耗能能力和延性，此節(jié)點消耗地震能量的能力要強于相同尺寸的鋼筋混凝土節(jié)點。

（2）由本試驗可知改變隔板外伸長度對該種節(jié)點形式的動力性能和抗震性能影響不是很明顯。在設計時可以根據(jù)工程的需要選用合適的隔板外伸長度及軸壓比。

（3）本試驗中的各個構(gòu)件在方鋼管中填充了混凝土，使方鋼管柱和混凝土可以有效的共同工作，增強了節(jié)點的變形能力，能夠保證該種節(jié)點能夠在塑性狀態(tài)下工作，防止節(jié)點突然發(fā)生脆性破壞。

（4）從試件JD-3的試驗結(jié)果可以看出，節(jié)點試件的焊縫質(zhì)量將嚴重影響試件的承載力和動力特性，若焊縫強度沒有達到要求，試件將在焊縫連接處產(chǎn)生脆性破壞。因此，在隔板貫通式的梁柱節(jié)點的設計與施工中，應注意焊縫強度的檢測。

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