不同連接方式的不銹鋼梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

王元清　 喬學(xué)良　 賈連光　 張?zhí)煨邸?蔣慶林

(1清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)(2沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110168)(3天津大學(xué)建筑工程學(xué)院, 天津 300072)(4江蘇東閣不銹鋼制品有限公司, 鹽城 224212)

在建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用過程中,碳素鋼暴露出很多缺點(diǎn)[1]．近年來,世界各地發(fā)生的大地震中碳素鋼梁柱節(jié)點(diǎn)按照當(dāng)時(shí)規(guī)范設(shè)計(jì)后發(fā)生了不同程度的脆性破壞[2-4],節(jié)點(diǎn)抗震性能不理想．不銹鋼結(jié)構(gòu)憑借其良好的綜合性能、優(yōu)良的延展性能、美觀的造型等優(yōu)點(diǎn),在建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)中備受關(guān)注[5-7]．

國(guó)內(nèi)外研究者們已經(jīng)對(duì)不銹鋼材料、構(gòu)件及螺栓性能方面展開了相關(guān)研究,但并未涉及不銹鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能．栓焊混接節(jié)點(diǎn)在普通碳素鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛,但由于不銹鋼材料表面未經(jīng)處理時(shí)抗滑移系數(shù)很小[8],摩擦型連接難以實(shí)現(xiàn)．考慮到不銹鋼材料良好的延展性能,將摩擦型連接與承壓型連接進(jìn)行混用,可以減小不銹鋼栓焊混接中的滑移問題．本文設(shè)計(jì)了5個(gè)工字形截面T型梁柱節(jié)點(diǎn)試件,選用S31608不銹鋼材,在循環(huán)往復(fù)荷載作用下進(jìn)行試驗(yàn),比較其應(yīng)力集中情況及承載能力和剛度的變化,以探求不同種類螺栓及剪切板是否圍焊等因素對(duì)不銹鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)承載力及抗震性能的影響,為我國(guó)不銹鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的完善與修訂提供參考試驗(yàn)依據(jù)．

1　試驗(yàn)

1.1　試件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了2組試件，SP1～SP3為第1組試件，SP4～SP5為第2組試件，具體尺寸見表1.其中，試件SP1的螺栓采用不銹鋼A4-80螺栓，試件SP2和SP3是在試件SP1基礎(chǔ)上進(jìn)行更換螺栓種類[9]而成的.試件SP4和SP5的梁截面尺寸在試件SP1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改變，其中試件SP4的剪切板進(jìn)行了三面圍焊.過焊孔按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中的標(biāo)準(zhǔn)孔進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有梁柱翼緣與腹板之間的焊縫采用雙面角焊縫.2組試件的截面型式見圖1.

表1　試件明細(xì)表

(a) 第1組試件

(b) 第2組試件

圖1試件節(jié)點(diǎn)域示意圖(單位：mm)

1.2　加載及測(cè)量方案

1.2.1加載裝置

試驗(yàn)加載裝置如圖2所示．試件平放,梁端由水平放置的伺服控制雙向千斤頂施加拉、壓作用力．在梁端施加循環(huán)往復(fù)荷載,直至構(gòu)件完全破壞．限于實(shí)驗(yàn)室加載條件,梁端無法施加軸向荷載．

1.2.2加載制度

加載方式采用2階段加載,彈性階段分4級(jí)進(jìn)行加載,每級(jí)循環(huán)1圏,以梁端峰值位移控制加載,各級(jí)加載峰值位移分別為Δ/4,Δ/2,3Δ/4和Δ,其中Δ為節(jié)點(diǎn)屈服位移,通過有限元計(jì)算獲得．進(jìn)入塑性后按屈服位移控制,增量為Δ,每級(jí)位移循環(huán)2次,根據(jù)有限元模擬結(jié)果,2組節(jié)點(diǎn)屈服位移分別為Δ1=8 mm,Δ2=4 mm．2組試件加載制度如圖3所示．

(a) 設(shè)計(jì)圖

(b) 實(shí)物圖

(a) 試件SP1,SP2,SP3

(b) 試件SP4和SP5

1.2.3量測(cè)方案

試件材料選用S31608不銹鋼,根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)材性試件,經(jīng)測(cè)定屈服強(qiáng)度為227 MPa,彈性模量為194 GPa．量測(cè)項(xiàng)目包括梁端荷載、加載點(diǎn)位移、梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)、梁翼緣破壞預(yù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布及梁腹板應(yīng)力分布,測(cè)點(diǎn)布置見圖2．

2　試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

2.1　試驗(yàn)現(xiàn)象

試件SP1在荷載達(dá)105 kN時(shí),顯示器中荷載位移曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),初步認(rèn)為梁截面開始進(jìn)入塑性階段．荷載增加到176 kN時(shí),梁下翼緣焊縫起皮并產(chǎn)生輕微裂紋．隨著荷載的繼續(xù)增大,梁上翼緣過焊孔處角焊縫開裂并伴有輕微響聲．最后,過焊孔處梁上翼緣與腹板間的角焊縫突然斷裂,并發(fā)出脆響．試件SP2的破壞形態(tài)與試件SP1類似,彈性極限荷載與最大承載力都偏?。诤奢d達(dá)到100 kN時(shí)梁翼緣進(jìn)入塑性階段,最終破壞為梁腹板和翼緣之間的角焊縫被撕裂,整個(gè)破壞過程中螺栓的滑移都不明顯．

針對(duì)以上2個(gè)試件的破壞形態(tài)和位置,對(duì)其余3個(gè)試件的角焊縫進(jìn)行了補(bǔ)焊加強(qiáng)．試件SP3的承載力得以提高,在荷載達(dá)到117 kN時(shí),梁翼緣開始進(jìn)入塑性階段,彈性極限荷載增大．但由于補(bǔ)強(qiáng)了梁翼緣與腹板間的角焊縫,最終破壞發(fā)生在柱翼緣與腹板間角焊縫處．

試驗(yàn)前對(duì)試件SP4柱子的角焊縫進(jìn)行了加強(qiáng)．荷載為151 kN時(shí),梁翼緣開始進(jìn)入塑性階段．荷載達(dá)到266 kN時(shí),梁上翼緣過焊孔處角焊縫與下翼緣過焊孔處的焊縫都產(chǎn)生了輕微裂紋,并伴有輕微響聲．隨荷載的進(jìn)一步增加,距柱翼緣105 mm處的梁翼緣出現(xiàn)明顯屈曲變形,最大變形為9.845 mm．隨后,剪切板焊縫被拉裂．最終破壞狀態(tài)為柱翼緣與腹板間角焊縫被拉裂失去承載力．

試驗(yàn)前對(duì)試件SP5節(jié)點(diǎn)域的角焊縫進(jìn)行了加強(qiáng),破壞狀態(tài)最為理想．荷載為139 kN時(shí),梁翼緣開始進(jìn)入塑性階段．隨著荷載的增大,梁下翼緣在距離柱翼緣75 mm處發(fā)生彎曲,形成理想的塑性鉸．最終破壞形態(tài)為塑性鉸處翼緣板材料被拉裂．

2.2　破壞形態(tài)

各試件破壞位置見圖4．由圖可知,5個(gè)試件呈現(xiàn)出不同的破壞特征和塑性變形能力．主要破壞形態(tài)包括焊縫低周疲勞脆斷和翼緣板疲勞斷裂．其中,焊縫疲勞斷裂出現(xiàn)在不同的開裂位置,分別為翼緣板與腹板間的角焊縫、剪切板與柱翼緣板間的角焊縫以及梁翼緣板與柱翼緣板間的全熔透焊縫．因此,焊縫質(zhì)量是影響節(jié)點(diǎn)低周疲勞特性的主要因素．

綜上可知,焊接質(zhì)量是影響節(jié)點(diǎn)斷裂位置的主要因素．相比傳統(tǒng)的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,不銹鋼材料韌性較好,塑性變形能力強(qiáng),不容易斷裂．在不斷拉壓過程中,梁翼緣屈曲程度越來越大,導(dǎo)致過焊孔處角焊縫被拉裂．后續(xù)可參考日本JASS 6(2007)規(guī)范、美國(guó)FEMA350規(guī)范、《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11]對(duì)過焊孔孔型進(jìn)行改進(jìn),改善其應(yīng)力分布．

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

5個(gè)試件的極限荷載、最大位移以及塑性極限轉(zhuǎn)角等力學(xué)性能參數(shù)見表2．其中,極限荷載和最大位移為節(jié)點(diǎn)失去承載能力時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載和位移;彈性極限荷載和彈性極限位移可通過骨架曲線利用圖解法[12]確定．5個(gè)試件的滯回曲線見圖5．

(a) 試件SP1

(b) 試件SP2

(c) 試件SP3

(d) 試件SP4

(e) 試件SP5

(a) 試件SP1

(b) 試件SP2

(c) 試件SP3

(d) 試件SP4

(e) 試件SP5

節(jié)點(diǎn)類型試件編號(hào)最大承載力/kN最大位移/mm塑性極限轉(zhuǎn)角/10-2rad彈性極限荷載/kN彈性位移/mm標(biāo)準(zhǔn)型1SP124120259929332910514012129達(dá)克羅88級(jí)SP223540660747337510398111654不銹鋼A4?70SP325164159491330511712312897三面圍焊SP43467315154442951511398457標(biāo)準(zhǔn)型2SP53486626269152241399298274

3.1　滯回特性

由試驗(yàn)結(jié)果可知,5個(gè)試件都具有較好的延性．相對(duì)于碳素鋼而言,不銹鋼材料在塑性和韌性性能方面較為突出,且本試驗(yàn)對(duì)試件中螺栓的連接方式進(jìn)行了改進(jìn),因而5個(gè)試件在試驗(yàn)中都呈現(xiàn)出較好的承載性能和抗震性能．

試件SP2采用達(dá)克羅8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓連接腹板與剪切板,試件SP3采用不銹鋼A4-70螺栓連接,與試件SP1相比,滯回曲線圈數(shù)基本相同,塑性極限轉(zhuǎn)角也基本相同,都超過0.03 rad．可見,不同種類的螺栓對(duì)此類型節(jié)點(diǎn)的滯回性能影響較?。?/p>

三面圍焊型試件SP4比試件SP5滯回圈數(shù)少,塑性極限轉(zhuǎn)角比試件SP5減少了17.78%．究其原因在于,剪切板三面圍焊后增加了節(jié)點(diǎn)域剛度,對(duì)焊縫強(qiáng)度要求更高,而且試件SP5進(jìn)行了補(bǔ)焊加強(qiáng),充分發(fā)揮了其材料的良好塑性性能,因而滯回性能更好．

各試件在循環(huán)加載過程中滯回曲線都比較平滑,無捏縮現(xiàn)象,說明螺栓產(chǎn)生的滑移比較?。凑漳Σ列瓦B接配制螺栓個(gè)數(shù),按照承壓型連接開孔受壓,前期仍由摩擦力抗剪,摩擦力失效后則由螺栓承壓抗剪,此改進(jìn)減小了螺栓的滑移量．

3.2　承載力分析

由滯回曲線可以看出,試件SP5的塑性變形發(fā)展最充分,達(dá)到塑性極限強(qiáng)度后曲線平穩(wěn)下降,最終產(chǎn)生塑性鉸后破壞．試件SP1～試件SP4雖然最終是以梁柱不同位置處焊縫開裂而終止加載,但都已發(fā)揮了很大程度的塑性變形．

試件SP2的最大承載力較試件SP1下降2.4%,原因可能是高強(qiáng)螺栓高溫鍍鋅導(dǎo)致強(qiáng)度下降．試件SP3比預(yù)期值高,主要是因?yàn)椴煌N類的螺栓對(duì)承載力影響較小,且試驗(yàn)中對(duì)過焊孔處焊縫進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)．

試件SP5對(duì)焊縫進(jìn)行了補(bǔ)焊加強(qiáng),塑性發(fā)揮最充分．試件SP4雖未對(duì)焊縫進(jìn)行加強(qiáng),但由于三面圍焊有效控制了節(jié)點(diǎn)板連接處螺栓滑移,其承載力與SP4幾乎相同．

3.3　試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由于不銹鋼S31608材料與Q235碳素鋼力學(xué)性能較為接近,本試驗(yàn)中的試件SP1，SP2，SP3與文獻(xiàn)[16]中標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸相同,因此兩者具有可比性．試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖6(a)．由圖可知,在極限承載力和抗震性能方面,不銹鋼節(jié)點(diǎn)都要優(yōu)于Q235節(jié)點(diǎn)．不銹鋼節(jié)點(diǎn)的塑性極限轉(zhuǎn)角都達(dá)到了0.033以上,比Q235節(jié)點(diǎn)增大約48.9%．若對(duì)節(jié)點(diǎn)域梁翼緣的局部構(gòu)造和形式進(jìn)行改進(jìn),使塑性鉸外移[13-14],抗震性能還能有所改進(jìn)．

(a) 不銹鋼節(jié)點(diǎn)SP1與Q235標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)

(b) 不銹鋼栓焊節(jié)點(diǎn)SP4與不銹鋼端板節(jié)點(diǎn)

試件SP4,SP5與王元清等[15]設(shè)計(jì)的5個(gè)不銹鋼端板連接試件尺寸及材料均相同,試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖6(b)．由圖可知,與端板連接節(jié)點(diǎn)相比,不銹鋼栓焊連接節(jié)點(diǎn)的承載性能和抗震性能較為優(yōu)異,這是因?yàn)槎税暹B接滑移較大,滯回曲線的捏縮效應(yīng)較為明顯．

通過ABAQUS通用有限元程序建立計(jì)算模型．將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果列于表3．通過計(jì)算兩者所對(duì)應(yīng)的極限承載力和極限位移的誤差值,可以發(fā)現(xiàn)有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果相差不大,且有限元計(jì)算偏安全．

表3　有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

4　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．特別是對(duì)于不銹鋼材料而言,其優(yōu)越的延展性能導(dǎo)致焊縫較母材更易拉裂．

2) 在焊縫破壞控制的前提下,栓焊節(jié)點(diǎn)中螺栓種類對(duì)承載力和抗震性能影響較小,綜合考慮螺栓費(fèi)用以及金屬間腐蝕,建議在栓焊結(jié)點(diǎn)中使用不銹鋼A4-70螺栓．

3) 試驗(yàn)中采用的過焊孔型式對(duì)節(jié)點(diǎn)域應(yīng)力集中影響較大,多數(shù)試件的破壞位置發(fā)生在過焊孔處．

4) 通過采用摩擦型連接配置螺栓數(shù)量,按照承壓型連接確定開孔尺寸,有效減小了螺栓間構(gòu)件的滑移量,但所需螺栓數(shù)量較多．在實(shí)際工程應(yīng)用中,可采取合理措施增大接觸面間摩擦,進(jìn)一步改善連接受力性能．

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