裝配式方鋼管柱桁架梁連接節(jié)點試驗研究

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 山西太原030024)

0 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系符合建筑工業(yè)化的發(fā)展趨勢，是一種綠色建筑體系[1]，具有施工周期短、勞動強度低、安裝便捷、施工質(zhì)量容易控制及綜合效益好等優(yōu)點[2-3]。而裝配式方鋼管柱桁架梁體系是一種新型的鋼結(jié)構(gòu)體系，方鋼管柱可以提高整體的抗扭和抗傾覆性能，且相較于混凝土構(gòu)件截面較小。通過合理設(shè)計實現(xiàn)在安裝時將柱子隱藏于墻內(nèi)，增加建筑物的使用空間；桁架梁在節(jié)省鋼材的情況下，內(nèi)部空間還便于管線的穿插和安裝[4]。張愛林等[5-6]對模塊化裝配式方鋼管柱桁架梁連接節(jié)點進行了單調(diào)加載試驗研究及有限元分析，對該節(jié)點的破壞模態(tài)、初始剛度及延性性能進行了分析，表明該節(jié)點滿足“強節(jié)點，弱構(gòu)件”的要求。但在地震荷載作用下更多的是往復(fù)荷載，目前對裝配式方鋼管柱桁架在往復(fù)荷載下的研究內(nèi)容較少。本文將對裝配式方鋼管柱桁架梁節(jié)點進行單調(diào)及往復(fù)荷載下的試驗對比研究。

1 節(jié)點構(gòu)造

本節(jié)點共有3部分組成：方鋼管柱、桁架梁及柱座。柱與柱座采用方鋼管口200 mm×200 mm×20 mm，桁架梁上下弦桿為槽鋼C160 mm×80 mm×6 mm，腹桿為角鋼└50 mm×50 mm×6 mm，角鋼交叉焊接于槽鋼內(nèi)側(cè)，上下方鋼管柱與法蘭板焊接。桁架梁與柱座通過焊接連接在一起，上下方鋼管柱通過法蘭板螺栓連接,試件的基本參數(shù)如表1。具體構(gòu)造如圖1。

表1 試件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of specimens

圖1 節(jié)點構(gòu)造
Fig.1 Construction of beam-to-column connections

圖2 加載模式
Fig.2 Loading mode

2 試驗加載裝置

2.1 試驗加載模式

試件加載時，柱頂通過千斤頂施加恒定的軸壓力；梁端通過作動器分別向東西兩側(cè)梁端施加單調(diào)或往復(fù)的相反荷載,加載模式如圖2。梁端荷載采用位移控制，直至試件破壞，第一級位移為5 mm，單調(diào)加載與往復(fù)加載每級位移增量均為5 mm，當試件加載發(fā)生突然斷裂時停止加載，對于往復(fù)加載每級位移循環(huán)1次。

2.2 試驗加載裝置

加載裝置如圖3所示，加載裝置由反力架、柱頂千斤頂、柱頂支撐、作動器、柱頂鉸裝置、柱底鉸裝置、梁端鉸裝置組成。將試件固定于加載裝置上，在柱頂施加恒定的軸壓力1 635 kN，柱的柱頂支撐與柱頂、柱底的鉸裝置使試件可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，但不能使試件移動。梁端通過銷軸與作動器連接，作動器采用位移的方式在東西兩側(cè)進行加載。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗過程及破壞模態(tài)

兩試件在位移加載過程中所呈現(xiàn)的破壞模態(tài)基本相同，以單調(diào)加載下的試件J2-4-M為例，介紹兩試件的破壞模態(tài)。試件J2-4-M在加載時，腹桿先出現(xiàn)輕微變形，弦桿及柱未變形；繼續(xù)加載，試件J2-4-M腹桿變形明顯，弦桿開始有輕微變形，柱仍未出現(xiàn)變形；最終試件J2-4-M的弦桿在距離梁端1/3梁高處出現(xiàn)裂縫，梁失去承載力。兩試件的破壞過程基本一致，均始于腹桿先變形，弦桿出現(xiàn)鼓曲現(xiàn)象，終于腹桿屈曲，弦桿出現(xiàn)裂縫，梁失去承載力，如圖4。

圖3 加載裝置圖
Fig.3 Loading device diagram

圖4 破壞模態(tài)圖
Fig.4 Failure Modal Diagram

3.2 P-Δ曲線

以梁端豎向荷載P為縱坐標，梁端加載點位移Δ為橫坐標，繪制成荷載—位移曲線，即P-Δ曲線,圖5給出了兩試件分別在正負向加載過程中的P-Δ曲線。試件J2-4-C在往復(fù)荷載下得到的滯回曲線，曲線飽滿呈梭形且無“捏攏”現(xiàn)象，該節(jié)點具有較強的塑性變形能力和耗能性能。將試件J2-4-C東西方向各次往復(fù)加載的荷載峰值點相連得到的軌跡稱為試件的骨架曲線列于圖6中，東西兩側(cè)曲線基本吻合，試驗各階段承載力也基本一致，這是由于滯回加載下的東西兩側(cè)正負向都有加載，且加載方向與兩側(cè)所規(guī)定的符號相反，因而，所繪制的曲線基本吻合。

通過對試件J2-4-C骨架曲線與試件J2-4-M的P-Δ曲線進行對比，如圖7所示，可以得出往復(fù)加載下的試件J2-4-C梁西側(cè)的極限承載力明顯低于單調(diào)加載下的試件J2-4-M的極限承載力；此外，往復(fù)加載下的試件J2-4-C達到極限承載力后，退化較J2-4-M快，這是由于試件在往復(fù)加載下，試件東側(cè)梁內(nèi)腹桿同時受壓的緣故。

圖6 J2-4-C骨架曲線Fig.6 J2-4-C skeleton curve

3.3 屈服點的確定

在P-Δ曲線中，屈服點是試件在加載過程中彈性階段與非線性階段的一個分界點，對于確定試件的屈服荷載、屈服位移以及延性系數(shù)等參數(shù)的求解具有決定性作用。由于節(jié)點構(gòu)造的復(fù)雜性，在試驗過程中難以確定具體的屈服點，因此只有在試驗結(jié)束后，通過對P-Δ曲線進行分析來確定屈曲點。通過對國內(nèi)外學(xué)者調(diào)查，常用確定屈服點的方法有以下幾種[7-12]：①工程力學(xué)法；②通用彎矩法；③美國規(guī)范法；④日本廣島大學(xué)法；⑤條件屈服法；⑥雙折線法。

用上述6種方法分別確定出屈服點，計算結(jié)果如表2，其中，在確定試件J2-4-C東側(cè)正向屈服點時，由于美國屈服法、日本廣島大學(xué)法及雙折線法確定出來的屈服點誤差較大，將其剔除，用其他三種方法進行比較。

表2 六種確定屈服點方法匯總Tab.2 Summary of six yield point determination methods

以上六種方法的誤差對比匯總于表3中。可以看到6種方法中工程力學(xué)法(法1)和美國規(guī)范法(法3)誤差較小。但美國規(guī)范法確定試件J2-4-C時已舍去，因此本文最終采用工程力學(xué)法確定試件的屈服點，此方法也是廣大學(xué)者采用的方法。

表3 六種確定屈服點方法誤差均值對比Tab.3 Comparison of mean error of six methods for determining yield point

3.4 承載力及延性

從圖5中可得出兩試件在正負向加載下的屈服荷載Py、極限荷載Pu、承載力極限破壞荷載P0.85以及相應(yīng)的豎向加載位移Δy、Δu、Δ0.85。其中屈服荷載Py為試件加載過程中，由彈性階段進入塑性階段的分界點，本文屈服荷載通過工程力學(xué)法確定；極限荷載Pu為P的最大值；承載力極限荷載P0.85為試件加載至極限荷載Pu后，承載力退化至0.85Pu時所對應(yīng)的荷載。主要階段試驗結(jié)果見表4。

從表4可得出以下結(jié)論：①試件J2-4-M兩側(cè)的屈服荷載及屈服位移均有差別。②試件J2-4-C各主要階段的東側(cè)正負向荷載與西側(cè)正負向荷載以及它們對應(yīng)的位移基本一致。

延性是衡量結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或材料進入非線性階段后變形的重要指標。本文中采用位移延性來對此節(jié)點的延性能力進行評估，位移延性μ通常取極限破壞值對應(yīng)的位移與屈服位移的比值，公式如下：

試件的延性系數(shù)列于表4中，從延性系數(shù)來看，試件延性系數(shù)均大于2.5，延性較好；單調(diào)加載下的試件延性系數(shù)大于往復(fù)加載下的延性系數(shù)，說明該種節(jié)點構(gòu)造形式更容易在往復(fù)荷載下發(fā)生破壞。

表4 主要階段試驗結(jié)果Tab.4 Main Phase Test Results

圖8 剛度退化曲線Fig.8 Curve of stiffness degradation

3.5 剛度退化

為研究試件在往復(fù)加載下試件的剛度退化規(guī)律，取往復(fù)加載下每個循環(huán)的割線剛度進行計算[13]，公式如下：

其中，P+、P-為往復(fù)加載下每級加載正向和負向的峰值點荷載；Δ+、Δ-為往復(fù)加載下每級加載正向和負向的峰值點荷載所對應(yīng)的位移。

試件的剛度退化曲線如圖8，由圖可知：試件東側(cè)與西側(cè)剛度退化規(guī)律基本一致，在加載初期，試件西側(cè)剛度先上升再下降，這是因為試件西側(cè)的梁內(nèi)構(gòu)造在受力情況下出現(xiàn)鋼材的強化過程；而試件東側(cè)先下降出現(xiàn)平臺后再下降。此處是由于腹桿交叉方向與加載方向相同，東側(cè)靠近梁端腹桿焊縫較差的緣故。

4 結(jié)論

通過對試件J2-4-M單調(diào)加載和對試件J2-4-C滯回加載，可得出以下結(jié)論：

①單調(diào)加載下的試件J2-4-M與往復(fù)加載下的試件J2-4-C破壞都始于梁內(nèi)腹桿的壓屈，進而弦桿上發(fā)生鼓曲，繼續(xù)加載后弦桿撕裂，梁失效。

②滯回加載下的試件J2-4-C更容易進入屈服，達到極限承載力以后荷載退化較快。

③兩試件的延性均大于2.5，且單調(diào)加載下的試件的延性大于滯回加載下的延性。

④兩試件破壞均屬于梁破壞，柱并未發(fā)現(xiàn)破壞，滿足“強柱弱梁”的抗震設(shè)計原則。