蓋板加強型節(jié)點局部試件斷裂性能試驗研究

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 山東青島266033;2.重慶長夏安基建筑設(shè)計有限公司濟南分公司， 山東濟南250100)

0 引言

鋼框架梁柱節(jié)點焊縫區(qū)域是影響整個結(jié)構(gòu)斷裂的關(guān)鍵部位[1-5]。介于全尺寸節(jié)點模型造價較高且試驗操作復(fù)雜的局限性，DEXTER等[6-10]使用局部試件針對節(jié)點焊縫進行試驗研究，結(jié)果表明局部試件的研究方法可靠有效，適宜開展大批量研究。在役多年鋼框架的焊縫會產(chǎn)生不同程度的缺陷或損傷，在強震作用下，這些焊縫缺陷及損傷容易導(dǎo)致焊縫斷裂，危害節(jié)點安全。本文針對蓋板加強型節(jié)點局部試件進行試驗，集中研究該類節(jié)點焊縫的斷裂機理，探討加載速率、加強板厚度和焊縫缺陷對蓋板加強型節(jié)點斷裂性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

在役多年的鋼框架遭遇地震作用時，梁柱節(jié)點下翼緣處易發(fā)生脆性破壞，其原因主要包括：下翼緣焊縫施工時操作空間受限，焊接質(zhì)量無法保證[11]；梁上放置的組合樓板使得梁下翼緣受力增大[12]?；谏鲜鲈?，本文局部試件選取區(qū)域如圖1(a)所示。為滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[13]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)[14]的要求，圖1(a)中梁、柱截面尺寸分別為HN 200×100×5.5×8、HW 200×200×8×12。本文設(shè)計制作了11個蓋板加強型節(jié)點局部試件進行單向拉伸試驗，試件材料強度為Q235，加強板尺寸參考王燕等[15]給出的建議值：加強板的長度為梁高的0.5～0.8倍;厚度為梁翼緣厚度的0.7～1.2倍。最終試件加強板長度為160 mm，寬度為130 mm，CP1系列試件加強板厚度為6 mm，CP2系列為8 mm。具體試件尺寸如圖2所示。

(a) 局部試件選取位置

(b) 局部試件構(gòu)造

(c) 局部試件照片

(a) CP1系列試件細節(jié)

(b) CP2系列試件細節(jié) 單位：mm

根據(jù)已有研究結(jié)論，節(jié)點斷裂性能受裂紋位置影響[16]，故本次試驗在對接焊縫及角焊縫位置設(shè)置裂紋，具體如圖3、表1所示。DT系列表示在對接焊縫處設(shè)置沿焊縫長度方向通長的裂紋，其中DT1裂紋位于柱翼緣與對接焊縫融合處，DT2位于對接焊縫中部，DT3位于對接焊縫與加強板融合處；DG表示在對接焊縫處設(shè)置沿板厚方向貫穿的裂紋；JT表示在角焊縫處設(shè)置沿焊縫長度方向通長的裂紋；JG表示在角焊縫處設(shè)置沿梁厚方向貫穿的裂紋；X表示未設(shè)置裂紋缺陷。DT系列裂紋深度為2 mm；JT型裂紋深度為0.5 mm，JG寬度為5 mm。

(a) DT1

(b) DT2

(c) DT3

(d) DG

(e) JT

f) JG

試件編號加載速率/(mm·min-1)加強板厚度/mm缺陷類型CP1A10.66無CP1A23.06無CP1A36.06無CP1DT13.06對接焊縫處通長裂紋CP1DT23.06對接焊縫處通長裂紋CP1DT33.06對接焊縫處通長裂紋CP2X3.08無CP2DT33.08對接焊縫處通長裂紋CP2JT3.08角焊縫處通長裂紋CP2DG3.08對接焊縫處貫穿裂紋CP2JG3.08角焊縫處貫穿裂紋

1.2 試驗裝置與測點布置

試驗通過100 t電子拉力機施加單向拉伸荷載。試驗中由夾具直接夾緊試件，位移加載速率見表1，試驗裝置如圖4(a)。為得到試件在試驗中的應(yīng)變分布，參考文獻[17]的測量方法，在梁柱焊接處、蓋板與梁翼緣焊接處焊縫附近的梁翼緣上分別布置應(yīng)變片，測點布置見圖4(b)。

(b) 測點布置圖 單位:mm

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

蓋板加強型節(jié)點局部試件的試驗現(xiàn)象及荷載位移曲線如圖5、圖6及表2所示。

(a) CP1A

(b) CP1A2

(c) CP1A3

(d) CP1DT1

(e) CP1DT2

(f) CP1DT3

(g) CP2X

(h) CP2DT3

i) CP2JT

(j) CP2DG

(k) CP2JG

圖5 試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of specimens

(a) 加載速率不同

(b) 加強板厚度不同(無缺陷)

(c) 加強板厚度不同(含缺陷)

(d) 對接焊縫缺陷不同(CP1型)

(e) 對接焊縫缺陷不同(CP2型)

(f) 角焊縫缺陷不同

圖6 試件荷載位移曲線
Fig.6 Test results of specimens in P-δcurves

試驗加載過程中，各試件發(fā)生了不同程度的滑移，導(dǎo)致圖6中位移值偏差過大。由圖5及表2可知，在單調(diào)拉伸荷載作用下，試件可按照破壞形態(tài)分為兩組：一組是CP1A1、CP1DT1、CP1DT2、CP1DT3、CP2X、CP2DT3，破壞形態(tài)為梁翼緣板頸縮斷裂，且加強板端部角焊縫出現(xiàn)裂紋；另一組是CP1A2、CP2JT、CP2JG，破壞形態(tài)為加強板端部角焊縫斷裂，梁翼緣板無明顯頸縮。試驗過程中，若試件斷裂時加載速率過高會對電子拉伸機造成損傷，故加載速率為6 mm/min的CP1A3試件未加載至斷裂，加載停止時梁翼緣板產(chǎn)生較大的頸縮，加強板端部角焊縫出現(xiàn)宏觀裂紋；CP2DG試件在電子拉力機夾持時發(fā)生傾斜，破壞形態(tài)為夾持區(qū)斷裂，無法進行對比研究。試驗中CP1A1及CP1DT3應(yīng)變數(shù)據(jù)采集失敗，無法在圖7、圖8中展示相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。

(a) CP1A2

(b) CP1A3

(c) CP1DT1

(d) CP1DT2

(e) CP2X

(f) CP2DT3

(g) CP2JT

(h) CP2DG

(i) CP2JG

(a) CP1A2

(b) CP1A3

(c) CP1DT1

(d) CP1DT2

(e) CP2X

(f) CP2DT3

(g) CP2JT

(h) CP2DG

(i) CP2JG

2.2 試驗結(jié)果分析

為研究加載速率、加強板厚度、焊縫缺陷對局部試件斷裂性能的影響，本研究從試件破壞形態(tài)、承載能力及截面應(yīng)變分布三個方面進行分析。

2.2.1 加載速率的影響

試驗以幾何尺寸完全相同，且未設(shè)置初始缺陷的試件CP1A1、CP1A2、CP1A3為研究對象，分別施加0.6、3、6 mm/min的加載速率。由圖5和表2可知，各試件的破壞形態(tài)不盡相同：①試件CP1A1(加載速率0.6 mm/min)，其破壞形態(tài)為梁翼緣處頸縮斷裂，同時在加強板端部角焊縫兩端出現(xiàn)肉眼可見的細微裂紋；②試件CP1A2(加載速率3 mm/min)，破壞形態(tài)為加強板端部角焊縫處斷裂，整體塑性變形較??；③試件CP1A3(加載速率6 mm/min)，未能加載至斷裂，試件梁翼緣板產(chǎn)生較大的頸縮，加強板端部角焊縫出現(xiàn)明顯的宏觀裂紋。在試驗加載過程中，三個試件的對接焊縫及側(cè)面角焊縫均未觀察出明顯裂紋。試件在加載過程中出現(xiàn)了不同程度的滑移，整體伸長量無法進行對比分析，故選取荷載位移曲線中試件屈服狀態(tài)至極限狀態(tài)之間的位移伸長量進行對比分析。在圖6(a)中，CP1A1屈服至極限的位移伸長量為14.28 mm，而CP1A3為9.74 mm，二者位移伸長量相差46 %，可見提高加載速率會降低局部試件的塑性變形能力。由圖7和圖8所示的截面應(yīng)變分布情況分析，圖7中路徑1上應(yīng)變分布區(qū)別不大，加載速率對試件對接焊縫斷裂性能無明顯影響；圖8表現(xiàn)出各試件路徑2處應(yīng)變分布區(qū)別不大，但遠高于對接焊縫，角焊縫處斷裂風(fēng)險較高。綜合以上分析可知，在單向拉伸條件下，加載速率的提高會造成試件塑性變形能力下降，且試件加強板端部正面角焊縫發(fā)生斷裂的風(fēng)險高于對接焊縫和側(cè)面角焊縫。

2.2.2 加強板厚度的影響

綜合圖5及表2可知，兩組不同加強板厚度的試件中，一組為未設(shè)置缺陷的試件CP1A2和CP2X，其中CP1A2試件在加載初期產(chǎn)生滑移，且本身可能存在一定加工缺陷，導(dǎo)致試樣突發(fā)脆性斷裂，極限承載力較低，而CP2X試件為梁翼緣頸縮后斷裂，加強板端部角焊縫出現(xiàn)裂紋；另一組為設(shè)置相同缺陷的試件CP1DT3和 CP2DT3，這組試件破壞形態(tài)相似，均表現(xiàn)為梁翼緣板頸縮斷裂，并且加強板端部角焊縫出現(xiàn)裂紋。由表2可知，CP1A2、CP2X屈服荷載、極限荷載分別為244.3 kN與241.15 kN，333.57 kN與339.18 kN，兩試件相差不大；CP1DT3和CP2DT3屈服荷載、極限荷載分別為239.88 kN與241.64 kN、338.92 kN與336.52 kN，數(shù)值差均小于1 %。由圖7及圖8 可知，試件CP1A2與CP2X在各路徑應(yīng)變分布區(qū)別不大，但路徑2處應(yīng)變明顯大于路徑1，角焊縫處斷裂風(fēng)險較高。由以上分析可知，在單向拉伸荷載作用下，加強板厚度變化對局部試件的力學(xué)性能影響并不明顯，試件角焊縫處斷裂風(fēng)險較高。

2.2.3 對接焊縫缺陷的影響

將設(shè)置對接焊縫缺陷的試件分為兩組進行研究，一組為加強板厚度為6 mm的CP1系列試件(CP1A2、CP1DT1、CP1DT2和CP1DT3)，另一組為加強板厚度為8 mm的三個CP2系列試件(CP2X、CP2DG和CP2DT3)。分析圖5可知，除去可能存在加工缺陷的CP1A2試件和夾持區(qū)偏移的CP2DG試件以及角焊縫熱影響區(qū)母材出現(xiàn)貫穿裂紋的CP1DT2，兩組試件中剩余試件破壞模式相似，均為梁翼緣板頸縮斷裂，且加強板端部角焊縫產(chǎn)生裂紋，試件所設(shè)置的對接焊縫缺陷并未擴展。

結(jié)合表2及圖6(d)、(e)分析可得，加強板端部角焊縫處出現(xiàn)斷裂的CP1A2、CP1DT2，承載能力略低，二者極限荷載分別為333.57 kN與331.31 kN，相差在1 %以內(nèi)；梁翼緣板頸縮斷裂且加強板端部角焊縫出現(xiàn)裂紋的 CP1DT1、CP1DT3試件承載能力分別為344.92 kN與338.92 kN，相差在1 %左右；CP2DG試件雖然在夾持過程中出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，但CP2系列試件的承載能力相差極小。結(jié)合圖7、圖8，兩組試件路徑1與路徑2上的截面應(yīng)變分布相差不大，但路徑2應(yīng)變明顯高于路徑1，角焊縫處斷裂風(fēng)險較高。綜合以上分析可知，本文在對接焊縫設(shè)置的缺陷對試件承載能力與斷裂性能影響不明顯；試件角焊縫處斷裂風(fēng)險較高。

2.2.4 角焊縫缺陷的影響

將設(shè)置不同角焊縫缺陷的三個試件(CP2X、CP2JT、CP2JG)進行對比分析。由圖5及表2分析可知，無缺陷試件CP2X的破壞形態(tài)為梁翼緣板頸縮斷裂，而設(shè)置角焊縫缺陷試件CP2JT和CP2JG的破壞形態(tài)為加強板端部角焊縫處沿缺陷突然斷裂，可見角焊縫缺陷的存在直接改變了試件的破壞位置，將其由梁翼緣板轉(zhuǎn)移至焊縫缺陷處，且破壞發(fā)生時十分突然，梁翼緣板無明顯頸縮，具有一定的脆性破壞特征；以角焊縫缺陷為變量的CP2X、CP2JT和CP2JG對應(yīng)的極限荷載分別為339.18、330.59、321.58 kN，三個試件的承載力逐個降低，可見設(shè)置角焊縫缺陷能夠直接影響試件的承載能力，且設(shè)置角焊縫處貫穿裂紋試件CP2JG的承載能力最低。由圖7、圖8可知，在路徑1上，三試件在加載初期應(yīng)變分布趨勢相似，隨著試驗進行，CP2X試件在路徑1上的應(yīng)變分布仍然較為均勻，而CP2JT與CP2JG呈現(xiàn)出中間高兩邊低的分布形式，且應(yīng)變值較高，這可能是因為角焊縫處開裂降低了對接焊縫兩端的變形能力；在路徑2上，三試件在加載初期應(yīng)變分布較為均勻，但隨著荷載增加，設(shè)置角焊縫缺陷試件CP2JT和CP2JG的應(yīng)變急劇增大，其中設(shè)置角焊縫局部貫穿裂紋試件CP2JG在路徑2上各位置應(yīng)變增長較為同步，而設(shè)置角焊縫通長裂紋試件CP2JT路徑2上的應(yīng)變數(shù)據(jù)一側(cè)較高，中間位置及另一側(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)增長較低，這可能是因為CP2JT試件角焊縫一側(cè)開裂較早，嚴重影響了路徑2上的應(yīng)變分布。綜合以上分析可知，設(shè)置于加強板端部角焊縫的裂紋降低了試件的承載能力，最終導(dǎo)致試件于角焊縫裂紋處斷裂。

3 結(jié)論

①在單調(diào)拉伸荷載作用下，蓋板加強型節(jié)點局部試件主要有兩種破壞模式：一種為梁翼緣頸縮斷裂，試件產(chǎn)生明顯的塑性變形，且伴隨著加強板端部角焊縫開裂，對接焊縫及加強板側(cè)面角焊縫未見損傷；另一類是在加強板端部角焊縫斷裂，試件塑性變形較小。

②提高試件加載速率會降低試件塑性變形能力，對試件焊縫斷裂性能無明顯影響。

③加強板厚度變化對試件的承載能力及斷裂性能影響較小。

④角焊縫缺陷對試件各方面性能影響顯著，而對接焊縫缺陷對試件在單調(diào)拉伸作用下的承載能力及斷裂性能影響不明顯。

綜上所述，蓋板加強型節(jié)點局部試件在單調(diào)拉伸荷載作用下，加強板端部角焊縫處應(yīng)變較大，開裂風(fēng)險較高。本文設(shè)置的加強版端部角焊縫裂紋缺陷使得試件各方面性能顯著降低，實際工程中應(yīng)保證此處焊縫的焊接質(zhì)量，以免結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。在役鋼結(jié)構(gòu)的角焊縫處若存在文中所述缺陷，會嚴重影響整個結(jié)構(gòu)的抗震性能，應(yīng)當引起高度重視，并采取相應(yīng)加固措施保證結(jié)構(gòu)安全。地震過后的損傷評估中也應(yīng)引入相應(yīng)的評價指標，確保評估結(jié)果更加準確可靠。