不同強(qiáng)度鋼材梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)性能研究進(jìn)展

(華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510641)

一、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與的迅猛發(fā)展，國(guó)家對(duì)綠色建筑和裝配式建筑推行力度逐漸加大；同時(shí)因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)擁有安裝施工速度快，材料均質(zhì)高強(qiáng)，抗震性能好及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)使得鋼結(jié)構(gòu)建筑被大力運(yùn)用到各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)中。端板連接節(jié)點(diǎn)以其構(gòu)造簡(jiǎn)單安裝方便，傳力明確減少焊縫缺陷等優(yōu)點(diǎn)被我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范推薦使用。而T型件是其中一個(gè)重要的基本力學(xué)組件，在整個(gè)節(jié)點(diǎn)域中梁端板或柱翼緣的抗彎性能以及螺栓的抗拉性能可以等效成一個(gè)合理的T型件來(lái)反應(yīng)該部位的力學(xué)性能。當(dāng)柱、端板或者梁采用高強(qiáng)鋼之后，由于高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度高，屈服平臺(tái)短和屈強(qiáng)比高等因素，對(duì)梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的性能勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生影響。

二、組件法的研究現(xiàn)狀

在歐洲規(guī)范3中提出將組件法用于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)本構(gòu)關(guān)系的研究當(dāng)中。組件法認(rèn)為，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在承受荷載時(shí)可以將節(jié)點(diǎn)域劃分為三個(gè)區(qū)域：受拉區(qū)、受壓區(qū)和受剪切區(qū)。自上個(gè)世紀(jì)六七十年代歐美學(xué)者便提出將組件法用于求解節(jié)點(diǎn)半剛性研究。歐洲規(guī)范EC3和EC4大量引用了當(dāng)時(shí)關(guān)于半剛性研究的成果。

(一)組件法的基本步驟。組件法是將節(jié)點(diǎn)拆分為多個(gè)基本組件，用線性或非線性的彈簧模擬每個(gè)組件，其基本思路可分為：a.拆分節(jié)點(diǎn)域，確定有效力學(xué)組件；b.分析各組件的力學(xué)特性，給出各組件的彈簧模型表達(dá)式；c.各彈簧進(jìn)行組合，通過(guò)組合的彈簧體系計(jì)算出節(jié)點(diǎn)域的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和抗彎承載力。

(二)對(duì)于彎矩轉(zhuǎn)角曲線的計(jì)算。歐洲規(guī)范Eurocode3(CEN,1997)提出節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角曲線可用三折線模型模擬，但是忽略了材料強(qiáng)化的影響；Faella et al.于1995年對(duì)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的彎矩轉(zhuǎn)角曲線進(jìn)行修正，提出考慮材料強(qiáng)化影響后的三折線模型，如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角曲線

圖2 外伸端板節(jié)點(diǎn)域組件拆分與組合

圖3 外伸端板連接節(jié)點(diǎn)承載力極限計(jì)算

三、高強(qiáng)鋼的應(yīng)用及進(jìn)展

高強(qiáng)鋼在工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為橋梁工程領(lǐng)域和建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域兩塊，而且都取得了良好的效果。德國(guó)的Rhine Bridge Dusseldorf-ILverish工程采用了S460高強(qiáng)鋼材。而在建筑結(jié)構(gòu)中，大多采用460～780Mpa強(qiáng)度等級(jí)的鋼材。例如日本橫濱Landmark Tower大廈；德國(guó)柏林的Sony Centre大樓的屋頂桁架采用的是S460和S690鋼材；當(dāng)然，在我國(guó)也有高強(qiáng)鋼成功運(yùn)用于建筑工程。如國(guó)家體育場(chǎng)鳥(niǎo)巢的關(guān)鍵部位采用了700噸Q460強(qiáng)度等級(jí)的鋼材；國(guó)家游泳中心水立方結(jié)構(gòu)采用了2600噸Q420鋼。

四、考慮高強(qiáng)鋼的梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)性能研究現(xiàn)狀

(一)破壞模式與極限承載力方面。樂(lè)毓敏對(duì)3組共9個(gè)Q690高強(qiáng)鋼T型連接迸行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，并將試驗(yàn)的T型連接最大變形值分別與Jaspart模型和Faella模型的預(yù)測(cè)值對(duì)比。結(jié)果表明Q690高強(qiáng)鋼T型連接的最大變形能力與普通鋼相比顯著下降，但仍表現(xiàn)出較好的延性。但對(duì)于如何評(píng)價(jià)高強(qiáng)鋼T型連接延性的指標(biāo)尚未有研究提出，也未有學(xué)者對(duì)EC3推薦的T型連接的塑性鉸線分布模式是否適用于高強(qiáng)鋼進(jìn)行研究。Girao Coelho對(duì)高強(qiáng)鋼S690和S960梁柱焊接節(jié)點(diǎn)域的力學(xué)性能進(jìn)行研究。將試驗(yàn)結(jié)果與歐洲規(guī)范EC3的對(duì)比表明，歐洲規(guī)范仍適用于高強(qiáng)鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)，但存在一些不足，如未考慮軸向壓力對(duì)構(gòu)件承載力的不利影響等，建議對(duì)現(xiàn)有公式進(jìn)行修正。以上研究均基于歐標(biāo)高強(qiáng)鋼S460、S690或S960，孫飛飛、李國(guó)強(qiáng)對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼Q690的端板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果同樣表明：高強(qiáng)鋼柱對(duì)于螺栓的受力有不利影響，高強(qiáng)鋼塑性變形發(fā)生較晚，因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)變形能力相同時(shí)，更大的變形壓力轉(zhuǎn)移到螺栓上，導(dǎo)致螺栓更早發(fā)生破壞，從而削弱了節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。胡方鑫、施剛等認(rèn)為，對(duì)于高強(qiáng)鋼節(jié)點(diǎn)基于材料循環(huán)本構(gòu)關(guān)系計(jì)算的節(jié)點(diǎn)承載力比基于單拉本構(gòu)的計(jì)算承載力高7.6%，計(jì)算的節(jié)點(diǎn)延性卻降低了28.7%，且鋼材的循環(huán)本構(gòu)關(guān)系對(duì)結(jié)果的影響遠(yuǎn)大于焊縫的影響。

(二)節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度方面。清華大學(xué)施剛等調(diào)研收集了Q460GJ、Q500、Q550和Q690高強(qiáng)鋼材共14550組材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)，同時(shí)開(kāi)展了79組獨(dú)立的材性試驗(yàn)。最終，基于可靠度理論提出了高強(qiáng)鋼材的抗力分項(xiàng)系數(shù)建議值，得到了高強(qiáng)鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)。孫飛飛、孫密等對(duì)Q690高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究表明，EC3對(duì)于高強(qiáng)鋼端板節(jié)點(diǎn)初始剛度的預(yù)測(cè)還存在些許誤差。

(三)節(jié)節(jié)點(diǎn)滯回性能方面。國(guó)外研究方面，日本學(xué)者Kuwamura等通過(guò)評(píng)估了高強(qiáng)鋼試件在地震作用下的滯回性能，通過(guò)對(duì)滯回性能的研究判斷高強(qiáng)鋼能否納入抗震材；國(guó)內(nèi)學(xué)者同濟(jì)大學(xué)孫飛飛對(duì)3個(gè)齊平式端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得滯回曲線得出節(jié)點(diǎn)破壞模式、極限承載力情況和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

五、目前存在的不足

雖然普通鋼梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究已經(jīng)趨于完善，但是隨著高強(qiáng)鋼的應(yīng)用，對(duì)于高強(qiáng)鋼梁柱連接節(jié)點(diǎn)的性能分析卻有待深入。國(guó)內(nèi)外規(guī)范均僅沿用普通鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式，并未建立在充足研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。

(一)對(duì)于應(yīng)用高強(qiáng)鋼之后對(duì)梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的破壞模式和其極限承載力影響等方面研究仍然欠缺。EC3規(guī)范方法對(duì)高強(qiáng)鋼節(jié)點(diǎn)的極限承載力和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相比偏于保守，且對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式的預(yù)測(cè)有偏差。對(duì)于高強(qiáng)鋼而言，其價(jià)格高，產(chǎn)量少，有必要對(duì)結(jié)果偏于保守的規(guī)范限值進(jìn)行深入研究，以期達(dá)到對(duì)該類(lèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，遺憾的是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者還未提出具體的優(yōu)化方案

(二)對(duì)于應(yīng)用高強(qiáng)鋼之后對(duì)梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)不同端板厚度參數(shù)及尺寸效應(yīng)的匹配情況的研究同樣欠缺，且上述研究均未涉及梁、柱和端板分別采用不同強(qiáng)度鋼材組合的情況。

(三)對(duì)于考慮高強(qiáng)鋼之后對(duì)梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的延性的試驗(yàn)研究比較欠缺，且對(duì)于不同參數(shù)變化對(duì)節(jié)點(diǎn)延性性能的影響的研究少之又少。