Q500GJ高強(qiáng)度鋼材焊接H形柱抗震性能試驗研究

李元齊 潘斯勇 李麗 朱晶

摘? ?要：為促進(jìn)Q500GJ高強(qiáng)鋼材在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，進(jìn)行了5個Q500GJ高強(qiáng)鋼焊接H形截面試件的水平往復(fù)加載試驗研究，分析了試件的長細(xì)比、繞強(qiáng)弱軸加載等因素對試件破壞模式、變形能力、抗震耗能能力的影響. 結(jié)果表明，所有試件荷載-位移滯回曲線飽滿，滯回性能良好. 骨架曲線正、反向基本對稱，走勢相似，從彈性變形到屈服點，荷載達(dá)最大后，開始下降直至塑性破壞. 試件繞強(qiáng)軸反復(fù)荷載，板件局部彈塑性失穩(wěn)破壞，截面塑性發(fā)展不充分，試件繞弱軸反復(fù)荷載，全截面進(jìn)入塑性破壞，試件繞弱軸反復(fù)荷載下延性系數(shù)要高于繞強(qiáng)軸反復(fù)荷載下的延性系數(shù). 試件最大層間位移角為1/20，最小層間位移角為1/26，均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）中多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性位移角1/50的限值要求.

關(guān)鍵詞：Q500GJ高強(qiáng)度鋼材;反復(fù)加載;抗震性能;焊接H形柱

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Experimental Study on Seismic Performance of Q500GJ

High-strength Steel Welded H-section Columns

LI Yuanqi1?，PAN Siyong1，LI Li2，ZHU Jing1

（1. Department of Structural Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China;

2. Nanjing Iron and Steel Group Corp，Ltd，Nanjing 210035，China）

Abstract：In order to promote the application of Q500GJ high-strength steel in steel structure engineering， five specimens of Q500GJ high-strength steel welded H-section columns were tested under horizontal reciprocating loading. The effects of slenderness ratio and loading conditions around the strong or weak axis on the failure mode， deformation capacity and seismic energy dissipation capacity of specimens were studied. The results show that the load-displacement hysteretic curves of all specimens are rich and the hysteretic performance is good. The skeleton curves are basically symmetrical in both the right and reverse direction with similar trend . From elastic deformation to yield point， after reaching the maximum load， the skeleton curves begin to decline until the plastic failure. The specimens under cyclic loading around the strong axis fail due to local elastic-plastic instability of the plate， and the plasticity develops insufficiently. While the specimens under cyclic loading around weak axis fail due to the whole section into plasticity. The ductility coefficient of specimens under cyclic loading around weak axis is much higher than that under cyclic loading around strong axis. The maximum and minimum inter-story displacement deflection of the specimens are 1/20 and 1/26， respectively， which meet the limit requirements， i.e.，? 1/50 of elastic-plastic inter-story displacement deflection， for multi-story and high-rise steel structures in GB 50011-2010 Code for Seismic Design of Buildings.

Key words：Q500GJ high strength steel;reciprocating loading;seismic behavior;welded H-section column

相對于普通鋼材，鋼結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋼材具有以下優(yōu)點：能夠減小構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)重量，減少各種涂層的用量和施工工作量;增加建筑物的使用凈空間;能夠減小板厚，從而減小焊縫厚度，改善焊縫質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)疲勞使用壽命;能夠降低鋼材用量，從而大大減少資源消耗. 以上均能夠創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益[1-2].

高強(qiáng)度鋼材力學(xué)性能的變化，必然導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載性能的改變，但國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范均沒有專門針對高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和計算理論. 我國2017版鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的最高強(qiáng)度鋼材僅為Q460鋼材，尚不涉及超高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu). 高強(qiáng)鋼相較于普通鋼屈服平臺長度較短、屈強(qiáng)比較高，難以滿足抗震規(guī)范要求[3]，阻礙了高強(qiáng)鋼在抗震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[4]. 近年來國內(nèi)外對高強(qiáng)鋼的軸壓性能試驗做了較多的研究[5-6]，但對高強(qiáng)鋼的抗震性能的試驗研究還很少. 清華大學(xué)[7-8]做了Q460C高強(qiáng)鋼焊接箱形和工字形截面壓彎構(gòu)件水平往復(fù)加載試驗研究，同濟(jì)大學(xué)[9-18]進(jìn)行了Q460、Q460C、Q690D高強(qiáng)鋼焊接截面低周反復(fù)加載試驗研究及節(jié)點試驗研究. 目前國內(nèi)外對Q500GJ高強(qiáng)鋼柱的抗震性能研究還較少. 本文進(jìn)行了5個Q500GJ高強(qiáng)鋼焊接H形柱在常軸力、水平反復(fù)荷載下的試驗，研究Q500GJ高強(qiáng)鋼H形柱在反復(fù)荷載作用下的性能，從承載力、變形和耗能等方面評估Q500GJ高強(qiáng)鋼柱的抗震性能.

1? ?試驗設(shè)計

1.1? ?試件設(shè)計

根據(jù)南京鋼鐵集團(tuán)公司提供的2種鋼板厚度（20 mm，32 mm），設(shè)計了2種H形鋼截面，分別為H250×250×20×20，H300×300×20×32. H250×250×20 ×20繞強(qiáng)軸反復(fù)推拉設(shè)計1種長細(xì)比的試件，H300×300×20×32繞強(qiáng)軸反復(fù)推拉設(shè)計2種長細(xì)比的試件，繞弱軸反復(fù)推拉設(shè)計2種長細(xì)比的試件. 考慮到加工的方便以及試驗裝置的尺寸，試件的長度稍作調(diào)整，全部取整，見表1.

試件設(shè)計時考慮鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對實腹受壓構(gòu)件不出現(xiàn)局部失穩(wěn)的板件寬厚比要求，試件截面的寬厚比均滿足要求. 其中h、b、tw、tf、H、B含義見圖1.

試件加工中加勁板均采用Q345B材質(zhì). 焊接H形鋼本體焊縫、H形鋼與端板焊縫均采用坡口全熔透焊縫，并匹配南京鋼鐵集團(tuán)公司推薦的Q500GJ等強(qiáng)度的高強(qiáng)焊絲焊接而成. 加勁板與H形鋼及端板的焊接均采用角焊縫焊接.

1.2? ?試驗裝置及支座設(shè)計

本試驗采用同濟(jì)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)實驗室10 000 kN 大型多功能結(jié)構(gòu)試驗機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行加載，如圖2所示.

試驗采用懸臂柱模型，柱底部端板采用高強(qiáng)螺栓與底座剛接，柱頂施加水平力和豎向軸力，柱頂采用銷軸連接（如圖3所示），銷軸可自由轉(zhuǎn)動，釋放彎矩，滿足荷載施加條件.

1.3? ?加載方案

試件安裝時將上下支座調(diào)平對中，并使試件的上下端板投影重合. 試件安裝完畢后先實施預(yù)加載，檢查應(yīng)變儀、位移計等監(jiān)測設(shè)備的運行狀況，判定位移計方向. 初始偏心在加載前已測量完畢，預(yù)加載階段不再進(jìn)行物理對中，只判斷截面應(yīng)力應(yīng)變情況是否與初始缺陷情況相符合. 各項準(zhǔn)備工作檢查無誤后進(jìn)行正式加載.

本試驗正式加載時先以荷載控制在柱頂部一次施加軸力到預(yù)定值，軸壓比統(tǒng)一取0.4，后保持不變，將所有螺栓全部擰緊;以位移控制施加反復(fù)水平荷載. 加載制度按照規(guī)范ATC-24中選用，如圖4所示. 此處Δy是試件最外邊緣開始屈服時的柱頂側(cè)向位移. 在屈服位移范圍內(nèi)，每級循環(huán)2圈;超過屈服位移加載，每級循環(huán)3圈.

1.4? ?材料性能試驗

朱晶[19]根據(jù)《金屬材料? ?拉伸試驗? ?第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）[20]對該Q500GJ高強(qiáng)鋼材20 mm及32 mm板進(jìn)行了材料性能試驗，結(jié)合南京鋼鐵集團(tuán)公司提供的相應(yīng)板材的材料性能試驗數(shù)據(jù)，得到材料屈服強(qiáng)度fy、抗拉強(qiáng)度fu、屈強(qiáng)比fy /fu、斷后伸長率δ5等結(jié)果，見表2.

2? ?試驗現(xiàn)象

試驗中試件破壞前后形態(tài)如圖5所示. 試件YWZHH-45-1加載到3Δy時，翼緣出現(xiàn)輕微外鼓. 翼緣局部屈服，構(gòu)件耗能開始明顯，滯回環(huán)面積加大. 加載到5Δy時，北側(cè)底部翼緣外鼓嚴(yán)重，南側(cè)加勁肋往上0～500 mm范圍內(nèi)，翼緣呈蛇形鼓曲，平面外呈S形. 試件端部形成塑性鉸，水平承載力及剛度降低明顯，試件耗能能力達(dá)到最大，滯回曲線飽滿，停止加載.

試件YWZHH-45-2加載到6Δy時，北側(cè)底部翼緣外鼓嚴(yán)重，加勁肋往上0～500 mm范圍內(nèi)，翼緣呈蛇形鼓曲，平面外呈S形. 試件端部形成塑性鉸，水平承載力及剛度降低明顯，試件耗能能力達(dá)到最大，滯回曲線飽滿，停止加載.

試件YWZHH-60-2加載到4Δy時，南側(cè)底部0～250 mm范圍翼緣外鼓嚴(yán)重，試件向南傾，平面外呈反S形. 局部屈曲嚴(yán)重，水平承載力及剛度降低，滯回曲線飽滿，停止加載.

試件YWZHH-90-3加載到6Δy時，除強(qiáng)度及剛度降低明顯外，未出現(xiàn)明顯屈曲，試件全截面屈服形成塑性鉸. 滯回曲線飽滿，停止加載.

3? ?試驗結(jié)果分析

3.1? ?滯回性能

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可得出H形截面柱的水平荷載和位移滯回曲線（H-Δ），如圖6所示.

隨著位移幅值增大，試件YWZHH-45-1、YWZHH-45-2、YWZHH-60-2底部翼緣均先出現(xiàn)局部屈曲. 該試件均為繞截面強(qiáng)軸滯回加載，隨著塑性變形的充分發(fā)展，柱底形成塑性鉸，試件失去承載能力，試件破壞表現(xiàn)為板件的局部彈塑性失穩(wěn)破壞，而試件YWZHH-60-3、YWZHH-90-3均未出現(xiàn)明顯局部屈曲，該試件均為繞截面弱軸滯回加載，試件材料進(jìn)入塑性后，塑性充分發(fā)展至全截面塑性破壞，滯回曲線相對更為飽滿. 材料的高強(qiáng)度得到充分的發(fā)揮. 5個試件滯回曲線基本對稱，各試件曲線較飽滿，滯回性能較好.

3.2? ?骨架曲線

圖7給出了所有試件的水平荷載-側(cè)移骨架曲線. 所有骨架曲線正、反向基本對稱，走勢相似，從彈性變形到屈服點，達(dá)最大荷載后，開始下降直至塑性破壞. 對同一長細(xì)比，如圖8（a）所示，截面越大，試件的剛度越大，峰值荷載越大.

對同一種截面，同時繞強(qiáng)軸（見圖8（b））或同時繞弱軸（見圖8（c））加載時，長細(xì)比越小，試件的峰值荷載越大，側(cè)移越小，峰值過后剛度退化越快.

對同一種截面，同一長細(xì)比，見圖8（d），繞弱軸剛度大于繞強(qiáng)軸剛度.

3.3? ?位移延性系數(shù)及位移角

延性是衡量材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)變形能力的重要參數(shù)，是指構(gòu)件（材料或結(jié)構(gòu)）破壞之前，在承載力無明顯降低的條件下，經(jīng)受塑性變形的能力.本文采用位移延性系數(shù)m表達(dá)構(gòu)件的延性，計算公式為：m =

Δu /Δy. 式中，Δu為構(gòu)件的極限位移，取骨架曲線峰值荷載下降15%時對應(yīng)的位移，對應(yīng)的極限荷載為Hu;Δy為構(gòu)件的屈服位移，采用等能量法[21]由骨架曲線計算得到，對應(yīng)的屈服荷載為Hy;Δm為骨架曲線峰值荷載時對應(yīng)的位移，峰值荷載為Hmax;等能量法的原理如圖9所示，計算原則如下：通過坐標(biāo)原點O點作H-Δ曲線的切線，過最高水平荷載點作一斜線相交于A點，使得OAB陰影面積與BCB陰影面積相等，則A點所對應(yīng)的橫、縱坐標(biāo)即為屈服位移Δy和屈服荷載Vy.

根據(jù)以上計算方法，表3給出了各試件的延性系數(shù). 從表中延性數(shù)據(jù)可看出，試件繞弱軸反復(fù)荷載下延性系數(shù)要高于繞強(qiáng)軸反復(fù)荷載下的延性系數(shù). 這也與前面試件反復(fù)荷載下的破壞模式對應(yīng)起來. 試件YWZHH-45-1、YWZHH-45-2、YWZHH-60-2繞截面強(qiáng)軸滯回加載，表現(xiàn)為板件的局部彈塑性失穩(wěn)破壞，截面的塑性發(fā)展不充分;而試件YWZHH-60-3、YWZHH-90-3繞截面弱軸滯回加載，均未出現(xiàn)局部屈曲，試件全截面進(jìn)入塑性后，塑性充分發(fā)展至破壞.

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）對多、高層鋼結(jié)構(gòu)層間位移角的限值要求，試件最大層間位移角θu = Δu /L，計算結(jié)果見表3. 其中計算長度L按照銷軸中心至柱腳底部加勁肋上部位置計算. 總體來看，5根構(gòu)件塑性發(fā)展和延性發(fā)展充分，具有很好的抗震性能，層間位移角均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中對多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角大于1/50的限值要求. 其中構(gòu)件最大層間位移角為5.1%.

3.4? ?耗能能力

根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ 101—1996）[22]計算試件的能量耗散系數(shù)E，其隨加載過程的變化如圖10所示. 可以看出，對于同一個試件，隨著水平位移加載幅值的增大，其塑性變形量增大，因此能量耗散系數(shù)不斷增大.

圖11給出了以水平位移Δ為橫坐標(biāo)的各試件能量耗散系數(shù). 相同位移下，試件YWZHH-90-3、YWZHH-60-3明顯比試件YWZHH-45-2、YWZHH -60-2耗能能力強(qiáng)，這也印證了前面繞弱軸滯回比繞強(qiáng)軸滯回延性好的結(jié)論. 試件YWZHH-90-3與試件YWZHH-60-3的耗能能力以及試件YWZHH-45-2與試件YWZHH-60-2的耗能能力規(guī)律不明顯，限于本文樣本數(shù)量較少，不能說明長細(xì)比對試件耗能能力影響的規(guī)律.

3.5? ?不同等級高強(qiáng)鋼構(gòu)件位移延性對比

本文列舉了其他學(xué)者關(guān)于高強(qiáng)鋼抗震性能試驗數(shù)據(jù)，見表4. 本文H形截面延性系數(shù)平均值為3.38，周峰等[14]的H形截面延性系數(shù)平均值為3.8，陳素文等[12]的H形截面、箱形截面延性系數(shù)平均值分別為3.32、2.84，施剛等[8]的箱形截面延性系數(shù)平均值為2.35. 可以看出，相較于箱形截面，H形截面的延性更好. 各試驗是在不同軸壓比、不同長細(xì)比下的結(jié)果，總體來看，并沒有出現(xiàn)強(qiáng)度等級越高，構(gòu)件的延性系數(shù)越低的結(jié)論. Q500GJ試驗軸壓比為0.4，軸壓比越高，二階效應(yīng)的影響越大，Q500GJ試件的延性系數(shù)及位移角結(jié)果處于中上水平，表明Q500GJ有較好的抗震性能.

4? ?結(jié)? ?論

對5個Q500GJ焊接H形鋼試件進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗研究，主要結(jié)論如下：

1）3個繞強(qiáng)軸滯回的試件均出現(xiàn)了底部板件局部屈曲，隨著位移幅值增大，形成塑形鉸直至破壞.? 2個繞弱軸滯回的試件均未出現(xiàn)明顯的局部屈曲，隨著位移幅值增大，全截面進(jìn)入塑性形成塑形鉸直至破壞. 材料的高強(qiáng)度得到充分的發(fā)揮. 繞弱軸荷載的試件截面的塑性發(fā)展比繞強(qiáng)軸荷載更充分.

2）所有試件荷載-位移滯回曲線飽滿，滯回性能良好. 骨架曲線正、反向基本對稱，走勢相似. 試件具有良好的變形能力、耗能能力及抗震性能.

3）試件繞弱軸反復(fù)荷載下延性系數(shù)要高于繞強(qiáng)軸反復(fù)荷載下的延性系數(shù). 試件最大層間位移角為1/20，最小層間位移角為1/26，均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）中多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性位移角1/50的限值要求.

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