冷彎方鋼管柱-H型鋼梁外伸端板單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)研究*

劉仲洋， 湯青松， 董新元， 翁維素， 趙佳興， 張晉梅

(1 河北建筑工程學(xué)院，張家口 075031； 2 河北省土木工程診斷，改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，張家口 075031； 3 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，張家口 075000； 4 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100038)

0 引言

與傳統(tǒng)的H形截面柱相比，冷彎方鋼管柱具有外形規(guī)則、各向等強(qiáng)、抗扭剛度大、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)，且用鋼量少，成本低。近年來(lái)隨著裝配式鋼結(jié)構(gòu)的深入研究和鋼管型材規(guī)格和產(chǎn)量日益的增加，方鋼管柱在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。方鋼管柱與開(kāi)口截面型鋼(如H型鋼)梁的連接一般需要設(shè)置隔板或加強(qiáng)板，利用焊接連接，加工量和安裝量都比較大。

端板連接梁柱節(jié)點(diǎn)是一種可快速裝配的連接形式，而單向螺栓的應(yīng)用，使得鋼管柱等封閉截面構(gòu)件與鋼梁的連接不再依賴于現(xiàn)場(chǎng)焊接或?qū)Υ┞菟ㄊ竭B接等傳統(tǒng)方式，從而降低了鋼材工廠加工和現(xiàn)場(chǎng)施工精度要求，有效提高了施工效率和施工質(zhì)量[1]。為推動(dòng)此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做出了很多探索，相關(guān)試驗(yàn)研究表明，單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)具有良好的延性，端板連接屬于典型的半剛性連接[2]。李國(guó)強(qiáng)等[3-4]對(duì)H型鋼梁與矩形鋼管柱平齊端板單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)承載性能進(jìn)行了試驗(yàn)和理論分析研究，通過(guò)將端板和鋼梁腹板等效為T(mén)形件，得出了端板屈服控制的節(jié)點(diǎn)抗彎承載力計(jì)算公式，同時(shí)對(duì)矩形鋼管柱外伸式端板單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載力進(jìn)行了試驗(yàn)及理論研究，研究表明，螺栓、端板、柱壁間的相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系直接影響了節(jié)點(diǎn)的破壞模式，相對(duì)較弱的部件會(huì)先于節(jié)點(diǎn)中其余部件發(fā)生破壞。陳學(xué)森等[5]提出了一種箱型柱與工形梁之間采用端板連接的節(jié)點(diǎn)形式及節(jié)點(diǎn)預(yù)制方法。張世平等[6]為量化梁柱外伸端板連接的極限變形能力及累積耗能能力，對(duì)國(guó)內(nèi)已完成的99個(gè)外伸端板連接試驗(yàn)試件進(jìn)行了分析，基于概率統(tǒng)計(jì)的方法確定了外伸端板連接的最大塑性轉(zhuǎn)角、累積塑性轉(zhuǎn)角、延性系數(shù)、累積延性系數(shù)、等效能量耗散系數(shù)等指標(biāo)。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，針對(duì)低層裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)體系，冷彎方鋼管柱與H型鋼梁構(gòu)件，采用試驗(yàn)研究的方法，對(duì)冷彎方鋼管柱-H型鋼梁外伸端板單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)的靜力性能進(jìn)行了深入研究。

1 試驗(yàn)研究

1.1 材性實(shí)測(cè)

利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試驗(yàn)用鋼材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[7-9]，以測(cè)定所用材料的屈服強(qiáng)度f(wàn)y、極限強(qiáng)度f(wàn)u、頸縮率和伸長(zhǎng)率等指標(biāo)。試件與試驗(yàn)鋼材為同一批次，采用機(jī)加工，每種厚度鋼板的試件制作3個(gè)，材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果 表1

單向螺栓的力學(xué)性能按hollo-bolt螺栓產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)取值。其中8.8級(jí)M16單向螺栓的屈服荷載為110kN，極限荷載為137kN。

1.2 試件設(shè)計(jì)與制備

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，參照低層裝配式鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)尺寸和層高，選取平面框架中梁柱反彎點(diǎn)間的典型邊柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究?；趯?shí)驗(yàn)室現(xiàn)有場(chǎng)地及設(shè)備條件，對(duì)節(jié)點(diǎn)尺寸進(jìn)行改進(jìn)，柱高度定為1 750mm，梁長(zhǎng)度定為1 450mm。試驗(yàn)采用了3組冷彎方鋼管柱-H型鋼梁外伸端板連接節(jié)點(diǎn)試件，除單向螺栓外，鋼材均選用Q235B，端板、梁及方鋼管柱于加工廠制作時(shí)，預(yù)留直徑為26mm的螺栓孔，各組件加工完畢后將端板與梁端進(jìn)行焊接，再用單向螺栓將端板與柱翼緣進(jìn)行連接。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[10]、《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》(JGJ 82—2011)[11]和hollo-bolt說(shuō)明書(shū)中關(guān)于螺栓間距的規(guī)定并考慮外伸端板尺寸，單向螺栓采用4排2列對(duì)稱布置，梁下翼緣兩側(cè)4顆螺栓承受拉力。單向螺栓的施工安裝按照hollo-bolt說(shuō)明書(shū)中的要求操作，各試件參數(shù)見(jiàn)表2，構(gòu)件布置及尺寸見(jiàn)圖1。試驗(yàn)采取控制變量原則，只考慮兩個(gè)關(guān)鍵的影響因素：端板厚度和柱壁厚度，其他試驗(yàn)條件均相同。

試件參數(shù) 表2

圖1 節(jié)點(diǎn)尺寸圖

1.3 試驗(yàn)加載程序

試驗(yàn)加載主要通過(guò)反力架、反力墻、兩臺(tái)液壓千斤頂來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2為試驗(yàn)加載裝置示意圖，單調(diào)加載程序分為預(yù)加載和正式加載，每個(gè)構(gòu)件在正式加載開(kāi)始之前都要進(jìn)行預(yù)加載，以確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

圖2 加載裝置示意圖

1.3.1 預(yù)加載方案

首先開(kāi)通測(cè)量?jī)x器，讀數(shù)歸零。預(yù)加載分三級(jí)進(jìn)行，依照5kN→10kN→5kN的大小進(jìn)行荷載施加，重復(fù)兩次。在預(yù)加載過(guò)程中，施加每級(jí)荷載時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)通道進(jìn)行觀測(cè)。在結(jié)束整個(gè)預(yù)加載時(shí)，需保證： 1)所有通道有讀數(shù)，且讀數(shù)變化符合規(guī)律； 2)當(dāng)荷載恢復(fù)為零，所有讀數(shù)歸零。

1.3.2 正式加載方案

為模擬實(shí)際工程中框架柱所承受的壓力作用，在柱頂通過(guò)一臺(tái)倒掛在反力架上的液壓千斤頂對(duì)柱施加壓力，整個(gè)加載過(guò)程中壓力值保持不變。為控制結(jié)構(gòu)延性，本次試驗(yàn)設(shè)定軸壓比為0.3，根據(jù)控制變量原則，柱的軸壓比在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)保持不變。柱軸力值根據(jù)設(shè)定的軸壓比確定為410kN和590kN，分兩級(jí)加至柱頂，達(dá)到預(yù)設(shè)值后，每級(jí)荷載保持3min。

利用一臺(tái)液壓千斤頂對(duì)梁下翼緣加載點(diǎn)施加豎向荷載。加載過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)屈服前用荷載控制(以施加不大的力時(shí)梁端位移突然增大為節(jié)點(diǎn)屈服的標(biāo)志，此時(shí)梁端荷載-位移曲線出現(xiàn)較為明顯的轉(zhuǎn)折)，每15min對(duì)梁端施加大小為10kN的一級(jí)荷載，進(jìn)行一級(jí)加載后需持荷5min。曲線發(fā)生以上轉(zhuǎn)折后改用位移控制，每15min施加梁端位移增量5×10-3rad的一級(jí)荷載，同樣每級(jí)加載完畢后至少持荷5min，依此順序加載直至節(jié)點(diǎn)破壞。

試驗(yàn)加至出現(xiàn)以下任一條件時(shí)，即認(rèn)為節(jié)點(diǎn)破壞試驗(yàn)結(jié)束：1)試件喪失承載能力，或梁柱構(gòu)件突然出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象； 2)梁端荷載降至峰值荷載的85%。

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用XL2101C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對(duì)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行采集，試驗(yàn)全程監(jiān)測(cè)梁柱核心區(qū)、單向螺栓以及外伸端板的形態(tài)及應(yīng)變變化。本次試驗(yàn)共使用30個(gè)單向應(yīng)變片，接通道30組，使用應(yīng)變花5個(gè)，接通道15組，每組試件共使用通道45組。圖3為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置示意圖。1～12號(hào)應(yīng)變片布置在梁上，分別對(duì)梁截面，梁上下翼緣的應(yīng)變進(jìn)行采集； 13～20號(hào)應(yīng)變片布置在端板上，對(duì)端板應(yīng)變進(jìn)行采集； 21～45號(hào)應(yīng)變片布置于方鋼管柱壁，可對(duì)柱腹板及翼緣核心區(qū)進(jìn)行應(yīng)變采集。

圖3 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖4為位移計(jì)布置示意圖。D1和D2用來(lái)測(cè)量柱平面內(nèi)變形，通過(guò)計(jì)算可獲得柱與鉛垂線間夾角； D3測(cè)量梁豎向位移，同時(shí)是節(jié)點(diǎn)屈服后的控制指標(biāo)； 梁端發(fā)生的側(cè)向變形由D4測(cè)量。

圖4 位移計(jì)布置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象研究

(1)JD-1試驗(yàn)現(xiàn)象研究

在試驗(yàn)初期，梁端豎向位移變化較小，實(shí)時(shí)觀察荷載-位移關(guān)系曲線表現(xiàn)為較好的線性關(guān)系，此時(shí)節(jié)點(diǎn)試件處于彈性階段。當(dāng)加載至18kN時(shí)，對(duì)應(yīng)梁端位移8.62mm，梁下翼緣焊接處端板開(kāi)始脫離柱壁，出現(xiàn)微小縫隙。隨荷載繼續(xù)增大，當(dāng)梁端加載至63kN，對(duì)應(yīng)梁端位移75.2mm，荷載-位移曲線不再保持線性發(fā)展，斜率出現(xiàn)較大變化，認(rèn)為此時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)域開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段，每施加一級(jí)荷載梁端位移變化量加大，受拉區(qū)端板繼續(xù)脫離柱壁，第四排螺栓對(duì)應(yīng)端板處縫隙較第三排螺栓對(duì)應(yīng)端板處縫隙更大，受壓區(qū)第二排螺栓對(duì)應(yīng)處端板與柱壁間也出現(xiàn)微小縫隙，梁上翼緣對(duì)應(yīng)處端板變形劇烈。梁端加載至71.7kN，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入破壞階段，梁端荷載值上升較慢。當(dāng)梁端加載至90.4kN，對(duì)應(yīng)梁端位移237mm，節(jié)點(diǎn)喪失承載能力，端板屈服，端板與柱壁間縫隙達(dá)到40.12mm。破壞照片見(jiàn)圖5。

圖5 JD-1破壞形態(tài)

(2)JD-2試驗(yàn)現(xiàn)象研究

在試驗(yàn)初期情況同JD-1。加載至18.5kN，對(duì)應(yīng)梁端位移5.58mm，梁下翼緣焊接處端板開(kāi)始脫離柱壁，出現(xiàn)明顯縫隙。當(dāng)梁端加載至61.4kN，對(duì)應(yīng)梁端位移97.2mm，荷載-位移曲線不再保持線性發(fā)展，認(rèn)為此時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)域開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段，每施加一級(jí)荷載梁端位移變化量加大，受拉區(qū)端板繼續(xù)脫離柱壁，從端板與柱壁孔隙中開(kāi)始可以看到螺栓桿。當(dāng)梁端加載至71.4kN，對(duì)應(yīng)梁端位移106mm，梁端荷載值上升緩慢，位移變化加劇，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性破壞階段。當(dāng)節(jié)點(diǎn)荷載達(dá)到88.8kN時(shí)，對(duì)應(yīng)梁端位移為206mm，柱壁嚴(yán)重變形，承載力無(wú)法繼續(xù)增加，位移繼續(xù)增大，停止加載，由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，未量測(cè)到荷載下降段。此時(shí)端板與柱壁間最大縫隙達(dá)到38.03mm。破壞形態(tài)見(jiàn)圖6。

圖6 JD-2破壞形態(tài)

(3)JD-3試驗(yàn)現(xiàn)象研究

在試驗(yàn)初期，梁端豎向位移發(fā)展緩慢，速度明顯低于JD-1及JD-2，端板變形不明顯，此時(shí)節(jié)點(diǎn)試件尚未進(jìn)入彈塑性階段，實(shí)時(shí)觀察荷載-位移關(guān)系曲線表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。加載至30.7kN，對(duì)應(yīng)梁端位移9mm，梁下翼緣焊接處端板開(kāi)始脫離柱壁，出現(xiàn)微小縫隙。當(dāng)梁端加載至61.4kN，對(duì)應(yīng)梁端位移33mm，端板出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)變形，荷載-位移曲線不再保持線性發(fā)展，斜率出現(xiàn)較大變化，認(rèn)為此時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)域開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段。當(dāng)節(jié)點(diǎn)荷載達(dá)到91.8kN時(shí)，對(duì)應(yīng)梁端位移為66mm，梁上翼緣靠近與端板焊接處出現(xiàn)屈曲，梁端荷載值上升緩慢，位移變化加劇，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性破壞階段，梁下翼緣焊接處端板被拉脫離柱壁，受拉區(qū)螺栓被拔出。當(dāng)節(jié)點(diǎn)荷載達(dá)到108kN左右時(shí)，對(duì)應(yīng)梁端位移為97mm，構(gòu)件發(fā)出清脆的響聲，當(dāng)梁端加載值達(dá)到111.2kN，梁端位移134mm，節(jié)點(diǎn)發(fā)出一聲砰響，節(jié)點(diǎn)卸荷，位移繼續(xù)增大，停止加載，由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，未量測(cè)到荷載下降段。此時(shí)端板與柱壁間最大縫隙達(dá)到22.09mm。破壞形態(tài)見(jiàn)圖7。

圖7 JD-3破壞形態(tài)

2.2 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線分析

節(jié)點(diǎn)在框架結(jié)構(gòu)中起著連接梁柱構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)連成一體、傳遞并分配內(nèi)力的作用，是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的核心部位。節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變形特性可采用節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角函數(shù)關(guān)系(M-θ曲線)來(lái)表達(dá)。本次試驗(yàn)中梁柱的相對(duì)轉(zhuǎn)角θ計(jì)算如下：

(1)

式中：wk為梁端第k級(jí)加載后D1，D2位移計(jì)讀數(shù)差值；vk為柱端第k級(jí)加載后D3位移計(jì)讀數(shù)；L為梁端位移計(jì)觸針到方鋼管柱中心的距離。

梁端加載點(diǎn)彎矩值由式M=PL計(jì)算可得，L為梁端加載點(diǎn)到方鋼管柱中心的距離，P為梁端荷載施加值。得到試件在每個(gè)加載點(diǎn)處的彎矩及轉(zhuǎn)角值后，可繪制3組試件的M-θ曲線，見(jiàn)圖8。

圖8 彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線圖

從圖8可知，在梁端單調(diào)加載過(guò)程中，彎矩-轉(zhuǎn)角曲線表現(xiàn)出三個(gè)階段的特征，分別為：彈性階段、塑性發(fā)展階段、破壞階段。對(duì)比3個(gè)節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，節(jié)點(diǎn)初始剛度依次增大，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力依次下降，轉(zhuǎn)角依次減小，承載力依次提高。JD-1與JD-2相比，端板厚度較小，轉(zhuǎn)動(dòng)能力較強(qiáng)，但二者承載力相差不多，說(shuō)明JD-2節(jié)點(diǎn)剛性較大，而且在端板厚度達(dá)到一定值時(shí)，端板厚度不再是節(jié)點(diǎn)承載力的控制因素。隨梁端荷載的增加，兩節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度差別逐漸減小。JD-3與JD-1相比，其他條件不變柱壁厚度增大，承載力、節(jié)點(diǎn)剛度得到巨幅提升，塑性發(fā)展較慢，轉(zhuǎn)角變形速度較低。對(duì)比JD-2和JD-3，端板厚度較大的JD-2承載力及節(jié)點(diǎn)剛度仍小于柱壁厚度大的JD-3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度受到柱壁厚度及端板厚度的影響。柱壁厚度增加，節(jié)點(diǎn)的極限承載能力提高、節(jié)點(diǎn)的初始剛度增大，節(jié)點(diǎn)的延性性能有所下降。但JD-1，JD-2，JD-3均表現(xiàn)出良好的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，破壞時(shí)的極限轉(zhuǎn)角分別為12.245，7.094，5.08rad。

2.3 應(yīng)變分析

在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)各組件上布置一定量的應(yīng)變片，能夠間接地分析最薄弱位置處的應(yīng)力分布情況和發(fā)展趨勢(shì)。試驗(yàn)應(yīng)變片粘貼時(shí)，不能準(zhǔn)確達(dá)到理論中的位置和角度。此外試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，在靜態(tài)應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中也不可避免的會(huì)受到外界環(huán)境擾動(dòng)，因此最終應(yīng)變值的測(cè)量結(jié)果會(huì)有一定程度的誤差，但是并不影響所測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律及應(yīng)力分布狀態(tài)。

2.3.1 梁翼緣應(yīng)變分析

梁的應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3，試驗(yàn)測(cè)得梁翼緣荷載-應(yīng)變的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，JD-1，JD-2，JD-3應(yīng)變變化總體趨勢(shì)大致相同，可以看出呈現(xiàn)三個(gè)階段的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)下翼緣應(yīng)變值小于上翼緣應(yīng)變值； 3個(gè)試件梁翼緣應(yīng)變值基本與距柱壁距離呈比例關(guān)系，即距離柱越近，應(yīng)變值越大； JD-3的鋼梁上翼緣中心線處1號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值已超過(guò)屈服應(yīng)變值1 793με，其余兩節(jié)點(diǎn)該處未達(dá)屈服應(yīng)變，與試驗(yàn)破壞現(xiàn)象中上翼緣屈曲相同其他部位的應(yīng)變值均小于179με； 節(jié)點(diǎn)柱壁厚度越大，鋼梁翼緣應(yīng)變值越大； 端板厚度增大節(jié)點(diǎn)鋼梁翼緣應(yīng)變值越小。

圖9 梁翼緣荷載與應(yīng)變的關(guān)系

2.3.2 梁腹板應(yīng)變分析

試驗(yàn)測(cè)得梁腹板荷載與應(yīng)變的關(guān)系見(jiàn)圖10。由圖10可知，對(duì)于3個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，整個(gè)加載過(guò)程中，鋼梁腹板一直處于彈性狀態(tài)，即使達(dá)到最大梁端荷載時(shí)，梁腹板處截面也未達(dá)到屈服應(yīng)變1 596με； 鋼梁腹板截面應(yīng)變值中間3，4號(hào)測(cè)點(diǎn)小，兩邊2，5號(hào)測(cè)點(diǎn)大，基本符合平截面假定； 3節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值均隨荷載的增加有所增加，只有JD-3，在后期呈現(xiàn)應(yīng)變減小的現(xiàn)象，這是由于此時(shí)上翼緣已經(jīng)屈服，無(wú)法進(jìn)一步承擔(dān)荷載。

圖10 梁腹板荷載與應(yīng)變的關(guān)系

2.3.3 節(jié)點(diǎn)端板應(yīng)變分析

試驗(yàn)測(cè)得節(jié)點(diǎn)端板荷載與應(yīng)變的關(guān)系見(jiàn)圖11。從圖11可看出，3組節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)變值均已超過(guò)各自端板厚度所對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)變； 處于對(duì)稱位置的測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變趨勢(shì)相一致，但數(shù)值大小有所不同，說(shuō)明對(duì)梁進(jìn)行加載時(shí)，節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)了一定的平面外位移。3組試件最大應(yīng)變值均出現(xiàn)在受拉區(qū)第二排螺栓處。研究表明，端板厚度會(huì)對(duì)端板的應(yīng)變分布產(chǎn)生影響，JD-1最下排測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值出現(xiàn)先拉后壓的現(xiàn)象，這對(duì)應(yīng)試驗(yàn)中初期螺栓拉動(dòng)整個(gè)端板脫離柱壁，后期端板受拉破壞，與梁下翼緣焊接處產(chǎn)生彎曲的現(xiàn)象，JD-2的受拉區(qū)應(yīng)變值變化不大，這是由于端板剛度較大，整個(gè)受拉區(qū)帶動(dòng)螺栓使柱壁鼓曲。

圖11 節(jié)點(diǎn)端板荷載與應(yīng)變的關(guān)系

2.3.4 柱翼緣應(yīng)變、柱腹板應(yīng)力分析

柱翼緣荷載與應(yīng)變的關(guān)系見(jiàn)圖12，柱腹板荷載與應(yīng)力的關(guān)系見(jiàn)圖13。從圖12可知，JD-3柱壁較厚，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)處柱翼緣應(yīng)變最大值未達(dá)到屈服應(yīng)變，屈服應(yīng)變值為1 939με，其余兩試件柱壁厚度相同，均達(dá)到屈服應(yīng)變； 對(duì)于JD-1和JD-2，柱翼緣處呈現(xiàn)先壓后拉的現(xiàn)象，JD-3的柱翼緣一直保持受壓狀態(tài)； 觀察21～23號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)越接近節(jié)點(diǎn)核心區(qū)中部位置，應(yīng)變值越大，處于相同高度的應(yīng)變片，柱外側(cè)25，26號(hào)測(cè)點(diǎn)和柱中心23，28號(hào)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變值大于中間24，27號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值； 柱壁厚度相同的試件應(yīng)變隨荷載變化發(fā)展趨勢(shì)相似。

圖12 柱翼緣荷載與應(yīng)變的關(guān)系

圖13 柱腹板荷載與應(yīng)力的關(guān)系

從圖13可知，柱腹板靠近節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的應(yīng)力較大，已達(dá)到鋼材屈服應(yīng)力，其余位置應(yīng)力相對(duì)較小且受拉區(qū)應(yīng)力大于受壓區(qū)應(yīng)力； 對(duì)比3個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)大體相同，且柱壁越薄，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值越大； 對(duì)比柱壁厚度一致的JD-1和JD-2，端板厚度越大，柱腹板應(yīng)力值越小。

3 結(jié)論

本文對(duì)3個(gè)冷彎方鋼管柱-H型鋼梁外伸端板單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單調(diào)靜力試驗(yàn)加載，并對(duì)此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的破壞現(xiàn)象、受力特征及各組件應(yīng)力應(yīng)變分布變化規(guī)律進(jìn)行了分析，研究了連接節(jié)點(diǎn)在彈性階段、彈塑性階段及破壞階段的特點(diǎn)。結(jié)論如下：

(1)通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象分析，在實(shí)際框架中應(yīng)用外伸端板單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)合理考慮柱壁厚度及端板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響。對(duì)于此類(lèi)連接節(jié)點(diǎn)，當(dāng)端板厚度達(dá)到16mm時(shí)，端板厚度僅對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度產(chǎn)生影響，對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力不起控制作用，然而柱壁厚度增加可有效增加節(jié)點(diǎn)剛度及承載力。

(2)3個(gè)節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的極限轉(zhuǎn)角較大，具有非常好的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，在大的轉(zhuǎn)角下，單向螺栓仍能很好地連接梁柱節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有發(fā)生梁柱脫離倒塌，說(shuō)明外伸端板連接節(jié)點(diǎn)具有良好的變形能力以及延性。

(3)冷彎方鋼管柱-H型鋼梁外伸端板單向螺栓節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)主要有：端板彎曲變形、柱壁鼓曲變形和單向螺栓套筒斷裂。其中3組試驗(yàn)中均出現(xiàn)不同程度單向螺栓套筒破壞現(xiàn)象，說(shuō)明單向螺栓抗拉剪復(fù)合承載能力較差，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)采取相應(yīng)的構(gòu)造措施或考慮采用其他類(lèi)型單向螺栓。