不同連接強(qiáng)度帶懸臂梁段的鋼框架結(jié)構(gòu)滯回性能研究

張永咸， 李啟才， 何若全

(蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215011)

傳統(tǒng)剛性節(jié)點(diǎn)的鋼框架在北嶺等大震作用下，發(fā)生脆性破壞[1-2]。研究人員[3-6]設(shè)計(jì)了多種改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)，主要思路是促使塑性鉸在遠(yuǎn)離梁柱焊縫的梁截面上形成，從而保護(hù)梁柱焊縫。如果將帶懸臂梁段鋼框架結(jié)構(gòu)中的鋼梁高強(qiáng)度螺栓拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)得弱些，而不是按照現(xiàn)行規(guī)范要求的與梁截面等強(qiáng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以達(dá)到類似的效果。

帶懸臂梁段鋼框架結(jié)構(gòu)中短梁一端與柱采用工廠焊縫剛性連接；另一端通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與長(zhǎng)梁拼接連接，參見(jiàn)試件設(shè)計(jì)圖1?，F(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求梁的拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，要與梁凈截面等強(qiáng)，在地震作用下，梁的拼接節(jié)點(diǎn)不允許出現(xiàn)螺栓滑移。但是較多的節(jié)點(diǎn)研究表明：在荷載作用下，高強(qiáng)度螺栓及板件之間的滑動(dòng)可以消耗能量，延緩梁柱焊縫處能量的輸入，增加構(gòu)件的延性[7-11]。高強(qiáng)度螺栓的滑移，不會(huì)降低節(jié)點(diǎn)的極限承載能力。多層帶懸臂梁段鋼框架結(jié)構(gòu)的有限元模擬研究表明：削弱拼接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，可以讓高強(qiáng)度螺栓提前滑移消耗能量，保護(hù)焊縫，增強(qiáng)抗震性能[12-14]。但是關(guān)于鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)的滑移耗能對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響試驗(yàn)研究尚不多見(jiàn)，本文嘗試研究不同的鋼梁高強(qiáng)度螺栓拼接承載能力對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

圖1 試件尺寸(mm)Fig.1 Dimension of specimen (mm)

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件共有3個(gè)，梁柱分別采用同一截面的焊接H型鋼，柱為H250×200×10×16，梁為H250×150×6×10，拼接板厚度6 mm，鋼材型號(hào)Q235B。取中間層梁加上下各半層柱，采用鉸接連接近似模擬多高層建筑中相鄰樓層柱反彎點(diǎn)之間的受力部分，試件外形尺寸見(jiàn)圖1。柱上下端板分別為-25×300×400和-25×400×600。3個(gè)試件的不同之處在于鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，如圖1和表1所示。其中拼接距離A是指拼接中心到柱中心線的距離。等強(qiáng)設(shè)計(jì)是指拼接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度與梁凈截面的抗彎和抗剪強(qiáng)度相同。實(shí)際內(nèi)力是按照梁端部焊縫截面剛進(jìn)入屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的拼接節(jié)點(diǎn)處的彎矩M和剪力V。0.9倍設(shè)計(jì)內(nèi)力是取上述方法計(jì)算的實(shí)際內(nèi)力值的0.9倍作為設(shè)計(jì)值。

表1 試件設(shè)計(jì)情況

取試件一半做彈性彎矩圖，如圖2所示，按式(1)計(jì)算出彈性設(shè)計(jì)的梁端最大彎矩。

圖2 試件彈性彎矩圖(mm)Fig.2 Elastic bending moment diagram of specimen (mm)

My=Wnfy

(1)

式中：My為梁的屈服彎矩；Wn為梁的凈截面抵抗矩；fy為梁所用鋼材的屈曲強(qiáng)度。

FRAME 1計(jì)算時(shí)，取拼接處有螺栓孔的凈截面抵抗矩Wnp計(jì)算Myp=Wnpfy=71.5 kN·m。FRAME 2和FRAME 3試件計(jì)算時(shí)，取梁端部焊縫處的凈截面抵抗矩Wnh計(jì)算Myh=Wnhfy=92.7kN·m。FRAME 2拼接處彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mp2=60.3 kN·m，剪力標(biāo)準(zhǔn)值Vp2=68.2 kN。FRAME 3拼接處彎矩標(biāo)準(zhǔn)值和剪力標(biāo)準(zhǔn)值分別為的相應(yīng)值的0.9倍，為Mp3=54.3 kN·m和Vp3=61.4 kN。

按照彎矩由翼緣拼接和腹板拼接共同承擔(dān)，剪力僅由腹板拼接承擔(dān)的方法，設(shè)計(jì)拼接節(jié)點(diǎn)。采用8.8級(jí)M16高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接，螺栓孔d0=17.5 mm，板件接觸面采用鋼絲刷清除浮銹處理，抗滑移系數(shù)μ=0.3，拼接處高強(qiáng)度螺栓分布，如圖3所示。

圖3 試件高強(qiáng)度螺栓分布(mm)Fig.3 Distribution of high-strength bolts of specimen (mm)

根據(jù)螺栓的實(shí)際布置情況，式(2)計(jì)算節(jié)點(diǎn)形式1和形式2的理論滑移彎矩

(2)

兩種形式節(jié)點(diǎn)的理論滑移彎矩值：

形式1的理論滑移彎矩Mslip=79.06 kN·m；

形式2的理論滑移彎矩Mslip=58.3 kN·m。

根據(jù)拼接節(jié)點(diǎn)處的理論滑移彎矩，參考圖2，反算試件第一次滑移時(shí)加載器所需施加的荷載值：

FRAME 1試件理論滑移荷載F=2P=163.5 kN；

FRAME 2試件理論滑移荷載F=2P=135.7 kN；

FRAME3試件理論滑移荷載F=2P=100.1 kN。

根據(jù)試件的材性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和式(3)，計(jì)算出試件在拼接節(jié)點(diǎn)和梁柱焊縫處的實(shí)際極限彎矩

Mu=Wnfu

(3)

式中：Wn取拼接中心凈截面抵抗矩和梁柱焊縫處截面的抵抗矩；fu取試件材性試驗(yàn)中梁翼緣板件的極限強(qiáng)度。

梁柱焊縫截面的極限彎矩Muh=172.5 kN·m。拼接節(jié)點(diǎn)處凈截面的極限彎矩Mup=132.98 kN·m。

根據(jù)截面的極限彎矩，參考圖2，反算出試件破壞時(shí)加載器所需施加的荷載值：

FRAME 1、FRAME 2和FRAME 3三個(gè)試件焊縫處截面被拉斷時(shí)所需的極限荷載均為F1=192.74 kN。拼接節(jié)點(diǎn)凈截面被拉斷時(shí)所需施加的極限荷載，F(xiàn)RAME 1試件為F2=288.6 kN，而FRAME 2和FRAME 3則為F2=228.1 kN。

1.2 試驗(yàn)加載方案

試件通過(guò)柱上下端特制的可拆換鉸與地梁和加載梁相連。地梁用兩邊的千斤頂和壓梁固定。加載器一端與加載梁連接，另一端與反力墻連接，加載梁跨中處施加側(cè)向支撐。按照鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范要求，擰緊高強(qiáng)度螺栓。試件裝配如圖4所示。對(duì)試件施加循環(huán)荷載，研究其滯回性能、應(yīng)變和位移分布規(guī)律、變形破壞模式及層間側(cè)移角等參數(shù)。

圖4 試件裝配Fig.4 Specimen assembly

試驗(yàn)實(shí)施的順序?yàn)镕RAME 3、FRAME 1和FRAME 2。FRAME 3加載方案：先施加10 kN的力加載一圈，觀察儀器和儀表是否正常工作。之后以20 kN級(jí)差逐步增加，每級(jí)一圈，加載到試件鋼梁拼接處高強(qiáng)度螺栓第一次滑移時(shí)暫停，記錄第一次滑移時(shí)的位移和荷載值。按照第一次滑移時(shí)的位移值循環(huán)加載滿三圈。再以滑移位移的整數(shù)倍為級(jí)差，每級(jí)加載三圈，直到試件破壞為止。FRAME 1和FRAME 2加載方案為：先施加2 mm的位移，觀察儀器和儀表是否正常工作。之后以5 mm為級(jí)差，每級(jí)加載一圈，直到試件鋼梁拼接處高強(qiáng)度螺栓第一次滑移時(shí)暫停，記錄第一次滑移時(shí)位移和荷載值，循環(huán)加載滿三圈。再以第一次滑移時(shí)位移的整數(shù)倍為級(jí)差，逐步增加，每級(jí)加載三圈，直到試件破壞為止。

1.3 應(yīng)變片位移計(jì)的布置

應(yīng)變片粘貼位置為梁柱焊縫處，拼接節(jié)點(diǎn)處和梁跨中處，其作用是為了監(jiān)測(cè)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域和整個(gè)梁的應(yīng)力情況。具體見(jiàn)圖5。

圖5 應(yīng)變片分布(mm)Fig.5 Strain gauge distributions (mm)

位移計(jì)設(shè)置位置為梁下翼緣拼接節(jié)點(diǎn)處，靠近加載器的柱外側(cè)和地梁，其作用是為了監(jiān)測(cè)梁柱的變形以及地梁可能產(chǎn)生的滑移，具體見(jiàn)圖6。

圖6 位移計(jì)分布(mm)Fig.6 Displacement meter distributions (mm)

1.4 材性試驗(yàn)

按照規(guī)范[15-18]，對(duì)試驗(yàn)所用的鋼材進(jìn)行材性試驗(yàn),材性試驗(yàn)中試件的厚度分別是6 mm，10 mm和16 mm，分別記作S1，S2和S3。材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值見(jiàn)表2。

表2 材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.5 高強(qiáng)度螺栓拼接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

為測(cè)定鋼框架試驗(yàn)中高強(qiáng)螺栓的滑移性能和抗滑移系數(shù)，根據(jù)規(guī)范[19]，制作了3套高強(qiáng)螺栓拼接節(jié)點(diǎn)試件，分別記作Z1，Z2和Z3。其所用材料均采用鋼框架試驗(yàn)的Q235B鋼材，鋼材表面用鋼絲刷除銹處理，每套試件用4個(gè)8.8級(jí)M16高強(qiáng)螺栓連接，一共12個(gè)高強(qiáng)螺栓。采用扭矩法，用特制的扭矩扳手，分初擰、終擰兩步施加高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力。初擰扭矩值大小為高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力值P的50%，加上必要的10%超張拉值，終擰扭矩值大小按照鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定的式(4)確定，本文所使用的高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力P=80 kN，實(shí)際張拉的預(yù)拉力為88 kN。先初擰，等24 h之后，進(jìn)行終擰。

T=KdP

(4)

式中：K取扭矩系數(shù)；d取螺栓直徑；P取設(shè)計(jì)規(guī)定的螺栓預(yù)拉力。

試驗(yàn)中，高強(qiáng)螺栓終擰扭矩?cái)?shù)值為T=145 kN·m。先在試件表面畫上刻度，以便于測(cè)量、觀察試驗(yàn)后試件的變形。按照500 N/s的速度逐級(jí)累積加載，加載直到試件板件斷裂或不能繼續(xù)承受荷載為止。根據(jù)試驗(yàn)中獲得的荷載-位移曲線計(jì)算高強(qiáng)度螺栓連試驗(yàn)值，如表3所示。

表3 高強(qiáng)度螺栓連接副試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

FRAME 1，F(xiàn)RAME 2和FRAME 3 試件的現(xiàn)象分別見(jiàn)表4～表6，試件試驗(yàn)現(xiàn)象比較見(jiàn)表7，試件理論滑移荷載和試驗(yàn)滑移荷載比較見(jiàn)表8，試驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)圖7，從中看出：

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.7 Test phenomena

表4 FRAME 1試件現(xiàn)象

表5 FRAME 2試件現(xiàn)象

表6 FRAME 3試件現(xiàn)象

表7 試件現(xiàn)象比較

表8 試件滑移荷載比較

(1)FRAME 1試件沒(méi)有充分滑移，高強(qiáng)度螺栓和拼接板反而加強(qiáng)了拼接節(jié)點(diǎn)處的抗彎剛度，使梁端焊縫和拼接節(jié)點(diǎn)之間的梁段很快屈曲并形成塑性鉸。

(2)FRAME 2和FRAME 3試件中拼接處的高強(qiáng)度螺栓滑移時(shí)間較早，拼接節(jié)點(diǎn)變形較大，3個(gè)試件能夠承受的最大加載級(jí)分別是125 mm，150 mm和160 mm。削弱拼接節(jié)點(diǎn)，使得高強(qiáng)度螺栓提前滑移，梁端翼緣受力屈服和屈曲的時(shí)間推移，有效保護(hù)了焊縫，增加了試件的延性。

(3)FRAME 2和FRAME 3試件理論滑移荷載和試驗(yàn)滑移荷載值一樣，在預(yù)定的時(shí)間開(kāi)始滑移滿足設(shè)計(jì)的要求，所用的滑移公式較準(zhǔn)確。FRAME 1試件雖然在149 kN時(shí)出現(xiàn)滑移松動(dòng)現(xiàn)象，但在試驗(yàn)中并沒(méi)有充分滑移，計(jì)算等強(qiáng)拼接方法設(shè)計(jì)試件的滑移彎矩沒(méi)有必要。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 滯回曲線與骨架曲線分析

3個(gè)試件的滯回曲線見(jiàn)圖8，骨架曲線和剛度曲線見(jiàn)圖9和圖10，試件理論極限荷載和試驗(yàn)最大荷載見(jiàn)表9，從中看出：

表9 試件極限荷載比較

圖8 試件滯回曲線Fig.8 Hysteresis curve of specimen

圖9 試件骨架曲線Fig.9 Skeleton curve of specimen

圖10 試件剛度曲線Fig.10 Stiffness curve of specimen

(1)削弱拼接節(jié)點(diǎn)，不影響試件的極限荷載。FRAME 1試件極限荷載是181.6 kN，F(xiàn)RAME 2試件極限荷載是179.8 kN，F(xiàn)RAME 3試件極限荷載是176.8 kN，3個(gè)試件的極限荷載最大差值不超過(guò)3%。

(2)削弱拼接節(jié)點(diǎn)降低了試件的屈服荷載。拼接節(jié)點(diǎn)剛度的下降使該處的高強(qiáng)度螺栓提前滑移，試件提前進(jìn)入屈服階段。FRAME 2試件的屈服荷載是135 kN，F(xiàn)RAME 3試件的屈服荷載是101 kN，試件的屈服荷載下降了25%。

(3)FRAME 1試件理論極限荷載和試驗(yàn)最大荷載相差5.8%，試驗(yàn)中梁上翼緣被拉斷，理論預(yù)測(cè)值較準(zhǔn)確。FRAME 2試件在試驗(yàn)中靠近加載器的拼接節(jié)點(diǎn)發(fā)出較大的響聲，產(chǎn)生部分脆性破壞，這可能與螺栓孔處截面的反復(fù)擠壓產(chǎn)生的低周疲勞破壞有關(guān)，而計(jì)算公式并沒(méi)有考慮這一因素。FRAME3試件最終是由于梁的整體扭轉(zhuǎn)變形過(guò)大，停止加載的，梁本身并沒(méi)有發(fā)生斷裂破壞。

2.2.2 試件的能量耗散系數(shù)分析

根據(jù)圖11和式(5)對(duì)能量耗散系數(shù)E的定義，計(jì)算圖8中3個(gè)試件在各自加載級(jí)內(nèi)第一圈的能量耗散系數(shù)見(jiàn)圖12，可以看出

圖11 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.11 Calculation diagram

圖12 能量耗散系數(shù)Fig.12 Energy dissipation factor

(5)

式中：SABC+SCDA為滯回環(huán)面積；SOBE+SODF為三角形面積。

(1)FRAME 1試件和 FRAME 2試件能量耗散系數(shù)最大值分別為2.37和2.32，兩者相差2%，但FRAME 1試件發(fā)生焊縫拉斷脆性破壞，結(jié)構(gòu)整體變形能力延性較差，耗能效果最差。

(2)FRAME 2試件梁端翼緣屈服早于FRAME 3試件，板件的屈服也提前參與耗能，所以FRAME 2耗能性能優(yōu)于FRAME 3。

2.2.3 鋼梁應(yīng)變分析

3個(gè)試件在梁上翼緣處應(yīng)變分布見(jiàn)圖13，梁端焊縫處剛剛進(jìn)入屈服及對(duì)應(yīng)的數(shù)值見(jiàn)表10。從圖13和表10中看出：①FRAME 1試件梁端焊縫進(jìn)入屈服在20 mm加載級(jí)，早于它第一次滑移23 mm，看出等強(qiáng)方法設(shè)計(jì)的拼接節(jié)點(diǎn)過(guò)強(qiáng)，梁端焊縫先屈服，不能保護(hù)焊縫；②FRAME 2試件焊縫處屈服和它第一次滑移加載級(jí)一樣，符合實(shí)際受力方法；③FRAME 3試件焊縫處屈服在60 mm加載級(jí)，晚于它第一次滑移17.65 mm，看出削弱拼接節(jié)點(diǎn)，使高強(qiáng)度螺栓提前滑移，有效保護(hù)了梁端焊縫。

圖13 試件梁上翼緣應(yīng)變Fig.13 Strain on the top flange of specimen

表10 試件梁端焊縫處屈服

2.2.4 鋼梁位移分析

3個(gè)試件梁下翼緣位移見(jiàn)圖14。從圖14中看出：3個(gè)試件在受力過(guò)程中，彈性階段，整個(gè)梁的變形是連續(xù)的，只有在螺栓產(chǎn)生滑移之后，拼接區(qū)出現(xiàn)了較大的豎向位移，沿著梁長(zhǎng)度方向的豎向位移呈現(xiàn)了三段式的變形。梁兩端變形基本對(duì)稱。

圖14 試件梁下翼緣位移Fig.14 Displacement on the lower flange of specimen

2.2.5 試件拼接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角分析

3個(gè)試件拼接節(jié)點(diǎn)處彎矩-轉(zhuǎn)角曲線見(jiàn)圖15。從圖15中看出：削弱拼接節(jié)點(diǎn)，可以增加試件的轉(zhuǎn)動(dòng)能力；FRAME 1試件拼接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角最大不超過(guò)8%；FRAME 2和FRAME 3試件拼接節(jié)點(diǎn)充分轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角分別達(dá)到10%和15%。

圖15 試件拼接節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角Fig.15 Moment-rotation on the splice joint of specimen

3 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)3個(gè)試件的試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)等強(qiáng)拼接方法設(shè)計(jì)的試件拼接節(jié)點(diǎn)處剛度太大，使梁端處焊縫應(yīng)力較高，依靠梁端形成的塑性鉸消耗能量，但是延性較差，試件最終出現(xiàn)了梁柱焊縫斷裂破壞。

(2)削弱拼接節(jié)點(diǎn)，讓高強(qiáng)度螺栓提前滑移消耗能量，延緩了梁端翼緣屈服的時(shí)間，增強(qiáng)了拼接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和整體結(jié)構(gòu)的延性。高強(qiáng)度螺栓滑移，不影響試件的極限荷載，但試件的屈服荷載有所降低。

(3)按照實(shí)際內(nèi)力值方法設(shè)計(jì)的試件依靠拼接處高強(qiáng)度螺栓滑移和梁端板件屈服消耗能量，不僅耗能能力沒(méi)有減弱，而且試件的延性大大增強(qiáng)。

(4)拼接節(jié)點(diǎn)到柱內(nèi)翼緣的距離越近，越能使拼接節(jié)點(diǎn)承受較多彎矩，使高強(qiáng)度螺栓滑移并在拼接節(jié)點(diǎn)處形成塑性鉸。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及分析，得出以下建議：

(1)為了增加帶懸臂梁段鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，建議按照其實(shí)際內(nèi)力值設(shè)計(jì)高強(qiáng)度螺栓拼接節(jié)點(diǎn)。

(2)在滿足施工要求的條件下，鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)應(yīng)該離梁端越近越好。