新型裝配式法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型研究*

涂家祥 周立超 陶忠 包圩正

(昆明理工大學(xué) 昆明 650500)

0 引言

對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑來說，梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的強(qiáng)弱程度直接影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。梁柱節(jié)點(diǎn)不同的連接措施也成為影響制作工序、運(yùn)輸效率和施工效率的重要因素。以往的鋼結(jié)構(gòu)建筑中栓焊連接是最常見的連接方式，而由于焊接工藝的復(fù)雜性以及一些不可控因素的影響，可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不足?？紤]到以往焊接節(jié)點(diǎn)具有許多不好的地方，為了解決鋼結(jié)構(gòu)建筑在構(gòu)件的運(yùn)輸以及施工過程中存在的諸多問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一類完全采用螺栓連接的新型柱梁連接節(jié)點(diǎn)。

鋼結(jié)構(gòu)裝配式柱梁連接節(jié)點(diǎn)具備制作安裝簡(jiǎn)單高效、消耗吸收地震能量的能力較強(qiáng)、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。研究鋼結(jié)構(gòu)裝配式柱梁連接節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力特性能夠?qū)τ趯?shí)際建筑工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)指導(dǎo)非常有意義。建筑或者構(gòu)件在實(shí)際工程中的恢復(fù)力模型通常非常復(fù)雜且難以繪制，很難作為理論依據(jù)被運(yùn)用于建筑物抵抗變形能力的設(shè)計(jì)與分析，基于這個(gè)原因，需要采用一些簡(jiǎn)化的辦法，將恢復(fù)力模型簡(jiǎn)化為方便繪制及應(yīng)用的模型。建筑工程領(lǐng)域的相關(guān)研究學(xué)者，依據(jù)每種結(jié)構(gòu)各不相同的承載能力及受力機(jī)理等情況特性，采用了不同的理論簡(jiǎn)化方法，使相關(guān)恢復(fù)力模型便于繪制與應(yīng)用，如兩條折線的恢復(fù)力簡(jiǎn)化模型[1]、三條折線的恢復(fù)力簡(jiǎn)化模型[2]、四條折線的恢復(fù)力簡(jiǎn)化模型[3]和曲線形式的恢復(fù)力簡(jiǎn)化模型[4]。各種簡(jiǎn)化模型各有其優(yōu)勢(shì)，但也有其缺點(diǎn)。例如曲線形式的簡(jiǎn)化模型可以更準(zhǔn)確地描述構(gòu)件在加載工程中實(shí)際的剛度提高或降低的情況，但同時(shí)也有著比折線形式的簡(jiǎn)化模型更為復(fù)雜等缺點(diǎn)。而可以使得恢復(fù)力模型應(yīng)用更加簡(jiǎn)潔方便的折線形式的簡(jiǎn)化模型雖準(zhǔn)確度相較不高，但還是更多地被研究和運(yùn)用。建筑工程領(lǐng)域研究學(xué)者針對(duì)采用不相同的連接方式的柱梁節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力簡(jiǎn)化模型開展了諸多分析以及研究。葛繼平等[5]在試驗(yàn)研究和有限元模型修正的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，推導(dǎo)出了兩類半剛性連接節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。李毅[6]對(duì)兩層中空同心鋼管混凝土柱梁節(jié)點(diǎn)開展了相關(guān)分析研究，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)理論分析推導(dǎo)了該柱梁連接節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力三折線簡(jiǎn)化模型。張?jiān)碌萚7]提出了一種裝配式鋼管混凝土耗能螺栓連接梁柱節(jié)點(diǎn)，并通過低周反復(fù)加載試驗(yàn)得到試件的滯回曲線，從而得到了此類柱梁連接節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力三折線簡(jiǎn)化模型。

本文在對(duì)6組新型裝配式方鋼管柱-H型鋼梁法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行柱端低周往復(fù)加載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過分析試驗(yàn)骨架曲線特點(diǎn)，建立了新型節(jié)點(diǎn)的骨架曲線模型，再結(jié)合試驗(yàn)所測(cè)滯回曲線，最終得到了新型裝配式法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力三折線簡(jiǎn)化模型，且驗(yàn)證了簡(jiǎn)化模型與試驗(yàn)滯回曲線的相似性，可以作為本文研究的裝配式新型法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的地震下耗能能力評(píng)估及建筑設(shè)計(jì)的相關(guān)理論及應(yīng)用依據(jù)。

1 構(gòu)造形式

所提出的新型裝配式法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)由帶加強(qiáng)環(huán)板柱、帶法蘭柱座、矩形搭板、角鋼及高強(qiáng)螺栓組成。節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

2 試驗(yàn)概況

所有試件的梁柱截面尺寸相同，柱：300 mm ×300 mm×8 mm，高度為1 500 mm；梁：HN248 mm ×124 mm ×5 mm×8 mm，長(zhǎng)度為1 340 mm。試件尺寸見圖2。試件構(gòu)造參數(shù)見表1。試件均采用Q235B鋼，鋼材的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。在試驗(yàn)正式開始之前，通過預(yù)加載的方式消除由于試驗(yàn)裝置影響可能產(chǎn)生的初始缺陷。本次試驗(yàn)的加載方案及加載方式選擇根據(jù)位移變化情況來完成低周循環(huán)試驗(yàn)的荷載施加，設(shè)備上方的液壓千斤頂對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生豎向壓力，水平荷載通過電液伺服系統(tǒng)分級(jí)加載，加載速率為0.2 mm/s，每級(jí)反復(fù)加載3次。

表1 試件構(gòu)造參數(shù)

圖2 試件尺寸(單位：mm)

表2 鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)破壞現(xiàn)象及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過對(duì)試驗(yàn)過程的觀察，可以發(fā)現(xiàn)試件的破壞主要由于梁端的鼓曲，梁端、環(huán)板以及角鋼的撕裂，圖3為具有代表性的試件破壞過程形態(tài)。

(a)梁端鼓曲 (b)梁端撕裂

(c)環(huán)板撕裂 (d)角鋼撕裂

4 骨架曲線模型的建立

4.1 骨架曲線分析

想要得到骨架曲線，首先需要對(duì)6個(gè)外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)所得骨架曲線進(jìn)行無量綱化處理，參考點(diǎn)選用各個(gè)試件在達(dá)到峰值荷載時(shí)的橫縱坐標(biāo)，經(jīng)過處理后的6個(gè)試件的計(jì)算骨架曲線如圖4所示。

圖4 無量綱骨架曲線

由圖4能夠發(fā)現(xiàn)，各個(gè)構(gòu)件骨架曲線的走勢(shì)以及大小基本可以視為一致，總體吻合度較好。選用三折線模型對(duì)外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角骨架曲線進(jìn)行表達(dá)，圖中涉及的參考點(diǎn)為構(gòu)件屈服時(shí)(標(biāo)記為A點(diǎn))、構(gòu)件達(dá)到最大承載力時(shí)(標(biāo)記為B點(diǎn))、構(gòu)件破壞或者構(gòu)件荷載下降到最大承載力的85%時(shí)(標(biāo)記為C點(diǎn))。涉及的特征點(diǎn)根據(jù)各試件的無量綱化后的特征點(diǎn)取平均值得到,計(jì)算得到各屈服點(diǎn)的坐標(biāo)：正屈服點(diǎn)A(0.396 9,0.078 6)、負(fù)屈服點(diǎn) (-0.461 6,-0.114 6)，正峰值點(diǎn)B(1,1)、 負(fù)峰值點(diǎn) (-1,-1)，正有效破壞點(diǎn)C(0.815 6,1.224 6)、負(fù)有效破壞點(diǎn) (-0.801 3,-1.427 5),按順序連接三折線骨架曲線的特征點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 三折線骨架曲線模型

4.2 三折線骨架曲線模型驗(yàn)證

通過對(duì)無量綱化骨架曲線進(jìn)行擬合處理，可以計(jì)算出圖6中6個(gè)裝配式法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的正負(fù)向各段骨架曲線的線性方程(如表3所示)，分別繪制出各個(gè)構(gòu)件的基于試驗(yàn)的骨架曲線以及基于三折線簡(jiǎn)化模型的骨架曲線，從而驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型的合理性與準(zhǔn)確性?？梢钥闯?，雖然因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)測(cè)量誤差等原因?qū)е聰?shù)據(jù)點(diǎn)有突變處，造成擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有部分誤差，但是三折線模型還是可以很好地模擬出節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷的彈性、屈服和破壞后的強(qiáng)度、剛度衰退的過程，且變化趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高。尤其表現(xiàn)在試件處于彈性階段的骨架曲線與計(jì)算的骨架曲線幾乎重合，因此說明建立的恢復(fù)力模型具有一定適用價(jià)值。

圖6 試驗(yàn)骨架曲線與計(jì)算骨架曲線對(duì)比

表3 骨架曲線擬合方程

5 恢復(fù)力模型

5.1 剛度退化規(guī)律

由低周反復(fù)加載試驗(yàn)可知，法蘭外環(huán)板節(jié)點(diǎn)試件的剛度會(huì)根據(jù)試驗(yàn)荷載的變化而產(chǎn)生退化。在試驗(yàn)剛開始階段，構(gòu)件可以看作只發(fā)生彈性變形，每個(gè)構(gòu)件的剛度均較大且變化可以忽略不計(jì)，此時(shí)構(gòu)件的卸載剛度能夠直接根據(jù)初始剛度得出。當(dāng)試件加載至屈服后，由于鋼材本身的特性，部分試件的加卸載剛度會(huì)產(chǎn)生一定的退化現(xiàn)象。因此本文在課題組做過的6個(gè)法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)理論分析，可以推出所有構(gòu)件的剛度退化表達(dá)式以及構(gòu)件的剛度在不同加載階段的變化規(guī)則(如圖7所示)。

(a)K1的退化規(guī)律曲線

(b)K2的退化規(guī)律曲線

(c)K3的退化規(guī)律曲線

(d)K4的退化規(guī)律曲線

5.2 新型裝配式節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型驗(yàn)證

通過origin軟件繪制了6個(gè)構(gòu)件基于試驗(yàn)以及基于簡(jiǎn)化模型的滯回曲線。圖8為6個(gè)構(gòu)件根據(jù)簡(jiǎn)化模型繪制的滯回曲線和所做試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制的滯回曲線的比較。根據(jù)圖8能夠發(fā)現(xiàn)，6個(gè)構(gòu)件的實(shí)際滯回曲線與簡(jiǎn)化模型滯回曲線均保持較高的相似性，說明所提出的恢復(fù)力簡(jiǎn)化模型可以較為準(zhǔn)確地模擬出新型裝配式外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的滯回性能。

(a)SJ-1 (b)SJ-2 (c)SJ-3

(d)SJ-4 (e)SJ-5 (f)SJ-6

6 結(jié)論

(1)提出的新型裝配式法蘭外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)符合“強(qiáng)柱、弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)理念，其主要破壞模式為：梁端的鼓曲，梁端、環(huán)板以及角鋼的撕裂。

(2)基于試驗(yàn)研究繪制的骨架曲線，對(duì)其采用無量綱化分析，發(fā)現(xiàn)骨架曲線呈現(xiàn)三折線趨勢(shì)，因此采用了三折線模型對(duì)其進(jìn)行表達(dá)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析處理后提出了適用于新型裝配式外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的骨架曲線模型，與試驗(yàn)結(jié)果相比有較高的吻合度。

(3)在回歸分析計(jì)算提出了節(jié)點(diǎn)骨架曲線簡(jiǎn)化模型之后，對(duì)試驗(yàn)所測(cè)滯回曲線進(jìn)行了分析計(jì)算，從而建立了新型裝配式外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力三折線簡(jiǎn)化模型，且和基于試驗(yàn)繪制的滯回曲線比較分析，呈現(xiàn)出了相似的大小及變化規(guī)律。此恢復(fù)力簡(jiǎn)化模型可以作為此種類型的鋼結(jié)構(gòu)裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)分析以及設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論和實(shí)際應(yīng)用的參考。