無(wú)內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁?jiǎn)芜吢菟ㄟB接節(jié)點(diǎn)受力性能試驗(yàn)研究*

韓軍強(qiáng)，張國(guó)松，李澤深，陳 贊，裘 泳

(1.浙江省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315202； 2.浙江省建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

梁柱連接節(jié)點(diǎn)是鋼框架結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，起連接和傳力作用?；旌辖Y(jié)構(gòu)中通常采用矩形鋼管柱和H型鋼梁連接節(jié)點(diǎn)形式，封閉截面的鋼管和混凝土相互作用，使得柱內(nèi)混凝土的抗壓性能和柱整體穩(wěn)定性都得到提升。在住宅結(jié)構(gòu)中使用矩形鋼管柱-H型鋼梁連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于鋼管柱在平面外方向尺寸較大，存在凸梁凸柱的弊端，給實(shí)際使用帶來(lái)困難。采用與建筑墻體等厚的扁鋼管混凝土柱更能適應(yīng)不同戶(hù)型的要求。

扁鋼管混凝土柱短邊截面尺寸較小，柱內(nèi)設(shè)置開(kāi)孔的加勁肋在短邊可開(kāi)孔的長(zhǎng)度有限，當(dāng)澆筑柱內(nèi)混凝土?xí)r易造成粗骨料堵塞或難以澆筑密實(shí)的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出采用外環(huán)板式構(gòu)造或類(lèi)似外環(huán)板的加強(qiáng)形式避免鋼管內(nèi)部設(shè)置加勁肋[1-2]，但外環(huán)板占用外部面積較大，在住宅結(jié)構(gòu)中使用時(shí)不利于戶(hù)型布置。解決封閉截面無(wú)法適用螺栓連接的問(wèn)題，研究者們提出采用對(duì)拉螺栓連接封閉的鋼管柱和H型鋼梁并對(duì)該類(lèi)型節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行研究[3-4]，但該類(lèi)型節(jié)點(diǎn)存在柱壁開(kāi)孔精確度要求高且施工相對(duì)不便的問(wèn)題。

單邊高強(qiáng)螺栓可以有效解決常規(guī)螺栓無(wú)法在封閉截面中應(yīng)用的問(wèn)題，免除現(xiàn)場(chǎng)高空焊接作業(yè)、提升裝配率，施工效率和施工質(zhì)量都得到提升。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同類(lèi)型單邊螺栓連接節(jié)點(diǎn)的受力性能，開(kāi)展大量的研究工作。王靜峰等[5]、Liu等[6]對(duì)進(jìn)口Hollo-Blot連接節(jié)點(diǎn)受力性能開(kāi)展測(cè)試，Lee[7]對(duì)單邊螺栓連接鋼管節(jié)點(diǎn)的受力性能開(kāi)展試驗(yàn)研究，李國(guó)強(qiáng)等[8]、李德山等[9]、郟書(shū)朔等[10]研究采用國(guó)產(chǎn)STUCK-BOM型單邊螺栓連接的梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能。Wang等[11]研究SCBB型單邊螺栓連接節(jié)點(diǎn)性能，發(fā)現(xiàn)SCBB螺栓性能與傳統(tǒng)高強(qiáng)度螺栓性能幾乎相同。

本文探討無(wú)內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)的受力性能。通過(guò)開(kāi)展焊接連接、單邊螺栓端板連接及加強(qiáng)型的單邊螺栓端板連接扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)單向靜力加載試驗(yàn)，研究了不同構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的受力特征和失效模式，分析兩種加強(qiáng)模式對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力和剛度的影響。研究?jī)?nèi)容可為不設(shè)內(nèi)加勁肋的扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣設(shè)計(jì)和制作

以鋼框架邊柱節(jié)點(diǎn)為原型，設(shè)計(jì)并制作4個(gè)足尺矩形扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)試樣，各試樣規(guī)格如表 1所示。其中，對(duì)比試樣S0采用焊接連接，具體構(gòu)造形式如圖 1a所示。單邊螺栓連接節(jié)點(diǎn)S1,S2和S3采用外伸端板形式，具體的試樣形狀及尺寸如圖 1b，1c，1d所示，單邊螺栓安裝過(guò)程如圖 2所示。其中，S2節(jié)點(diǎn)采用內(nèi)部貼板加強(qiáng)，將4塊內(nèi)部貼板焊接成型后再與4塊柱板焊接，形成內(nèi)部貼板的加強(qiáng)型柱。S3節(jié)點(diǎn)采用外部貼板加強(qiáng)，將4塊柱板焊接成型后在加強(qiáng)區(qū)域依次焊接貼板，形成外部貼板的加強(qiáng)型柱。為測(cè)試加強(qiáng)方式對(duì)工程中節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，選擇的梁柱尺寸為H300×150×6.5×9和□400×200×14。梁柱線剛度比為0.16，滿(mǎn)足強(qiáng)柱弱梁要求?？紤]節(jié)點(diǎn)對(duì)柱的影響范圍不超過(guò)2倍端板高度，柱高設(shè)計(jì)為2m，假設(shè)框架梁的反彎點(diǎn)位于框架梁跨度的1/4處，按梁跨度7m計(jì)算，取梁長(zhǎng)1.55m。根據(jù)規(guī)范要求，端板厚度取為18mm，端板設(shè)置上下加勁肋，厚度取10mm。除螺栓外，其余材料均為Q345鋼。

表1 試驗(yàn)試樣規(guī)格

圖1 試樣形狀和尺寸

圖2 單邊螺栓連接節(jié)點(diǎn)安裝

1.2 加載過(guò)程和測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。鋼柱柱頂施加軸向壓力，軸壓比取0.2。為控制梁端單向加載，采用力-位移雙控制方法，在節(jié)點(diǎn)屈服前使用力控制加載，荷載增量為20kN，節(jié)點(diǎn)屈服后使用位移控制加載，位移增量為Δy，Δy為節(jié)點(diǎn)屈服位移。加載至節(jié)點(diǎn)失效或承載力下降至最大承載力的85%停止。梁屈曲、螺栓拔出或斷裂、柱屈曲、端板加勁肋斷裂、端板發(fā)生屈曲均視為節(jié)點(diǎn)失效。

圖3 加載裝置

為了獲得局部關(guān)鍵位置的變形和應(yīng)變情況，在節(jié)點(diǎn)上布置應(yīng)變片和位移計(jì)如圖4,5所示。其中，位移計(jì)D2～D6用于測(cè)試螺栓伸長(zhǎng)和滑移量，D7和D8分別用于測(cè)試梁和柱的平面外變形，D1和D6用于測(cè)試柱在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)量。在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域布置應(yīng)變片以測(cè)量核心區(qū)域梁、柱及端板的應(yīng)變情況。

圖4 應(yīng)變片布置

圖5 位移計(jì)布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 破壞模式

試驗(yàn)過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)如圖6所示。主要破壞形態(tài)包括端板塑性變形、鋼柱在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域的塑性變形、單邊螺栓滑移以及梁屈曲變形。由于本文中所選擇的梁柱尺寸為工程中真實(shí)的梁柱截面尺寸，出于強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)要求，梁截面剛度相對(duì)較小，4個(gè)試樣的最終破壞形態(tài)均為梁端形成塑性鉸。

圖6 主要破壞形態(tài)

試樣S0加載初期節(jié)點(diǎn)變形主要來(lái)自梁的彎曲，當(dāng)節(jié)點(diǎn)彎矩達(dá)到64kN·m時(shí)，S0試樣中鋼柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)生輕微變形，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入塑性階段。隨著荷載進(jìn)一步增大，梁的彎曲變形加大，鋼柱核心區(qū)域的變形更加明顯(見(jiàn)圖6a)，此時(shí)核心區(qū)域梁腹板連接部分變形很小。最后梁翼緣出現(xiàn)明顯的屈曲導(dǎo)致梁發(fā)生扭曲破壞(見(jiàn)圖6b,6c)，節(jié)點(diǎn)失效。試樣S1，S2和S3的破壞模式類(lèi)似且與普通高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的破壞模式類(lèi)似。加載初始，試樣處于彈性階段，節(jié)點(diǎn)變形主要來(lái)自梁的彎曲。隨著梁端荷載逐漸增加，端板和鋼柱間開(kāi)始出現(xiàn)微小的縫隙(見(jiàn)圖6d)，隨后螺栓出現(xiàn)輕微滑動(dòng)。梁上翼緣和加勁肋最先達(dá)到屈服狀態(tài)，可以明顯觀察到梁的彎曲變形(見(jiàn)圖 6e)，隨后下翼緣受壓屈曲(見(jiàn)圖6f)，梁出現(xiàn)平面外的變形，最終在梁端形成塑性鉸。表明節(jié)點(diǎn)塑性發(fā)展較充分，節(jié)點(diǎn)區(qū)域構(gòu)造合理，滿(mǎn)足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震要求。

2.2 荷載-位移曲線

各試樣的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖 7所示。由圖7可知，曲線中包含彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段。彈性階段為試樣開(kāi)始發(fā)生變形到出現(xiàn)明顯的剛度變化點(diǎn)，該階段彎矩和轉(zhuǎn)角基本呈線性關(guān)系。S0試樣的屈服位移最小，最早進(jìn)入塑性變形階段。S2和S3試樣的屈服位移接近，S1試樣的屈服位移比S2和S3試樣稍大。塑性變形階段為試樣發(fā)生屈服到試樣達(dá)到最大承載力，該階段彎矩和轉(zhuǎn)角呈非線性關(guān)系，隨著彎矩的逐漸增大，節(jié)點(diǎn)剛度逐漸下降。S0試樣的塑性變形較小，試樣的屈服荷載和極限荷載之差較小，表明試樣的塑性性能相對(duì)較差。S2和S3試樣的塑性變形階段曲線類(lèi)似，該階段試樣的變形和承載力都有較大的提升，塑性性能較好。S1試樣的塑性變形階段較長(zhǎng)，塑性良好。破壞階段為試樣達(dá)到極限承載力到試樣失效或承載力明顯下降。S0試樣的破壞階段發(fā)生迅速，S1，S2和S3試樣的承載力下降緩慢，表明S0有脆性破壞的現(xiàn)象，S1，S2和S3試樣在破壞階段仍能保持較好的延性。

圖7 各試樣彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

2.3 承載力、延性和剛度分析

各試樣承載力、剛度、延性等力學(xué)指標(biāo)如表 2所示。節(jié)點(diǎn)初始剛度Ri為彎矩-轉(zhuǎn)角曲線在起始點(diǎn)的切線剛度。焊接節(jié)點(diǎn)S0的初始剛度最大，單邊螺栓端板連接節(jié)點(diǎn)S1，S2，S3的初始剛度較低，這是由節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及變形機(jī)制導(dǎo)致的。與無(wú)加強(qiáng)的S1試樣相比，加強(qiáng)型端板連接節(jié)點(diǎn)S2和S3的初始剛度提升1.44倍左右，兩種加強(qiáng)方式的節(jié)點(diǎn)初始剛度相差不大。節(jié)點(diǎn)屈服點(diǎn)和極限點(diǎn)承載力規(guī)律類(lèi)似。與S1相比，S2和S3試樣的極限承載力分別提高56%和45%。節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)為破壞點(diǎn)轉(zhuǎn)角與屈服轉(zhuǎn)角的比值，試樣S2和S3的延性系數(shù)均大于3，表明節(jié)點(diǎn)塑性發(fā)展充分，試件發(fā)生延性破壞，節(jié)點(diǎn)區(qū)域構(gòu)造較合理。綜上，無(wú)內(nèi)加勁肋的焊接連接節(jié)點(diǎn)和端板連接節(jié)點(diǎn)受力性能較差，節(jié)點(diǎn)承載力和剛度均較弱。通過(guò)在節(jié)點(diǎn)區(qū)域柱壁內(nèi)、外貼板加強(qiáng)方式可以較好改善節(jié)點(diǎn)的承載力、剛度和延性性能。

表2 各試樣的力學(xué)性能指標(biāo)

2.4 端板和鋼柱間隙變化分析

位移計(jì)D2和D3分別測(cè)量節(jié)點(diǎn)區(qū)域受拉側(cè)鋼柱和端板在平面內(nèi)水平方向的位移，將D3和D2之差近似作為端板和鋼柱的間隙距離進(jìn)行對(duì)比，如圖 8所示。從圖中可以看出，3個(gè)試樣端板和鋼柱之間的間隙均較小，為1.5～2mm，表明SCMS單邊螺栓抗拉性能較好，服役期間發(fā)生變形幅度較小。S2和S3試樣的間隙增幅比S1稍大，原因是S1試樣中柱壁較薄，柱在與梁連接的部分受到螺栓拉力的作用下，與端板一起發(fā)生協(xié)調(diào)變形。S2和S3試樣鋼柱核心區(qū)域的柱壁被加厚，鋼柱發(fā)生的變形量很小，端板和鋼柱之間的間隙增長(zhǎng)較大。

圖8 端板和鋼柱間隙

2.5 應(yīng)變分析

各試樣關(guān)鍵部位應(yīng)變對(duì)比如圖 9所示。各試樣中應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)隨加載位移的變化趨勢(shì)類(lèi)似，故取試樣S1作為特征試樣進(jìn)行分析如圖9a,9c所示，提取4個(gè)試樣節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域最大應(yīng)變值對(duì)比如圖 9b,9d所示。隨著梁端加載位移的增大，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域應(yīng)變逐漸增大。梁上翼緣和柱上側(cè)產(chǎn)生正應(yīng)變；下側(cè)產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變，對(duì)應(yīng)上部受拉下部受壓。在試樣進(jìn)入塑性變形階段后，相同位移條件下03號(hào)和09號(hào)點(diǎn)的應(yīng)變更大，對(duì)應(yīng)梁端屈曲位置。相同位移條件下25～27號(hào)應(yīng)變絕對(duì)值大于28～30號(hào)點(diǎn)，表明柱側(cè)下部產(chǎn)生的壓應(yīng)變更大。試樣S0的梁翼緣的最大應(yīng)變值均大于其他3個(gè)試樣，這是因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)全部來(lái)自構(gòu)件變形，端板連接節(jié)點(diǎn)變形部分來(lái)自端板和柱出現(xiàn)的間隙。試樣S2和S3柱側(cè)面應(yīng)變比S1小，表明加強(qiáng)后的節(jié)點(diǎn)區(qū)域剛度增大。

圖9 關(guān)鍵部位應(yīng)變

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展不設(shè)加勁肋的扁鋼管柱-H型鋼梁不同連接方式節(jié)點(diǎn)的靜力加載試驗(yàn)，獲得焊接連接、采用單邊螺栓的端板連接及加強(qiáng)型的單邊螺栓端板連接節(jié)點(diǎn)破壞模式、節(jié)點(diǎn)剛度、承載能力、變形能力及關(guān)鍵部位的應(yīng)力特征，基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)不設(shè)內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的合理構(gòu)造形式進(jìn)行探討，得到結(jié)論如下：采用單邊螺栓結(jié)合端板連接扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)均發(fā)生梁端塑性鉸破壞，連接方式符合強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震要求；無(wú)內(nèi)加勁肋的焊接和端板連接形式節(jié)點(diǎn)受力性能較差，需要采用加強(qiáng)措施；在鋼柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)壁或外側(cè)貼板可以明顯改善無(wú)內(nèi)加勁肋扁鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)的承載力、剛度和延性，兩種加強(qiáng)方式受力性能差別不大；兩種加強(qiáng)模式均不影響鋼管柱內(nèi)部混凝土澆筑，外側(cè)沒(méi)有外伸板，不影響房屋布置，可以根據(jù)需要選擇內(nèi)壁或外側(cè)加強(qiáng)形式。SCBB單邊螺栓連接節(jié)點(diǎn)施工方便、傳力明確，節(jié)點(diǎn)服役期間螺栓滑移量不大，連接可靠。