高層鋼框架新型梁柱節(jié)點抗震性能試驗研究

           在多高層鋼框架中典型的剛接梁柱節(jié)點型式是梁翼緣與柱對接焊、梁腹板與柱用高強度螺栓連接。過去一直認為這種節(jié)點具有良好的抗震性能，然而，在1994 年的 Northridge 地震和 1995 年的 Kobe 地震中，采用這種節(jié)點的鋼結(jié)構(gòu)建筑雖然沒有倒塌， 卻有很多在節(jié)點部位出現(xiàn)了嚴重的脆性破壞  。 美國在Northridge 地震之后的研究曾指出， 影響節(jié)點承載力和延性的三個主要因素為： 焊接金屬的斷裂韌性、 焊接孔的形狀尺寸、 節(jié)點板域的變形控制 [7] 。 進一步的研究提出若干改進節(jié)點延性的措施[2] ， 主要方法包括： 通過加腋和加蓋板提高節(jié)點的承載力； 對梁截面局部削弱， 使塑性鉸從節(jié)點區(qū)外移至梁上；改進節(jié)點區(qū)焊接孔構(gòu)造型式， 緩解局部應(yīng)力集中。研究結(jié)果表明， 改進節(jié)點區(qū)焊接孔構(gòu)造型式可以使塑性鉸外移，可以有效地增強節(jié)點延性， 而且對節(jié)點區(qū)的承載力影響也較小， 制作工藝與傳統(tǒng)的節(jié)點基本相同，是一種比較理想的節(jié)點構(gòu)造 [4] 。 因此， 本文主要針對焊接孔擴大型節(jié)點進行了研究。根據(jù)不同形狀和尺寸的焊接孔提出了三種節(jié)點構(gòu)造， 并與傳統(tǒng)的節(jié)點構(gòu)造進行了對比試驗研究。

2. 試驗概況

2. 1 節(jié)點試件設(shè)計

           本文針對四種型式節(jié)點（圖 1 ）進行了試驗研究，即標(biāo)準型節(jié)點和三種不同構(gòu)造型式的焊接孔擴大型節(jié)點。 每種節(jié)點兩個試件， 共完成了 8 個試件試驗。 試件所用材料為 @235 鋼，材性試驗得到材料的屈服強度為 260Mpa， 彈性模量為 2. 0 X 10 5 Mpa。每種型式節(jié)點兩個試件，區(qū)別在于一個試件的連接板上側(cè)與梁腹板之間附加了一道角焊縫，另一個則沒有。試件的梁柱尺寸都相同。工形梁截面高 400mm， 腹板厚 8mm； 翼緣寬 150mm， 厚 12mm。梁腹板采用 4 個 10. 9級 M20 高強度螺栓通過剪切板與柱翼緣連接。

2. 2 試驗裝置

           試驗裝置和測點布置如圖 2 所示。 試件柱平放， 梁與地面垂直。梁端由水平放置的伺服控制雙向千斤頂施加水平拉、壓作用力。試驗中在梁端施加循環(huán)往復(fù)荷載， 直至構(gòu)件完全破壞。限于加載條件， 沒有施加梁的軸向荷載。所有試件有相同的梁柱截面尺寸、加載位置和約束條件。量測項目包括所施加的荷載、 加載點水平位移、 梁柱相對轉(zhuǎn)動、 節(jié)點域變形、 剪切板相對梁腹板的轉(zhuǎn)動和平動、沿梁翼緣中線應(yīng)力分布及梁腹板上應(yīng)力分布。荷載和位移數(shù)據(jù)通過傳感器獲得，應(yīng)變由應(yīng)變片測得。全部數(shù)據(jù)采用電測方法獲得。

2. 3 加載制度

           根據(jù)有限元分析，試件的彈性極限荷載約為120kN。加載分兩個階段，彈性階段最大荷載為120kN， 采用荷載增量控制， 出現(xiàn)塑性屈服后采用位移增量控制。為了研究加載次序?qū)υ嚰休d性能的影響， 試驗過程中采用了 4 種不同加載序列 （表 1 ） 。 其中加載序列 I 為直接在 42mm 位移幅度下加載至試件破壞。 試件 TS3 和 TS4a 采用加載序列 I， TS1 采用加載序列 II， TS2a 采用加載序列 III， TS1a、 TS2、 TS3a 和 TS4采用加載序列 IV。實際上在試驗中， 當(dāng)梁端水平荷載加至 120kN 時已經(jīng)觀察到局部漆皮起皺，即已發(fā)生局部的材料屈服。

3 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

3. 1試驗現(xiàn)象

         試驗時，首先沿使梁的上翼緣受拉的方向施加水平荷載， 然后反復(fù)加載。試件 TSl 由于平面外約束不足，在彈性加載階段就出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)， 節(jié)點板域有輕微屈服發(fā)生。塑性階段，焊接孔末端梁腹板與翼緣相接處上翼緣被腹板抵壓開裂。剪切板出現(xiàn)滑移， 破壞時下翼緣幾乎全部裂開， 加載點平面外位移約 5cm。TSla 在塑性階段，腹板受壓側(cè)觀察到局部屈曲，梁端加載點平面外位移最大達7cm， 剪切板附加焊縫受拉側(cè)明顯開裂。最后受拉側(cè)翼緣焊縫突然破壞， 荷載迅速下降， 梁下翼緣部分拉斷，同時上翼緣被壓屈。

         TS2 剪切板滑移出現(xiàn)較早，下翼緣焊縫開裂并不斷擴展， 剪切板滑移隨之加大。 破壞時裂紋突然擴展至梁中軸線，同時平面外位移突然增大，TS2a 彈性階段殘余變形和平面外位移都很小。 塑性階段， 最外側(cè)螺栓首先出現(xiàn)滑移， 不久螺栓滑移加大， 構(gòu)件突然破壞， 梁上翼緣焊縫裂開幾乎到全翼緣寬，剪切板附加焊縫開裂幾乎至全長， 并有剪切板滑移。 上翼緣下端被壓屈。TS3 采用位移控制加載，第一次循環(huán)加載點位移達44mm （約 l /50 梁長） ， 荷載為 l40kN 時屈服， 剪切板與螺栓出現(xiàn)滑移， 梁翼緣、 梁腹板、 節(jié)點區(qū)局部屈服。此后焊接孔末端梁腹板把上翼緣抵壓開裂， 荷載下降， 同時梁下翼緣被壓屈， 對接焊縫開裂。 TS3a 彈性階段受壓翼緣扭轉(zhuǎn)較為嚴重， 梁腹板在靠近剪切板角部出現(xiàn)起皮。 隨后翼緣、 腹板、 剪切板、 節(jié)點板域出現(xiàn)局部屈服， 剪切板附加焊縫開裂， 下翼緣焊縫裂縫突然擴至全翼緣寬， 構(gòu)件破壞。TS4 塑性階段出現(xiàn)明顯的節(jié)點剛度下降。第一次循環(huán)時就在剪切板兩端產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。 下翼緣開口段平面外出現(xiàn)扭曲， 此后上翼緣首先壓屈， 出現(xiàn)一個半波， 平面外位移和剪切板滑移增大。 此后兩翼緣反復(fù)被壓屈和拉直， 最后下翼緣焊縫開裂中止試驗。TS4a 也用位移控制加載。 剪切板和梁上下翼緣、 梁腹板、 節(jié)點域都有起皮。此后平面外位移不斷增大， 兩翼緣交替壓屈與拉直。梁腹板在剪切板兩角部出現(xiàn)平面外屈曲，剪切板出現(xiàn)滑移。 最后受拉翼緣全截面拉開， 受壓翼緣局部屈曲， 與腹板交接處開裂， 上下翼緣焊縫都為疲勞破壞。

 圖 3 為節(jié)點破壞的照片，可以看到梁翼緣出現(xiàn)的局部屈曲現(xiàn)象。

3.2 破壞模式及影響因素試驗結(jié)果分析表明， 影響破壞模式的因素， 主要包括焊接缺陷、 應(yīng)力分布狀態(tài)和應(yīng)力集中情況。明顯的焊接缺

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