门式刚架梁柱端板斜放螺栓连接节点抗震性能试验研究

李博，李瑞峰，白凤娟

门式刚架梁柱端板斜放螺栓连接节点抗震性能试验研究

李博1，李瑞峰2，白凤娟3

（1西安建筑科技大学西安710055 2中冶置业有限责任公司北京100061 3陕西现代建筑设计研究院西安710048）

为了研究门式刚架梁柱端板斜放螺栓连接的抗侧移承载力以及端板厚度和高强螺栓强度等级对于此类节点抗震性能的影响，设计了3个1/2比例门式刚架节点试件进行低周反复水平加载试验，获得了节点的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线和破坏特征等。试验结果表明：试件的梁比柱受力不利，试件破坏主要发生在梁上翼缘靠近节点区域部位；试件的荷载-位移滞回曲线比较丰满，说明节点的耗能能力较强，具有良好的抗震性能。

门式刚架；端板连接；抗震性能；试验研究

1 引言

门式刚架结构出现于上世纪40年代，并于近年来成为发展速度最快的一种新型轻钢结构，目前已广泛应用于轻型工业厂房、体育场馆、娱乐场所、仓库及超市等。在门式刚架钢结构中，梁柱连接节点的设计是否合理对于保证结构的可靠性和整体性均有着直接性的影响；而端板连接是门式刚架轻型房屋钢结构中最常用的节点形式。目前，我国在这方面的相关试验文献资料相对较少，大部分集中在对多层钢框架节点的试验研究[1]～[3]；而在有限的对于门式刚架梁柱节点所进行过的试验中，又以端板竖放或横放为主[4]，而端板斜放的试验研究很少。本文通过对3个1/2比例门式刚架梁柱端板斜放螺栓连接节点试件进行低周反复水平加载试验，研究了此类节点的破坏形态、滞回特性、承载能力等。

2 试验概况

2.1 试件设计

本次试验在试件设计阶段参考了《门式刚架轻型房屋钢结构》（02SG518-1）图集，共设计了3个试件，如图1所示。

图1 试件的外形及尺寸

3个试件均采用外伸式端板连接方式；梁柱均采用变截面工字形截面，在加工厂进行焊接，其中所有部位的焊接均采用角焊缝连接，焊缝均采用焊脚尺寸hf=4mm的角焊缝且双面焊，然后在实验室进行拼装。

3个试件的梁柱尺寸相同（表1）；3个试件的区别在于端板厚度和螺栓强度等级不同（表2）。所有试件采用Q235钢制作，实测钢材的物理力学性能指标（由材性试验得出）见表3。

2.2 试验装置及加载方案

表1 试件梁柱截面尺寸

表2 试件的端板厚度、螺栓型号、螺栓直径统计表

表3 材性试验结果

本试验是在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室进行的。试验装置如图2所示。竖向荷载利用油压千斤顶施加，反力梁与竖向加载装置间设有可随试件水平移动的滚动导轨，水平推拉力采用液压伺服作动器施加。

图2 试验装置

试验时，先在柱顶施加竖向荷载至设计值，然后在柱顶端施加低周水平反复荷载，以模拟试件在地震中的受力情况。在加载初期采用荷载控制并分级加载，每级荷载增量为±10kN；当试件屈服后采用位移控制，以屈服位移的1倍为级差进行控制加载，直至试件破坏或位移超过规范规定的限值。反复荷载循环的次数，屈服前为一次，屈服后为三次。

2.3 量测方案

在梁、柱靠近节点附近区域内粘贴电阻应变片，在节点区腹板上粘贴电阻应变片和应变花，在端板和螺栓上粘贴电阻应变片，用来测得相应部位的应变和内力变化情况。应变片和应变花的布置如图3所示。另外，在梁端、柱端、柱脚以及节点区域分别布置电子位移计，并在节点区对角线上布置百分表，以测得相应的位移和节点区剪切变形情况。试验数据由实验室中数据采集仪记录。

图3 应变片布置

3 试验结果

3.1 加载破坏过程及特点

三个试件的加载过程基本相同，破坏过程略有不同。试件的主要破坏形态如图4所示。

图4 试件破坏形态

在加载初期，水平荷载－柱顶位移之间基本呈直线关系，这表明节点在弹性范围内工作。随着加载进程不断推进，在由位移控制加载之后，通常在50mm循环过程中梁上翼缘首先开始出现变形，之后变形范围逐渐扩大并且程度加深；70mm循环过程前后梁下翼缘开始出现变形。同时，在节点区腹板上可以明显看到腹板外鼓的现象，其程度从试件一到试件三逐渐减轻；梁、柱端板有被拉开趋势，端板之间出现明显缝隙（图4③）。在上翼缘出现屈曲的同时，试件通常出现侧向失稳（图4②）。试件最终破坏于梁上，且以梁的上翼缘破坏为主（图4①）；柱上破坏不明显，几乎无可观测到的变形出现。

3.2 滞回曲线

本次试验测得的各试件荷载-位移滞回曲线如图5所示。其中，P、△分别表示柱顶水平荷载和顶点水平位移。从图5中可看出各试件的滞回曲线具有以下特点：

所有试件的滞回曲线均呈梭形，比较丰满，且各级循环的滞回曲线能基本重合，说明门式刚架端板螺栓连接节点的延性较好，耗能能力较强，具有良好的抗震性能。加载曲线和卸载曲线的斜率均随着反复加载次数的增加而减小，这说明节点的加载和卸载过程中存在着刚度退化现象。从实测试件的滞回曲线可看出，试件SJ-1，SJ-3的滞回曲线要比SJ-2更饱满一些，即随着端板厚度增加，滞回曲线的饱满程度降低（如图5中螺栓强度级别和螺栓直径相同的情况下，SJ-2端板厚度10mm与SJ-3端板厚度8mm滞回曲线相比较）；而随着螺栓强度级别提高，滞回曲线的饱满程度提高（如图5中端板厚度和螺栓直径相同的情况下，SJ-1螺栓强度10.9级与SJ-2螺栓强度8.8级滞回曲线相比较）。曲线外包面积增大，则延性提高，所以SJ-1，SJ-3吸收能量的性能较SJ-2好，对抗震更有利。

图5 试件的水平荷载—位移滞回曲线

3.3 骨架曲线

骨架曲线是通过连接低周反复加载作用下历次循环的峰值点而得到的包络线，该曲线是每次循环的荷载-位移曲线达到最大峰值点的轨迹，它能够反映出构件的屈服荷载和位移、极限荷载和位移等特征点，同时也能反映出在反复荷载作用下，结构或构件能量吸收、延性、强度、刚度及其退化等方面的力学特性。

对于本次试验中的三个试件，通过对各试件的P-△滞回曲线取包络线，即可得到各试件的骨架曲线如图6所示。

将以上三个试件的骨架曲线进行两两对比，可得到各种不同因素对于骨架曲线的影响。

图6 试件的骨架曲线

4 结论

本文从3个门式刚架梁柱端板斜放螺栓连接节点出发，通过对试验现象的记录及对试验结果的分析，进而讨论了此类节点的抗震性能。试验结论如下：

（1）端板斜放螺栓连接门式刚架的梁比柱受力不利，试件的破坏主要发生在梁上翼缘靠近节点区域部位。

（2）三个试件的荷载-位移滞回曲线均呈梭形，比较丰满，说明节点的耗能能力较强，具有良好的抗震性能；在其他条件均相同时，提高螺栓强度级别则滞回曲线更丰满，对抗震性能有利。

（3）高强螺栓强度级别越高则试件的承载力和变形能力越大；由于其他因素的影响，试验中端板厚度对于试件承载力和变形能力的影响不明显。

[1]郭兵，顾强，柳峰，赵考重.梁柱端板连接节点的滞回性能试验研究[J].建筑结构学报，2002，23(3).

[2]施刚，石永久，王元清，李少甫，陈宏.多层钢框架半刚性端板连接的试验研究[J].清华大学学报（自然科学版），2004，44(3).

[3]郭兵，顾强.多层钢框架中梁柱端板连接的强度和刚度[J].建筑结构学报，2004，25(2).

[4]石永久，廖新军，王元清，陈宏.门式刚架梁柱Γ形节点受力性能的试验研究[J].中国矿业大学学报，2005，34(3).

Experimental Study on Seismic Behavior of Inclined Bolted End-plate Connections in Portal Frame

Three specimens in 1/2 scale of the prototype model were tested under low-cyclic reversed loading to study the lateral resisting ability of inclined bolted end-plate connections in portal frame in order to study the effect of the end-plate thickness and high strength bolts strength on the seismic performance of such joints.The load-displacement hysteresis curves,skeleton curves and failure mode of the specimens are obtained from the experimental results.Test results show that specimen damage at the top flange of the beam near joint panel zone is worse than at the column,and the load-displacement hysteresis curves are plump.This indicates that the specimens have good energy-absorbing capacity and excellent anti-seismic behavior.

gable frames;end-plate connection;seismic performance;experimental study

TU317

A

1671-9107（2010）06-0040-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.6.040

2010-3-22

李博（1984—），男，陕西人，硕士研究生，主要从事结构工程研究。