矩形钢管混凝土柱-H型钢梁隔板贯通式节点试验研究

杨新磊，王海良，董 鹏，任权昌

（天津城市建设学院 土木工程系，天津 300384）

0 前言

钢框架中刚性连接形式可分为3种，即隔板贯通式、柱贯通式、梁贯通式．隔板贯通主要用于H形钢梁与钢管柱之间的连接，传递梁翼缘内力的隔板穿过整个柱截面，柱身通过焊接与隔板保持连续，梁翼缘亦焊接于隔板上，梁腹板栓接于柱上[1]；柱贯通式是指柱构件在节点处保持连续；梁贯通式指梁构件在节点处保持连续．在各种新型节点中，用于矩形钢管混凝土柱的隔板贯通式节点越来越得到科研人员和工程界的重视．

1 试验设计

1.1 节点设计

节点JD-1和JD-2均按照《矩形钢管混凝土结构技术规程》的要求进行设计，采用贯通式隔板，区别在于翼缘两侧的楔形板长度不同，其细部结构见图1．矩形钢管柱截面均为700×500×30（腹板厚）×35（翼缘厚），钢管柱内布置栓钉，内灌注的混凝土设计强度等级为C40；H型钢梁截面均为700×300×13（腹板厚）×24（翼缘厚）；隔板厚度均为24 mm厚；梁柱所用钢材均为Q345B．试件采用的钢材实测力学性能见表1．

图1 节点细部构造Fig.1 Thedetailsof theconnections

1.2 试验装置及加载制度

为了较准确地反映水平地震作用下边节点的受力，采用在柱端施加水平荷载的加载方式．试验装置如图2所示，梁端与柱底均为铰支座．试验时，在节点两侧设置了水平支撑，以防止加载过程中试件因失稳而提前破坏，此外，在试件与侧向支撑间安置了四氟乙烯板以减小摩擦力，如图2所示．本试验没有对柱施加轴力以反映节点核心区抗剪的最不利条件．

表1 钢板材料特性Tab.1 Properties of the steel plate

图2 试验装置Fig.2 Test set-up

按照位移分级进行加载时，选取柱顶侧向位移做为控制位移值，具体位移分级详见表2．

如梁端翼缘出现屈曲、腹板失稳或焊缝破坏则停止试验．

表2 加载制度Tab.2 Cyclic loading history

2 试验现象

节点JD-1：柱顶侧移为63mm（对应节点转角为0.015rad）第1循环反向加载至最大位移时，腹板下部槽口端部出现竖向裂缝；柱顶侧移为84mm（对应节点转角为0.02rad）第1循环正向加载过程中，下翼缘开始有屈曲现象，反向加载至最大位移时，下部槽口端部的裂缝扩展明显；柱顶侧移为126 mm（对应节点转角为0.03rad）第1循环正向加载至最大位移时，下翼缘屈曲明显，腹板侧向变形显著；柱顶侧移为168mm（对应节点转角为0.04rad）第1循环正向加至最大位移时，下翼缘屈曲显著，腹板侧向变形有所发展；第2循环正向加至最大位移时，腹部上部槽口端部也出现竖向裂缝；柱顶侧移为210 mm（对应节点转角为0.05 rad）第1循环正向加载至最大位移时，下翼缘变形十分显著．

节点JD-2：柱顶侧移为63 mm（对应节点转角为0.015 rad）第1循环反向加载过程中，在下翼缘加强板端部发现细小裂纹；在第2循环加载过程中，在上翼缘加强板端部也出现细小裂纹；柱顶侧移为84 mm（对应节点转角为0.02 rad）第1循环加载过程中，上下翼缘开始有轻微屈曲现象；柱顶侧移为126 mm（对应节点转角为0.03 rad），上下翼缘的屈曲现象明显所示；在第2循环正向加载过程中上翼缘全截面断裂．

2个节点的最终坏形态如图3所示．从这两个节点的破坏形态可以看出，节点的破坏集中在梁端，而柱端和节点核心区无任何破坏迹象，说明2个节点均实现了“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的设计目标．

图3 试件的破坏形态Fig.3 Failuremodeof specimens

3 主要试验结果及分析

3.1 滞回性能

滞回曲线是指结构在低周反复荷载下的荷载-位移曲线，它可反映出水平地震作用下结构的能量消耗、位移延性及刚度退化等指标，是开展结构抗震弹塑性动力反应分析的主要依据．节点JD-1和JD-2的荷载—柱顶侧向位移的滞回曲线如图4所示．

图4 滞回曲线Fig.4 Hysteresiscurves

可看出，在柱顶侧移不大于42 mm（对应节点转角0.01 rad）时，2个节点滞回曲线的加载、卸载过程基本呈线性；当柱顶侧移大于42mm（对应节点转角0.01rad）时，2个节点试件的滞回曲线逐渐开始饱满，且随着柱顶侧移的增大，滞回环的饱满程度也不断增加；从其正向滞回曲线可以看出，节点 JD-1在加载过程中塑性变形发展充分，表现出了明显的下降段，而JD-2未表现出类似性能；节点JD-1的滞回环较节点JD-2的饱满，说明前者的耗能要高于后者，如在柱顶侧移为126mm正向加、卸载过程中节点JD-1的耗能为节点JD-2的1.13倍．

3.2 节点延性

延性是考察结构或结构构件非弹性变形能力的一个重要的度量指标．节点的延性常用其极限位移与屈服位移之比来表示，即各试件的荷载、位移特征值及位移延性见表3．

表3 位移延性Tab.3 Displacement ductility

从表中数据可以看出，H梁翼缘楔形加腋板长度不同时，节点的荷载和位移特征值会有所不同；梁端楔形加腋板长度对节点的屈服荷载和峰值荷载的影响较大，如节点JD-1的峰值荷载为节点JD-2的节点1.35倍；节点JD-1的位移延性接近5，而节点JD-2的位移延性刚刚达到3，可以看出节点JD-1构件的延性优于节点JD-2．

4 结论

通过2个足尺钢管混凝土柱-H型钢梁节点的低周反复荷载试验可得主要结论如下：

1）2个节点试件均先在靠近柱表面梁端形成塑性铰，待梁端塑性发展到一定阶段后才出现破坏，具体表现为焊缝处断裂或翼缘屈曲；当破坏形式为焊缝断裂时，节点的位移延性较差，应采取有效措施避免此种破坏形式在实际工程中出现；

2）2个节点试件在破坏前均具有较饱满的滞回曲线，表明其具有较好的耗能能力；

3）梁端楔形加腋板长度对节点的位移延性和承载能力影响显著；

4）2个节点试件均实现了预期的设计目标，且能满足相关规范对钢结构弹塑性层间位移角限值不小于1/50的抗震设计要求．

[1]林于东，林杰，宗周红．低周反复荷载作用下矩形钢管混凝土柱与钢梁连接节点的受力性能[J]．地震工程与工程振动，2004，24（4）：62-69．

[2]陈以一，李刚，庄磊，等．H形钢梁与钢管柱隔板贯通式连接节点抗震性能试验 [J]．建筑钢结构进展，2006，8（1）：23-30．

[3]苗纪奎，陈志华，姜忻良．方钢管混凝土柱-钢梁节点承载力试验研究 [J]．建筑结构学报，2008，29（6）：63-68．

[4]王恒华，俞晓．H型钢梁与钢管柱刚性连接节点抗震性能研究 [J]．建筑结构学报，2010，31（增刊1）：72-78．

[5]李黎明，陈志华，李宁．隔板贯通式梁柱节点抗震性能试验研究 [J]．地震工程与工程震动，2007，27（1）：46-53．

[6]宗周红，林于东，陈慧文，等．方钢管混凝土柱与钢梁连接节点的拟静力试验研究 [J]．建筑结构学报，2005，26（1）：77-84．

[7]金刚，丁洁民，陈建斌．矩形钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能试验研究与分析 [J]．建筑结构，2007，37（2）：88-93．