边钢框架节点抗震性能试验

李许峰，王新武

(1.河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023；2.洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳 471023)



边钢框架节点抗震性能试验

李许峰1，王新武2

(1.河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023；2.洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

采用符合实际受力特点的柱端加载，对剖分T型钢连接的边框架节点进行低周反复试验。试验结果表明：加载过程中T型件翼缘与腹板交界处的应力最大，最先形成塑性铰；柱翼缘和梁翼缘在加载过程中均处于弹性阶段，而节点域的剪切应变达到了屈服应变。通过测量发现：梁柱相对转角达到了美国规范的要求，同时，由滞回曲线和骨架曲线可知该节点具有较好的延性和耗能特性。

柱端加载；框架节点；低周反复荷载；滞回性能；耗能特性

0 引言

在多高层建筑抗震设计中,梁柱节点连接是关键部位,它发挥着传递梁、柱间内力的作用[1]。如果节点不能提供杆端弯矩所需的约束,将导致结构承载性能的降低，继而引起结构破坏。因此，所有的节点及其连接均应满足强度、延性和耗能能力等方面的要求。

半刚性连接主要通过摩擦性高强螺栓与连接件(角钢、端板以及T型钢等)把梁与柱连接起来[2-4]。该连接具有较强的耗能能力，能够抵抗一部分地震荷载,具有更多的屈服容量和延性容量,是一种既经济又可靠的连接方式[5-7]。

中国许多学者从 20 世纪 90 年代初期以来，对半刚性梁柱强轴连接做了大量的研究，主要集中在对各类半刚性梁柱连接(如顶底角钢连接、双腹板顶底角钢连接、短T型钢连接、端板连接)进行单调荷载及低周往复荷载作用下的受力性能研究，探讨连接约束关系、滞回性能、弯矩-转角关系及耗能特性等，建立了各类半刚性梁柱连接的受力模型，并进行了考虑三重非线性的数值模拟分析[8-13]，在研究过程中没有针对剖分T型钢连接的变形特点进行详细分析。

为进一步研究剖分T型钢连接节点的抗震性能,本文针对边框架节点进行了拟静力试验，在得到的试验数据和观察试验现象的基础上，分析了半刚性连接在低周反复荷载作用下的承载能力、变形特点、破坏模式和抗震耗能特性。

1 材性试验

试件中的梁、柱以及剖分T型钢均采用Q235B热轧H型钢。材性试验的样胚按照《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》(GB/T 2975—1998)从加工梁、柱的同一批钢材中截取，试验中试件的具体形状、尺寸要求及试验方法均依据《金属拉力试验方法》(GB/T 228.1—2010)。所有材性试验样胚均与梁柱剖分T型钢连接试件同期加工。试验结果如表1所示。

通过试验数据计算得到材料的屈服应变为1 500×10-6，以此作为依据判断试验进行过程中节点各观测点是否屈服，进而判断出加载过程中试件的屈服位移。

2 试件设计

本次试验设计制作剖分T型件连接的边框架节点，节点中柱采用H型钢的型号为HW300，梁采用H型钢的型号为HN350，材料的特性如表1所示。所有对接焊缝均为一级焊缝，焊条为 E43 型焊条；梁柱之间采用剖分T型钢和高强螺栓进行连接；螺栓为10.9级摩擦型高强螺栓，型号为M22。节点选取在侧向位移作用下框架中与节点相邻的梁柱反弯点之间的构件，取上下柱反弯点之比1∶1，模型比例1∶1，模拟边框架梁柱节点，各构件的主要参数如表2所示。

表1 试件主要材料特性

表2 试件中各构件的主要参数

3 测量内容

3.1 应变测量

在本试验中，为了确定节点的屈服位移，分别在梁、柱及剖分T型件上选取多个观测点，运用DH3816Net静态应变测试系统测量加载过程中这些点的应变变化。节点应变片的分布如图1所示，通过观测加载过程中各个应变片的读数来判断节点是否屈服[14]。

3.2 位移和转角测量

对于本试验中的钢框架，在距柱底1 000 mm处的柱翼缘上布置位移计1，用来监测加载过程中该点的位移变化，并以节点发生屈服时该位移计的读数作为节点的屈服位移。在梁柱翼缘之间设置斜位移计2，测量加载过程中梁柱的相对转角θ，位移计的布置如图2所示。

图1 节点应变片分布图图2 T型节点位移计布置图

4 加载方案及装置

4.1 加载装置的选择

低周反复荷载试验中加载模式的确定是一个关键问题，由于框架属于超静定结构，因此对于梁柱节点试件来说，对边界条件的模拟是试验成败的关键[15]。当结构承受侧向荷载作用时,节点上柱反弯点可视为水平可动的铰。模拟这种边界条件的方法有两种[16-17]：(1)梁端加载；(2)柱端加载。采用柱端加载方案可以较好地模拟构件的受力特征。本次试验采用了更符合实际的柱端加载模式，如图3所示。

图3 柱端加载方案

加载时柱顶通过端板与作动器相连，柱底使用定向滑动支座进行位移约束，并通过与作动器相连的辅助梁给柱底施加位移荷载。梁一端使用T型件和高强螺栓与柱相连，另一端采用水平定向滑动支座进行竖向位移约束，并且在梁端架设力传感器测量加载过程中梁端竖向约束反力的大小和方向。

4.2 加载程序

试验开始前，通过电液伺服加载系统的作动器对柱顶施加600 kN的轴向荷载，并循环加载一次以检测所有试验设备是否正常工作，此后进入正式试验。

采用分级循环的加载方式在柱底处施加低周反复水平荷载。在结构屈服前，采用荷载控制的方法逐级加载，每级循环1周，直至结构屈服。

5 试验现象

剖分T型钢连接的半刚性节点加载初期为弹性阶段，卸载后几乎没有残余变形，呈现弹性性质，肉眼观察不到明显的试件变化，如图5所示。当试件柱端位移加载至s=14.84 mm 时，T型件翼缘与柱翼缘相交处出现细微缝隙；当试件柱端位移加载至s=44.52 mm 时，T 型件翼缘与柱翼缘相交处的间隙增加，间隙宽度约为2 mm，可以明显看到空隙；当试件梁端位移加载至s=74.20 mm 时，T 型件翼缘被拉离柱翼缘达4.5 mm，开裂长度80 mm；继续加大荷载，T型件变形继续加大，最大缝隙宽度达8 mm,开裂长度110 mm，继续加大荷载，变形过大，试验停止。

图4 T型节点屈服后加载步骤图5 T型节点的破坏形态

6 结果分析

6.1 耗能及抗震性能分析

为了探究剖分T型钢连接的半刚性T型节点的抗震性能和耗能特性，绘制了该节点在低周反复荷载作用下力与位移计1读数之间的荷载-位移曲线，即滞回曲线，如图6所示。连接每个滞回环中荷载与位移值最大的点和最小的点，得到节点在加载过程中的骨架曲线[18]，如图7所示。依据滞回曲线和骨架曲线的分析，可以得到在低周反复加载下，框架节点的屈服位移、延性、能量耗散等性质[19]，如表3和表4所示。

由图6及表3可知：滞回曲线稳定饱满，说明该节点耗能能力良好，加载初期节点处于弹性阶段，随着加载的进行，当加载位移达到2倍的屈服位移时，耗能因数减小，继续增大加载位移，耗能因数增大。这表明刚进入塑性时节点局部发生较大变形，导致节点耗能性能降低，随着载荷的增大，节点各构件的塑性得到充分发展，节点的耗能性能逐渐增强。

由图7及表4可知：(1)节点前期拉压不对称，当节点处于屈服位移时刻时，正向屈服荷载为负向屈服荷载的0.77倍；随着位移的增大，拉压基本趋于一致，推拉最大荷载比为0.99。(2)正、负向曲线段均出现了较明显的拐点，也就是说，试件在试验中出现了刚度退化的现象。

图6 T型节点的滞回曲线 图7 T型节点的骨架曲线

表3 各阶段耗能因数和等效黏滞阻尼比

表4 骨架曲线分析表

6.2 转角和应变分析

6.2.1 转角分析

本试验在梁的上翼缘与柱翼缘之间布置位移计2，测量加载过程中梁柱相对转角的变化,转角的计算公式为[20]:

……‘If you will only tell me what sort of girl Miss King is,I shall know what to think.’ ‘She is a very good kind of girl,I believe.I know no harm of her.’[5]165

表5 梁柱的相对转角

由表5可知：加载到屈服位移时，两端梁柱相对转角相差不大，加载位移增大，两者之间的差距逐渐加大；当试验停止时，梁柱的相对转角均大于美国联邦应急管理署(federal emergency management agency,FEMA)要求的0.03 rad，满足半刚性连接的设计要求。

6.2.2 应变分析

通过DH3816Net静态应变测试系统测量关键点的应变。由试验数据可知：在加载过程中梁翼缘和柱翼缘在整个加载过程中处于弹性阶段，均未发生破坏。

下面着重分析梁柱节点处T型件应变和节点域应变发展情况。为了便于分析结构的应变分布和变化情况，选取每级加载步中正向最大位移和负向最大位移并对观测点的应变进行了对比，结果如图8所示。

图8 节点应变图

通过数据分析可知：

(1)节点中两个T型件腹板上的应变具有相同的分布。

(2)加载中T型件腹板上的应变与观测点到T型件翼缘的距离有关，观测点到T型件翼缘距离增大，应变减小,如图8a所示。

(3)距离T型件翼缘相同距离位置处的应变大小不等，中间位置处的应变小，两侧应变较大，如图8b所示。

(4)每个T型件腹板上的3组应变距离翼缘较远的2组在加载过程中处于弹性阶段，较近的1组随着加载位移的增大逐步进入塑性；当加载至18倍的屈服位移时，随着循环次数的增加，T型件靠近翼缘处的应变逐渐增大，表明结构发生了破坏。

(5)对比T型件翼缘上的应变变化可知：在加载过程中最大应变发生在T型件翼缘和腹板的交界处，该处最先形成塑性铰。

图9 节点域剪切应变分布

图9为节点域剪切应变分布。通过对节点域应变花数据的分析，可以发现：

(1)在加载过程中节点域的剪切应变达到了屈服应变，节点域发生了屈服。

(2)当加载至18倍屈服位移时，随着循环加载的进行，应变的值依次减小，表明节点发生了破坏，试验停止。

7 结论

(1)由节点的滞回曲线和骨架曲线可知：剖分T型钢连接的T型节点在低周反复荷载的作用下具有良好的耗能特性和延性。当节点刚进入塑性变形阶段，耗能特性有降低趋势，这是由于塑性变形发展不充分，随着节点塑性变形的充分发展，节点的耗能特性逐渐提高。

(2)在加载过程中，梁柱相对转角达到了美国FEMA规范要求的0.03 rad。

(3)通过对关键点应变的测量和分析发现：加载过程中T型件翼缘与腹板交界处的应变最大，该处最先形成塑性铰。梁、柱翼缘均处于弹性阶段，未发生塑性变形。节点域的剪切变形达到了屈服应变，节点域发生了屈服。

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国家自然科学基金项目(51278238);河南省科技攻关基金项目(122102210550);河南省科技创新杰出青年基金项目(134100510010)

李许峰(1987-),男,河南洛阳人,硕士生;王新武(1971-),男,河南洛阳人,教授,博士,博士生导师,主要从事钢结构节点方面的研究.

2015-03-10

1672-6871(2015)06-0055-06

TU392

A