钢框架梁柱节点抗震性能拟静力试验研究

王书圣，耿辉强，武永强，赵玉坤

（1.北京住总集团有限责任公司，北京 100101；2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

钢框架梁柱节点抗震性能拟静力试验研究

王书圣1，耿辉强1，武永强1，赵玉坤2

（1.北京住总集团有限责任公司，北京 100101；2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

梁柱节点在钢框架结构中处于竖向荷载和水平荷载交汇关键部位，直接决定结构的受力性能和抗震能力。依托北京市档案馆新馆工程，根据工程需要和设计规范要求，对3个采用传统连接形式的钢框架梁柱节点，采取循坏加载的拟静力试验方法进行抗震性能研究，探讨了连接构造形式、冷作硬化效应和加载方案等对节点承载力、延性和破坏模式的影响。试验结果表明，传统连接形式节点具有承载力高、变形小、设计和施工简便的优点，但易发生脆性破坏；冷作硬化可以提高试件的承载力和变形能力，但不改变最终失效模式；加载方案对失效模式没有影响。

梁柱节点；拟静力试验；抗震性能；冷作硬化；加载方案；失效模式

0 引言

钢材质地均匀、各向同性、具有较大的弹性模量和良好的塑性变形能力。钢结构被认为具有卓越的抗震性能，它在历次的地震中也经受了考验，很少发生整体破坏或坍塌现象［1］。然而在1994年美国的北岭大地震和1995年日本阪神大地震中，钢结构并没有像人们预期的那样形成塑性铰耗散能量，而是出现了大量的局部破坏，尤其是梁柱节点破坏，甚至在阪神大地震中还发生了钢结构建筑整个倒塌的现象［2-4］。根据震后统计资料，梁柱节点破坏是多、高层钢结构在地震中发生较多的一种典型破坏形式，其中脆性破坏主要出现在下翼缘。

震后国内外众多学者对于传统刚性连接节点进行了改进，提出了加强与削弱两种新型节点，主要采取了梁端翼缘加宽加厚、加肋加腋，或者腹板、翼缘进行局部削弱的措施［5］。然而由于成本高、不美观、施工复杂和承载力降低等方面的原因［6］，新型节点的使用与推广受到了很大限制，传统型的连接形式由于设计简单、施工方便、经济美观，依旧在工程中得到广泛使用。

本文依托北京市新建档案馆工程，根据工程设计图纸的要求设计了3个栓-焊混接的足尺刚结钢框架梁柱T型节点，进行了拟静力循环加载试验。研究不同连接构造形式、冷作硬化效应和加载方案等对节点承载力、延性和破坏模式的影响，得到了试件的极限承载力、延性参数和破坏模式等数据，试验结果对该工程安全设计有重大参考价值。

1 试验概况

本试验主要依托北京市新建档案馆工程，该工程项目位于北京市朝阳区，总建筑面积114922m2，建筑高度 48.5m，地上 10层，地下2层，其中钢结构部分体量巨大。结合工程设计图纸的要求，并考虑现行钢结构相关规范［7-9］的规定，参考 Ryu H S［10］、Shi G［11］、Qureshi J［12］、Tong L［13］等学者的试验与分析方法，设计了3个与实际工程一样的足尺柱贯通T型刚接钢框架梁柱节点。

3个节点试件的材料选用Q345钢材，连接采用栓-焊混接的形式，梁翼缘板处采用全熔透坡口焊焊接，下边有焊接垫板，焊缝等级一级，CO2气体保护焊，并进行了超声波探伤检测以保证焊接质量；腹板处采用5个M24 10.9级高强螺栓与剪切板连接，剪切板采用双面角焊缝与柱翼缘焊接，焊角高度为8mm。试件由焊接箱型柱和焊接H型梁组成，如图1所示，柱的截面尺寸为500mm×500mm×25mm，梁截面尺寸为500mm× 300mm×20mm×10mm。

试验依托北京工业大学城市与重大工程安全减灾教育部重点实验室，根据实验室的现有设备与以往试验经验，3个试件采取水平加载的方式。试验时将试件柱水平放置，试件端部上方加矩形固定梁，同时用丝杠压紧，在柱的两个端头用丝杠配合千斤顶顶住以防止水平滑移，使得在柱的两端形成简支边界条件，即柱端可以产生转角，但不能发生水平位移。梁端由水平放置并固定于反力墙上的100t级伺服控制千斤顶施加拉、压作用力（位移），在梁端施加循环往复荷载，直到构件完全破坏。为防止梁平面外失稳，在梁端设置焊接H型支撑。试验装置如图2所示。

试验前参考Mashaly E［14］、Valente M［15］等人的模拟方法采用软件进行预测计算，根据计算结果确定试验加载采用荷载-位移双控制的方法，第一阶段采用荷载控制加载，每级荷载幅值按50kN递增，相同的荷载级循环一次，直至试件屈服；第二阶段加载采用位移控制，荷载幅值增量为屈服位移的一半，每级荷载循环两次，直到试件破坏。

试验中测量项目包括梁端施加荷载、加载点位移、梁翼缘板位移、梁柱相对转动、节点域变形、剪切板相对腹板的位移、梁翼缘板和腹板上应力分布等，共计1个力测点、13个位移测点和35个应变测点。试验采用实验室配备的数据采集系统，按照1Hz的频率进行数据的自动采集和储存，系统自动形成数据库文件以供后期研究所用。试验过程中通过系统可以实时监控试件的荷载—位移曲线、荷载—应变曲线等，并可实现数值实时查询。

2 试验现象与破坏模式

试件SP-1在正式试验之前已经进行过一次试加载，两次加载时间间隔长达1个多月，试加载时试件没有进入屈服阶段、无明显损伤。正式加载前期构件处于弹性阶段，没有出现明显裂纹，力—位移曲线中残余位移很小。力加载至0～±200kN时构件无裂纹、无损伤，根据加载方案改为位移控制加载。加载至0～±15mm第1圈（总第7圈）时，梁上翼缘板应变片数值首次超过0.2%；加载至0～±20mm第1圈（总第9圈）时，梁上翼缘板应变片数值大部分已经超过0.2%，这表明材料已经进入塑性阶段。节点破坏前焊缝与柱体连接处出现了微小细裂缝，随着加载等级的提高，裂缝不断扩展。最终破坏时梁下翼缘板沿焊接垫板上沿突然断裂，并伴有巨大响声，梁的上翼缘与焊缝连接处只有微小裂缝，没有明显破坏损伤。连接剪切板与梁腹板的高强度抗剪螺栓已经滑动，腹板与剪切板之间有肉眼可见的错动痕迹。试件裂缝及断裂破坏情况如图3所示。

试件SP-2为第一次加载，采用坡口熔透焊接，但是不使用垫板，采用角焊缝进行补焊加强。加载前期构件处于弹性阶段，与上一构件一样没有出现明显裂纹，力—位移曲线中残余位移很小可以忽略不计，由于改变了固定方式，力—位移曲线中的滑移段明显减小。力加载至0～±350kN第1圈（总第7圈）时构件无明显损伤，但应变片已经有超过0.2%，改为位移控制加载。加载至0～±15mm第1圈（总第10圈）时，梁翼缘板应变片数值大部分已经超过2%，表明材料已经进入塑性阶段。节点破坏前焊缝与柱体连接处出现了微小细裂缝，焊缝上也出现了不同程度的微裂缝。随着加载等级的提高，裂缝不断扩展，但构件没有明显的大裂缝。最终破坏时柱体与焊缝连接处发生断裂，产生巨大裂缝，并伴有巨大响声。试件裂缝及断裂破坏情况如图4所示。

试件SP-3采用坡口熔透焊接并保留垫板，并且是第一次加载，加载时前两个试件先推后拉，本试件先拉后推。梁下翼缘垫板处在实验室进行了补焊加强，出于安全考虑并且为了进行对比试验，垫板只加强了一半。力加载至0～±350kN第1圈（总第7圈）时构件无明显损伤，改为位移控制加载。力加载至0～±10mm第1圈（总第8圈）时构件无明显损伤，但应变片已经有超过0.2%，改为位移控制加载。加载至0～±15mm第1圈（总第10圈）时，梁翼缘板应变片数值大部分已经超过2%，表明材料已经进入塑性阶段。梁上下翼缘板与焊缝连接处、焊缝与柱体连接处首先出现细裂缝。最终破坏时梁下翼缘板沿焊接垫板上沿突然断裂，并伴有巨大响声，梁的上翼缘与焊缝连接处只发现有小裂缝，但没有明显破坏损伤。试件裂缝及断裂破坏情况如图5所示。

3个试件破坏现象基本一致，前期没有明显裂缝，破坏之前无明显征兆，破坏突然且伴有巨大声响，属于典型的脆性破坏，破坏现象与 Dan D［16］等学者的试验相吻合。

3 试验结果分析

3.1 滞回特性分析

3个构件虽然材质、截面尺寸和加载方式相同，但是每个构件有不同的构造细节，试件的构造差异如表1所示。3个试件的滞回曲线如图6所示，从其力—位移曲线来看，试件的曲线形状相似，节点在破坏之前其承载力和位移都呈现出上升的趋势，但上升速率已明显降低。试件SP-1承载力与位移最大，SP-2次之，SP-3最小。节点滞回曲线的包络面积反应了节点的能量耗散能力，从弯矩—转角曲线的饱满程度可以看出，试件SP-1的节点转动能力最好与耗能能力最好，SP-3次之，SP-2表现最差，这与节点力—位移曲线的分析结论是一致的。

试件SP-1在1个月前进行了试加载，由于冷作硬化的原因，节点的承载力有所提高，破坏时的最大位移值也都远高于其他两个试件，其中弹性极限位移、塑性极限荷载、塑性极限位移、破坏荷载、破坏位移对比后两个试件分别提高了大约50%、10%、75%、28%、100%，其他指标提高的较少。SP-1的弹塑性转角峰值接近于0.02rad，基本符合预期值，其余两个试件表现较差。节点的延性系数和承载力储备系数按下式计算：

式中：My为屈服弯矩，其相应的转角为φy；Mu为极限弯矩，其相应转角为φu。计算可得，SP-1的延性系数为2.3，其余两试件为2；SP-1的承载力储备系数为2，其余两试件为1.6。

表1 试件构造差异Tab.1 Structural difference between specimens

3.2 截面应变分析

3个试件的截面应变分布基本一致，本文仅以试件SP-1为例进行分析。腹板水平应变、翼缘板水平与竖直应变分布如图7所示，分别选取试件屈服前、屈服时及屈服后的荷载等级，研究应变的分布变化情况。本试验以应变片的数值达到0.2%作为材料屈服的标志。

由图7可知腹板处应变数值几乎都在0.2%之内，这表明在整个的加载过程中腹板几乎都处于弹性阶段，最终的破坏也是在翼缘板处，腹板未破坏。根据测量数据，剪切板与腹板之间的相对变形量都在1.5mm之内，完全可以忽略不计，这说明腹板处连接牢固可靠、无错动变形。翼缘板应变数据表明，靠近节点焊接处应变值较大，距离越远应变越小，在整个加载过程中大部分测点的数值都比较小，在0.2%附近，临近焊缝处应变值较大，说明只有焊缝附近板材进入了塑性变形阶段，整个试件的强度并没有完全发挥出来。

试件的破坏是因为焊缝及临近区域的板材发生了断裂，其余部位无裂缝、无大变形，焊缝的质量决定了整个试件的质量。一般认为，焊缝附近区域存在“热影响区”，区域内金属由于高温作用内部晶粒变化使材料塑性与韧性降低，冷却后焊接处将存在残余应力与残余变形，影响区的存在可能降低母材的强度，破坏也往往发生在此处。工地现场焊接受工作条件的限制很难保证施工的质量，极易存在裂缝、未焊透等初始缺陷，梁下翼缘板多采取高处仰焊作业，焊缝质量难以检查，试件破坏后对断口的观察发现，焊接处存在未焊透的情况。

3.3 截面尺寸的影响

对梁柱截面进行计算可得，柱子截面面积AZ＝47500 mm2，绕对称轴惯性矩 IZX＝IZY＝1.791×109mm4；梁截面面积 AL＝16600mm2，绕对称轴惯性矩ILX＝0.773×109mm4、ILY＝0.09× 109mm4。梁柱截面的面积比值达到了2.86，绕对称轴惯性距比值分别达到了2.32和19.9，符合“强柱弱梁”的设计理念要求。但考虑到梁实际工作时与楼板协同受力，试件梁截面尺寸偏大。试验当中节点域的测量值均不超过±1.5mm，考虑误差因素可以认为在整个试验过程中节点域无变形，柱子刚度足够大。在Vayas I［17］等学者的试验中节点域变形很大，主要是因为他们的试件截面尺寸偏小。

试件柱截面尺寸足够，强度与刚度满足要求，梁截面尺寸偏大，强度与刚度偏大，最终导致节点破坏时，梁翼缘板没有充分发挥承载潜力便从焊缝及附近区域断裂。一方面焊缝的质量存在瑕疵，另一方面截面设计略有不合理也导致了结果的不理想。

3.4 加载方案与局部构造的影响

根据Wu S［18］等学者的理论，试验加载方向与制度对试件最终的破坏模式和承载力没有影响，试件都在下翼缘处断裂。垫板与梁翼缘板的补焊措施改变了破坏模式，将断裂面由梁-焊缝体交接处转移至柱-焊缝体交接处，且改变了裂缝的发展方向；由于补焊只完成了一半，所以对承载力几乎没有影响。如果对垫板进行适当的焊接处理使其与翼缘板协同工作，应当可以提高节点的承载力。不考虑冷作硬化的影响，焊接后是否保留垫板对于节点的承载力影响不大，但是对节点延性有所影响，且两者破坏模式不同，带垫板的熔透对接坡口焊延性较好，且断裂口位于梁-焊缝体交接处，而去除垫板的连接最终断口位于柱-焊缝体交接处，且延性较差。

4 结论

本试验结合档案馆的工程，设计了3个足尺边柱钢节点，采用低周循环加载的拟静力试验方法进行研究，结论如下：

（1）试件柱截面设计合理但梁截面偏大，最终节点于焊缝及附近区域脆性断裂破坏，整个试件的承载潜力未得到充分发挥，延性系数与安全储备均偏小，耗能能力较差。

（2）冷作硬化效应对提高整个构件的承载力与塑性位移有较大的帮助，但对试件的最终破坏模式无影响。

（3）梁腹板与剪切板通过高强螺栓连接，剪切板与钢柱焊接的连接形式牢固可靠、承载力符合要求；梁翼缘板与钢柱熔透坡口焊，保留垫板与否对承载力与变形影响不大，但对破坏模式有决定性作用；垫板与翼缘板的试验前补焊加强改变了失效模式与裂缝的延伸方向，但对承载力的提高贡献有限。

（4）加载方案与首次加载方向对构件的性能无影响。试验时试件存在不同程度的扭转现象，这与试验装置和试件本身都有关系，实际工作时梁与楼板协同受力，扭转的可能性很小。

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Pseudo⁃static Test on the Seismic Performance of Beam⁃to⁃column Connections in Steel Frames

Wang Shusheng1，Geng Huiqiang1，Wu Yongqiang1，Zhao Yukun2

（1．Beijing Uni⁃Construction Group，Beijing 100101，China；2．College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Beam⁃to⁃column connections，located at the intersection of vertical and horizontal loadings，directly determine the mechanical property and seismic performance of the steel frames.Relying on the engineering of Beijing New Archive and adhering to the engineering demands and design speculations，this paper conducted a seismic performance research on three traditionally connected beam⁃to⁃column connections of steel frames by adopting a pseudo⁃static（cyclic loading） method.Furthermore，this paper discussed the influence of connection and construction forms，strain hardening，and loading scheme on the connections’bearing capacity，ductility and failure modes.As the results show，the traditional connections feature high bearing capacity，small deformation，convenient design and construction，and being liable to brittle failure；strain hardening can enhance the bearing capacity and deformation，but make no contribution to change the last⁃ply failure mode；loading scheme exerts no influence on the failure mode.

beam⁃to⁃column connections；pseudo⁃static test；seismic performance；strain hardening；loading scheme；failure mode

TU391

1673-8047（2016）04-0014-07

2016-11-11

王书圣（1971—），男，硕士，高级工程师，主要从事建筑工程抗震与施工管理方面的研究。