T型钢连接钢框架梁柱节点抗震性能试验研究

孙海粟，布欣，王新武，门亦昂

(1.洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳 471023;2.河南省装配式建筑结构工程技术研究中心，河南 洛阳 471023；3.河南省新型土木工程结构国际联合实验室，河南 洛阳 471023;4.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

梁柱节点是钢框架体系中不可缺少的一部分，节点的受力特性会影响整个结构的抗震性能[1-2]。1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震之后，对震害现象进行分析,发现刚性连接钢框架梁柱节点的最大缺陷是易发生脆性破坏。李峰宇等[3]、郭兵等[4]对端板连接的半刚性节点进行了试验研究，表明节点具有良好的变形能力、耗能能力和抗倒塌能力。A.M.Coelho等[5]通过8个不同厚度的外伸端板连接的梁柱节点进行拟静力试验研究，发现外伸端板厚度过大会降低节点的转动能力，且易发生脆性断裂，但可以使节点的抗弯强度和刚度增强;杨文伟等[6]对门式刚架半刚性节点连接性能进行研究，推导了半刚性连接在荷载作用下的内力计算式。T型钢梁接节点是半刚性梁柱连接节点的一种[7-8]，连接刚度较大，施工过程中不需要现场施焊，工程质量容易保证，王新武等[9-13]对T型钢连接的钢结构节点和框架做了大量的实验研究，研究表明，T型钢连接具有良好的抗震性能。

本文对2个不同翼缘厚度T型钢连接的框架中柱节点模型进行拟静力试验研究。依据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T101-2015)[14]分别对1∶1足尺梁柱节点模型试件进行低周往复加载，通过研究节点的破坏形态，分析节点的滞回性能和耗能特性，对比不同翼缘厚度的T型钢连接件对节点抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

按照《钢结构设计规范》(GB50017-2017)[15]和《建筑抗震试验规程》(JGJ/T101-2015)，设计制作了2个1∶1 T型钢连接钢框架中柱节点试验模型，即ZJ-1和ZJ-2，节点中梁、柱构件和T型钢接连件尺寸详见表1，试件全部采用热轧H型钢。

表1 试件各构件的主要参数

梁柱通过T型钢连接件和高强螺栓连接，螺栓类型为10.9级M22型螺栓，螺栓孔直径23.5 mm；共使用螺栓32个，依据《钢结构高强度螺栓连接技术规程》(JGJ82-2011)[16]采用扭矩扳手对高强螺栓施加190 kN的预紧力，节点中的构造加劲肋与梁柱焊接连接，节点模型示意图如图1所示。

图1 试件节点模型示意图

试验试件中的梁、柱均采用Q235热轧H型钢。按照《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试验制备》(GB/T2975-1998)[17]从加工试件的同一批钢材中截取进行材性试验，试件的具体形状、尺寸和试验方法依据《金属拉伸实验方法》(GB/T228.1-2010)[18]进行。试验结果如表2所示。

表2 试件主要材料特性

1.2 试验装置和加载方式

梁柱节点的拟静力试验加载方式主要有柱端加载和梁端加载。由于梁端加载忽略了框架结构侧移后柱子的P-Δ效应，且柱端加载更符合框架结构在水平荷载作用下的受力状态，因此本次试验选择柱端加载。图2为柱端加载模式，采用固定铰支座约束柱顶，在柱脚施加低周往复水平推力，梁端采用滑动铰支座进行约束。

根据图2，试验加载装置配备了2个作动器：竖直方向作动器施加轴压力，模拟柱子的竖向压力；水平方向作动器对节点的柱脚部位施加水平往复荷载。为实现梁端部和柱端部的边界约束条件，柱子顶部与竖向作动器采用球铰连接，连接柱底部采用自行设计的万向滑动球铰；梁端采用水平定向滑动支座模拟梁端边界条件。试验装置如图3所示。为了方便监测试验数据和描述试验现象，将节点分为4个区，如图4所示。

图2 试件节点模型受力分析图

图3 试验现场

图4 试件分区图

试验前，先对试验节点进行预加载，检测试验装置是否能够正常运行，预加载稳定后，开始试验。首先,在柱顶部施加600 kN的轴向压力，且整个试验过程中轴向压力不变。水平加载采用荷载-位移控制方法，节点屈服前采用荷载控制加载方式，节点屈服后加载方式切换成位移控制，以屈服位移的倍数进行低周往复循环。每级荷载往复3周，持续15 min。节点发生破坏，或节点未破坏但变形过大，节点承载力降到极限承载力的85%时，试验终止。试验加载制度如图5所示。

图5 加载制度

2 试验现象和节点破坏形式分析

2.1 ZJ-1的试验现象及破坏状态

ZJ-1的屈服位移Δ=10.94 mm，此时T连接件没有明显变形，其与柱和梁连接处紧密无缝。加载到2Δ=21.88 mm时，T连接件与柱连接处未见缝隙。加载到3Δ=32.80 mm时，3区中T型件与柱翼缘相交处出现约0.5 mm的间隙。加载到4Δ=43.76 mm时，3区内T型件翼缘与柱翼缘相交处间隙进一步加大，间隙宽度为2.4 mm，如图6(a)所示。加载到6Δ=65.64 mm时，1区内T 型件翼缘被拉离柱翼缘间隙达到4.5 mm。加载到8Δ=87.52 mm，T型钢连接件发生断裂，承载力开始下降，试验终止，1区中T 型件翼缘被拉离柱翼缘间隙达到7 mm，间隙长度120 mm，如图6(b)所示。

图6 加载过程中ZJ-1的破坏形态

2.2 ZJ-2的试验现象和破坏状态

试件ZJ-2的屈服位移Δ=19.94 mm。加载到2Δ=3 988 mm时，T连接件与柱连接处未见缝隙。加载至3Δ=59.82 mm时，4区内T型件翼缘与柱翼缘相交处出现细微间隙，宽0.1 mm。加载至4Δ=79.76 mm时，4区的缝隙进一步增大至0.6 mm，如图7(a)所示。加载至6Δ=119.64 mm时，4区内T 型件翼缘与柱翼缘间隙达1.65 mm。加载至8Δ=159.52 mm时，承载力开始下降，降至峰值荷载的85%，试验终止，此时，4区内T型件翼缘与柱翼缘间隙为2.43 mm，见图7(b)。

图7 加载过程中ZJ-2的破坏形态

由以上分析可知，2Δ前T型连接件的变形肉眼无法观测到，节点保持较好的弹性变形性能。3Δ后两个试件的T型连接件开始出现不可恢复的塑性变形。对比T型件与柱翼缘的间隙发现：3Δ时ZJ-2的间隙是ZJ-1的20%，4Δ时ZJ-2的间隙是ZJ-1的25%，6Δ时ZJ-2的间隙是ZJ-1的37%，8Δ时ZJ-2的间隙是ZJ-1的35%。

3 节点抗震性能分析

3.1 节点滞回性能分析

根据节点底部加载点的荷载和位移关系得到节点试件ZJ-1和ZJ-2的荷载-位移滞回曲线，如图8～9所示。从图8～9可以看出，ZJ-2滞回曲线较为饱满，从4Δ开始,滞回曲线恢复至位移0点附近,并出现轻微拟合，这是因为T型件与柱翼缘的连接处出现间隙，在接近拉力和压力的交替作用区间时，T型件与柱子之间的间隙发生交替开合，形成曲线拟合。ZJ-1的T型件与柱的间隙是ZJ-2的2.8～5倍，因此滞回曲线较为扁平。T型连接件的刚度越大，滞回性能表现的越好，消耗的能量较多。

3.2 节点骨架曲线分析

将滞回曲线上每个荷载等级正负两个方向的极值点依次相连，可得到承载能力的骨架曲线，ZJ-1和ZJ-2的骨架曲线如图10所示，承载力对比见表3。由图10可知，ZJ-1的骨架曲线在达到屈服荷载后，骨架曲线的曲率变化较平缓，承载力仍有明显的发展空间，最终极限荷载是屈服荷载的2.5～2.7倍。达到屈服荷载后，ZJ-2的骨架曲线位移增长速率明显快于荷载的增加速率，最终极限荷载是屈服荷载的1.36～1.5倍。由表2可知，ZJ-2的翼缘厚度是ZJ-1的1.33倍时，屈服承载力ZJ-2分别是ZJ-1的2.38倍(推)和2.27倍(拉)。极限承载力ZJ-2分别是ZJ-1的1.33倍(推)和1.22倍(拉)，ZJ-2的屈服荷载是ZJ-1的2.3倍。

图8 ZJ-1滞回曲线

图9 ZJ-2滞回曲线

图10 骨架曲线

由此可知，T型件翼缘板厚度的增加比例与极限荷载的增加比例基本相近，但屈服承载力增加比例提高了近1.3倍。

3.3 节点延性及刚度分析

延性是指结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力，或到达后承载能力还没有明显下降期间的变形能力。延性好的结构、构件或构件的某个截面后期变形能力大，在达到屈服或最大承载能力状态后，仍能吸收一定能量，从而避免脆性破坏。因此延性是衡量结构变形能力的重要指标，由延性系数μ确定，

μ=Δu/Δy，

(1)

式中，Δu，Δy分别为结构或构件的屈服位移和极限位移。

本文采用割线刚度反映结构或试件刚度的退化规律，

(2)

式中：F+，F-分别为试件在同一滞回环点的正、负向水平荷载；Δ+，Δ-分别为试件在同一滞回环的正、负向顶点位移。

根据骨架曲线，分析2个试件正向(推)和负向(拉)的初始刚度和延性系数见表4。T型钢连接件翼缘厚度平均增加29%，ZJ-2的正向初始刚度比ZJ-1高30%，ZJ-2负向初始刚度较ZJ-1高了24%，ZJ-2的初始刚度比ZJ-1的高约27%，略低于翼缘厚度增加的比例。2个试件的延性系数均为8，说明延性系数不会随着节点初始刚度的提高发生变化。

表4 各节点刚度及延性对比

3.4 节点耗能性能分析

工程中常用等效黏滞阻尼比he反映结构的耗能能力，he越大说明结构耗能能力越好，说明结构抗震性能越好。he的计算式为

(3)

试件的等效黏滞阻尼系数ζ详见表5，等效黏滞阻尼系数ζ逐级递增。ZJ-2的初始刚度是ZJ-1的1.27倍，试验结果表明，ZJ-2的等效黏滞阻尼系数ζ是ZJ-1的2.10～1.88倍，即ZJ-2的耗能能力提高十分显著。

图11 耗能系数计算简图

表5 各节点耗能特性对比

4 结 论

(1)半刚性节点的塑性区域主要在T型钢连接件与柱翼缘的交界处，荷载持续增加的作用下，在交界处产生间隙，直至T型件转角处翼缘被拉断。

(2)T型连接件的柱侧翼缘和梁侧翼缘厚度增加后，试件的初始刚度会随之提高。

(3)在初始刚度提高的情况下，试件的屈服强度、屈服位移、极限强度、极限位移均有所增加，且增加比例大于刚度增加比例。

(4)初始刚度提高时，2个试件的延性系数不变。

(5)增大T型连接件翼缘厚度可提高ZJ-2的耗能能力。