方钢管柱与桁架梁十字形节点滞回试验研究

刘建飞, 程 欣,2, 雷宏刚,2, 安 毅,2

(1. 太原理工大学 土木工程学院,太原 030024; 2. 太原理工大学 土木工程防灾与控制山西省重点实验室,太原 030024 )

装配式钢结构体系兼具钢结构轻质高强、抗震性能好、建筑空间布置灵活、施工效率和综合经济效益高,易于分解后异地安装以及重复使用等优点,符合绿色建筑的发展要求[1-2]。目前,在装配式钢结构体系中,由于方钢管柱拥有抗扭刚度大、承载能力高、抗腐蚀性能好、外形规则等优点,是框架柱的首选截面形式。框架梁多采用实腹式H型钢梁,但其用钢量较大,且不利于管线布置,影响建筑室内高度。而桁架梁作为一种空腹式截面形式,不仅节约钢材,减轻结构自质量,其内部也便于管线穿插与安装,进一步增加室内净空。因此有必要将工厂预制、现场装配的桁架梁引入装配式钢结构体系中,而其中梁柱连接节点的设计和研究是保证结构安全和实现装配化的关键[3]。

近年来,针对装配式钢结构体系梁-柱节点的研究多集中在方钢管柱-H型钢梁连接节点上,对方钢管柱-桁架梁节点的研究则较为有限。其中,张爱林等[4]对方钢管柱-桁架梁T形节点进行了单调加载试验,结果表明,梁柱连接板件厚度和桁架梁腹杆形式对节点承载力影响较大。王婧等[5]对内套筒式薄壁方钢管柱-桁架梁节点进行了有限元模拟分析,研究发现,该类节点为刚性节点,且破坏发生在柱内管与梁的焊接处及弦杆与腹杆的焊接处等应力较为集中的部位。刘学春等[6]设计了方钢管柱-角钢桁架梁节点,该类节点在现场通过螺栓将柱座、桁架梁和上下带法兰柱装配而成,并对该T形节点进行了静力及滞回性能试验,研究结果表明,焊缝质量、板件厚度及螺栓布置等因素对节点破坏模式和各项力学性能影响较大。之后Liu等[7]为避免焊缝质量会直接影响节点抗震性能等缺点,提出了全螺栓连接的延伸盖板式方钢管柱-桁架梁T形节点,并对该类节点进行了单调及滞回加载,结果表明,其具有优异的抗震性能,且摩擦因数对该连接的极限荷载影响较小,但该新型节点现场施工难度较大,对安装精度要求较高。随后刘学春等[8]为提高施工速度、简化安装流程,对方钢管柱-桁架梁节点进行了改进,将柱座和桁架梁通过连接板在工厂预先焊接。该类节点低周反复荷载试验研究结果表明,桁架梁截面尺寸对节点的破坏模式影响较小,但对该类节点各项力学性能影响显著,且焊缝处无裂痕。马振宇等[9]又提出了一种新型装配式方钢管柱轻钢桁架梁连接节点,主要由方钢管柱、拼接短柱、端部箱体、法兰板和轻型桁架梁等部件组成,桁架梁腹杆采用矩形钢管。其有限元拟静力模拟结果表明该类节点具有较高的抗弯承载力和理想的节点转动能力。但该类节点零件较多,施工较为复杂。

可以发现目前关于方钢管柱-桁架梁节点的研究存在如下空缺:大多数研究集中在T形节点形式上,缺乏对十字形节点的深入研究;目前研究主要考察梁型号及梁柱连接构件等参数对节点力学性能的影响,但缺乏柱壁厚及轴压比对节点抗震性能的研究;缺乏对方钢管柱-槽钢桁架梁(弦杆为槽钢、腹杆为角钢)该新型节点类型的研究。

因此,为解决上述问题,在已有研究基础上,本文提出了一种适用于方钢管柱-槽钢桁架梁全螺栓装配式节点。节点由柱座、带法兰板方钢管上下柱,桁架梁及连接板组成(如图1所示)。其中:桁架梁上下弦杆为热轧槽钢,腹杆包含两个热轧角钢,两个角钢预先在工厂焊接在槽钢内侧组成桁架梁;随后桁架梁与柱座通过连接板预先在工厂焊接为一体,并与楼板组装成规格为15 600 mm×3 900 mm的预制主板模块;最后柱座与带法兰板的方钢管柱通过高强度螺栓在施工现场完成拼接。本连接节点本质上是通过将节点域处的柱构件提取出来,并在端部焊接法兰板,以柱座的形式充当连接部件,将施工现场原本集中在梁端的栓焊连接方式转换为在柱端的全螺栓连接,解决了方钢管柱内部焊接节点域内加劲板的施工难题,且易于吊装施工,有利于提高安装精度,加快了安装速度,契合装配化施工的理念。

图1 节点构造

为考察所设计节点的抗震性能,本文对3个足尺的十字形节点试件进行了滞回加载试验,对节点的破坏模式、极限承载力、延性和耗能能力进行评估,考察了轴压比、柱壁厚及弦杆尺寸对该类型节点抗震性能的影响规律。

1 试验设计

1.1 试件设计

本文为研究桁架梁弦杆厚度、柱壁厚和轴压比对节点抗震性能的影响,按照等强连接的理念设计了3个足尺试件,编号为J2-2-c、J2-4-c、J3-2-c,(Ji-n-c,i代表柱壁厚(cm)、n代表轴压比(×10)、c表示滞回加载),方钢管柱由□200×200的方钢管柱和25 mm厚端部法兰板组成;桁架梁的上下弦杆采用C160×80的槽钢,腹杆由两个分别焊接于弦杆的槽钢内侧的∟50×6等边角钢组成;连接板厚度为10 mm,柱座壁厚与方钢管柱壁厚一致,详细构造及尺寸如图2所示。其中试件J2-2-c与试件J2-4-c形成对照(梁、柱型号一致,轴压比不同),以研究轴压比对节点破坏类型及抗震性能的影响;试件J2-2-c与试件J3-2-c作为对照组(轴压比一致,梁弦杆厚度及柱壁厚不同)来研究梁、柱截面尺寸对节点抗震性能的影响。

图2 试件尺寸详图(mm)

试验构件的方钢管柱和柱座部分采用Q355钢,梁段部分采用Q235钢,螺栓为S10.9级M20高强螺栓,各试件基本参数如表1所示。根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验:第一部分:温室试验方法》[10]的规定,对不同厚度的钢材进行拉伸试验,钢材具体材性结果如表2所示。

表1 试件基本参数

表2 材性试验结果

1.2 加载装置

本试验采用十字形平面节点在梁端反对称加载的力学模型。在水平荷载作用下,通常梁段和柱段的反弯点位于构件的中部,上、下柱取1/2柱高,即两层柱反弯点之间的长度,梁取半跨,另外考虑到梁段自由端影响较小以及试验场地的限值,选取柱座两侧保留完整腹杆构造的梁段,故柱的计算长度为1 650 mm,梁的计算长度为1 300 mm,如图3所示。

图3 加载力学模型(mm)

试验装置模型如图4所示,本模型由试件、反力架、油压千斤顶、两个100 t伺服作动器、侧向支撑、销铰支座等组成。柱顶铰装置通过侧向支撑与反力架相连,其中侧向支撑两端均连有销铰装置,实现了在柱顶施加水平刚性链杆的约束条件。在柱顶铰支座顶面放置有200 t油压千斤顶以施加轴力。柱底铰装置固定在刚性基座上,基座与刚性反力架相连。两侧梁端均通过销铰与100 t伺服作动器相连,转动中心在梁轴线上,作动器另一端通过连接件与刚性反力架相连。在钢梁上设置面外支撑,以约束平面外位移。

图4 试验装置

1.3 加载制度

加载时,首先在柱顶施加一个轴压力,并在整个加载过程中始终保持恒定,以模拟实际工程中的轴力。然后通过两个100 t伺服作动器采用位移控制的加载方式对东、西侧梁端同时施加反对称往复荷载。加载制度参考JGJ/T 101—2015[11]建筑抗震试验规程,以位移作为控制参数进行加载,每级荷载循环1次,每级位移增量控制为5 mm,如图5所示。该加载制度能全面且准确的采集到节点各受力阶段的数据,更加精确的反映出节点的受力性能、初始刚度、延性及耗能能力。在承载力退化阶段,当梁弦杆或腹杆断裂时停止加载。

图5 加载制度

1.4 测量方案

应变计包括28个单向应变计(S1～S28)和8个三向应变计(T1～T8),如图6所示。将应变计S1～S4放置在连接区附近上下立柱的端部,以监测塑性应变的发展和可能发生的局部屈曲;应变计S5～S12和S13～S28分别布置在桁架梁腹杆和弦杆上,以监测桁架梁构件的塑性应变和屈曲行为;在立柱的另一端放置应变计S29～S34,以检查整个加载过程中施加的轴向力数值;将三向应变计T1～T8放置在节点域和靠近节点域的柱端,以监测连接区的复杂应变条件。位移计D1和D2布置在梁端,以检测施加的循环位移;位移计D4～D7用于测量梁柱相对转角;放置位移计D3和D10,以获得节点域中心的位移;位移计D8和D9用于监测试件的平面外变形,如图7所示。

图6 应变片布置图

图7 位移计布置图

2 试验现象

各试件最终时刻的破坏模态如图8所示,加载进程中试验现象汇总于表3。从中可以发现,3个试件的破坏过程均可大致分为以下4个阶段:①弹性变形阶段,试件整体发生轻微的转动;②弹塑性变形阶段,桁架梁弦杆及腹杆开始出现轻微屈曲变形,柱座部分基本无剪切变形;③承载力强化阶段,桁架梁弦杆近节点域处局部凹陷及部分腹杆屈曲变形加大,柱座部分发生微小剪切变形;④承载力退化阶段,桁架梁弦杆及腹杆屈曲变形严重,且微裂缝渐渐发展,直至部件断裂。

表3 主要破坏现象

图8 试件破坏模态

分析试验过程可以发现,3个试件的破坏均集中在桁架梁部位,其破坏模态主要由桁架梁弦杆与腹杆相交部位杆件的屈服、屈曲及断裂控制。主要是因为,在加载过程中,两端固接的腹杆传递的内力集中于弦杆与腹杆相交的部位,该位置由于受次内力的影响,成为梁构件较为薄弱的地方,所以该部位容易屈曲变形,试件也最终以此部位弦杆的断裂而失效。

加载全过程中,方钢管柱、柱座、法兰板、连接板及螺栓均未出现明显塑性变形,符合“强节点,弱构件”的抗震设计理念。

3 试验结果及其分析

3.1 滞回性能

图9显示了所有试件梁端荷载-位移曲线。可以看出各组试件西侧和东侧的荷载-位移曲线非常接近,发展规律一致,说明试验具有较好的可靠性。3个试件滞回曲线都较为饱满,且未出现明显捏缩现象,均具有良好的塑性变形能力和耗能能力。

图9 试件滞回曲线

下面以试件J2-4-c为例,详述试件力-位移曲线发展过程。试件J2-4-c在Δ=±15 mm处,也即受压腹杆开始屈曲时,力-位移曲线斜率开始下降,此后随着桁架梁弦杆与腹杆相交部位杆件变形的加大,试件刚度不断退化;Δ=±50 mm时,弦杆和多处腹杆发生屈曲,达到承载力峰值;此后随着外荷载的增加,腹杆和弦杆的屈曲变形不断增大,承载力不断发生退化。该试件在达到峰值前,滞回曲线很饱满,达到峰值后,承载力和滞回曲线都呈现出退化的趋势。根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范[12]中对多高层钢结构弹塑性层间位移角限值1/50的规定,在设计允许的层间位移角范围内,该尺寸及轴压比组配下的方钢管-桁架梁连接能够保证结构承载力不退化,且有较好的耗能能力,说明该试件抗震性能优良。

3.2 极限承载力

表4为各试件在循环荷载作用下F-Δ曲线的极限承载力,由于桁架梁水平向的不对称性,3个试件正负向承载力呈现略微区别。

表4 试件极限承载力

对比试件J2-2-c与J2-4-c,两个试件梁柱截面尺寸相同,轴压比不同,承载力非常接近。其主要原因是两个试件均为梁破坏,柱子未产生塑性铰,因此对节点域及桁架梁塑性发展程度影响较小。说明在轴压力不足以大到使柱端发生塑性铰时,增大轴压比对极限承载力并无太大影响。

对比试件J2-2-c和试件J3-2-c,后者桁架梁弦杆较前者厚2 mm,且后者柱壁厚较前者厚10 mm,试件J3-2-c的承载力较J2-2-c提高了22.7%。在轴压比相同的情况下,两个试件柱构件均未发生明显塑性变形,说明柱壁厚对承载性能影响较小。在梁破坏起控制作用的情况下,桁架梁弦杆厚度对节点承载力有显著影响。

3.3 骨架曲线

将F-Δ曲线的各级加载的峰值点连接成包络线,即为骨架曲线,如图10所示。

图10 试件骨架曲线

由骨架曲线可知,3个试件的受力状态大致可分为4个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、承载力强化阶段以及承载力下降阶段。在弹性阶段,随着梁弦杆厚度及柱壁厚的增加,试件J3-2-c的初始刚度高于试件J2-2-c和试件J2-4-c,而试件J2-2-c和试件J2-4-c的初始刚度基本一致,说明在其他条件相同的情况下,轴压力的变化对节点的初始刚度影响较小。随着继续承载,各试件进入弹塑性阶段后,桁架梁弦杆及腹杆开始屈服,骨架曲线加载刚度不断退化,而试件J2-2-c和试件J2-4-c刚度退化速率高于试件J3-2-c;随着桁架梁弦杆及腹杆的屈曲,各试件进入强化阶段,节点刚度进一步降低,试件J3-2-c的承载力及刚度明显高于试件J2-2-c和试件J2-4-c,但试件J3-2-c塑性发展能力较差,表明梁弦杆厚度及柱壁厚的增加,提高承载力及刚度的同时也降低了节点的塑性变形能力;随着翼缘及腹杆裂缝的展开,试件承载力进入下降阶段,各试件承载力退化趋势较为一致。在今后实际结构设计中,在一定范围内,可以忽略柱轴压比对节点承载力及刚度的影响,而应从柱壁厚和弦杆尺寸的角度出发。

3.4 延 性

延性是表征结构或构件在变形超过屈服强度且承载力未明显下降时的塑性变形能力,是评估抗震性能的主要指标之一。延性通常通过延性系数μ体现,μ值越大,表明节点延性越好,延性系数计算公式为

μ=Δu/Δy

(1)

式中:Δy为屈服位移,本文分别采用通用屈服弯矩法[13]、等能量法[14]和Park法[15]来确定试件的屈服位移;Δu为承载力退化至极限荷载的85%时刻的位移。

试件西侧延性系数的具体计算结果如表5所示。从表5中可以看出,各试件延性系数均大于3.0,满足抗震规范中延性系数大于3.0的要求。所有试件的柱子和柱座并无明显变化,梁段发挥了一定的塑性变形能力,因此增加柱轴压比对梁的塑性变形能力影响较小。此外,在不改变腹杆截面尺寸的情况下,梁弦杆的加厚反而降低了延性,主要是由于腹杆的提前破坏使得梁弦杆发展良好塑性变形的能力下降。为提高节点的延性,应从增大腹杆截面尺寸和改变构造等方面对梁段进行加强处理。

表5 试件延性系数

3.5 耗能性能分析

结构的抗震性能与能量耗散密切相关。本文采用累积耗能Esum来衡量试件的能量耗散能力,Esum值越大,表明节点耗能越好,累积耗能Esum计算公式为

(2)

图11 试件累积能量耗散曲线

由图11可知,3个试件耗能能力较好,梁的塑性性能得以发挥。所有试件在达到屈服位移之前曲线基本重合,说明能量耗散能力基本相同。试件进入弹塑性阶段后,试件J2-2-c和试件J2-4-c能量耗散有略微差距,弦杆塑性发挥相对不充分,试件J2-4-c比试件J2-2-c略早屈曲。而试件J3-2-c较J2-2-c试件,极限承载力提高了22.7%,累积耗能Esum提高了18.1%,两者差别明显,说明随着柱壁厚的增加,节点域刚度提升,有效的提高了节点的承载能力,同时随着弦杆厚度的增大,延缓了节点的屈服,故耗能能力有明显的提升。

3.6 刚度退化

将拟静力试验得到的骨架曲线上的点与坐标原点相连,连线的斜率定义为割线刚度。将试件的割线刚度除以最大刚度所得的比值即为刚度退化系数,刚度退化系数用ξ表示,如图12所示。

图12 试件刚度退化曲线

由图12可知,各试件正、负向加载时的刚度退化规律基本相似,都经历了水平直线段、直线下降段以及曲线下降段,但刚度退化曲线存在一定的不对称性,主要是因为试件桁架梁沿高度方向构造不同的原因,导致正负向加载时左右梁屈曲位置不对称。在水平直线段时,试件处于弹性状态,刚度基本保持不变。当试件屈服时,刚度退化系数骤降,该阶段所有试件均处于弹塑性阶段。进入强化阶段后,各试件刚度退化曲线斜率略有回升。

4 结 论

本文对3个方钢管柱-桁架梁十字形节点进行了滞回试验,在此基础上对节点的破坏模式、承载力、延性、耗能能力和刚度退化等抗震性能进行了详细分析,得出以下结论:

(1)加载过程中,各试件的受力状态可分为4个阶段——弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、承载力强化阶段和承载力下降阶段。加载完毕后,柱子和柱座之间的法兰板无相对滑移,可近似为刚接。

(2)各节点在加载前期均表现出良好的弹塑性变形能力,在加载后期由于弦杆或腹杆的局部变形过大而发生撕裂导致节点失效,整个加载过程中未出现焊缝断裂的现象,且柱子及柱座仅发生微小转动。各节点皆为延性破坏,满足“强节点,弱构件”的抗震设计原则。

(3)各节点均表现出良好的抗震性能。柱壁厚及弦杆厚度增加可显著提升节点的刚度、极限承载能力以及耗能能力,但梁弦杆的加厚导致腹杆提前破坏,使得梁弦杆发展良好塑性变形的能力下降,节点的延性有所下降。

(4)在一定范围内,柱轴压比对节点的抗震性能贡献较小,尤其是极限承载力,该类节点中柱子可以承受较大的轴压力。