李自林，朱少輝

(天津城市建設學院土木工程系，天津300384)

鋼框架結構體系中，方鋼管混凝土柱被運用的越來越廣泛，在鋼管柱中填入混凝土，可以有效的利用兩種材料各自的特性，使結構的承載力和延性都得到較大的提高。鋼管混凝土柱和鋼梁的連接有柱貫通式、梁貫通式和隔板貫通式三種形式。由于隔板貫通的連接方式節(jié)點形式簡單，施工方便，非常適用于多層輕鋼結構的方管柱與鋼梁的剛性連接節(jié)點上。但該節(jié)點設計并不能完全符合我國現(xiàn)行的有關規(guī)范要求，為了保證結構設計上的安全可靠，有必要對其抗震性能進行試驗研究和理論分析。目前隔板貫通節(jié)點的試驗研究主要集中在日本[1－3]，國內學者雖然對隔板貫通節(jié)點也進行了一些研究[4－8]，但對隔板貫通式連接抗震性能的認識還不是很清楚，有待進一步研究。本文設計了一個方鋼管混凝土柱－H型鋼梁隔板貫通節(jié)點試件進行了低周反復荷載試驗，重點研究方鋼管柱鋼梁隔板貫通式節(jié)點在低周反復荷載作用下的抗震性能。

1 節(jié)點擬靜力試驗方案

為了更好地模擬工程中此隔板貫通節(jié)點的受力情況，本試驗采用足尺模型進行擬靜力試驗，對隔板貫通式節(jié)點的破壞過程及破壞形式和滯回性能等進行了分析。

1.1 試驗構件

進行試驗的節(jié)點試件為鋼管混凝土柱與H型鋼梁相連。鋼材均為Q345B，鋼管采用箱形截面:500×500×36×36 mm，管內混凝土設計標號C60，H型鋼梁截面:500×350×18×36 mm。模擬施工現(xiàn)場灌注振搗，節(jié)點試件見圖1。

JD－1采用隔板貫通節(jié)點。其中:JD－1的隔板厚40mm，與H型梁翼緣的連接采用坡口對接焊縫連接，腹板與焊于柱上的豎向鋼板通過兩側連接板，采用M22高強螺栓連接，在實驗室模擬施工現(xiàn)場條件完成全部連接，材料特性見表1。

1.2 試驗加載方案

本試驗主要考察節(jié)點抗震性能以及節(jié)點的破壞形式，采用柱端加載方式。根據構件尺寸和試驗室條件，試件采用“立柱橫梁”。即將矩形鋼管柱立放，一端和底座用銷軸相連，另一端為加載點，與千斤頂連接，以此鉸接邊界條件模擬柱中反彎點。此時構件成“├”擺放形式，梁自由端與剛性桿連接。

根據JGJ101－96《建筑抗震試驗方法規(guī)程》，采用位移控制加載方法。試驗的加載程序分為預加載和正式加載兩個階段。正式加載前，對試件進行預加載，以檢驗全部試驗加載裝置的可靠性，檢驗全部測試儀器工作是否正常，檢查現(xiàn)場組織工作及現(xiàn)場人員的工作情況。對每個試件預加低周循環(huán)荷載，荷載最大值控制在鋼梁屈服荷載的20%，使構件處于彈性階段，預加載分為0.00375rad和0.005rad兩級層間位移角控制，每級循環(huán)一次。

預加載完成后，對節(jié)點進行正式加載。正式加載過程中，柱頂位移分級加載控制中選取柱層間位移轉角為控制位移值。層間位移角為0.003 75 rad、0.005 rad、0.007 5 rad 時，每級循環(huán)往復加載6次;在第4級層間位移角為0.01 rad時循環(huán)往復加載4次;在層間位移角為0.015 rad、0.02 rad、0.03 rad、0.04 rad 時循環(huán)往復加載 2次;此后位移增量為0.01 rad，且每級循環(huán)加載兩次，直至試件破壞(如梁端翼緣出現(xiàn)破壞或焊縫發(fā)生破壞)停止加載。

表1 試件材料特性試驗結果Tab.1 The results of testing of material

2 節(jié)點試驗現(xiàn)象及破壞過程

隔板貫通式節(jié)點的破壞通常有兩種形式，一種是梁翼緣被拉斷，一種是梁翼緣板與隔板連接處附件的隔板被拉斷。當節(jié)點破壞發(fā)生在梁翼緣處時，隨著荷載的不斷增長，梁翼緣發(fā)生頸縮現(xiàn)象直至被拉斷，而構件的其它位置變化甚微。當節(jié)點破壞發(fā)生在隔板時，隔板在與梁連接處附近首先出現(xiàn)裂縫，同時伴隨柱壁的微微突起，隨著荷載逐級增加，裂縫不斷擴散，直至最終破壞。

節(jié)點試件在加載初期，位移和荷載呈線性關系。在層間位移角為2%的第2循環(huán)正向加載最大時，梁上翼緣受壓，柱子略顯彎曲。在層間位移角為3%的第1循環(huán)反向加載至最大位移時，下翼緣與隔板焊縫明顯錯開。此后，當加載至層間位移角為3%的第1循環(huán)反向最大位移時，梁下翼緣與隔板在焊縫處有明顯錯開，并伴隨有響聲。加載至層間位移角為3%的第2循環(huán)正向位移最大時，梁的上翼緣與腹板焊接處焊縫出現(xiàn)細微裂縫，有較大的響聲。加載至層間位移角為4%的第1循環(huán)正向位移至最大過程中，梁的上翼緣與腹板焊接接處裂縫越來越明顯。

3 試驗結果分析

3.1 滯回曲線

滯回曲線是指在反復作用下結構的荷載－變形曲線，它能夠反映結構或構件在反復受力過程中的變形特征、剛度退化及能量消耗。滯回曲線是結構抗震性能的綜合體現(xiàn)，也是進行結構抗震彈塑性動力分析的主要依據。該試件柱端荷載－位移滯回曲線(如圖2)所示，由圖可見:在加載初期變形與荷載呈線性關系，隨著荷載的不斷增加，滯回曲線漸漸由線性趨向于飽滿，在每一次的加載過程中，曲線的斜率變化不是很明顯，曲線的斜率隨反復荷載加卸載次數(shù)而略有減小，總的來說試件有較為飽滿的滯回性能，剛度退化不是很明顯，也滿足抗震性能的要求。該節(jié)點試件的滯回曲線比較的飽滿，表明其有良好的耗能能力。

結構在強烈地震作用下，僅僅依靠強度、延性來衡量構件抵抗地震的能力是不夠的，關鍵是要看結構是否有大量地吸收地震時釋放的能量的能力，反映在結構的滯回曲線上，主要是滯回環(huán)的飽滿程度。該試件在斷裂發(fā)生前滯回曲線均很飽滿，就耗能能力而言，試件抗震性能表現(xiàn)良好。

3.2 延性指標

結構延性是指整個結構體系承受變形的能力，多用位移表示。對一個結構而言，彈性狀態(tài)是指外荷載與結構位移成線性關系的狀態(tài)，即去除荷載后，位移能夠恢復到原來的狀態(tài)，當結構中某一截面屈服后，即存在著不可消失的塑性變形。荷載與位移將呈現(xiàn)非線性關系，荷載增加很少而位移迅速增加，可認為結構屈服，結構的延性常常用頂點位移延性比表示，即μ=Δu/Δy。

式中△u－極限位移，△y－屈服位移。

對于該節(jié)點 μ =Δu/Δy=169.2 mm/62.4 mm=2.71。由此結果可見，相對于混凝土結構，鋼管混凝土具有更好的延性，表現(xiàn)出了更好的抗震性能。

4 影響節(jié)點承載力的參數(shù)分析

為了深入了解隔板貫通式節(jié)點的動力特性和抗震性能，選取隔板厚度和核心混凝土強度兩個參數(shù)，運用有限元軟件建立模型進行分析，以節(jié)點試件為基本模型，在保持其他條件不變的前提下，依次選取不同的隔板厚度和核心混凝土強度。經ANSYS有限元軟件分析，分別得到兩種不同參數(shù)下的試件的滯回曲線和米賽斯屈服應力圖，經對比分析可知:不同的隔板厚度對節(jié)點的滯回曲線形狀影響較小，說明其對節(jié)點耗能能力無顯著影響，由米塞斯屈服應力云圖可以看出隨著隔板厚度的增加，隔板上的應力逐步擴散且向梁發(fā)展，使得隔板應力集中的情況得到緩解，避免了隔板先于鋼梁翼緣破壞，因此在實際工程的設計時宜使隔板厚度不小于梁翼緣的厚度?；炷翉姸葘?jié)點的滯回曲線和米塞斯應力云圖的影響較小，說明核心混凝土強度對節(jié)點耗能能力、動力特性和抗震性能影響較小。

5 結論

1)該隔板貫通節(jié)點試驗得到的滯回曲線較為飽滿，表明該構件有較強的耗能能力和抗震性能。此隔板貫通式節(jié)點與相同形式的鋼筋混凝土結構相比具有更好的延性和耗能能力，此節(jié)點在地震作用下表現(xiàn)出了更為良好的動力特性和抗震性能。

2)經ANSYS有限元軟件模擬分析可知，隔板厚度及核心混凝土強度對此隔板貫通節(jié)點的承載力和抗震性能影響較小。

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