王書圣，耿輝強，武永強，趙玉坤

（1.北京住總集團有限責任公司，北京 100101；2.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124）

鋼框架梁柱節(jié)點抗震性能擬靜力試驗研究

王書圣1，耿輝強1，武永強1，趙玉坤2

（1.北京住總集團有限責任公司，北京 100101；2.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124）

梁柱節(jié)點在鋼框架結構中處于豎向荷載和水平荷載交匯關鍵部位，直接決定結構的受力性能和抗震能力。依托北京市檔案館新館工程，根據(jù)工程需要和設計規(guī)范要求，對3個采用傳統(tǒng)連接形式的鋼框架梁柱節(jié)點，采取循壞加載的擬靜力試驗方法進行抗震性能研究，探討了連接構造形式、冷作硬化效應和加載方案等對節(jié)點承載力、延性和破壞模式的影響。試驗結果表明，傳統(tǒng)連接形式節(jié)點具有承載力高、變形小、設計和施工簡便的優(yōu)點，但易發(fā)生脆性破壞；冷作硬化可以提高試件的承載力和變形能力，但不改變最終失效模式；加載方案對失效模式?jīng)]有影響。

梁柱節(jié)點；擬靜力試驗；抗震性能；冷作硬化；加載方案；失效模式

0 引言

鋼材質(zhì)地均勻、各向同性、具有較大的彈性模量和良好的塑性變形能力。鋼結構被認為具有卓越的抗震性能，它在歷次的地震中也經(jīng)受了考驗，很少發(fā)生整體破壞或坍塌現(xiàn)象［1］。然而在1994年美國的北嶺大地震和1995年日本阪神大地震中，鋼結構并沒有像人們預期的那樣形成塑性鉸耗散能量，而是出現(xiàn)了大量的局部破壞，尤其是梁柱節(jié)點破壞，甚至在阪神大地震中還發(fā)生了鋼結構建筑整個倒塌的現(xiàn)象［2-4］。根據(jù)震后統(tǒng)計資料，梁柱節(jié)點破壞是多、高層鋼結構在地震中發(fā)生較多的一種典型破壞形式，其中脆性破壞主要出現(xiàn)在下翼緣。

震后國內(nèi)外眾多學者對于傳統(tǒng)剛性連接節(jié)點進行了改進，提出了加強與削弱兩種新型節(jié)點，主要采取了梁端翼緣加寬加厚、加肋加腋，或者腹板、翼緣進行局部削弱的措施［5］。然而由于成本高、不美觀、施工復雜和承載力降低等方面的原因［6］，新型節(jié)點的使用與推廣受到了很大限制，傳統(tǒng)型的連接形式由于設計簡單、施工方便、經(jīng)濟美觀，依舊在工程中得到廣泛使用。

本文依托北京市新建檔案館工程，根據(jù)工程設計圖紙的要求設計了3個栓-焊混接的足尺剛結鋼框架梁柱T型節(jié)點，進行了擬靜力循環(huán)加載試驗。研究不同連接構造形式、冷作硬化效應和加載方案等對節(jié)點承載力、延性和破壞模式的影響，得到了試件的極限承載力、延性參數(shù)和破壞模式等數(shù)據(jù)，試驗結果對該工程安全設計有重大參考價值。

1 試驗概況

本試驗主要依托北京市新建檔案館工程，該工程項目位于北京市朝陽區(qū)，總建筑面積114922m2，建筑高度 48.5m，地上 10層，地下2層，其中鋼結構部分體量巨大。結合工程設計圖紙的要求，并考慮現(xiàn)行鋼結構相關規(guī)范［7-9］的規(guī)定，參考 Ryu H S［10］、Shi G［11］、Qureshi J［12］、Tong L［13］等學者的試驗與分析方法，設計了3個與實際工程一樣的足尺柱貫通T型剛接鋼框架梁柱節(jié)點。

3個節(jié)點試件的材料選用Q345鋼材，連接采用栓-焊混接的形式，梁翼緣板處采用全熔透坡口焊焊接，下邊有焊接墊板，焊縫等級一級，CO2氣體保護焊，并進行了超聲波探傷檢測以保證焊接質(zhì)量；腹板處采用5個M24 10.9級高強螺栓與剪切板連接，剪切板采用雙面角焊縫與柱翼緣焊接，焊角高度為8mm。試件由焊接箱型柱和焊接H型梁組成，如圖1所示，柱的截面尺寸為500mm×500mm×25mm，梁截面尺寸為500mm× 300mm×20mm×10mm。

試驗依托北京工業(yè)大學城市與重大工程安全減災教育部重點實驗室，根據(jù)實驗室的現(xiàn)有設備與以往試驗經(jīng)驗，3個試件采取水平加載的方式。試驗時將試件柱水平放置，試件端部上方加矩形固定梁，同時用絲杠壓緊，在柱的兩個端頭用絲杠配合千斤頂頂住以防止水平滑移，使得在柱的兩端形成簡支邊界條件，即柱端可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，但不能發(fā)生水平位移。梁端由水平放置并固定于反力墻上的100t級伺服控制千斤頂施加拉、壓作用力（位移），在梁端施加循環(huán)往復荷載，直到構件完全破壞。為防止梁平面外失穩(wěn)，在梁端設置焊接H型支撐。試驗裝置如圖2所示。

試驗前參考Mashaly E［14］、Valente M［15］等人的模擬方法采用軟件進行預測計算，根據(jù)計算結果確定試驗加載采用荷載-位移雙控制的方法，第一階段采用荷載控制加載，每級荷載幅值按50kN遞增，相同的荷載級循環(huán)一次，直至試件屈服；第二階段加載采用位移控制，荷載幅值增量為屈服位移的一半，每級荷載循環(huán)兩次，直到試件破壞。

試驗中測量項目包括梁端施加荷載、加載點位移、梁翼緣板位移、梁柱相對轉(zhuǎn)動、節(jié)點域變形、剪切板相對腹板的位移、梁翼緣板和腹板上應力分布等，共計1個力測點、13個位移測點和35個應變測點。試驗采用實驗室配備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，按照1Hz的頻率進行數(shù)據(jù)的自動采集和儲存，系統(tǒng)自動形成數(shù)據(jù)庫文件以供后期研究所用。試驗過程中通過系統(tǒng)可以實時監(jiān)控試件的荷載—位移曲線、荷載—應變曲線等，并可實現(xiàn)數(shù)值實時查詢。

2 試驗現(xiàn)象與破壞模式

試件SP-1在正式試驗之前已經(jīng)進行過一次試加載，兩次加載時間間隔長達1個多月，試加載時試件沒有進入屈服階段、無明顯損傷。正式加載前期構件處于彈性階段，沒有出現(xiàn)明顯裂紋，力—位移曲線中殘余位移很小。力加載至0～±200kN時構件無裂紋、無損傷，根據(jù)加載方案改為位移控制加載。加載至0～±15mm第1圈（總第7圈）時，梁上翼緣板應變片數(shù)值首次超過0.2%；加載至0～±20mm第1圈（總第9圈）時，梁上翼緣板應變片數(shù)值大部分已經(jīng)超過0.2%，這表明材料已經(jīng)進入塑性階段。節(jié)點破壞前焊縫與柱體連接處出現(xiàn)了微小細裂縫，隨著加載等級的提高，裂縫不斷擴展。最終破壞時梁下翼緣板沿焊接墊板上沿突然斷裂，并伴有巨大響聲，梁的上翼緣與焊縫連接處只有微小裂縫，沒有明顯破壞損傷。連接剪切板與梁腹板的高強度抗剪螺栓已經(jīng)滑動，腹板與剪切板之間有肉眼可見的錯動痕跡。試件裂縫及斷裂破壞情況如圖3所示。

試件SP-2為第一次加載，采用坡口熔透焊接，但是不使用墊板，采用角焊縫進行補焊加強。加載前期構件處于彈性階段，與上一構件一樣沒有出現(xiàn)明顯裂紋，力—位移曲線中殘余位移很小可以忽略不計，由于改變了固定方式，力—位移曲線中的滑移段明顯減小。力加載至0～±350kN第1圈（總第7圈）時構件無明顯損傷，但應變片已經(jīng)有超過0.2%，改為位移控制加載。加載至0～±15mm第1圈（總第10圈）時，梁翼緣板應變片數(shù)值大部分已經(jīng)超過2%，表明材料已經(jīng)進入塑性階段。節(jié)點破壞前焊縫與柱體連接處出現(xiàn)了微小細裂縫，焊縫上也出現(xiàn)了不同程度的微裂縫。隨著加載等級的提高，裂縫不斷擴展，但構件沒有明顯的大裂縫。最終破壞時柱體與焊縫連接處發(fā)生斷裂，產(chǎn)生巨大裂縫，并伴有巨大響聲。試件裂縫及斷裂破壞情況如圖4所示。

試件SP-3采用坡口熔透焊接并保留墊板，并且是第一次加載，加載時前兩個試件先推后拉，本試件先拉后推。梁下翼緣墊板處在實驗室進行了補焊加強，出于安全考慮并且為了進行對比試驗，墊板只加強了一半。力加載至0～±350kN第1圈（總第7圈）時構件無明顯損傷，改為位移控制加載。力加載至0～±10mm第1圈（總第8圈）時構件無明顯損傷，但應變片已經(jīng)有超過0.2%，改為位移控制加載。加載至0～±15mm第1圈（總第10圈）時，梁翼緣板應變片數(shù)值大部分已經(jīng)超過2%，表明材料已經(jīng)進入塑性階段。梁上下翼緣板與焊縫連接處、焊縫與柱體連接處首先出現(xiàn)細裂縫。最終破壞時梁下翼緣板沿焊接墊板上沿突然斷裂，并伴有巨大響聲，梁的上翼緣與焊縫連接處只發(fā)現(xiàn)有小裂縫，但沒有明顯破壞損傷。試件裂縫及斷裂破壞情況如圖5所示。

3個試件破壞現(xiàn)象基本一致，前期沒有明顯裂縫，破壞之前無明顯征兆，破壞突然且伴有巨大聲響，屬于典型的脆性破壞，破壞現(xiàn)象與 Dan D［16］等學者的試驗相吻合。

3 試驗結果分析

3.1 滯回特性分析

3個構件雖然材質(zhì)、截面尺寸和加載方式相同，但是每個構件有不同的構造細節(jié)，試件的構造差異如表1所示。3個試件的滯回曲線如圖6所示，從其力—位移曲線來看，試件的曲線形狀相似，節(jié)點在破壞之前其承載力和位移都呈現(xiàn)出上升的趨勢，但上升速率已明顯降低。試件SP-1承載力與位移最大，SP-2次之，SP-3最小。節(jié)點滯回曲線的包絡面積反應了節(jié)點的能量耗散能力，從彎矩—轉(zhuǎn)角曲線的飽滿程度可以看出，試件SP-1的節(jié)點轉(zhuǎn)動能力最好與耗能能力最好，SP-3次之，SP-2表現(xiàn)最差，這與節(jié)點力—位移曲線的分析結論是一致的。

試件SP-1在1個月前進行了試加載，由于冷作硬化的原因，節(jié)點的承載力有所提高，破壞時的最大位移值也都遠高于其他兩個試件，其中彈性極限位移、塑性極限荷載、塑性極限位移、破壞荷載、破壞位移對比后兩個試件分別提高了大約50%、10%、75%、28%、100%，其他指標提高的較少。SP-1的彈塑性轉(zhuǎn)角峰值接近于0.02rad，基本符合預期值，其余兩個試件表現(xiàn)較差。節(jié)點的延性系數(shù)和承載力儲備系數(shù)按下式計算：

式中：My為屈服彎矩，其相應的轉(zhuǎn)角為φy；Mu為極限彎矩，其相應轉(zhuǎn)角為φu。計算可得，SP-1的延性系數(shù)為2.3，其余兩試件為2；SP-1的承載力儲備系數(shù)為2，其余兩試件為1.6。

表1 試件構造差異Tab.1 Structural difference between specimens

3.2 截面應變分析

3個試件的截面應變分布基本一致，本文僅以試件SP-1為例進行分析。腹板水平應變、翼緣板水平與豎直應變分布如圖7所示，分別選取試件屈服前、屈服時及屈服后的荷載等級，研究應變的分布變化情況。本試驗以應變片的數(shù)值達到0.2%作為材料屈服的標志。

由圖7可知腹板處應變數(shù)值幾乎都在0.2%之內(nèi)，這表明在整個的加載過程中腹板幾乎都處于彈性階段，最終的破壞也是在翼緣板處，腹板未破壞。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，剪切板與腹板之間的相對變形量都在1.5mm之內(nèi)，完全可以忽略不計，這說明腹板處連接牢固可靠、無錯動變形。翼緣板應變數(shù)據(jù)表明，靠近節(jié)點焊接處應變值較大，距離越遠應變越小，在整個加載過程中大部分測點的數(shù)值都比較小，在0.2%附近，臨近焊縫處應變值較大，說明只有焊縫附近板材進入了塑性變形階段，整個試件的強度并沒有完全發(fā)揮出來。

試件的破壞是因為焊縫及臨近區(qū)域的板材發(fā)生了斷裂，其余部位無裂縫、無大變形，焊縫的質(zhì)量決定了整個試件的質(zhì)量。一般認為，焊縫附近區(qū)域存在“熱影響區(qū)”，區(qū)域內(nèi)金屬由于高溫作用內(nèi)部晶粒變化使材料塑性與韌性降低，冷卻后焊接處將存在殘余應力與殘余變形，影響區(qū)的存在可能降低母材的強度，破壞也往往發(fā)生在此處。工地現(xiàn)場焊接受工作條件的限制很難保證施工的質(zhì)量，極易存在裂縫、未焊透等初始缺陷，梁下翼緣板多采取高處仰焊作業(yè)，焊縫質(zhì)量難以檢查，試件破壞后對斷口的觀察發(fā)現(xiàn)，焊接處存在未焊透的情況。

3.3 截面尺寸的影響

對梁柱截面進行計算可得，柱子截面面積AZ＝47500 mm2，繞對稱軸慣性矩 IZX＝IZY＝1.791×109mm4；梁截面面積 AL＝16600mm2，繞對稱軸慣性矩ILX＝0.773×109mm4、ILY＝0.09× 109mm4。梁柱截面的面積比值達到了2.86，繞對稱軸慣性距比值分別達到了2.32和19.9，符合“強柱弱梁”的設計理念要求。但考慮到梁實際工作時與樓板協(xié)同受力，試件梁截面尺寸偏大。試驗當中節(jié)點域的測量值均不超過±1.5mm，考慮誤差因素可以認為在整個試驗過程中節(jié)點域無變形，柱子剛度足夠大。在Vayas I［17］等學者的試驗中節(jié)點域變形很大，主要是因為他們的試件截面尺寸偏小。

試件柱截面尺寸足夠，強度與剛度滿足要求，梁截面尺寸偏大，強度與剛度偏大，最終導致節(jié)點破壞時，梁翼緣板沒有充分發(fā)揮承載潛力便從焊縫及附近區(qū)域斷裂。一方面焊縫的質(zhì)量存在瑕疵，另一方面截面設計略有不合理也導致了結果的不理想。

3.4 加載方案與局部構造的影響

根據(jù)Wu S［18］等學者的理論，試驗加載方向與制度對試件最終的破壞模式和承載力沒有影響，試件都在下翼緣處斷裂。墊板與梁翼緣板的補焊措施改變了破壞模式，將斷裂面由梁-焊縫體交接處轉(zhuǎn)移至柱-焊縫體交接處，且改變了裂縫的發(fā)展方向；由于補焊只完成了一半，所以對承載力幾乎沒有影響。如果對墊板進行適當?shù)暮附犹幚硎蛊渑c翼緣板協(xié)同工作，應當可以提高節(jié)點的承載力。不考慮冷作硬化的影響，焊接后是否保留墊板對于節(jié)點的承載力影響不大，但是對節(jié)點延性有所影響，且兩者破壞模式不同，帶墊板的熔透對接坡口焊延性較好，且斷裂口位于梁-焊縫體交接處，而去除墊板的連接最終斷口位于柱-焊縫體交接處，且延性較差。

4 結論

本試驗結合檔案館的工程，設計了3個足尺邊柱鋼節(jié)點，采用低周循環(huán)加載的擬靜力試驗方法進行研究，結論如下：

（1）試件柱截面設計合理但梁截面偏大，最終節(jié)點于焊縫及附近區(qū)域脆性斷裂破壞，整個試件的承載潛力未得到充分發(fā)揮，延性系數(shù)與安全儲備均偏小，耗能能力較差。

（2）冷作硬化效應對提高整個構件的承載力與塑性位移有較大的幫助，但對試件的最終破壞模式無影響。

（3）梁腹板與剪切板通過高強螺栓連接，剪切板與鋼柱焊接的連接形式牢固可靠、承載力符合要求；梁翼緣板與鋼柱熔透坡口焊，保留墊板與否對承載力與變形影響不大，但對破壞模式有決定性作用；墊板與翼緣板的試驗前補焊加強改變了失效模式與裂縫的延伸方向，但對承載力的提高貢獻有限。

（4）加載方案與首次加載方向?qū)嫾男阅軣o影響。試驗時試件存在不同程度的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這與試驗裝置和試件本身都有關系，實際工作時梁與樓板協(xié)同受力，扭轉(zhuǎn)的可能性很小。

［1］ 易方民，高小旺，蘇經(jīng)宇.建筑抗震設計規(guī)范理解與應用（第二版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011，287-349.

［2］ Nakashima M，Inoue K，Tada M.Classification of damage to steel buildings observed in the 1995 Hyogoken?Nanbu earthquake［J］. Engineering Structures，1998，20（4）：271-281.

［3］ Mahin S A.Lessons from damage to steel buildings during the Northridge earthquake［J］.Engineering Structures，1998，20（4）：261-270.

［4］ Miller D K.Lessons learned from the Northridge earthquake［J］.Engineering Structures，1998，20（6）：249-260.

［5］ 吳兆旗，何田田，姜紹飛，等.鋼結構梁柱連接節(jié)點抗震性能研究進展［J］.福州大學學報（自然科學版），2011，39（5）：658-665.

［6］ 趙大偉，石永久，陳宏.低周往復荷載下梁柱節(jié)點的試驗研究［J］.建筑結構，2000，30（9）：3-6.

［7］ 中華人民共和國建設部.GB50011—2010建筑抗震設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［8］ 中華人民共和國建設部.JGJ99—98高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

［9］ 中華人民共和國建設部.GB50017—2003鋼結構設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［10］ Ryu H S，Oh S H，Lee M S.Seismic performance evaluation of moment resisting frames using high performance steel［J］.International Journal of Steel Structures，2011，11（2）：235-246.

［11］ Shi G，F(xiàn)an H，Bai Y，et al.Improved measure of beam?to?column joint rotation in steel frames［J］. Journal of Constructional Steel Research，2012，70：298-307.

［12］ Qureshi J，Mottram J T.Moment?rotation response of nominally pinned beam?to?column joints for frames of pultruded fibre reinforced polymer［J］.Construction＆Building Materials，2015，77：396-403.

［13］ Tong L，Chen Y，Chen Y，et al.Cyclic behavior of beam?to?column joints with cast steel connectors［J］. Journal of Constructional Steel Research，2016，116：114-130.

［14］ Mashaly E，El?Heweity M，Abou?Elfath H，et al. Finite element analysis of beam?to?column joints in steel frames under cyclic loading［J］.World Pumps，2011，50（5）：91-104.

［15］ Valente M，Castiglioni C A，Kanyilmaz A.Welded fuses for dissipative beam?to?column connections of composite steel frames：Numerical analyses［J］. Journal of Constructional Steel Research，2017，128：498-511.

［16］ Dan D，Ciutina A， Stratan A. Cyclic Tests of Double?Sided Beam?to?Column Joints［J］.Journal of Structural Engineering，2001，127（2）：129-136.

［17］ Vayas I，Schween T，Pasternak H.Cyclic Behavior of Beam?to?Column Steel Joints with Slender Web Panels［J］.Journal of Structural Engineering，1995，121（2）：240-248.

［18］ Wu S， Popov E P， TsaiK C. Experimental Performance of Seismic Steel Beam?Column Moment Joints［J］.Journal of Structural Engineering，1995，121（6）：925-931.

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

王書圣（1971—），男，碩士，高級工程師，主要從事建筑工程抗震與施工管理方面的研究。