陳艷丹，文 華，孫新坡，陳陽國，程 倩

(1.四川輕化工大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；3.成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051)

0 引言

近年來，我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展成為熱點(diǎn)，國家大力推廣具有綠色環(huán)保、高效施工、拆卸方便等技術(shù)優(yōu)勢的裝配式鋼結(jié)構(gòu)[1-2]。梁柱連接節(jié)點(diǎn)作為鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)，其設(shè)計(jì)和施工尤為復(fù)雜，對整個(gè)鋼框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能存在直接影響。方鋼管柱因其2個(gè)主軸截面剛度相同、承載力也較相近等優(yōu)勢，而在鋼結(jié)構(gòu)建筑中被廣泛應(yīng)用。目前，方管柱和H型鋼梁的主要連接形式為焊接或栓焊共同連接，存在現(xiàn)場焊接質(zhì)量難以保證、殘余變形過大、降低疲勞壽命、施工效率低等諸多問題。這些問題阻礙了鋼結(jié)構(gòu)的裝配化、工廠化發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的連接形式進(jìn)行了一系列創(chuàng)新和研究。Ghobadi等[3]對方鋼管柱-外伸端板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，研究發(fā)現(xiàn)角焊縫代替坡口焊縫能抑制初始裂縫產(chǎn)生，T形加勁肋的水平板減小了切變強(qiáng)度。張愛林等[4]提出一種新型方鋼管柱桁架梁節(jié)點(diǎn)，并對其進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)的極限承載力與節(jié)點(diǎn)板和桁架梁腹桿形式均有很大關(guān)系，而節(jié)點(diǎn)剛度僅僅與節(jié)點(diǎn)板厚度有關(guān)。王燕等[5-6]通過采用擬靜力試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬等方法，設(shè)計(jì)了3個(gè)裝配式梁柱內(nèi)套筒組合螺栓連接中柱節(jié)點(diǎn)試件，對其抗震性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)屬于半剛性連接節(jié)點(diǎn)，具有良好的抗震性能。韓慶華等[7-8]對方鋼管柱-H型鋼梁鑄鋼整體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)域、梁端、柱端以及內(nèi)加勁肋一體化澆鑄成鑄鋼整體節(jié)點(diǎn)，通過試驗(yàn)證明鑄鋼整體節(jié)點(diǎn)性能優(yōu)良。Liu等[9]采用頂?shù)捉卿撌絾蜗蚵菟ㄟB接的方式對矩形鋼管柱與H型鋼梁進(jìn)行連接，研究其在軸向拉力作用下的受力性能，研究結(jié)果表明，該連接形式的受彎承載力主要與單向螺栓和梁翼緣間距、矩形鋼管柱壁厚度有關(guān)。張愛林等[10]、張艷霞等[11-12]提出一種便于高效連接的箱形柱芯筒式雙法蘭連接的設(shè)計(jì)方法，以此連接方法設(shè)計(jì)了1榀5層的原型結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行擬動力和擬靜力試驗(yàn)，研究其各項(xiàng)力學(xué)性能。

綜上所述，當(dāng)前方鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點(diǎn)連接形式主要集中在焊接和栓焊連接，針對全螺栓連接節(jié)點(diǎn)上的研究還相對較少。全螺栓連接節(jié)點(diǎn)形式屬于典型的半剛性連接節(jié)點(diǎn)，在進(jìn)行荷載傳遞時(shí)有一定柔性，可很好地耗散地震能量，使節(jié)點(diǎn)避免過早發(fā)生脆性破壞。因此，為了簡化裝配式鋼結(jié)構(gòu)連接工序，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)件可替換的目標(biāo)，本文提出一種新型裝配式法蘭盤組合螺栓連接節(jié)點(diǎn)，并對4種不同法蘭盤厚度、法蘭盤長度的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，研究其滯回性能、承載力、延性、耗能能力及剛度退化等抗震性能，以期為該節(jié)點(diǎn)在工程上的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

為了簡化裝配式鋼結(jié)構(gòu)連接工序，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)件可替換的目標(biāo)，本文提出一種法蘭盤組合連接節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)主要由方鋼管柱、工字形鋼梁、法蘭盤3部分構(gòu)成，其構(gòu)造形式如圖1所示。

圖1 法蘭盤組合梁柱節(jié)點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)法蘭盤組合節(jié)點(diǎn)中的框架柱為方鋼管柱，保持柱面貫通，框架梁為H型鋼截面梁。第1部分是柱面套板組件，由方鋼管柱與兩側(cè)柱翼緣套板全熔透焊接而成，柱翼緣套板由不等邊角鋼通過工廠焊接固定在方鋼管柱的某一柱面兩側(cè)。第2部分是法蘭盤連接件，由法蘭盤內(nèi)套與法蘭盤外套組合而成。第3部分是局部預(yù)留螺栓孔洞的普通H型鋼截面梁。方鋼管柱兩側(cè)柱翼緣套板和法蘭盤外套翼緣套板分別通過8個(gè)高強(qiáng)螺栓實(shí)現(xiàn)連接。H型鋼梁插入法蘭盤內(nèi)套中，法蘭盤內(nèi)套與H型鋼梁用4個(gè)高強(qiáng)螺栓連接，從而完成方鋼管柱與H型鋼梁連接。

在梁端彎矩作用下，梁發(fā)生變形，通過4個(gè)高強(qiáng)螺栓將荷載傳遞給法蘭盤內(nèi)套腹板，法蘭盤外套翼緣套板再通過8個(gè)高強(qiáng)螺栓將荷載傳遞給柱翼緣套板和方鋼管柱壁。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種不同法蘭盤厚度及長度參數(shù)的節(jié)點(diǎn)試件，試件編號為FJD-1N～FJD-4N，模型縮尺比為1∶2。鋼材均選用Q345B級鋼，方鋼管柱截面尺寸為250mm×250mm×10mm，柱高取為1.5m，H型鋼梁計(jì)算長度為1.5m，截面尺寸為300mm×150mm×6.5mm×9mm，采用直徑為20mm的10.9級摩擦型高強(qiáng)螺栓。試件具體尺寸如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)試件編號及設(shè)計(jì)

2.2 材性試驗(yàn)

GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》[13]規(guī)定，在方鋼管柱、H型鋼梁及其他鋼板上對應(yīng)位置切取試驗(yàn)所需拉伸試件，不同厚度參數(shù)的拉伸試件制作各3個(gè)，共6種合計(jì)18個(gè)拉伸試件。使用萬能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行單軸應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)€拉伸試驗(yàn)[14]，各鋼材的力學(xué)性能如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件材料性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 試驗(yàn)加載設(shè)置

擬靜力試驗(yàn)采用MTS液壓伺服加載控制系統(tǒng)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)循環(huán)加載。試件加載裝置如圖2所示，將試件豎直放置，方鋼管柱與地面通過地錨螺栓進(jìn)行連接，利用水平限位螺栓限制其水平滑移，加載點(diǎn)位于H型鋼梁梁端，H型鋼梁與MTS液壓伺服加載控制系統(tǒng)通過自制連接錨具連接，達(dá)到剛性連接狀態(tài)。試驗(yàn)采用位移變幅加載方式，在試驗(yàn)過程中以加載位移作為控制量，每級位移加載增幅為4mm，且每級循環(huán)3次，直到梁端荷載顯著下降或試件不能穩(wěn)定承受荷載時(shí)停止加載。試驗(yàn)加載制度如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

圖3 位移控制變幅加載制度

2.4 測點(diǎn)布置

根據(jù)研究內(nèi)容，在試件的各關(guān)鍵位置處分別布置相應(yīng)的應(yīng)變片以檢測擬靜力試驗(yàn)過程中鋼材的應(yīng)變變化，如應(yīng)變片Z1～Z12布置在方鋼管內(nèi)側(cè)處，應(yīng)變片Y1～Y5布置在柱翼緣套板螺栓間，應(yīng)變片L1～L8布置在H型鋼梁腹板及翼緣上的關(guān)鍵位置，應(yīng)變片F(xiàn)1～F16布置在法蘭盤連接件的關(guān)鍵位置。對節(jié)點(diǎn)域及主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)變檢測，具體元件布設(shè)如圖4所示。

圖4 測試元件布設(shè)示意

梁端的水平位移將采用YHD-200型拉線式位移計(jì)測得。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，即可測得梁端荷載(P)與梁端水平位移(Δ)的數(shù)值。位移計(jì)S1，S2用于測量法蘭盤連接件變形，位移計(jì)S3，S4用于測量方鋼管柱壁變形，磁致伸縮線性位移傳感器H1，H2用于配合作動器測量梁端加載水平位移，如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在保證焊縫質(zhì)量的前提下，4種法蘭盤組合節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)中出現(xiàn)2種破壞模態(tài)：第1種是梁端出現(xiàn)明顯塑性鉸，第2種是法蘭盤蓋板與法蘭盤內(nèi)套的焊縫發(fā)生撕裂破壞。

以試件FJD-1N為例，當(dāng)加載至28mm，法蘭盤組件與柱翼緣套板間發(fā)生轉(zhuǎn)動，并伴隨較大響聲。加載至68mm，梁端下80mm處梁翼緣發(fā)生鼓曲，腹板油漆產(chǎn)生疏松；繼續(xù)加載至76mm，梁翼緣鼓曲明顯。隨著往復(fù)位移逐漸增大，H型鋼梁上形成明顯的塑性鉸。加載至86mm，鋼梁腹板出現(xiàn)鼓曲。繼續(xù)加載至100mm，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)角，加載完畢，試驗(yàn)停止，如圖5a所示。后幾組試件的破壞過程較相似，但最終破壞模式存在差別。試件FJD-2N，F(xiàn)JD-3N，F(xiàn)JD-4N法蘭盤蓋板與內(nèi)套焊縫發(fā)生撕裂破壞，但撕裂程度不同，以FJD-2N為例，如圖5b所示。

圖5 試件最終破壞模式

在往復(fù)加載作用下，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段，節(jié)點(diǎn)處的鋼梁端部及距離1/3位置處均產(chǎn)生塑性變形。節(jié)點(diǎn)中鋼梁與鋼柱通過法蘭盤連接件采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，螺栓限制了鋼柱與梁的轉(zhuǎn)動，在加載過程中節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生塑性鉸，表明節(jié)點(diǎn)處能傳遞一定彎矩，且具有一定的轉(zhuǎn)動能力，故節(jié)點(diǎn)較符合半剛性連接的受力情況。

3.2 荷載-位移滯回曲線

P-Δ滯回曲線為用節(jié)點(diǎn)試件在低周往復(fù)荷載作用下通過MTS液壓伺服加載控制系統(tǒng)記錄的水平荷載-位移關(guān)系曲線。各試件的P-Δ滯回曲線如圖6所示，由圖可得到以下結(jié)論。

圖6 荷載-位移滯回曲線

1)各試件滯回曲線的正負(fù)向形態(tài)并不完全對稱，反映了法蘭盤節(jié)點(diǎn)傳力方式與傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)的不同，在水平荷載作用下，梁底部受彎矩和剪力共同作用，每級循環(huán)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)兩側(cè)法蘭盤底板將呈現(xiàn)一側(cè)受拉(壓)，由于節(jié)點(diǎn)區(qū)高強(qiáng)螺栓將承受壓(拉)力，致使另一側(cè)法蘭盤底板不承受荷載。此外，當(dāng)一側(cè)法蘭盤底板產(chǎn)生塑性變形后，在下一級循環(huán)荷載作用下，該側(cè)梁承載力將顯著低于另一側(cè)，即產(chǎn)生了“蹺板現(xiàn)象”，加大了裝配式法蘭盤節(jié)點(diǎn)的滑移。

2)滯回曲線幾乎呈“弓”形形態(tài)，反映出整個(gè)節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力較強(qiáng)，可較好地吸收地震能量，但曲線也表現(xiàn)出一定程度的“捏縮”現(xiàn)象，顯示出滯回曲線受到法蘭盤轉(zhuǎn)動滑移的影響。

3)由于試件H型鋼梁與法蘭盤連接件中存在間隙，以及柱翼緣套板與法蘭盤翼緣套板間相互錯(cuò)動的影響，使得翼緣套板上高強(qiáng)螺栓的往復(fù)位移較大，部分能量耗散在法蘭盤變形之中。因此，在整個(gè)加載過程中，梁端未出現(xiàn)較明顯范圍的塑性區(qū)域，故滯回曲線上無明顯的屈服平臺和下降階段。

3.3 荷載-位移骨架曲線

連接各控制位移峰值點(diǎn)，得到各試件滯回曲線的骨架曲線[15]，對比各試件峰值后強(qiáng)度退化速率和變形能力，各試件的骨架曲線匯總?cè)鐖D7所示。由圖可見，4個(gè)試件在加載過程中均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段，表現(xiàn)出良好的塑性變形能力，4個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的骨架曲線均出現(xiàn)下降后回升的現(xiàn)象說明，該新型節(jié)點(diǎn)在受力過程中會形成2個(gè)塑性鉸，其中1個(gè)在法蘭盤區(qū)域形成，隨著位移的增大，塑性鉸繼續(xù)形成并逐漸外移，最終在梁端形成塑性鉸。因此，使用裝配式法蘭盤組合節(jié)點(diǎn)提高了節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力。

圖7 節(jié)點(diǎn)試件骨架曲線匯總

3.4 節(jié)點(diǎn)承載力與延性分析

節(jié)點(diǎn)試件在擬靜力試驗(yàn)中經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段、極限階段以及破壞階段4個(gè)階段。通過對節(jié)點(diǎn)試件骨架曲線的分析可得到節(jié)點(diǎn)的極限位移、極限荷載、屈服位移及屈服荷載等。加載方向規(guī)定推為“+”，拉為“-”，如表3所示。

由表3可看出，得出以下結(jié)論。

表3 節(jié)點(diǎn)荷載及位移值

1)FJD-1N比FJD-2N的承載力高約40%，節(jié)點(diǎn)FJD-3N比FJD-4N的承載力高約43%。法蘭盤節(jié)點(diǎn)區(qū)截面剛度較大時(shí)，增加法蘭盤長度，即法蘭盤節(jié)點(diǎn)區(qū)塑性鉸區(qū)增大時(shí)，可提高該種節(jié)點(diǎn)的屈服承載力和極限承載力。而當(dāng)法蘭盤節(jié)點(diǎn)區(qū)截面剛度較小時(shí)，增加法蘭盤節(jié)點(diǎn)塑性鉸區(qū)時(shí)，并不能提高節(jié)點(diǎn)的承載力。因此，當(dāng)截面剛度較大時(shí)，增加法蘭盤長度是提高節(jié)點(diǎn)承載力的一種有效手段。

2)FJD-1N比FJD-3N的承載力高約53%。法蘭盤節(jié)點(diǎn)塑性鉸區(qū)較長時(shí)，增加法蘭盤厚度，即增大法蘭盤節(jié)點(diǎn)區(qū)截面剛度，可提高該種節(jié)點(diǎn)的屈服承載力和極限承載力。

3)FJD-1N比FJD-3N承載力高約15%。由此可見，同時(shí)增加法蘭盤厚度和長度，即同時(shí)增大法蘭盤連接件剛度和節(jié)點(diǎn)塑性鉸區(qū)，可有效提高該種新型節(jié)點(diǎn)的承載力。因此，在實(shí)際工程中，可根據(jù)實(shí)際需要選擇合適厚度和長度的法蘭盤。

延性通常用延性系數(shù)μ[16]來確定，延性系數(shù)越大越能說明結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑性變形能力越好，其耗能能力越強(qiáng)。各試件位移延性系數(shù)如表4所示。

表4 試件延性系數(shù)

由表4可看出，試件FJD-1N和FJD-3N的延性系數(shù)均>3.0，表現(xiàn)出較好的塑性變形能力。FJD-2N的承載力比FJD-4N高，但FJD-2N的延性卻沒FJD-4N好，說明剛度(即法蘭盤厚度)對承載力影響較大，塑性鉸區(qū)長度(即法蘭盤長度)對延性性能影響較大。若節(jié)點(diǎn)剛度較大，增加法蘭盤厚度可提高節(jié)點(diǎn)的延性性能；對比節(jié)點(diǎn)FJD-3N與FJD-4N分析結(jié)果，說明節(jié)點(diǎn)剛度較小時(shí)，增加法蘭盤厚度反而會降低節(jié)點(diǎn)的延性性能。對比節(jié)點(diǎn)FJD-1N與FJD-3N分析結(jié)果，說明同時(shí)增加法蘭盤厚度和長度可適時(shí)提高節(jié)點(diǎn)的延性性能。

3.5 耗能能力

各試件耗能曲線如圖8所示，根據(jù)彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線定量計(jì)算[17]每級加載位移下試件的耗能。

圖8 各節(jié)點(diǎn)耗能曲線

由圖8可看出，在加載初期，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能能力呈線性增長。加載至32mm，各節(jié)點(diǎn)的耗能曲線發(fā)生分離，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能過程中除了FJD-4N以外其余3個(gè)節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)耗能回升現(xiàn)象，是由于節(jié)點(diǎn)試件前期主要是靠法蘭盤連接件來耗散能量，當(dāng)法蘭盤已發(fā)生變形時(shí)，耗能能力出現(xiàn)下降段，但隨著位移加載的繼續(xù)，塑性鉸繼續(xù)發(fā)展并在梁端形成塑性鉸，又出現(xiàn)耗能能力的增長。因此，可見裝配式法蘭盤組合節(jié)點(diǎn)可出現(xiàn)二次耗能，大大提高了耗能能力。

3.6 剛度退化

剛度退化程度以剛度退化系數(shù)來等效表示，剛度退化系數(shù)則是通過割線剛度來進(jìn)行計(jì)算。各試件剛度退化曲線如圖9所示。

由圖9可看出，通過對法蘭盤厚度為6，8mm進(jìn)行對比，厚度為8mm的節(jié)點(diǎn)試件的初始剛度較大，在進(jìn)入加載后期時(shí)節(jié)點(diǎn)試件的剛度退化程度趨于平穩(wěn)；厚度為6mm的節(jié)點(diǎn)試件在第1級循環(huán)加載后剛度退化程度較大，且在繼續(xù)加載后剛度有明顯回升趨勢。這說明法蘭盤厚度對初始剛度及最終剛度退化程度，以及剛度退化趨勢均有較大影響。

4 結(jié)語

1)通過擬靜力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼梁與鋼柱間采用螺栓連接，節(jié)點(diǎn)處能傳遞一定的彎矩，是典型的半剛性連接節(jié)點(diǎn)。該新型節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出足夠的承載力、較好的剛度及耗能能力，證明其具有良好的抗震性能。

2)新型節(jié)點(diǎn)在法蘭盤厚度和長度相匹配情況下，法蘭盤連接件在加載過程中出現(xiàn)屈服且形成第1個(gè)塑性鉸，梁腹板出現(xiàn)屈服形成第2個(gè)塑性鉸。法蘭盤對其長度范圍內(nèi)的梁翼緣起到了加強(qiáng)作用，試件塑性鉸遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)域，出現(xiàn)在距柱壁1/3梁高處。

3)梁端節(jié)點(diǎn)區(qū)截面剛度較大，增加法蘭盤的長度可提高該種節(jié)點(diǎn)的屈服承載力和極限承載力40%以上，節(jié)點(diǎn)塑性鉸區(qū)較長，增加法蘭盤的厚度可提高該種節(jié)點(diǎn)的屈服承載力和極限承載力50%以上，均可有效減小法蘭盤的變形和節(jié)點(diǎn)的剛度退化，并提高節(jié)點(diǎn)的延性及耗能能力。