樊建慧,王順華,黃炳生

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800;2.句容市消防設(shè)計(jì)審查中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

方鋼管柱具有各向等強(qiáng)、抗扭剛度較大、承載能力較強(qiáng)、抗腐蝕性能好、組成結(jié)構(gòu)輕巧美觀等優(yōu)點(diǎn);與H形鋼柱相比,用鋼量省,成本低;與圓鋼管柱相比,梁柱連接構(gòu)造簡(jiǎn)單,便于制作施工。方鋼管柱或方鋼管混凝土柱與H形鋼梁鋼框架結(jié)構(gòu)在日本等國(guó)廣泛應(yīng)用[1-2],國(guó)內(nèi)也已開始研究,并在多層鋼結(jié)構(gòu)房屋中進(jìn)行應(yīng)用[3-5]。但目前都是采用現(xiàn)場(chǎng)焊接的剛性梁柱連接方式,不能實(shí)現(xiàn)裝配化。

鋼框架的梁柱半剛性連接是通過高強(qiáng)螺栓和連接件(角鋼、T形鋼、端板等)把梁柱連接起來的。半剛性連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單,焊接工作在工廠完成,而在工地只需進(jìn)行高強(qiáng)螺栓連接,施工速度快、質(zhì)量易保證,構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的加工容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化,現(xiàn)場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)裝配化,有利于解決目前我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)存在的建造周期長(zhǎng)和勞動(dòng)生產(chǎn)率低等問題,因此對(duì)方鋼管柱鋼框架梁柱的半剛性連接的研究很有必要。

國(guó)內(nèi)外對(duì)H形鋼梁柱半剛性連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了較多研究[6-10],近年來,對(duì)方鋼管與H形鋼半剛性節(jié)點(diǎn)的研究逐漸開展。國(guó)外,France等[11]提出了矩形鋼管柱熱塑鉆螺栓連接節(jié)點(diǎn),并對(duì)此連接進(jìn)行了靜力性能的研究;日本開發(fā)出一種用于鋼管柱-H形鋼梁連接的單面擰緊螺栓(TCBB)[12]; Lee等[13]也對(duì)矩形鋼管柱-H形鋼梁?jiǎn)蚊鏀Q緊螺栓連接進(jìn)行了靜力性能研究;Waqas等[14]對(duì)采用盲眼螺栓和端板連接的方鋼管柱-H形鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力和循環(huán)加載試驗(yàn),研究了節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。國(guó)內(nèi),李維偉[15]根據(jù)國(guó)外單面擰緊螺栓技術(shù),對(duì)冷彎方管柱與H形鋼梁外伸端板連接和頂?shù)捉卿撨B接進(jìn)行了靜力有限元分析;王新堂等[16]通過在方管柱腹板上開圓孔,實(shí)現(xiàn)方管柱與H形鋼梁的螺栓連接,并進(jìn)行了靜力試驗(yàn);李國(guó)強(qiáng)等[17]給出了矩形鋼管柱端板單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的理論計(jì)算公式;楊曉杰等[18]對(duì)矩形鋼管柱平齊式端板對(duì)拉螺栓連接節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行了研究,節(jié)點(diǎn)抗彎剛度在后期下降很快,滯回曲線的捏攏效應(yīng)明顯,在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型。

然而,目前對(duì)方鋼管與H形鋼裝配式連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究較少。本文采用長(zhǎng)螺栓穿過方鋼管柱,實(shí)現(xiàn)柱與H形鋼梁的裝配式連接,進(jìn)行了2個(gè)采用方鋼管柱與鋼梁半剛性連接節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn),分析了循環(huán)荷載作用下節(jié)點(diǎn)的滯回性能、強(qiáng)度、延性、耗能能力、破壞特征等,為實(shí)現(xiàn)方鋼管柱與H形鋼梁的裝配式連接提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

以鋼框架邊節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)為試驗(yàn)對(duì)象,根據(jù)試驗(yàn)條件,設(shè)計(jì)、制作了2個(gè)方鋼管柱與H形鋼梁對(duì)穿螺栓節(jié)點(diǎn)試件STJB-01、STJB-02,結(jié)構(gòu)如圖1所示。STJB-01為邊節(jié)點(diǎn),STJB-02為中節(jié)點(diǎn)。采用H 250 mm×120 mm×5 mm×6 mm焊接鋼梁,柱為200 mm×200 mm×8 mm的冷成型方鋼管。鋼梁翼緣與T形連接件圍焊,2個(gè)T形連接件通過10.9級(jí)M16高強(qiáng)螺栓與方鋼管柱相連。鋼材為Q235-B,標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)結(jié)果:屈服強(qiáng)度(fy)=306.4 N/mm2,極限強(qiáng)度(fu)=417 N/mm2,彈性模量(E)=2.02×105N/mm2。

1.2 試驗(yàn)方案

邊節(jié)點(diǎn)和中節(jié)點(diǎn)試樣的試驗(yàn)裝置如圖2所示,為防止梁出現(xiàn)側(cè)向失穩(wěn),在梁端設(shè)置側(cè)向支撐,使梁端只能上下移動(dòng)而不能發(fā)生側(cè)向位移。柱的上下端為鉸支座,柱頂由千斤頂施加軸向荷載,梁端采用4個(gè)千斤頂施加反對(duì)稱往復(fù)循環(huán)荷載,通過液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行同步加載。

先分5級(jí)在柱頂施加荷載至N=250 kN,然后在梁端反對(duì)稱施加豎向荷載,每級(jí)加載約為預(yù)估屈服荷載的20%,接近預(yù)估屈服荷載時(shí),每級(jí)加載約為屈服荷載的10%,加載到節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)屈服;屈服后在梁端施加豎向低周反復(fù)荷載,加載改由位移控制,取屈服位移為位移步長(zhǎng),每級(jí)循環(huán)反復(fù)加載3次,直到試件破壞。

在每個(gè)試件梁端各布置1個(gè)位移計(jì)以測(cè)量該處的豎向變形,在靠近節(jié)點(diǎn)區(qū)梁柱間設(shè)置位移計(jì)以測(cè)量節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角(圖3)。為了了解節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)和傳力機(jī)制,在H形鋼梁翼緣、方鋼管柱翼緣及腹板和T形連接件上布置了應(yīng)變計(jì),如圖3所示。

圖3 應(yīng)變計(jì)布置(mm)Fig.3 Strain gages layout (mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)過程及現(xiàn)象

對(duì)試件STJB-01組裝時(shí),對(duì)10.9級(jí)M16高強(qiáng)螺栓按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)施加100 kN預(yù)拉力后,方鋼管柱翼緣由于面外受拉出現(xiàn)了向內(nèi)的凹曲變形。梁端荷載按每級(jí)15 kN逐漸施加,荷載達(dá)到71.82 kN時(shí),由于側(cè)向支撐設(shè)計(jì)上的不足,鋼梁出現(xiàn)了側(cè)向扭轉(zhuǎn),梁端千斤頂加載偏心,糾正后繼續(xù)加載,每級(jí)5 kN。由于對(duì)試件承載力估計(jì)不足,靜力加載直至112.86 kN。對(duì)STJB-01試樣進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn),由于鋼梁側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形的影響,使得試件在第1個(gè)循環(huán)未完成時(shí),鋼梁翼緣就出現(xiàn)了屈曲變形(圖4(a)),當(dāng)梁端位移為53.23 mm時(shí),梁端荷載(Pu)達(dá)到最大,為128.25 kN。破壞時(shí),T形連接件與方鋼管柱之間出現(xiàn)較大的間隙,T形連接件翼緣變形較大,方鋼管柱腹板出現(xiàn)較大的鼓曲現(xiàn)象(圖4(b)),與T形連接件端板相接觸的方鋼管柱翼緣變形更大(圖4(c))。這是由于方鋼管柱翼緣和T形連接件翼緣都承受來自螺栓的面外拉力,從而導(dǎo)致翼緣發(fā)生較大的內(nèi)凹曲變形及腹板的向外鼓曲變形。

圖4 STJB-01試件破壞情況Fig.4 Failures of STJB-01 specimen

與試件STJB-01一樣,對(duì)試件STJB-02組裝時(shí),對(duì)10.9級(jí)M16高強(qiáng)螺栓按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)施加100 kN預(yù)拉力后,方鋼管柱壁出現(xiàn)向內(nèi)凹曲變形(圖5(a))。對(duì)試件STJB-02進(jìn)行靜力加載,梁端荷載按每級(jí)12 kN逐漸施加,當(dāng)梁端荷載到第6級(jí)加載后,進(jìn)行低周反復(fù)加載。當(dāng)梁端位移達(dá)到45.00 mm時(shí),方鋼管柱壁鼓曲變形較大(圖5(b)),穿芯高強(qiáng)螺栓的螺帽出現(xiàn)松動(dòng);當(dāng)梁端位移為106.18 mm時(shí),梁端荷載達(dá)到最大,為71.82 kN,之后梁端荷載開始下降。由于方鋼管柱腹板的鼓曲,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入大變形階段(圖5(c)),剛度退化嚴(yán)重,當(dāng)梁端位移為114.59 mm時(shí),梁端荷載為61.56 kN,停止加載。由于對(duì)鋼梁的側(cè)向支撐進(jìn)行了改進(jìn),有效地防止了鋼梁的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形,保證了試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

圖5 STJB-02試件破壞情況Fig.5 Failures of STJB-02 specimen

2.2 靜力性能

試件單調(diào)加載時(shí),梁端荷載-位移及彎矩-轉(zhuǎn)角曲線分別如圖6和7所示。由圖6和7可以看出:在靜力加載初期,梁端荷載與位移之間的關(guān)系基本呈直線變化,節(jié)點(diǎn)也處于彈性工作狀態(tài);而彎矩-轉(zhuǎn)角曲線在荷載較小時(shí)就有非線性關(guān)系。試件的屈服荷載、屈服位移、節(jié)點(diǎn)彈性極限轉(zhuǎn)角和彎矩以及初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度如表1所示。由表1可知:STJB-02的屈服位移比STJB-01的大,這是因?yàn)槭中喂?jié)點(diǎn)兩側(cè)梁端均有荷載作用;STJB-01與STJB-02初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度相差不大,但STJB-02初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度略大,這可能是由于STJB-01在高強(qiáng)度螺栓擰緊時(shí)，方鋼管柱產(chǎn)生的凹曲變形較大。

圖6 試件的荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of specimens

圖7 試件的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.7 Moment-rotation curves of specimens

表1 試件彈性特性

2.3 滯回曲線和骨架曲線

試件STJB-01和STJB-02的滯回曲線分別如圖8和9所示。由圖8可知:由于鋼梁在一周循環(huán)加載還沒有完成,就過早地側(cè)向失穩(wěn)破壞,滯回曲線不完整,但仍可以看出滯回曲線的捏攏現(xiàn)象。由圖9可知:第1級(jí)荷載循環(huán)下的滯回曲線呈梭形;但在第2級(jí)荷載循環(huán)下,試件剛度退化,滯回曲線呈S形,出現(xiàn)明顯的捏攏現(xiàn)象,該級(jí)荷載為試件的最大荷載(71.82 kN),這主要是由于試件在71.82 kN荷載作用下,方鋼管壁出現(xiàn)了明顯的屈曲變形。試件STJB-02的骨架曲線如圖10所示。由圖10可知:梁端荷載-位移與節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角骨架曲線具有非常相似的形狀,骨架曲線可以分為彈性階段、強(qiáng)化階段和破壞階段,可以用雙線性曲線表達(dá)。根據(jù)STJB-02的骨架曲線得到的試件特征值見表2,試件位移延性達(dá)到了3.36。試件STJB-02滯回曲線的能量耗散系數(shù)為1.39,等效黏滯阻尼系數(shù)為0.22,這表明STJB-02遠(yuǎn)小于方鋼管混凝土柱穿芯螺栓端板連接節(jié)點(diǎn)、H形鋼柱端板連接節(jié)點(diǎn)及方鋼管混凝土柱剛性節(jié)點(diǎn)的耗能能力[19-22]。

圖8 試件STJB-01滯回曲線Fig.8 Hysteresis loops of STJB-01 specimen

圖9 試件STJB-02滯回曲線Fig.9 Hysteresis loops of STJB-02 specimen

圖10 試件STJB-02骨架曲線Fig.10 Envelop curves of STJB-02 specimen

表2 試件STJB-02的特征值

2.4 應(yīng)變分析

圖11為試件T形連接件腹板6#、7#和8#處的應(yīng)變。由圖11可以看出:T形連接件腹板上的應(yīng)變大致呈中部較小而兩側(cè)較大的U形對(duì)稱分布,隨著鋼梁端部荷載的逐漸增大,T形連接件腹板在柱角位置的應(yīng)變?cè)龃筝^快,而截面中間增大較慢,而且隨著荷載增大,這種不均勻性增大。STJB-01在靜力加載超過61.56 kN后,T形連接件腹板在柱角位置開始屈服,但在進(jìn)入循環(huán)加載前,腹板中部應(yīng)變?nèi)栽趶椥苑秶?STJB-02在循環(huán)荷載達(dá)到最大值71.82 kN時(shí),T形連接件腹板在柱角位置屈服,腹板中部應(yīng)變?nèi)栽趶椥苑秶?拉應(yīng)變與壓應(yīng)變呈相同規(guī)律。

圖11 T形連接件腹板應(yīng)變分布Fig.11 Strain on section of the T web

圖12和13分別為STJB-02試件T形連接件腹板和鋼梁翼緣的應(yīng)變隨荷載變化曲線。由圖12和13可以看出:當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞時(shí)，6#、8#處在正向荷載下已達(dá)屈服,其他各應(yīng)變片始終處在彈性階段,說明STJB-02半剛性節(jié)點(diǎn)主要在T形連接件腹板發(fā)生塑性變形。梁端彎矩主要通過鋼梁翼緣和T形連接件傳給高強(qiáng)螺栓與方鋼管柱。6#與8#、9#與10#、11#與12#、13#與14#的應(yīng)變變化形狀分別大致相同,說明側(cè)向支撐改進(jìn)后對(duì)鋼梁端部形成有效的側(cè)向支撐,使梁端加載基本保持對(duì)中。

圖12 STJB-02試件T形連接件腹板應(yīng)變隨荷載變化曲線Fig.12 Strain on the T web varying with the load of STJB-02 specimen

圖13 STJB-02試件鋼梁翼緣應(yīng)變隨荷載變化曲線Fig.13 Strain on the beam flang varying with the load of STJB-02 specimen

圖14為STJB-02試件節(jié)點(diǎn)區(qū)1#、2#、3#、5#處應(yīng)變隨荷載變化曲線。由圖14可以看出:方鋼管柱腹板各應(yīng)變花處鋼材均達(dá)到屈服,但應(yīng)變曲線包圍的面積較小,表明節(jié)點(diǎn)的耗能能力差,這是由于方鋼管柱出現(xiàn)了嚴(yán)重的鼓曲變形。鋼梁腹板中部的5#應(yīng)變花在3個(gè)方向的應(yīng)變均較小,說明鋼梁的腹板受力較小,腹板有很高的承載力。

圖14 STJB-02試件節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)變隨荷載變化曲線Fig.14 Strain on panel zone varing with the load of STJB-02 specimen

3 結(jié)論

1)由于方鋼管柱壁較薄,在施加螺栓預(yù)拉力時(shí),面外受拉發(fā)生內(nèi)凹曲變形,從而降低了節(jié)點(diǎn)的承載力。

2)由于方鋼管柱壁的屈曲,方鋼管柱-H形鋼梁對(duì)穿螺栓連接節(jié)點(diǎn)的滯回曲線發(fā)生捏攏現(xiàn)象,節(jié)點(diǎn)抗震性能差,能量耗散系數(shù)和等效黏滯阻尼系數(shù)遠(yuǎn)小于方鋼管混凝土柱、H形鋼柱端板連接節(jié)點(diǎn)。

3)方鋼管柱-H形鋼梁對(duì)穿螺栓連接節(jié)點(diǎn)的骨架曲線可以分為彈性階段、強(qiáng)化階段和破壞階段,可以用雙線形曲線表達(dá)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)破壞時(shí),T形鋼腹板達(dá)到屈服,但應(yīng)變分布不均勻。

4)方鋼管柱-H形鋼梁對(duì)穿螺栓連接宜在節(jié)點(diǎn)區(qū)對(duì)柱壁進(jìn)行加強(qiáng),從而提高節(jié)點(diǎn)的承載力和耗能能力。